книги из ГПНТБ / Основы теплотехники и гидрогазодинамики учеб. пособие

подставив их значения в критериальное уравнение (12.64), нахо­ дят число Nu, по величине которого определяю! коэффициент теп­ лоотдачи

Nu

(12.65)

т

Следует иметь в виду, что при использовании критериев подо­ бия определяющие параметры, к которым относятся определяющая температура и определяющий размер, должны рассчитываться по тем же правилам и по тон же методике, которые применялись при обработке и обобщении результатов моделирующего эксперимента.

Определяющая температура, необходимая для расчета физиче­ ских констант теплоносителя f, ср, v, может вычисляться по-раз­ ному. В качестве определяющей могут приниматься температура стенки fCT, температура набегающего потока жидкости tx или

средняя температура пограничного слоя 4т + 4 | ^Поэтому при

составлении критериальных уравнений условия получения опреде­ ляющей температуры всегда оговариваются особо и обозначаются соответствующими индексами (Re.,., Ргст).

Определяющим размером для труб круглого сечения служит их внутренний диаметр (l = d). Трубы пли каналы более сложной фор­ мы оцениваются эквивалентным диаметром, равным

При внешнем поперечном обтекании трубы пли пучка труб в качестве определяющего размера принимается их наружный диа­ метр. В случае движения жидкости вдоль плоской плиты определя­ ющей обычно является ее длина по направлению движения тепло­ носителя.

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя

Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя проис­ ходит при однозначно заданной скорости потока, определяемой действием насоса или вентилятора. В зависимости от величины этой скорости возникают турбулентные пульсации, интенсифици­ рующие массо- и теплоперенос в направлении, перпендикулярном стенке. Поэтому интенсивность вынужденной теплоотдачи зависит от режима течения, определяемого числом Рейнольдса.

Различают теплоотдачу при турбулентном, переходном и лами­ нарном режимах движения. Каждый из этих случаев обусловлен

331

различными факторами, имеет различные определяющие критерии подобия п описывается критериальными уравнениями различного вида.

Для вынужденного движения при турбулентном и ламинарном режиме используются критериальные уравнения вида

При свободной конвекции рекомендуется применять завнспмосго

Кроме того, количественная связь между критериями опреде­ ляется формой стенки н канала, по которому движется теплоноси­ тель. В зависимости от этого фактора наиболее характерным:-: яв­ ляются случаи теплоотдачи:

—при движении жидкости внутри трубы;

—при поперечном внешнем обтекании одиночной трубы:

—при поперечном обтекании пучка труб;

—при движении жидкости вдоль плоской плиты (стенки) Рассмотрим критериальные уравнения для каждого из -тих

случаев.

Теплоотдача при движении жидкости в трубах в случае турбу­ лентного режима рассчитывается с помощью критериального урав­ нения

Уравнение (12.69) справедливо для прямых гладких труб, имею­ щих длину /> 5 0 d при Re = 1• Ю'! — 5- 10°.

Рг Отношение р-5- в формуле (12.69) учитывает направление

** О Т

теплоотдачи от стенки к жидкости или обратно. Для газообразных теплоносителей можно принимать

РГж .

Рге, •

Для воздуха критериальное уравнение значительно упрощается так как Рг •=« 0,70:

Для коротких труб (/ <(50 d) в результаты расчета по приве­ денным формулам следует вводить поправку, определяемую по спе­ циальным справочникам.

В изогнутых трубах теплоотдача несколько увеличивается за счет роста скорости потока у поверхности, удаленной от цент­

332

ра поворота. Для учета этого фактора коэффициент теплоотдачи, найденный по уравнениям (12.69) и (12.70), необходимо умножить на поправочный коэффициент

3 ^ 1 + 1 , 7 7 ^ (12.71)

где г/ — диаметр трубы;

R — радиус изгиба осевой линии трубы.

Если режим движения теплоносителя характеризуется числами

При расчете теплоотдачи от жидкости в стенки длинных радиа­ торных трубок, для которых характерны Кеж=2,3-103— 3,5 - 103, рекомендуется использовать другую формулу:

Число Рейнольдса для плоских трубок рассчитывается по гид­ равлическому диаметру.

