Теория тепломассобмена (Леонтьев) (1074340), страница 47
Текст из файла (страница 47)
При Рг м 1 длины участков тепловой и гидродинамической стабилизации одинаковы и, как следует из формулы (Ч1.451), максимальное увеличение скорости в ядре потока вследствие нарастания пограничных слоев составляет примерно 25%. Следовательно, с достаточным приближением можно пе учитывать изменение скорости в ядре потока и для расчетов тепло- обмена в качальном участке трубы пользоваться формулами для случая обтекания плоской пластины. Тогда Хп,у = 0,0288 Иао~ ~1+ 0,6 Г +О, 185 0 06 — .
(Ч1 453) Следует отметить, что теплообмеп в пачальпом участке трубы сушествеппо зависит от условий входа в трубу и степени турбулентности потока. Кроме того, течение и теплообмеи па участках гидродинамической стабилизации в каналах некруглого сечения могут существенно усложняться вторичными течениями, Ч1.0. Теплообмен прн поперечном обтекании труб При проектировании трубчатых теплообмеппых аппаратов, которые находят широкое примепепие в технике, необходимо зиать закопомерпости копвективпого теплообмепа при поперечиом обтекании трубы и пучка труб.
Рассмотрим особенности поперечного обтекалия одиночной цилиндрической трубы потоком несжимаемой жидкостк. Как показывают опыты, иа лобовой части цоверхпости трубы образуется ламипариый пограиичиый слой, толщина которого постепенно увеличивается. При обтекании лобовой части цилиндра давление во внешнем потоке падает (Ыр/ех < 0), скорость по пзлравлепию движения возрастает и частицы жидкости в пограничном слое, несмотря па тормозящее действие сил вязкости, продолже ют двигаться вдоль поверхности.
В кормовой части пилипдра давление во внешнем потоке начинает увеличиваться, частицы жидкости в пограничном слое под действием сил вязкости и положительного градиента давлепия замедляются, а начинал с некоторого сечения движутся в обратную сторону, образуя вихри, Рис. У1.бо. Обтекание пвлввдра при отрыве ламииарвого (а) в турбулентною о пограввчиого слоя (о) которые периодически отрываются от поверхности цилиндра и уносятся потоком (рис.
71.60). Точка отрыва ламинарного пограничного слоя находится примерно прн (р = 82о и мало зависит от числа Ке. В этом случае лишь 45% поверхности пилиндра омывается безотрывно. Такой режим наблюдается при числах Ке от 9 до (2... 5) 10з. При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса ламннарный пограничный слой переходит в турбулентный, точка отрыва турбулентного пограничного слоя смешается вниз по потоку до углов у = 110 ... 120о и около 65 % всей поверхности цилиндра омывается безотрывно. Характер обтекания цилиндрической трубы определяет и раснределенне локальных коэффициентов теплоотдачи по поверхности цилиндра (рнс.
У1.61). Максимальное значение теплоотда' чи имеет место на лобовой образующей дилиндра (у = О), где пограничный слой тонкий. По поверхности цилиндра значение коэффициента теплоотдачи падает вследствие роста пограничного слоя и при (о = 90 ... 100о достигает своего минимума. В. кормовой части трубы происходит разрушение пограничного слоя и коэффициент теплоотдачи снова возрастает. Ло точки отрыва пограничного слоя местную теплоотдачу на поверхности цилиндра можно определить аналитически по формулам, приведенным в г'1.2 и 'Л.4.
Аналитический расчет средних значений коэффициентов теплоотдачи практически невозможен из-за сложной картины течения жидкости в кормовой части. Поэтому для расчетов рекомендуется использовать уравнения подобия тецлообмена. 404 у гу гг и зг му ггя гю р, враг Рис. Ъ'1.61. Изменение теплоотдачв по окружности трубки прв различных числах Ке Хи 4 = 0,5 Ке '4 Рг ' (Рги/Ргсг)е'зз (71.454) — при Ке = 5... 10з; и =0 25К Ое Р44з(Р /Р )е,з — при Ке = 10з... 2 ° 10з; (У1.455) №) 4 = 0,023 Ке '4 Рг„,' (Рги/Ргсг)е'ЗЗ вЂ” цри Ке = 2 .
10з... 2 10з. ( г'1.456) Большое влияние на местную теплоотдачу оказывает турбулентность набегающего потока, причем максимальное влияние турбулентности наблюдается в лобовой критической точке. По мере приближения к точке отрыва это влияние уменьшается. Наиболее надежные данные по средним коэффициентам теплоотдачк прк поперечном обтекании цилиндра получены в работах А.А. Жукаускаса. Результаты критериальной обработки опытных данных представлены на рис.
Ч1.62. Опытные данные хорошо обобшаются следующими формулами: 4ГЪ Если угол между образуюшвй пилпндра н направлением потока 16 уменьшается, то средняя теплоотдача также уменьшается. Этот эф- фект можно учесть, вводя в формулы (Ч1.454)-(Ч1.456) поп равочпый коэффициент сф = аф/аве . На рнс. Ч1.63 показана зависимость коэффициента с ~ от угла й.
В области Ч) = 30... 90о можно пользоваться приближенной зависимостью ГУ Гэ Рис. У1.66. Вдилиие утле сте- ки ве тевлоотдечу цилиндре сф = 1 - О, 54 совз ч), 466 Рис. У1,62. Средюи теплоотдаче поверочно омываемого циливдрВ3 лелле — расчет ес формулам (Ч1АЗ4), (Ч1.466); точке - эксперимент При вычислении чисел подобия за опредвляюшпй размер принят внешний диаметр трубы, а в качестве определяющей принята средняя температура жидкости. Формулы (Ч1.454)-(Ч1А56) справедливы для случая, когда поток жидкости направлен по нормали к образуюшей цилиндра.
