теплофизика. 1. Элементарные и сложные виды теплообмена

• Название: 1. Элементарные и сложные виды теплообмена
• Дата: 23.03.2023
• Размер: 3.23 Mb.
• Имя файла: теплофизика.docx
• Тип: Документы; #1009702
• страница: 4 из 4

Теплоотдача при поперечном обтекании труб и в трубных пучках Цилиндрическая поверхность при поперечном обтекании является хорошим турбулизатором потока. Ламинарное, плавное и безотрывное обтекание наблюдается здесь очень редко, только когда Re < 5. В большинстве практических случаев при обтекании цилиндра в задней (по ходу потока) его части происходит срыв пограничного слоя и турбулизация теплоносителя. При постоянстве массового расхода в минимальном сечении потока (рис. 2.48, а) средняя скорость течения наибольшая и направлена так, что силы инерции увлекают частицы жидкости в направлении X, что и является причиной их отрыва от слоя и турбулизации. С увеличением числа Re интенсивность вихреобразования растет, уменьшается угол отрыва слоя q> и при Re > 1000 за трубой возникает несглаживающаяся турбулентная дорожка. Картина нарастания пограничного слоя для этого случая показана на рис. 2.48, б. Толщина слоя увеличивается симметрично от носовой части трубы к корме, в кормовой части при углах ср = 95... 115° происходит срыв, а после срыва слой вновь начинает нарастать. Подобным же образом ведет себя и тепловой пограничный слой, что хорошо объясняет наличие трех максимумов на эпюре локальных значений а, приведенной на рис. 2.48, в. При Re < 105 абсолютный максимум имеет место на носовой зоне, при Re > 105 — в кормовой части трубы. Для расчетов среднего для всей поверхности значения коэффициента теплоотдачи а на основании экспериментов получены следующие критериальные уравнения: Рис. 2.48. Обтекание цилиндра при Re < 1000 при Re > 1000 Одиночные трубы редко используют в конструкциях. Обычно в теплообменной аппаратуре трубы компонуют в пучки, которые бывают шахматными, коридорными и каскадными (рис. 2.49). Основными характеристиками пучка, определяющими его плотность, являются диаметр труб d и величины относительного продольного и поперечного шагов S2/d и SJd. Чем меньше эти отношения и чем ближе к единице, тем плотнее пучок. При S/d < 2 пучки считают плотными. Любой пучок является сильнейшим турбулизатором потока. При этом трубы первого ряда (по ходу теплоносителя) работают точно так же, как одиночная труба. А вот на трубы второго, третьего и других рядов набегает поток, уже турбулизированный трубами предыдущих рядов. Поэтому интенсивность теплоотдачи здесь несколько увеличивается. Правда, степень турбулизации даже после Рис. 2.49. Схемы трубных пучков: а — коридорный; 6 — шахматный; в — каскадный с расположением труб по сторонам и вершинам шестиугольников; г — каскадный с наклонным расположением осей труб первых двух-трех рядов настолько возрастает, что следующие ряды труб уже мало ее увеличивают, поэтому в глубине пучка, начиная с третьего-четвертого рядов, значение коэффициента а становится одинаковым для любой трубы. Если у коридорного пучка величину а в глубине пучка принять равной единице, то на трубах первого ряда это будет только 0,6, на трубах второго ряда — 0,9, на третьем ряду — 0,99 и далее везде 1,0. Для расчета среднего коэффициента теплоотдачи для этой группы подобных явлений на основании опытных данных получены следующие критериальные уравнения: для коридорных пучков для шахматных пучков

33. Теплоотдача в окрестности критической точки.

Критическая точка на диаграмме р, t (рис. 1.1, а) представляет собой конечную точку К кривой фазового перехода жидкость- пар. Соответствующие этой точке координаты р_кр и t_Kp называются критическим давлением и критической температурой. Критическая точка характеризует критическое состояние любого вещества на границе двухфазных и однородных состояний. В критической точке различие между жидкостью и паром исчезает, и система становится однородной. 

34. Физические основы теплоотдачи в коротких и длинных трубах.

При вынужденном движении жидкости внутри трубы различают два режима течения: ламинарный и турбулентный. Ламинарный режим наблюдается при малых скоростях движения жидкости. При скоростях потока, больших некоторого значения w_кр, режим течения переходит в турбулентный. Для различных жидкостей и трубопроводов критическая скорость различна. Режим течения жидкости определяется по значению числа   . Если Re меньше критического Re_кр, то режим течения ламинарный. При движении жидкости в трубах   . Развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях   . Диапазон изменения Re от 2·10³ до 1·10⁴ соответствует переходному режиму течения.

