Баскаков А.П. (ред.) Теплотехника Энергоатомиздат, 1991 (947482), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Затем по формуле (9.1) рассчитывают а. При проектировании аппаратов (проведении тепловых расчетов) по этой формуле определяют одно из значений б), р илн б!. Прн этом а находят по результатам обобщения ранее проведенных экспериментов. Строго говоря, выражение (9.1) справедливо лишь для дифференциально малого участка поверхности дР, т. е. 6О=адР)1,— 1„1, (92) поскольку коэффициент теплоотдачи может быть не одинаковым в разных точках поверхности тела. Для расчета полного потока теплоты от всей поверхности нужно проинтегрировать обе части уравнения (9.2) по по.
верхности Обычно температура поверхности постоянна (,=сопз1, тогда Рнс 9.! Распределение скоростей и температур теплоносителя около вертикальной теплоотдаюшей поверхности при естественной конаекцнн — $ гхйЕ. (9.4) В расчетах используются понятия среднего по поверхности коэффициента теплаотдачн; идеальными, коэффициент объемного расширения можно получить, воспользовавшись уравнением Клапейрона (1.3); В=!/7. (9.8) Температурный коэффициент объемного расширения капельных жидкостей значительно меньше, чем газов.
В небольшом диапазоне изменения температур, а значит, и удельных объемов производную в уравнении (9.7) можно заменить отношением конечных разностей параметров холодной (с индексом «ж») н прогретой (без индексов) жидкости: Разность плотностей р — р= =()р (!†1 ) приводит к тому, что на любой единичный объем прогретой жидкости будет действовать подъемная сила Рю равная алгебраической сумме выталкивающей архимедовой силы А= — р я и силы тяжести С=ря: Р„=д+С= — ц(р„— р)= = — ()р в (! — ! ) (9 19) (9.8) (9.6) Коэффициент теплоотдачи и зависит от физических свойств жидкости и характера ее движения. Различают естественное и вынужденное д в и ж е и и е (к а н в е к ц н ю) жидкости.
Вынужденное движение создается внешним источником (насосом, вентилятором, ветром). Естественная конвекция возни. кает за счет теплового расширения жидкости, нагретой около теплоотдающей поверхности (рис. 9.1) в самом процессе теплообмена. Оиа будет тем сильнее, чем больше разность температур Л! = Г, — Г и температурный коэффициент объемного расширения. (9 7) где о=1/р — - удельный объем жидкости. Для газов, которые в большинстве случаев приближенно можно считать 78 Подъемная сила Г„перемеьцает прогретую жидкость вверх без каких-либо побуждающих устройств !'возникает естественная конвекция).
Все рассуждения о возникновении естественной конвекцин справедливы н для случая охлаждения жидкосги с той лишь разницей, что жидкость около холодной поверхно. сти будет двигаться вниз, поскольку ее плотность будет больше, чем вдали от поверхности. 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
