2.2 Выводы

При обтекании плоской стенки потоком воздуха у поверхности стенки образуется гидродинамический пограничный слой. Скорость потока воздуха в этом слое изменяется от 0 до скорости невозмущённого потока. Течение жидкости в пограничном слое может быть как ламинарным, так и турбулентным. При ламинарном течении воздух движется «слоями», не смешивающимися между собой, струйками. При турбулентном же режиме возникают завихрения в потоке, что приводит к перемешиванию слоёв жидкости. Таким образом, в гидродинамическом слое у поверхности плиты вначале развивается ламинарный режим, впоследствии переходящий в турбулентный. Этот переход происходит на интервале определённой длины, а не в какой-то точке слоя. Однако даже при развитом турбулентном режиме у самой поверхности плиты образуется тонкий подслой, движение жидкости в котором подчиняется ламинарному режиму.

В гидродинамическом слое, образующемся у поверхности плиты, изменяется не только скорость потока, но и температура от значения на стенке до значения воздуха вдали от поверхности плиты. Надо сказать, что при ламинарном режиме течения температура в пограничном слое по мере отдаления от плиты уменьшается, теплообмен осуществляется за счёт теплопроводности от слоя к слою и к стенке. Турбулентный же режим отличается тем, что при смешении слоёв их температура уравновешивается и теплообмен происходит конвекцией.

Наличие рёбер на плите вносит свои коррективы в процесс теплообмена.

Рассмотрим распределение температуры по высоте ребра.

По мере отдаления от основания ребра к вершине температура начинает снижаться. Тепло в ребре передаётся теплопроводностью. При скоростях 0 и 2 м/с развивается ламинарный режим течения потока воздуха, а при скоростях в 6,12 и 20 м/с ламинарный режим переходит в турбулентный. Этот переход заметен на графиках, так как при турбулентном режиме на теплообмен значительное влияние оказывает скорость потока. В этом режиме слой воздуха, нагреваемый у поверхности стенки и рёбер, перемешивается и сносится холодным набегающим потоком. Интенсивность теплообмена при этом прямопропорциональна скорости потока.

Рисунок 2.1 - Изменение интенсивности теплообмена при увеличении скорости потока воздуха

Увеличение высоты ребра приводит к увеличению перепада температур у основания ребра и на вершине. Это можно объяснить тем, что увеличивая высоту ребра, увеличивается и площадь поверхности теплообмена, то есть большее количество тепла отводится от поверхности ребра набегающим потоком.

Материал ребра также влияет на процесс теплообмена. Так как тепло в ребре распространяется теплопроводностью, то вещество, имеющее больший коэффициент теплопроводности, будет лучше проводить тепло от основания ребра к вершине ,и как следствие, перепад температур будет меньше, чем для веществ с большим λ. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладает медь λ=370 Вт/м*К, у латуни λ=100 Вт/м*К, а у стали λ=46 Вт/м*К. Из полученных графиков видно, что перепад температур при высоте ребра 50 мм и скорости потока 20 м/с в меди составляет 20 градусов, у латуни 40, а у стали 50.

Рисунок 2.2 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,01 м

Рисунок 2.3 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,01 м

Рисунок 2.4 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,01 м

Рисунок 2.5 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,02 м

Рисунок 2.6 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,02 м

Рисунок 2.7 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,02 м

Рисунок 2.8 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,03 м

Рисунок 2.9 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,03 м

Рисунок 2.10 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,03 м

Рисунок 2.11 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,04 м

Рисунок 2.12 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,04 м

Рисунок 2.13 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,04 м

Рисунок 2.14 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,05 м.

Рисунок 2.15 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,05 м

Рисунок 2.16 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,05 м

Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, зависит от коэффициента теплопроводности материала ребра, то есть чем выше этот коэффициент, тем лучше материал проводит подведённое тепло. Однако при различных режимах течения потока воздуха, на количество подводимого тепла влияет скорость потока и высота ребра. При ламинарном режиме прогретый слой теплопроводностью передаёт тепло другому слою и так происходит нагрев воздушного потока, при турбулентном же режиме, тепло прогретого нижнего слоя вихревыми потоками смешивается с другими слоями и отвод тепла идёт интенсивно. Увеличение высоты ребра лишь улучшает отвод тепла за счёт увеличения общей теплообменной поверхности.

Рисунок 2.17 - Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из стали

Рисунок 2.18 - Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из меди

Рисунок 2.19 - Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, выполненного из латуни

Увеличение высоты ребра приводит к тому, что влияние скорости потока на максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, уменьшается.

Рисунок 2.20 - Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром

Эффективность оребрения с увеличением высоты ребра уменьшается, аналогично влияние скорости теплового потока. Однако для материалов с большим коэффициентом теплопроводности эффективность оребрения уменьшается не так значительно. Поэтому для оребрения плоской стенки эффективнее использовать медные рёбра, однако с экономической точки зрения это не выгодно, так как медь дорогая. Наиболее дешёвым из рассматриваемых материалов является сталь, поэтому для отопления аудиторий, кабинетов, комнат чаще применяют стальные рёбра, хотя эффективность значительно ниже, чем для меди и латуни. Для комнатных условий, когда присутствует естественная циркуляция воздушного потока и нам необходимо нагреть комнату, целесообразнее и экономически выгоднее применять стальные рёбра с высотой 50 мм. В этом случае вклад оребрённой стенки по отношению к неоребрённой больше в 5 раз, для меди в 6 раз, а для латуни в 5,5. То есть это выгодно те только с экономической точки зрения, которая является определяющей при проектировании, но и с технической, так как эффективность находится на уровне с более дорогими медью и латунью.

Рисунок 2.21 - Коэффициент эффективности ребра, выполненного из стали

Рисунок 2.22 - Коэффициент эффективности ребра, выполненного из меди

Рисунок 2.23 - Коэффициент эффективности ребра, выполненного из латуни

Рисунок 2.24 - Коэффициент эффективности оребрения стенки стальными рёбрами

Рисунок 2.25 - Коэффициент эффективности оребрения стенки медными рёбрами

Рисунок 2.26 - Коэффициент эффективности оребрения стенки латунными рёбрами