Адиутори Е.Ф. - Новые методы в теплопередаче (1062108), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Описанная выше трудность может быть отчетливо выявлена при введении функции ф епл б ! ТА), представленной на фиг. 3.4. (Эта функция определяется подобно тому, как это сделано в пп.1, 2.) Из фиг. 3.4 видно, что тепяообменник А/С удовлетворяет техническому заданию, если ТА яике 188'С, и совершенно не удовлетворяет ему, если Т составляет 188 — 270 С. В этом интервале температур максимальная мощность теплообменника составляет всего 25 кВт! Из фиг. 3.4 также следует, что если Т, = 204чС, то теплообменник может отвести всего лишь 8 кВт! Таким образом, каждое утро, когда операторы переводят установку из резервного режима в нормальный, они имеют дело с системой, эффективная теплоотводящая мощность которой ограничена значением 25 кВт, и единствен- що Вс о юо ма що гго яао Фс Фиг.
3.4. Глава 3 ным способом увеличения этой мощности является снижение Т до значений, меньших 188'С, а единственный способ снижения Т ниже 188'С заключается в ограничении 9 „„значениями, меньшими 8 кВт (так что тепло, отбираемое теплообменником, превысит тепло, подводимое от электрического оборудования, а это приведет к отри- цательному тепловому балансу и к снижению Тл), но для охлаждения системы таким способом понадобиться полдня — не говоря уже о том что это означает для производственного графика фирмы или админи страции фирмы! 5. Эксплуат~щионных трудностей легко избежать соответствую- щим выбором теплообменной стенки с целью обеспечения максималь. ного теплового потока (237 кВт/м~) при Т, 265 С.
Итак, аТ = 25,6'С, когда аТ, = 144 С, и можно записать 144 суд+ ЬТ + 25,6= 237000/6815+ сТ + 25,6, й Т 84'С. для получения а Т = 84'С при д = 237 кВт/мх необходимая толщина стенки для каждого из четырех возможных металлов, вычисленная с помощью выражений (3.18), равна Ь, = ' =0,674 ° 10 ~м, 237000 237000 Е, — = 14,5 ° 10 м, 41' 84 -з 237000 — 72,2 10 м. 204. 84 3 237000 Металл 1 следует исключить, так как он не обеспечивает требуе. мого минимума толщины стенки, равного 3.
10 л м. Все остальные металлы имеют подходшцяе толщины и окончательный выбор материала должен производиться, исходя из механических характеристик н экономических соображений. Улучшение теплового режима установ. 63 Сиани ха о ВО мо ще 220 260 т„, с Фиг. 3.5. ки, обеспечиваемое путем применения стенки с любой из приведенных выше толщин, нагляднее всего видно из графика Д пл ~м 1Т~1, представленного на фиг.
3.6. Таким образом, просто за счет правильного выбс; 'олщины подходящего материала мы получим теплообменник, полностью удовлетворяющий техническому заданию, не увеличив при этом ни поверхности теплообмена, ни стоимости! 6. Налагаемые ограничения более или менее очевидны. Читатель, знакомый с проблемой, в состоянии назвать не менее трех таких ограничений.
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ Из рассмотрения задач 1 и 2 следует: 1. Старая теория теплопередачи эффективна при проектировании и расчете только в тех случаях, когда лсе процессы тепло- передачи, протекающие в установке, линейны и соответствующие зависимости проходят через точку, в которой о!сТ - 01= О. 2.
Во всех случаях, кроме простого, описанного в задаче 1, старая теория неэффективна. Зта неэффективность является пря- 64 Глава 3 мым следствием введения термического сопротивления, т.е. придания важности отношению й/и Т, т.е. введения коэффициентов теплоотдачи. 3. Новая теория эффективна при проектировании и расчете установок, в которых протекают как линейные, так и нелинейные процессы теплопередачи. Эта эффективность является прямым следствием того факта, что в новой теории мы не вводим термического сопротивления, т.е. не придаем значения отношению й/АТ, т.е. совершенна не иеиальзуем коэффициентов тепло- отдачи. 4. В рамках новой теории проектирование и расчет установок, в которых процессы теплопередачи нелинейны, на порядок проще.