Теплоотдача при ламинарном движении жидкости в трубах (Re_<(2-103) определяется уравнением

Теплоотдача при поперечном обтекании труб определяется гид­ родинамическими явлениями, возникающими в потоке теплоноси­ теля. Как следует из рис. 12.6, характер движения жидкости на ло­ бовой. боковых и тыльной поверхностях трубы совершенно разли­ чен. Б соответствии с этим и коэффициент теплоотдачи на указан­ ных участках значительно изменяется. На лобовой поверхности, на которую набегает поток теплоносителя (® =0), пограничный слон минимальный, и коэффициент теплоотдачи имеет наибольшую ве­ личину. По мере приближения к боковым поверхностям (® =90°)

3 3 3

происходит набухание пограничного слоя и резкое снижение тепло­ отдачи. На тыльных поверхностях (<? =180°) поток отрывается от

Рис. 12.6. Изменение относительного коэф­ фициента теплоотдачи по окружности ци­ линдра при поперечном обтекании.

стенки, в результате чего возникают интенсивные завихрения, уве­ личивающие интенсивность теплопереноса. Таким образом, тепло­ отдача при поперечном обтекании носит сложный характер и при расчетах может определяться только средними параметрами.

Для расчета среднего значения коэффициента теплоотдачи можно рекомендовать уравнение

Постоянный коэффициент и показатели степени приведены в таблице 12.4.

Т а б л и ц а 12.4

Значения коэффициента с и показателей п и т в формуле (12.76)

334

При использовании этих уравнении определяющей температу­ рой является средняя температура жидкости, а определяющим раз-

этом случае имеет вид

Вкачестве определяющего размера для пучка труб следует принимать их наружный диаметр, а определяющей температурой является средняя температура жидкости. Скорость потока рассчи­ тывается в наиболее узком сечении ряда.

Впрактике расчета теплообменных устройств часто встречается случаи поперечного обдува воздухом пучка ребристых труб оваль­ ной формы. Этот тип теплорассепвающих устройств получил на­ звание трубчато-пластинчатого и широко применяется в автомо­

бильных радиаторах.

Доследования теплоотдачи по воздушной стороне трубчато-пла­ стинчатых радиаторов показали, что в этом случае может быть ис­ пользовано критериальное уравнение

335

(12.79)

где dT— гидравлический диаметр воздушного канала, образо­ ванного двумя соседними трубками и пластинами оребрения,

жидкости, прилегающей к горячей стенке, нагревается и за счет снижения плотности при расширении поднимается вверх. На его место поступает холодная жидкость, в результате чего возникает циркуляция теплоносителя. Интенсивность этой циркуляции цели­ ком определяется температурным перепадом, условиями теплоот­ дачи и физическими свойствами жидкости. Поэтому определяющи­ ми критериями в этом случае являются числа Прандтля Рг и Грасгофа Gr.

Для расчета теплоотдачи от нагретых плит, труб и тонких про­ волочек можно использовать критериальное уравнение

336

Показатель степени п этого уравнения выбирается в зависимо­ сти or режима движения теплоносителя по таблице 12.5.

iipn вычислении критериев свободной конвекции в качестве определяющей температуры берется температура пограничного

нию движения теплоносителя.

Для расчета коэффициента теплоотдачи от горизонтальной тру­ бы в воздух можно пользоваться упрощенной формулой

Теплоотдача при кипении жидкости

При большом тепловом потоке через стенку внутренняя часть пограничною слоя жидкости перегревается, и, если температура жидкости приблизится к температуре насыщения ts, начинают по­ являться пузырьки пара. Зародившись, эти пузырьки быстро уве­ личиваются в объеме и, наконец, отрываются от поверхности стен­ ки. Такое кипение называют пузырчатым. Рост объема пузырьков на поверхности стенки и их движение после отрыва вызывают уве­ личение циркуляции жидкости и таким образом интенсифицируют теплообмен (рис. 12.9).