Теплоотдача.развитие процесса теплоотдачи внутри труб вначале происходит качественно так же, как и при ламинарном пограничном слое на пластине (см. раздел 2.5.1). Около поверхности трубы образуется тепловой пограничный слой, толщина которого постепенно увеличивается в направлении движения потока. На некотором расстоянии от входа трубы l_н.т. тепловые пограничные слои смыкаются, и в процессе теплообмена участвует далее весь поток жидкости. Протяженность начального теплового участка при t_c = const равна  ,

а при q_c = const

 .

Значения и характер изменения локального коэффициента теплоотдачи по длине трубы зависят от целого ряда факторов, таких как профиль температуры жидкости на входе, начальный профиль скорости и условия входа жидкости в трубу, характер изменения температуры стенки по длине трубы.

Максимальная теплоотдача достигается на передней кромке трубы. Далее происходит падение локального коэффициента теплоотдачи до тех пор, пока тепловые пограничные слои не смыкаются. После этого локальный коэффициент теплоотдачи принимает постоянное значение.



Рис. 2.16.- Изменение местного и среднего коэффициентов теплоотдачи по длине трубы

а- неизменный режим течения; б- смешанное течение

Изменение вязкости приводит к изменению профиля поля скорости, что в свою очередь отражается на интенсивности теплообмена. Влияние данного фактора на теплоотдачу учитывается введением в уравнения подобия отношения   , называемого поправкой Михеева.

На основе анализа и обобщения результатов многочисленных исследований для расчета средней теплоотдачи установлена зависимость [62]

 (2-17)

при   и 

Коэффициент   учитывает изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы. Если   , то   . При   необходимо учитывать влияние теплового начального участка. Значения   приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Значения зависимости   при турбулентном режиме

35. Результаты аналитического и опытного исследования теплоотдачи.

36. Особенности потоков в полях массовых сил в условиях свободной и вынужденной конвекции

37. Теплоотдача в криволинейных каналах.

При движении жидкости в изогнутых трубах неизбежно возникает центробежный эффект. Поток жидкости отжимается к внешней стенке, и в поперечном сечении возникает так называемая вторичная циркуляция. С увеличением радиуса кривизны R влияние центробежного эффекта уменьшается, и в пределе при   (прямая труба) оно совсем исчезает. Вследствие возрастания скорости и вторичной циркуляции и как следствие этого увеличения турбулентности потока значение среднего коэффициента теплоотдачи в изогнутых трубах выше, чем в прямых.

Расчет теплоотдачи в изогнутых трубах производится по формулам для прямой трубы с последующим введением в качестве сомножителя поправочного коэффициента   , который для змеевиковых труб определяется соотношением

 (2-19)

где R — радиус змеевика; d — диаметр трубы.

В змеевиках действие центробежного эффекта на интенсификацию теплоотдачи распространяется на всю длину трубы. В поворотах же и отводах центробежное действие имеет лишь местный характер, но его влияние распространяется и дальше. За счет увеличения турбулентности потока в последующем за поворотом прямом участке трубы теплоотдача всегда несколько выше, чем в прямом участке до поворота.

38. Теплоотдача в закрученных потоках и около вращающихся дисков



39. Законы теплообмена излучением

Теплообмен излучением - сложный про­цесс, при котором внутренняя энергия излучающего тела пере­ходит в энергию электромагнитных волн, а затем в по­глощающем эти волны другом теле их энергия вновь превращается во внутреннюю энергию теплового движения микрочастиц. Основными характеристиками теплового излучения являются его интенсивность и спектральный состав.

Тела, которые всю падающую на них лучистую энергию поглощают, Q_A=Q и А=l (R=D=01), называются абсолютно черными. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию отражает, Q_R=Q; R=1 (А=D =О), называют абсолютно белым или зеркальным. Тело, которое всю падающую на него лучистую энергию пропускает, Q_D=Q; D=1 (А=R=О), называют абсолютно прозрачным. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует.

1. Закон Планка устанавливает зависимость интенсивности излучения

абсолютно черного тела E_0λ от длины волны λ и абсолютной температуры

(1.189

где с₁ = 3,7·10^-16(Вт·м²) - постоянная ; с₂ = 0,0144 (м·К) - постоянная; е – основание натурального логарифма.

