Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 73
Текст из файла (страница 73)
При обработке опытных данных коэффициент теплопроводности определялся по аднабатпой температуре стенки, а остальные физические параметры — по термодинамической температуре потока. Определяющий размер — диаметр сферы. Сопоставление результатов обработки экспериментальных данных на основе формулы (11.29) по теплоотдаче при свободном и вынужденном движении позволяет заключить, что эта формула в основном правильно отражает влияние температурного скачка на процесс теплообмена.
Об этом свидетельствует стабильность величины гр, которая для различных условий течения воздуха и разных форм тел имеет почти одинаковое значение. Поэтому для приближенных расчетов формула (11.29) может быть использована и для тел, тепло- отдача которых в разреженном газе не исследовалась. Следует, одна- 14ц = 1,075 — 1,22.
'г'и е м (11. 30) Здесь за определяющий размер взят диаметр шарика, а числа М и йе определены по параметрам потока до ударной волны. й 5. Коэффициент восстановления температуры в разреженном газовом потоке При большой скорости течения разреженного газа тепловой поток к стенке или от стенки определяется, как и для плотной среды, по формуле (!0.20). Для расчета теплового потока в этих условиях не- обходимо оценивать коэффициент восстановления температуры г, величина которого зависит от степени разреженности газового пото- ка. Исключив из формул (10.6) и (10.7) число М, получим выраже- ние для коэффициента восстановления температуры Т, — 7'/ г= т) — т, (11.31) Из соотношения (11.19) следует, что Из формулы (10.6) легко найти т* — т/ — = — М = — зэ, т> 2 ь (11.
32) (11.33) 403 ко, оговориться, что этой формулой нельзя пользоваться для оценки теплоотдачи при больших числах Маха, так как выражение для температурного скачка (11.2), использованное при ее выводе, для больших скоростей записывается иначе. Числовые значения ф, полученные в опытах, показывают, что при течении газа со скольжением дополнительное тепловое сопротивление создается не только вследствие температурного скачка, но и вследствие изменения условий теплообмена в пограничном слое. В самом деле, величине ~р = 2,3 соответствует коэффициент аккомодации а = 0,573, тогда как непосредственно измеренные для воздуха величины коэффициентов аккомодации а = 0,87 — 0,97.
Следовательно, дополнительное тепловое сопротивление при течении газа со скольжением больше теплового сопротивления, обусловленного скачком температур. Формулы для расчета коэффициента теплоотдачи в условиях температурного скачка получаются также путем непосредственного обобщения результатов эксперимента. Так, опытные данные по теплоотдаче шаров в потоке воздуха со скольжением, полученные при М = 2,24 — 3,56, Ке = !6 — 980 и М/)/ Ке = 0,12 — 0,56, хорошо описываются уравнением подобия Разделив выражение (11,32) на (11,33), получим формулу для коэффициента восстановления температуры в свободно-молекулярном потоке гсм ~1+28 ) (г ! г е Р Ь+! е ~ Р+К (11.34) е гс = — Х ь+! )Га (2ее+ !) е е(п () ег! (е.ып !))+2гее (! 1.35) Ф 1)Гм е е(и Р ег! (е.е(и Р) + е ' "" 1 При и = 0 эта формула приводится к виду г = — .
(! !35) 2(г см „+! Из этой формуль> йб видно, что в свободно- молекулярном потоке г > ! и больше, чем в плотных потоках. Этот вывод получил экспериментальное подтверждение. йп йш дбб дбб (г Ю 4б би ггб к На рис. 11.8 показаны результаты обобшеРпс. ! !.8 ния опытных данных по коэффициентам восстановления температуры г для разреженных потоков, выполненного дьюи. Коэффициенты г измерены при поперечном обтекании цилиндра воздухом при М = 1,9 — 5,8. Здесь 44 г — гс г= гсм "л где г„— коэффициент восстановления в плотном ламинарном потоке, принятый равным 0,94; г — коэффициент восстановления в промежуточной области.
Из рисунка видно, что увеличение степени разреженности газа з промежуточной области течения сопровождается увеличением коэф. фициента г, который в области свободно-молекулярного течения достигает наибольшего значения. Из этого выражения можно получить формулы, позволяюшие рассчитывать г зля тел различной формы. Так, для пластины, расположенной под углом и к свободно-молекулярному потоку, полу- чается ГЛАВА Х11 ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ И ПРИ ПОДВОДЕ ИНОРОДНОГО ВЕЩЕСТВА В ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОН Фазовые превращения вещества (кипение, испарение, конденсация, сублимация) сопровождаются существенным изменением условий теплообмена около поверхности.
Переход теплоносителя из одного агрегатного состояния в другое влияет на механизм и интенсивность теплообмена, При подводе газа в пограничный слой через пористую стенку фазовое превращение теплоносителя отсутствует, но механизм теплообмена при этом имеет много общего с теплообменом при испарении, Поэтому теплоотдача при подводе вещества в пограничный слой рассматривается также в этой главе.
Процессы теплообмена при изменении агрегатного состояния и при подводе инородного вещества в пограничный слой имеют большое значение в авиационной и ракетной технике. Эти процессы имеют место в системах тепловой зацгиты летательных аппаратов и силовых установок, они являются составной частью процесса горения, могут использоваться в теплообменных аппаратах космических силовых установок. $ 1. Теплоотдача при кипении в большом объеме При кипении процесс теплообмена между жидкостью и поверхностью нагрева сопровождается превращением жидкости в пар. Изменение температуры по толц1ине слоя жидкости, кипящей в большом объеме без вынужденного движения прн нормальном давлении, показано на рис, 12.1 (! — расстояние от поверхности нагрева).