Это упрощение позволяет значительно расширить возможности оптимизации конструкций, предсказать режимы работы установок, модифицировать и усовершенствоватьустановки с неоптимальными характеристиками и понять режимы работы реальных установок. Крайне важно подчеркнуть, что хотя теплообменники А/В и А/С идеализированы, чтобы исключить множество несущественных подробностей, тем не менее оба сохраняют существенные особенности реальных установок. ~Те, кто предпочитают более элегантное, но не более строгое математическое описание, могут рассмотреть элементарные участки менее идеализированной установки, проинтегрировать полученные дифференциальные соотношения и таким образом получить конструкцию А/С, дать ответы на вопросы и построить кривые, аналогичные изображенным на фиг.
3.4 и 3.5.) Хотя об этом и не говорилось ранее, в задаче 2 описывается применение попого метода теплопередачи к проектированию и расчету установок в весьма общем случае. Расчет никоим образом не за- висит от того, рассматриваются газы или жидкости, сжимаемая или несжимаемая среды, естественная или вынужденная конвекции, ньютоновская или неньютоновская жидкости, кипение или конденсация. Не включена лишь одна реальная задача — интегрирование по поверх- Свавияа 65 ности установки в случаях, когда плотность теплового потока зав сит от координаты. Поскольку такое интегрирование встречается как в новой, так и старой теориях теплопередачи, оно здесь не рассматривалось, а просто упомянуто, что его часто придется выполнять при проектировании и расчете реальных установок.
Важно также отметить, что нелинейный процесс теплопередачи, представленный на фиг. 3.2 и 3.3, имеет большое практическое значение — читатель не должен думать, будто автор выдумал этот процесс для того, чтобы представить новую теорию в наиболее выгодном свете. Если бы моя цель заключалась в этом, то в задачах рассматривался бы теплообменник С/В, в котором процессы на обеих поверхностях, С и П, были бы нелинейными, или я выбрал бы нелинейный процесс, значительно более трудный, чем приведенный на фиг. 3.2 и 3.3. Затратив много терпения и времени, можно успешно решить задачу проектирования и расчета теплообменника А/С с помощью старой теории, но только потому, что задача была сформулирована для очень простого случая нелинейного процесса.
В следующих главах мы рассмотрим более сложные (но действительно практические) задачи, связанные с нелинейными процессами. Что касается этих более сложных задач, то вряд ли кто-либо станет возражать против утверждения, что их правильное решение с помощью старой теории фактически невозможно. В заключение этой главы хотелось бы отметить (без доказательства), что разбиение процесса теплообмена на области и использование метода размерностей во многом препятствует пониманию нелинейных процессов, а также эффективному проектированию и расчету устанонок, в которых они протекают.
В новой теории не используется ни разбиение на области, ни метод размерностей. ПРОГНОЗЫ НА ДВАДЦАТЬ ПЕРВОЕ СТОЛЕТИЕ Так как отказ от термического сопротивления приводит к значительному прогрессу в теплопередаче, то можно предположить возможность подобного прогресса в других областях техники, например вследствие отказа от электрического сопротивления или модуля упругости. Хотя оба эти понятия не являются необходимыми и было бы лучше отказаться от них, тем не менее ожидаемые преимущества не будут соответствовать достигнутым в теплопередаче, по """м причинам.
66 Глава 3 1. В современной практике нелинейные режимы в электротехнике и сопротивлении материалов не являются столь всеобъеи люще важными, как в теплопередаче. Многие инженеры-электротехники годами не сталкиваются с нелинейными сопротивлениями. Многие инженеры, занимающиеся сопротивлением материалов, никогда не имеют дело с пластическими деформациями материалов. С другой стороны, инженер-теплотехник, не часто стал. кивающийся с нелинейными тепловыми процессами, является ред. ким исключением. 2.
