Теплотехника Учеб. для вузов А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт и др (943465), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Из-за вязкого трения течение жидкости около поверхности затормаживается, поэтому, несмотря на то что наибольший прогрев жидкости, а соответственно н подъемная сила прн естественной конвекции будут около теплоотдающей поверхности, сиорость движения частиц жидкости, прилипших к самой поверхно. сти, равна нулю (см. рис. 9.1).
Сила вязкого грення зависит от динамического коэффициента вязкости жидкости, измеряемого в Н с/м'(Па с). В уравнениях теплоотдачн чаще используют кннематический коэффициент вязкости т=р/р (м'/с). Оба этн коэффици- ента характеризук>т физические свойства жидкости, их значения приводится в спраяочиинах ()5). Н.З. ИОГРДИИИИЫИ СЛОИ Рассмотрим процесс >сплоотдачи ат потока теплоносителя к продольно омываемой им пластине Скорость и температура набегаю<пего потока постоянны и равны и> и (, (рис 9'2).
Как уже отмечалась, ьастипьь жидкости, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью, адсорбнруются [«прилипают») к ней Соприкасаясь с неподвижным слоем, тормозятся и более удаленные от понерхности слпи кидкости Зона потока, в катораи наблкщается уменьшение скорости (ю~ю„ь, вызванное вязким взаимодействием жидкости с поверхностью, называется г и з р о ьь ннамическим пагрзььичныч глас м, За пределами погранично<а слоя течет невозмуьпенный поток Четкой гранины между ними нет, тзк как скорость щ по мере удаления ат поверхности постепенно (зсимптотически) возрастает до щ . Практически за тол<зину гндродинвмическога пограничного слоя условна принимают расстояние ат поверхности до точки, в которой скорость щ отличается от скорости невозмущенного потока щ, незначительно [оГ>ычно на ) % ) На начальном участке (при малых значениях х) гндродинамический слой Рис 9,2.
Образование па>рапп ин>го слоя (п) и рзспрь деление честнот (.шкал»на< а) к<жф. фи<<пента теплаатдзчи (6) при пропал>,ном па гекззии тонкой плзстним очень тонок (в лобовой точке с координатой х = О толщина ранна нулю) и течение в нем ламинарное — струйки жидкосгн движутся параллельно, не перемешиваясь. Г!ри удалении от забавой точки толщина пограничного слоя растет На некотором расстопнии х=х„„ламинарное течение становится неустойчивыч В погранично>< слое паявлнются викри (турбулентные пульсапии скорости).
Постепенна турбулентный р<ьжим течения рзспространяетсп почти на всю толщину гидроь<ннамического погрзничнога слоя Лишь около самой поверхности пластины в турбулентном пограничном слое сохраняется тонкий л ам и н а р н ы й, или вязкий, поделай, где скорость невелика н силы вязкости гасят турбуле ьтпые вихри. Аналогичным абр .>ом асуп<ествляется и тепловое взаимодействие потпка с пластиной. Частицы н<идкости, «ьь(ьилипп>ие» к поверхности, имеют температуру, равную телшерзтуре поверхности Г,. Сопри<зсзюшиеся с этими частипами движущиеся слон жидкости охлаждак>тся, отдавая им свою теплоту.
От соприкосновения с этими слоями охлаждаются следующие более удаленные от поверхности слои потока -- так формируется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура меняется от (, на поверхности до («в нсвозмупьенном потоке.
Г(о аналогии с гилродинамическим пограничным слоем толькина теплового пограничного слоя б, принимается равной расстоянию от поверхности до точки, в которой избыточная температура жидкости б= (†(, отличается от нзбыточьи>й температурь, невозмушеннаго потока б„= („ †(, на малую величину (обычно на ! %). С у>ьвлением от лобовой точки количество охлаждающеися у пластины:кидкости увеличивается, и толщина теплового пограничного слоя возрастзет аььзлагичио возрастанию 6, В общем случае толщины теплов<по н гидродннзмич ского слоев н< равны, на част~ дастзт<»ьна близки друь к другу, особенно в газах При ламинарном течении теп.гавай поток от охлаждаюп<ейся в пограничном слое жидкости переносится к поверхности пластины только за счет теплзпро- 79 водности.
При этом п.>отность теплового потока по толщине пограничного слоя неодинакова: на внешней границе >)=О, ибо дальше жидкость не охлаждается; па мере приближения к поверхности значение >) возрастает. Для качественного анализа можно предположить, что нлотность теплового потока >) по всей толщине пограничного слоя такая же, как и у поверхности.
Это условие соответствует задаче о переносе теплоты теплопроводностьк> через плоскую стенку (пограничный слой толщиной 6, с темпера. турами 1«и 1 иа поверхностях). Согласно решеник> (8 9) О >.г (Г,— г )/6,. Сравнивая это выражение с формулой (9.1), получим для качественных оценок >х Х/6,. (9.1 1) В переходном, а тем более турбулентном режимах основное термическое сопротивление сосредоточено в тонком ламинарном подслое, поэтому формула (9.11) приближенно пригодна для оце. ион и в этих режимах, если вместо 6, подставлять толщину ламинарного подглоя. С увеличением толщины теплового пограничного слоя при ламинарнол> течении жидкости у поверхности пластины интенсивность теплоотдачи уменыаается.