2. Закон смещения Вина гласит – длина волны, которой соответствует максимальное значение интенсивности излучения (E_0λ=max), обратно пропорциональна абсолютной температуре

(1.190)

3. 3акон Стефана - Больцмана формулируется следующим образом: плотность суммарного излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна абсолютной температуре в четвертой степени

(1.191)

где σ₀, c₀ – коэффициенты пропорциональности (постоянные излучения); σ₀ = 5,67·10^-8 Вт/( м² ·K⁴); c₀ = 5,67 Вт/(м² ·K⁴).

4. 3акон Кирхгофа формулируется так: отношение плотности полусферического интегрального излучения к поглощательной способности одинаково для всех тел имеющих одинаковую температуру и равно плотности интегрального полусферического излучения абсолютно черного тела при той же температуре, т. е.

+Е₁/А₁= Е₂/А₂=…=Е_n/А_n =Е₀ =f(T) (1.194)

40. Теплообмен излучением между твердыми телами

На основании законов излучения получено расчетное уравнение лучистого теплообмена между телом 1 произвольной формы и поверхностью другого, большего и охватывающего его тела 2

(1.195)

где Q_1,2– тепловой поток, передаваемый излучением телом 1 телу 2, Вт;

ε_1,2 – приведенная степень черноты тел 1 и 2, определяемая из выражения

(1.196)

F₁ и F₂ – площади поверхностей тел , м²; Т₁ и Т₂— абсолютная температура поверхностей тел , К.

Такой случай еще называют теплообменом излучением между телом и его оболочкой; внутреннее тело всегда тело 1.

Частный случай рассмотренного теплообмена – теплообмен между двумя параллельными неограниченными стенками. Когда F₁ = F₂ = F, применяют расчетное уравнение теплообмена излучением, а приведенная степень черноты определяется из выражения

+ (1.197)

Для уменьшения лучистого теплообмена между телами применяют экраны.

в общем случае при постановке n экранов (степени черноты тел и экранов равны)

(1.198)

где q_(1,2)э и q_1,2 — плотности передаваемого тепла излучением при наличии экранов и без них соответственно.

Эффективность экранирования возрастает, если применять экраны из материалов с малой степенью черноты

41. Радиационно-конвективный теплообмен.

Сложный вид передачи тепла в результате параллельного и одновременного протекания процессов теплоотдачи и излучения называют - радиационно-конвективный теплообмен.

Результат совместного действия простых процессов переноса теплоты (конвекция, излучение и теплопроводность), как правило, приписывается одному из них, который считается главным. Влияние остальных явлений учитывается количественно коэффициентом пропорциональности.

Если в качестве главного принята теплоотдача то, можно записать:

,

где  - плотность потока теплоты в результате совместного действия теплоотдачи и излучения;  - суммарный (общий) коэффициент теплоотдачи.

Выражение для расчета значения  можно вывести из уравнения:

,

где  - поток теплоты теплоотдачи,  - поток переноса излучением.



или

, (4.51)

где  - температурный коэффициент.

Последнее уравнение представим в виде:

,

тогда получим

.

Если в качестве главного принять перенос теплоты излучением, получим следующее выражение для расчета степени черноты, учитывающей конвективную составляющую переноса теплоты:



или

+ ,где  . (4.52)

42. Ребристая стенка.

Оребренные поверхности используются для интенсификации теплообмена с той стороны, где коэффициент теплоотдачи мал. С помощью ребер увеличивается поверхность нагрева

В связи с тем, что поверхность теплообмена с обеих сторон рассматриваемой стенки неодинакова, расчет величин К и q можно выполнять для единицы гладкой или оребренной поверхности.

Отношение площади оребрения к площади гладкой стенки называется коэффициентом оребрения т = F₂/Fi .

В этом случае коэффициент теплопередачи через гладкую поверхность стенки (см. рис. 3.26)



через оребренную поверхность



Ребристые поверхности широко применяют в теплообменных аппаратах для интенсификации теплопередачи, где коэффициент теплоотдачи мал.




Рис. 3.26. Схема теплопередачи через ребристую стенку



Рис. 3.27. Зависимость тепловых потерь от диаметра цилиндрической поверхности

43. Пристенная интенсификация теплоотдачи.