При дальнейшем увеличении теплового потока и повышении температуры количество пузырьков возрастает настолько, что они образуют сплошную паровую пленку на поверхности стенки. Та­ кой режим кипения называется пленочным. Циркуляция жидкости в этом случае уменьшается, а повышенное термическое сопротив­ ление паровой пленки резко снижает коэффициент теплоотдачи.

Ма границе между пузырчатым п пленочным режимами нахо­ дится режим, характеризующийся наибольшим коэффициентом теплоотдачи. Параметры этого режима принято называть крити­ ческими.

Описанный эффект широко используется в теплообменных уст­ ройствах. Если параметры кипятильных аппаратов выбираются

Рис. 12.9. Характер изменения теплового потока q и коэффициента теплоотдачи а «при кипении воды в зависимости от температур­ ного напора:

/ - п у з ы р ч а т о е к и п е н и е ; / / — п л е н о ч н о е к и п е н и е .

близкими к критическим, то теплоотдача с единицы поверхности нагрева становится максимальной и габариты аппарата уменьша­ ются .

Применение пузырчатого кипения в рубашках систем охлажде­ ния двигателей внутреннего сгорания позволяет значительно по­ высить отвод теплоты от нагретых стенок и предотвратить пере­ грев их внутренних поверхностей. Это явление используется в вы­ сокотемпературных системах охлаждения двигателей.

Коэффициент теплоотдачи в области интенсивного пузырчатого кипения можно определить по формуле

338

ТЕП Л О ВО Е И ЗЛ У ЧЕН И Е

Основные понятия и законы

Все тела способны излучать энергию в пространство. Это излу­ чение возникает в результате сложных внутриатомных процессов, связанных с непрерывным выделением порций (квантов) энергии при скачкообразном перемещении электронов с. одной орбиты на другую. Внутриатомные возмущения возникают за счет энергии различных видов и, в частности, в случае подвода теплоты. По­ этому при нагревании тел часть тепловой энергии неизбежно пре­ вращается в лучистую, и количественно излучение зависит в основ­ ном от температуры тела.

Выделение квантов энергии вызывает электромагнитные коле­ бания вокруг тела, которые распространяются со скоростью света в виде волн. Таким образом, носителей! лучистой энергии являют­ ся электромагнитные волны, имеющие широкий спектр частот н ха­ рактеризующиеся длинами от долей микрона до нескольких кило­ метров.

В зависимости от частоты электромагнитных колебаний излу­ чение, одинаковое по своей природе, имеет различные свойства. В связи с этим различают рентгеновские, ультрафиолетовые, ви­ димые световые, инфракрасные лучи и радиоволны.

Часть общего спектра электромагнитных колебаний, характери­ зующаяся диапазоном длин волн 0,72— 1000 мкм (инфракрасное излучение), может поглощаться телами и преобразовываться в энергию движения их структурных частиц, т. е. нагревать тела. Та­ кие лучи называются тепловыми, а процесс их распространения тепловым излучением (лучеиспусканием).

Тепловое излучение часто встречается в теплотехнике. Оно ис­ пользуется в топочных устройствах паровых котлов и различных нагревателях, с ним приходится сталкиваться при исследовании теплообмена в камерах сгорания всех тепловых двигателей.

Так как световое и тепловое излучения одинаковы по своей фи­ зической природе, то многие закономерности, связанные с распро­ странением волн и их взаимодействием с телами, аналогичны. В общем случае тела могут излучать, поглощать, отражать и пропу­ скать как видимый свет, так и тепловое излучение.

Как уже отмечалось, наиболее важным свойством инфракрас­ ных лучей является их способность нагревать тела, на которые они падают. В результате этого становится возможным перенос тепло­ вой энергии от одного тела к другому — теплообмен излучением.

Характерной особенностью теплообмена излучением является двойное преобразование энергии. В излучающем геле тепловая энергия преобразуется в лучистую, которая транспортируется в пространстве в виде электромагнитных волн и при встрече с по­ глощающим телом вновь преобразуется в тепловую.