книги из ГПНТБ / Смольский Б.М. Нестационарный теплообмен

't*

Jt

1

, У

■'л•

<• ^

С 51

УДК 536.242

Л ?

чная

веская r '!. c p

> оАЛА

С м о л ь е к и і'і Б. М„ С е р г е е в а Л. А.. С е р г е ­ е в В. Л. Нестационарный ■теплообмен. Минск, «Наука іі техника», 1974, стр. 160.

Вкниге приведены результаты теоретического II экспериментального исследования нестационар­ ного теплообмена при течении жидкости в трубе, обтекании шара, пластины, затупленного тела в

области точки торможения. Показано влияние рода жидкости на характеристики нестационарно­ го теплообмена.

Анализируются методы экспериментального исследования нестационарного теплообмена и по­ лученные экспериментальные результаты с единой точки зрения.

Таблиц 9, иллюстраций 52, библиография — 147 названий.

Рассчитана на научных сотрудников, инжене­ ров, может быть полезна также аспирантам и сту­ дентам.

0236—023

131—74

М316—74

Рецензенты:

■доктор технических наук А. Г. Т е м к и й ,

.кандидат технических наук Ю. Е. Ф р а й м а н

Издательство «Наука и техника», 1974.

©

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

G — расход,

Т— безразмерная температура, 8 — толщина стенки,

бд , 8 т — соответственно толщина динамического и теплового погра­

ничных слоев.

Индексы

ж—жидкость, газ,

т— твердое тело,

ст — стационарные условия,

и— нестационарные условия,

п— поверхность стенки,

О—начальные условия, параметрызаторможенного потока,

1

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальные и теоретические зависимости для интенсивности теплообмена, широко используемые в на­ стоящее время при расчетах процессов теплообмена в теплообменных аппаратах и технологических процессах, получены в большинстве для стационарных условий теп­ лообмена.

Если существенные для теплообмена параметры часто изменяются как в течение всего процесса, так и в течение переходных режимов, имеет место нестационар­ ный процесс.Во многих современных.аппаратах велики скорости изменения тепловых параметров.

Применимы ли в таких условиях упомянутые выше зависимости для интенсивности теплообмена?

Для расчета интенсивности теплообмена использует­ ся закон Ньютона

собой постоянную величину в течение процесса для дайной поверхности и постоянных во времени гидро­ динамических условий и значений температуры поверх­ ности tn и потока г'ж. Оіі определяется некоторыми внеш­ ними размерами тела, скоростью и физическими свойст­ вами потока жидкости. Эта зависимость, в частности, при течении жидкости в трубе имеет вид [91]|

В некоторых процессах параметры tn, tH(, скорость потока, свойства жидкости, определяющие интенсив­ ность теплообмена, могут изменяться во времени.

4

Теоретические оценки показывают [1—3], что при равных значениях tn и tm тепловые потоки в принципе не­ одинаковы в стационарных и нестационарных условиях из-за различия коэффициентов теплообмена.

Это значит, что расчет теплового потока в случае нестационарного теплообмена с помощью формул типа

(1) и (2) по мгновенным значениям параметров может привести к результатам, отличающимся от действитель­ ных тепловых потоков.

Для определения величин коэффициентов теплообме­ на в стационарных и нестационарных условиях необхо­

рактерных для нестационарного теплообмена. Причем за­ висимость Nu от Re и Рг в нестационарных условиях мо­ жет отличаться от соответствующей зависимости в ста­ ционарных условиях.

Явления нестационарной теплопроводности в погра­ ничном слое и стенке, создающие возможность возник­ новения нестационарных эффектов, отличаются от след­ ствий конечной скорости распространения тепла [55, 96]. Как показано в работах [55, 96], в большинстве случаев использование выражения для теплового потока в обыч­ ной форме дает достаточно точные результаты. Неучет частной производной теплового потока по времени при­ водит к ошибке в определении времени наступления в данном сечении некоторого значения температуры, со­ ставляющей ІО-9—10-і3 сек, что невозможно заметить при современном уровне измерительной техники.

Степень отклонения режима теплообмена., от стацио­ нарного зависит от скорости изменения параметров во времени, свойств тела и жидкости. Предельные скорости,

ступенчатое изменение параметров, характеризующих процесс теплообмена, а более медленное их изменение, например нагрев или охлаждение тел.

За последние годы повысился интерес к изучению процессов теплообмена, протекающих в нестационарных условиях. Такие процессы имеют место в теплообмеи-

5

Глава I

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Работы по исследованию нёстационарного теплообме­ на охватывают процессы теплообмена в трубах при ла­ минарном и турбулентном режимах течения [1, 2, 5, 6, 8—И, 18, 19, 28, 121, 122]. Учитывается влияние на не­

[2 -5 ].

Рассмотрено обтекание сферы при изменениях тем­

ции [32, 39] и другие случаи [40, 41], обтекание цилинд­ ров в условиях естественной конвекции [42] при раз­ личных изменениях скорости и температуры потока [43,-45, 47], нагрев и охлаждение цилиндра [46],'об­ текание осесимметричных тел в области точки торможе­ ния при изменении скорости набегающего потока во времени [48], при ступенчатом изменении температуры поверхности или теплового потока [49—52, 56, 57], при изменении температуры стенки вследствие нагрева по­ током жидкости [53] или тепловым излучением [54], обтекание пластины при ламинарном движении жид­ кости [58—61, 71—73, 102, 105, 106], при свободной конвекции около тел, обладающих значительной или малой теплоемкостью [61—65], со ступенчатым подво­ дом энергии [66], при нагреве пластины [67, 68], при внезапных или плавных изменениях температуры окру­ жающей среды [69, 70].

7

теплообмен при течении жидкости через пористый мате­ риал [80, 81].

Кроме общих случаев теплообмена, рассмотрен не­ стационарный теплообмен в конкретных аппаратах и других устройствах. Сюда можно отнести исследование теплообмена при переходных режимах, пуске в активной зоне реактора [8, 23, 82, 121], в теплообменниках [83— 88], а также нестационарного аэродинамического пагре-

У ва летательных аппаратов [89], нестационарного тепло­ обмена элемента оптического квантового генератора [90], при движении нагретого газа в канале ствола ору­ дия [104] и ряд других случав.

Несколько работ [107—109] посвящено исследова­ нию нестационарного массообмена в технологических процессах. В этих работах исследован массообмен в случае скачкообразного возникновения разности кон­ центраций на поверхности пластины [107], поперечно обтекаемого цилиндра [108] и стенки трубы [109]. При­ мененный электрохимический метод позволил исследо­ вать область малых Fo. При этом обнаружено отклоне­

во времени. Он изменяется от больших значений в на­ чале процесса до значений, соответствующих стационар­ ному состоянию [ПО, 115].

Из приведенного выше видно, что результаты иссле­ дований нестационарного теплообмена важны для цело­

времени коэффициенте теплообмена рекомендуется сле­ дующий метод [92]. Необходимо разделить расчетный период времени на такие участки, чтобы внутри каждого коэффициент теплообмена можно было принять посто: яниым. Затем последовательно проводить расчет по участкам, используя в качестве начальных условий для данного участка результаты расчета для предыдущего. Для расчета необходимо знать зависимость коэффициен­ та теплообмена от времени в данных условиях.

S