teplotekhnika (852911), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Входящую в числа величину [называют определяющим линейным размером и выбирают в каждом случае в зависимости от изучаемогопроцесса. Если условиями однозначности заданы несколько линейныхразмеров, то за определяющий линейный размер принимают тот, от ко-торого в большей степени зависит процесс конвективного теплообмена.Остальные заданные размеры входят в уравнения подобия в виде симплексов (ІІ/І, [2/1 и т.д.).При изучении теплообмена для случая поперечного омывания гладких труб в качестве определяющего размера І выбирают наружный диаметр трубы. При течении жидкости в круглых гладких трубах за определяющий размер принимают внутренний диаметр трубы. При изучениидвижения жидкости и теплообмена в каналах иной формы в качестве определяющего линейного размера берут так называемый эквивалентныйсіэкв (гидравлический сіг) диаметр:4А(1 ЗКВ = __,~(9.84)Пгде А - площадь поперечного сечения канала; П- периметр сечения, через который происходит передача теплоты.Метод расчета теплоотдачи с помощью сіэкв является приближенным.Однако во многих случаях такой приближенный расчет дает удовлетворительные результаты (расчет теплоотдачи в каналах прямоугольного итреугольного сечений и при продольном омывании пучка труб в случаетурбулентного режима).Громадный экспериментальный и теоретический материал, накоп-ленный в последние десятилетия ХХ в.
отечественными исследователями (Б.С. Петуховым, Г.А. Дрейцером, С.С. Кутателадзе и многими другими), позволяет уточнить картину конвективного теплообмена и предложить расчетные рекомендации, отличающиеся от широко распространенных в учебной литературе формул (зависимостей) М.А. Михеева.Многочисленными опытами (экспериментами) последних десятилетийустановлено, что использование устаревших формул (зависимостей) мо-жет привести к недопустимым для практики ошибкам.194Отличие действительного коэффициента теплоотдачи от расчетного(рассчитываемого) по формулам для труб с использованием эквивалентного диаметра также может быть весьма значительным. В продольноомываемых пучках труб теплоотдача при их плотной упаковке можетбыть в 4-5 раз ниже, чем в трубе, а при ламинарном течении в раздвинутых пучках с шаговыми отношениями Ѕ/(і =1,4 + 1,6 - в 2,5-3 раза выше.При турбулентном режиме теплоотдача в плотном пучке может быть в2-3 раза ниже, а в раздвинутом - в 1,5-1,6 раза выше.В связи с определенной консервативностью учебной литературы иневозможностью отразить в ней многообразие особенностей теплообмена, рекомендации по его расчету, в том числе критериальные уравнения,приведенные далее, носят характер первого приближения.
Более надежные, обновленные рекомендации, необходимые для практических инженерных расчетов, имеются в специальной справочной литературе.ГЛАВА 10ТЕПЛООБМЕН ПРИ ВЬІНУЖДЕННОМ И СВОБОДНОМДВИЖЕНИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ10.1. Движение жидкости в трубахРассмотрим движение вязкой несжимаемойІ жидкости в круглой прямолинейной трубе. Как впервые установил О. Рейнольдс, при движениижидкости в круглых трубах следует различать два режима течения жидкости - ламинарный и турбулентный, характеризующиеся определеннымизначениями числа Рейнольдса Ке.
Опытом установлено, что при всехзначениях Ке < ВекІ = 2200 в круглых цилиндрических гладких трубахпоток движется ламинарно. Если поток искусственно возмутить, то через некоторое время обязательно восстановится ламинарный режим, если только Ке < Кекд; следовательно, при указанном условии ламинарныйрежим является устоичивым.При Ке > Кек2 = 104 в круглых гладких трубах имеет место развитыйтурбулентный режим. Приняв специальные меры к успокоению потока,можно воспроизвести ламинарный поток и при значениях Ке > Кек2, нов этом случае малеи шее возмущение потока вызовет переход ламинарного потока в турбулентный.І ВСС КОПСЛЬНЫС ЖИДКОСТИ ЯВЛЯЮТСЯ ПраКТИЧССКИ ІІЄСЖИМЗЄМЬІМИ.
ЧТО КаСаЄТСЯ ГаЗОВ,ТО В ТЄОРИИ ТСПЛОООбМСІЮ ИХ МОЖНО ПРИНЯТЬ НЄСЖИМЕІЄМЫМИ, ЄСЛИ ИХ СКОРОСТЬ ЗНЕІЧИТЄЛЫІО МЄНЬШЄ СКОРОСТИ ЗВУКЗ.19512Рис. 10.1 . Распределение скоростей по сечению при ламинарном (а) и турбулентном (б) режимах течения жидкости в трубе:І - ламинарный поток; 2 - эпюры (профили скоростей); 3 - турбулентное ядро; 4 пристенный слойваКритическая скорость шк определяется (при Кек' = 2200) из равенст-шк=2200у.(ІВН(10.1)Закон распределения скоростей по поперечному сечению круглойтрубы различен для ламинарного и турбулентного режимов течения. Привсяком режиме движения жидкости скорость у стенки канала всегда равна нулю, а в центре достигает максимума. При ламинарном режиме течения жидкости в круглой трубе устанавливается параболический законраспределения скоростей (рис. 10.1і а).