В электротехнике и сопротивлении материалов в настоящее время весьма эффективно решаются проблемы динамики и устойчивости, в то время как в старой теплопередаче только берутся за эти важные проблемы. В первых двух науках уже давно стало ясно, что концепции линейности не могут быть успешно применимы к нелинейным явлениям, если только они вначале не преобразованы путем введения понятий" динамического электри'- ческого сопротивления" и "модуля сдвига".
Такой подход не имеет аналогий в старой теории теплопередачи. В новой теории теплопередачи мы делаем шаг вперед в отношении математического описания динамики и устойчивости по сравнению с электротехникой и сопротивлением материалов, т.е.мы не рассматриваем нелинейные процессы на основе модифицированных концепций линейности. Вместо этого мы полностью отказываемся от концепции линейности и заменяем ее другой концепцией, с помощью которой эффективно исследуются ках линейные, вак я нелинейные процессы, и в результате значительно расширяются наши возможности решения проблем теплосбмена как в теоретическом, так и практическом смысле.
Хотя отказ от электрического сопротивления и модуля упругости не приведет к столь большим выгодам, как отказ от термического сопротивления, тем не менее, на мой взгляд, трудно представить, чтобы эта или другая концепция линейности перешли в двадцать первое столетие. Обозначения А — площадь, мх; 1 — функция;, л — функция; 67 Свавика Ь вЂ” коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 град); ЬА — коэффициент теплоотдачи к теплоносителю "масерм А"; Ь вЂ” коэффициент теплопроводности, Вт/(м * град); Т, — толщина теплопроводящей стенки, м (см.
фиг. 3.1); Х вЂ” безразмерный критерий; д — плотность теплового потока, Вт/мл; ч (дТА)- плотность теплового потока на поверхности раздела теп- А лоносителя "масерм А "; (/ — тепловой поток, Вт, кВт; Т вЂ” температура, 'С; Тл — среднемассовая температура теплоносителя "масерм А", дТА- разность между температурой стенки и Ть, С; И вЂ” коэффициент теплопередачи. Индексы А, В, С вЂ” относятся к теплоносителям "масерм" А, В, С соответ- ственно; ( — 1-е значение; Рг — число Прандтля; Ве — число Рейнольдса; г — полное значение.
ЗАМЕЧАНИЯ Я не подтвердил документально описания методов, используемых в старой теории теплопередачи, так как не видел в этом необходимости. Читатели, склонные сомневаться в том, что в старой теории для проектирования и расчета установок используются коэффи- циенты теплоотдачи, что между электрическим и термическим сопротивлениями обычно проводится аналогия, что аналоговые цепи термических сопротивлений используются для расчета линейных и нелинейных тепловых режимов, что нелинейные процессы подразделяются на ряд узких областей, что метод размерностей имеет широкое применение, должны обратиться к любому из имеющихся превосходных учебников или справочников или к последним публикациям а научной литературе по теплообмену. 68 Глава 3 Я не подтвердил документально описанных здесь новых методов теплопередачи, поскольку они не имеют прецедента.
Однако если читатель ознакомится с двумя моими статьями, опубликованными почти 10 лет назад, то поймет, что зти методы являются развитием моей более ранней теоретической и методической работы. Те, кого удивит, почему я ждал почти 10 лет опубликования этих приложений, найдут ответы между строк. ГЛАВА 4. ДИНАМИКА И УСТОЙЧИВОСТЬ ВВЕДЕНИЕ Для понятий "динамики и устойчивости процесса в установке", по-видимому,.подходящим является следующее определение: Под динамикой процесса в установке понимается характер изменения процесса в окрестности потенциально стационарного рабочего режима. В частности, это касается реакции установки на изменение параметров системы, функциональных зависимостей между параметрами системы, которые описывают реакцию установки, и вопроса устойчивости работы установки, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