В переходной зоне общая толщина пограничного слоя продолжает возрастать, однако значение а при этом увеличивается, потому что толщина ламинарного подслоя убывает, а в образующемся турбулентном слое тепло переносится не только теплопроводностью, но и конвекцией вместе с перемещающейся массой, т. е. более интенсивно. В результате суммарное термическое сопротивление теплоотдачи убывает. После с>'вбилизации толщины ламинарного подслоя в зоне развитого тур- Г>улентного режима коэффициент тепло- отдачи вновь начинает убывать из-за возрастания общей толщины пограничного слон.
Из формулы (9.11) видно, что коэффициент теплоотдачи к газам, обладак>щим малой теплопроводностью, будет ниже, чем коэффициент теплоотдачи к капельным жидкостям, а тем более к жидким металлам. ао да«рада«ныл ласт Горючий аюаа Рис 93. Схема термообработки «истовых из. делив на «воздуишой полушке» Для получения высоких коэффициентов теплоотдачи к газам стараются ка. ким-либо способом уменьшить толщину пограничного слоя Проще всего для этого увеличить скорость течения газа Интенсификация теплоотдачи происходит и при резкой искусственной турбулизации пограничного слоя струями, направленными по нормали к п»верхности (рис.
9.Л). С помощью системы из множества струй можно обеспечить высокие значении а от достаточно пр>тяженной поверхности. Так, а воздушных струях с относительно невысокими скоростями истечения (ш -60 м/с) удается достигать значений при а=200 —; 300 Вт/(л>' К) . При обычном продольном обтекании протяженных поверхностей толщина пограничного слоя на них велика, а коэффициенты теплоотдачи к воздуху при таких скоростях обычно ниже 1ОО Вт/(м'-К). Использование системы струй в ряде случаев позволяет не только улучшить теплообмен, но и удачно организовать технологический процесс. Направленные вверх струи мокнут удерживать листовое изделие иа «воздушной подушке». Это облегчает транспортировку изделия, уменьшает механические нагрузки на него и практически исключает повреждение поверхности.
Последнее немаловажно, например, при термообрабо>ке листового стекла При течении жидкости в трубе толщина погранично~о слоя вначале растет симметрично по всему периметру, как на пластине (рис. 9.4, а), до тех пор, пока слои с противоположных стенок не сольются на оси трубы. Дальше движение стабилизируется и фактически гидродииамический (аналогично и тепловой) пограничный слой заполняет все сечение трубы. В зависимости от конкретных условий пограничный слой на начальном уч»сткс может успеть перейти в турбулентныи, а может и не успеть.
Соответггщ »на г>вбили<прап»п»ын режим те <ения в трубе будет либо турбулентным с ламинарным поделаем около стенки, либо ламинарным па всему сечению. В связи с особенностями течения жидкости в трубе изменяется и само понятие коэффициента теплоотдачи. Для пластины коэффициент и рассчитывался как отношение плотности теплового потока ц к разности температур внешнего невозмущенно<о патока н поверхности (или наоборот при 1, )1 ), В трубе пограничный слои >анимает все сечение и и«возмущенного патака иег, поэтому под коэффициентом теплаотдачи понимают отношение плотности теплового потока <) к разности температуры стенки и ср<'днемассаваи температуры жидкас>и, протекающей чсре> данное сечение трубы.
Вкгпериментальна среднемассоаая температура жидкости определяется измерением ес тем>цратуры после хорашега перемешивания Локальный коэффициент теплоотдачи о> ~рубы к текущеи а ней жидкости изменяется лици, на начальном участке (рис 9.4,б), » на участке стабилизированного течении и„=сапа(, поскольку толщина пограничного слоя (б,=г) постоянна.
С увеличением скорости течения теплоносителя в трубе ц„, возрастает из-за уменыпения толщины ламинарного щ>делая, а с увеличением диаметра тру. а) Рнс. 9 ! Обр»зо»а»ис»<ир»и»чпа>п слоя (и) и р»сире»елен»е мест»ага казффнцие>па тс»- »»отдачи [б) при турбуле>пном течении теплоносителя внутри трубы бы уменьшается, поскольку растет тал. шина всего пограничного слоя 6, = г Чтобы получить аналитическое выражение для коэффициента теплоатдачи, необходимо интегрировать систему дифференциальных уравнений, аписывак>- щих движение жидкости и перенос теплоты в ней. Даже при существенных упрощениях это возможно лишь в отдельных случаях при ламинарном течении жидкости, поэтому обычно для получения расчетных зависимостей прибегают к экспериментальному изученик> явления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