Для всей области Ке < Кек', отношение средней скорости потока ш к максимальной штах (по оси потока) постоянно и равно ю/штах = 0,5. Таким образом, в условиях ламинарного потока вне зависимости от значения чисел Рейнол ьдса Ке скоростные поля подобны (автомодельность поля скоростей).При турбулентном потоке при Ке > 104 кривая изменения скорости(рис. І0.1, б) имеет иной вид: в пределах вязкого подслоя кривая идеткруто, а в средней части, в так называемом турбулентном ядре, - весьмаполого.Отношение »Ё/штах для каждого значения Не сохраняет неизменноезначение, но размер этого отношения меняется с изменением числа Ке(при Кек2 = 104 отношение »Ё/штах = 0,8).В диапазоне значений числа Ке = 2200 + 10 000 в круглой гладкой трубе наблюдается переход ламинарного режима течения в турбулентный.В общем случае число Рейнольдса само по себе не является однозначным критерием перехода.
Путем устранения возмущений на входе в трубу переход можно затянуть от Ке = 2200 до Ке = 5-104 и, наоборот, привоздействии звуковых волн и механических вибраций переход может наступить и при Ке < 2000. Для переходного режима характерна перемежа196емость течения, представляющая собой чередование участков с ламинарной и турбулентной структурами. Причиной перемежаемости явля-ется потеря устойчивости, т.е. возникновение, развитие и ассоциацияочагов возмущений внутри ламинарного потока.
При значениях Ке,близких к нижней границе переходного режима (Кек'), возникающиетурбулентные структуры быстро разрушаются, порождая турбулентныепульсации, которые, передавая свою энергию мелким пульсациям, быстро затухают. В области чисел Ке, близких к верхней границе переходного режима (Кей), возникающие турбулентные структуры быстро развиваются и занимают иногда все проходное сечение трубы. Так возникаюттурбулентные пробки, которые смыкаются в единую турбулентную структуру после достижения Кекг.
Естественно, что интенсивность теплоотдачи в переходной области выше, чем при ламинарном режиме течения,но ниже, чем при турбулентном режиме.Рассмотренное выше характерное распределение скоростей по поперечному сечению потока наступает не сразу после входа потока в трубу.Всегда имеется начальный участок, так называемый участок гидродинамической стабилизации, в пределах которого эпюры скорости ш непрерывно перестраиваются, принимая, в конце концов, вид, характерныйдля данного режима течения. Так, например, при ламинарном течениижидкости сразу после входа потока на поверхности трубы по всему ее периметру образуется динамический ламинарный пограничный слой, тол-щина которого увеличивается по мере удаления потока от входного сечения.
В дальнейшем на некотором удалении от входа пограничный слойзаполняет все поперечное сечение канала. С этого момента эпюра скорости больше не изменяется и течение с точки зрения гидродинамики приобретает стабилизированный характер (рис. 10.2). При турбулентном течении жидкости у входного сечения сначала может образоваться ламинарный пограничный слой, который затем переходит в турбулентный.Толщина последнего растет, и на некотором удалении от входа пограничный слой заполняет поперечное сечение канала. Следовательно, наступает гидродинамическая стабилизация, отличительной особенностьюРис.
10.2. Гидродинамическая стабилизация течения жидкости в трубе:а - ламинарный режим; б - турбулентный режим197АІн.т 2 10 І_н.тьї4Іня*7Рис. 10.3. Изменение локального ок и среднего о: коэффициентов теплоот-дачи по длине трубы:а - неизменный режим течения в пограничном слое; б - образуюшийся ламинарныйслой переходит в турбулентный, который заполняет все сечение трубыкоторой является неизменность эпюры скорости у? (см.
рис. 10.2). ПриКе > 5.104 турбулентный пограничный слой образуется практически сразу после входа потока в канал.Для приближенных оценок можно принимать, что длина участка Інгидродинамической стабилизации при ламинарном режиме равна0,05сівнКе, а при турбулентном - Ін = 1548".При нагреве или охлаждении жидкости в канале одновременно с гидродинамической стабилизацией происходит тепловая стабилизация потока, которая наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентномтечениях.На участке тепловой стабилизации развивается тепловой пограничный слой. Ядро потока в теплообмене не участвует, все изменение температуры сосредотачивается в этом пограничном слое.
По мере удаления отвхода толщина теплового пограничного слоя увеличивается, и на некотором расстоянии от входа, равном Іт, тепловой пограничный слой за-полняет все поперечное сечение канала, что означает тепловую стабилизацию, отличительной особенностью которой является неизменность коэффициента теплоотдачи по длине канала. На участке стабилизированного в тепловом смысле течения вся жидкость, движушаяся в канале,принимает участие в теплообмене.Важно отметить, что чем меньше толщина теплового пограничногослоя, тем более интенсивно протекает теплоотдача. Непосредственно увхода в трубу коэффициент теплоотдачи ок имеет максимальное значение(рис. 10.3), а затем резко уменьшается, стремясь к определенному и вдальнейшем неизменному значению.Длина участка тепловой стабилизации зависит от многих факторов.Для горизонтальной круглой трубы участок тепловой стабилизации приламинарном режиме приближенно может быть определен по формуле198=(0,05 + О ,07)с18нКе, а при турбулентном режиме - по формуле=(10 + ІЅИВН.
Приведенные зависимости справедливы при условиипредварительно гидродинамически стабилизированного течения.10.2. Теплоотдача при движении жидкости в трубахКоэффициент теплоотдачи а при движении теплоносителей в трубахили каналах определяется по разным формулам в зависимости от того,является ли режим ламинарным, переходным или турбулентным.При ламинарном неизотермическом течении жидкости возможныдва режима движения: вязкостно-гравитационный и вязкостный. Привязкостно-гравитационном режиме течения жидкости имеет место турбулизирующее действие естественной конвекции, а при вязкостном ре-жиме влияние естественной конвекции, как правило, отсутствует.Распределение скоростей по сечению трубы при вязкостном режиметечения отклоняется от параболического.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