Трубчатые теплообменпики обычно выполняют в виде пучков труб. Расположение труб в пучке может быть самое разнообразное. Наиболее распространенным явлюотся шахматные и коридорные пучки (рис. Ч).64). ллум ~ г э с г аллу ( г э с Рис. У1.64. Коридорвое (а) и шахматное (6) расположение труб в пучке Обтекание трубки в пучке отличается от обтекания одиночной трубы тем, что расположенные рядом трубы оказывают влияние на этот процесс. В отдельном ряду прн поперечном обтекании стоящие рядом трубки образуют сужения, которые изменяют поле скоростей по сравнению со случаем обтекания одиночной трубы. Место отрыва погралпчного слоя перемешается вдоль по потоку.
Трубы, расположенные во втором н последуюшнх рядах, ' попадают в вихревой след, образованный трубамн предыдуших рядов, что, естественно, отражается на коэффициентах теплоотдачи. Многочисленные опытные данные по средним коэффициентам теплоотдачи в пучках труб, полученные А.А. Жукаускасом и обработанные в критериальном виде, представлены на рис. Ч1.65.
Эти формулы справедливы для глубинных рядов, т.е. там, гце поток гидродинамически стабилизировался. За определяюшую температуру принята температура пабегаюшего потока, эа характерную длину — диаметр трубки и эа расчетную скорость — скорость в наименьшем проходном сечении пучка. 411 20'С. Видно, что при Нв = 5 10З... 5 ° 104 коридорное расположение труб эффективнее, чем шахматное, Несмотря на то, что теплоотдаче коридорных пучков в этой области меньше, чем шахматных, эффективность коридорных пучков получается выше из-за меньших гидравлических потерь. При более высоких числах Ке эффективность теплоотдачи сравнивается, шахматное расположение труб в пучке становится несколько эффективнее и решающим параметром в этой области является шаг труб. Эффективность теплоотдачи характеризует пропесс тепло- обмена только энергетически.
При выборе конструкции теплообменника необходимо учитывать и другие требования, и только совместное рассмотрение эксплуатапионных и капитальных зз трат позволяет выбрать оптимальный вариант теплообменника. У1.7. Методы тепловой защиты тел от воздействия высокозитальпийиого потока газа Основной тенденпией развития энергетической техники является увеличение максимальных температур н давлений теплоносителей и рабочих тел. Максимальные температуры газа в энергетических установках намного превышают допустимые температуры материалов, из которых изготовлены элементы проточной части тепловых машин. В этих условиях существенное значение для надежной работы теплонапряженных деталей машины имеет система охлаждения.
Все более широкое применение в технике находят системы охлаждения, использующие пленочное и пористое охлаждение. И.7.1. Конвенгпивный шеплообмен при наличии газовые завес В современной технике для защиты поверхности тел от теплового воздействия высокоэнтальпийного потока газа широко используются газовые завесы. Охлаждающий газ подается на поверхность теплообмена н, распространяясь вдоль этой поверхности, создает тепловую завесу. В некоторых случаях газовая завеса является как тепловой, так и химической защитой поверх- ности тела.
На рис. Ч1.68 показаны некоторые схемы применения пористого и пленочного охлаждения в современной технике. Рвс, Ч1.6В; Схемы возможаых хоиетрухтиввых вареаитов з взо- Основным параметром, определяющим интенсивность теплообмена при наличии газовой завесы, является так называемая эффективность газовой завесы 9= (Ч!.458) Те Тст1 ГДЕ ТЕ, Тст И Тст1 — СООтВЕтСтВЕННО тЕМПЕРатУРЫ НабЕГаЮЩЕГО потока, теплоизолированной стенки и охлаждающего газа.
Таким образом, эффективность газовой завесы определяет температуру теплоизолированной стенки при наличии завесы: Т =Т вЂ” 8(Т вЂ” Т ). (Ч1.459) ЬО ост сз —— ЬО ост1 (Ч1.460) (Ч1.466) (Ч1.461) (Ч1.462) 412 Как будет показано далее, эта температура необходима и для расчетов теплообмена при наличии завесы. В более общем случае при течении сжимаемого газа с химическими реакдиями эффективность газовой завесы определяется через полные энтальпии: Для вывода формулы эффективности газовой завесы рассмотрим продольное обтекание плоской поверхности потоком несжимаемой жидкости с постоянными физическими параметрами (рис.
Ч1.69). Участок длиной х1 охлаждается, и температура стенки в сечении х1 равна Т,т1, причем охлаждение стенки на участке может осуществляться самыми различными способами (отводом теплоты через стенку, вдувом охлаждающего газа через пористую стенку или щель, пленочным охлаждением и т.п.).
В области х > х1 стенка теплонзолирована и температура стенки изменяется вдоль поверхности, приближаясь к температуре набегающего потока. Радиадионным теплообменом будем пренебрегать. Рис. Ч1.ОО. Развитие теплового слом ири тепловой завесе Для области х > х1, ест = 0 уравнение энергии (Ч1.60) будет иметь вид 11Ке~ Ке ДДТ вЂ” + — ~ — = О. ~Гх ДТ ~Гх Интегрируя его в пределах от х1 до х, получаем Кот ДТ КОТ1 ДТ1' Вводя параметр эффективности газовой завесы, получаем сз = Кет1/ Кет, (Ч1.463) где КОТ1 — число Рейнольдса в сечении х1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