Пар, находящийся над поверхностью кипящей жидкости, имеет температуру насыщения. По толщине слоя кипящей жидкости температура изменяется слабо, за исключением участка, непосредственно прилегающего к стенке. Ббльшая часть жидкости имеет температуру, которая только на 0,4 — 0,8' превышает температуру насыщения. В пристеночном слое жидкость перегревается; ее температура выше температуры насыщенного пара.
Перегрев жидкости вблизи стенки оказывается возможным потому, что здесь нет постоянной поверхности раздела жидкости н пара, а процесс парообразования может происходить только после возникновения паровых пузырьков, Такие пузырьки возникают в центрах парообразования, Вероятность возникновения паровых пузырьков увеличивается с ростом степени перегрева жидкости. Поэтому наиболее благоприятные условия для возникновения пузырьков создаются на поверхности нагрева. При этом центрами парообразования служат шероховатости поверхности нагрева, а также пузырьки воздуха или пара, выделяющиеся из жидкости или твердой стенки. Пар имеет меньшую теплопроводность, чем жидкость, поэтому вблизи пузырька перегрев жидкости на поверхности нагрева увеличивается.
Размеры пузырька быстро растут, и под влиянием подъемной силы и конвективных токов он отрывается от стенки и поднимается к свободной поверхности жидкости. Зтот процесс периодически повторяется, Зародившийся в центре парообразования пузырек находится под действием подъемной силы, обусловленной разностью плотностей жидкости и пара, гидро- Е;С динамической силы, обусловленной движением жидкости и 1аа силы поверхностного натяжения. Две первые силы стремятся оторвать пузырек от поверхности нагрева, а последняя сила препятствует этому. йЧ 1аб ?аб 1а4 1Я !02 а) д? О б ? йст Рис. !22 1а! 1аа а 1 2 3 Ф х Рис.
!2.! В процессе роста пузырька соотношение между силами меняется в пользу подъемной и гидродинамической сил. Момент отрыва единичного пузырька в большом объеме неподвижной жидкости может быть установлен из условия равенства подъемной силы — силе поверхностного натяжения. Для диаметра парового пузырька в момент отрыва с)с получена следующая теоретическая формула: (! 2.!) 406 где а — коэффициент поверхностного натяжения; 8 — краевой угол, характеризующий смачпвание поверхности жидкостью (рис.
)2.2); р' — р" — разность плотностей жидкости и пара; д— ускорение силы тяжести. Паровые пузырьки, проходящие через жидкость, перемешивают ее, что приводит к интенсификации теплоотдачи. Поэтому частота отрыва пузырьков и число действующих центров парообразования определяют интенсивность теплообмена при кипении. Наблюдение за процессом кипения воды показывает, что около 95% пара образуется во время движения пузырей и только 5'о— во время пребывания их на поверхности нагрева. 05 5 50 50' АС,'Е Рис. !23 407 Величина температурного напора И = 1„— !5 м 5„— 5„ (где 1, — температура насыщенного пара) определяет механизм парообразования и интенсивность теплообмена. На рис.
12.3 изображена типичная зависимость коэффициента теплоотдачи и тепловой нагрузки (плотности теплового потока) от температурного напора Л( = 5„ — 5,. При небольших температурных напорах количество отделяющихся от поверхности нагрева пузырьков невелико, и они не способны еще вызывать существенное перемешивание жидкости. В этих условиях интенсивность теплоотдачи определяется только свободным движением жидкости, и коэффициент теплоотдачи слабо увеличивается с ростом М. Такой 05„15зяп режим кипения называется конвективным (зона А на рис. 12.3). Для воды при абсолютном давлении р = 1 бар конвективный режим наблюдается до Мж 5'„а тепло- 50 аая нагрузка достигает оиоло б000 вт)м'. При увеличении температурного напора растет число действующих центров парообразования, 50 несколько увеличивается частота отрыва пузырьков.
Когда пузырьки вызываю~ интенсивное перемешивание жидкости, наступает режим развитого пузырькового кипения, при котором коэффициент теплоотдачи и тепловая нагрузка резко возрастают (зона В). Непрерывное парообразование на поверхности теплообмена сопровождается поступлением жидкости к этой поверхности, Всплывающие пузырьки пара затрудняют подход жидкости к центрам парообразования.
При некоторой величине тепловой нагрузки благодаря большому числу действующих центров парообразования и оттесняющему воздействию пузырьков на жидкость паровые пузырьки объединяются в пленку, которая покрывает сначала отдельные участки поверхности, а затем полностью отделяет жидкость от поверхности нагрева. 1!ленка непрерывно разрушается и уходит от поверхности нагрева в виде больших пузырей. Вместо разрушившейся паровой пленки возникает новая.
Такое кипение называется пленочным. В этих условиях теплота передается от поверхности нагрева к жидкости путем теплопроводности, конвективного переноса и излучения, а испарение происходит о поверхности пленки. Так как теплопроводность пара значительно меньше теплопроводности жидкости, то появление паровой пленки приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи. Тепловая нагрузка при этом также уменьшаегся (зона С). Когда пленка покрывает всю поверхность нагрева, условия теплообмена стабилизируются и при даль- нейшем увеличении Ы коэффициент теплоотдачи остается практически неизменным, а теплован нагрузка увеличивается пропорционально Ы (зона Р). При этом коэффициент теплоотдачи в 20 — 30 раз меньше его максимального значения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
