книги из ГПНТБ / Основы теплотехники и гидрогазодинамики учеб. пособие

где aj — коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке.

Воспринятая поверхностью теплота создает температурный гра­ диент в материале стенки и передается через нее за счет теплопро­ водности. При установившемся режиме тепловой поток, передан­ ный материалом стенки, также равен q и может быть выражен за­ коном Фурье

зультате чего происходит теплоотдача от стенки в холодный теп­ лоноситель

где а2 — коэффициент теплоотдачи от стенки холодному тепло­ носителю.

Выразим полученные уравнения через температурные перепады всех трех стадий теплопередачи

вает интенсивность всех трех стадий переноса тепловой энергии из одной среды в другую и называется коэффициентом теплопере­ дачи к.

Таким образом, уравнение теплопередачи можно записать в виде

351

по физическому смыслу коэффициент теплопередачи представляет собой количество теплоты, переданное от одной среды в другую че­ рез единицу поверхности стенки в единицу времени при темпера­ турном перепаде в один градус.

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи, является полным термическим сопротивлением теплопередачи

Из выражения (12.124) следует, что полное термическое сопро­ тивление теплопередачи равно сумме частных термических сопро­ тивлений процессов, из которых складывается теплопередача. На этом основании, используя выражения (12.18), (12.25), можно на­ писать формулы коэффициентов теплопередачи:

■— для плоской многослойной стенки

Анализ выражений к позволяет установить, что величина коэф­ фициента теплопередачи всегда меньше самого малого из коэффп-

X

цпентов теплоотдачи аь аа или отношения —.

Так как интенсивность теплоотдачи в значительной степени оп­ ределяется физическими свойствами теплоносителей, то в случае их различия величины а, и а2 могут значительно отличаться друг от друга. Так, например, теплоотдача от газообразных сред, как правило, на порядок ниже, чем при использовании жидких тепло­ носителей. В этом случае процесс теплопередачи будет лимитиро­

Для улучшения теплопередачи необходимо повысить интенсив­ ность теплоотдачи на стороне малотеплопроводной среды, что мож­ но выполнить увеличивая скорость, а следовательно, и турбулент­ ность потока.

Однако указанный путь не всегда может считаться рациональ­ ным, так как он связан с повышением расхода теплоносителя и с увеличением газодинамических потерь энергии. Поэтому, чтобы

352

увеличить теплопередачу в случае разнородных теплоносителей, приходится развивать поверхность теплообмена на лимитирующей стороне, выполняя ее в виде ребер различной формы (рис. 12,18, а).

В)

а)

Рис. 12.18. Схематическое изображение ребристых стенок:

л — п л о с к о й ; 6—ц и л и н д р и ч е с к о й .

Напишем уравнения теплового потока через ребристую стенку на всех стадиях теплопередачи

Решая приведенную систему уравнений методом, аналогичньш случаю плоской стенки, получим полный температурный напор

(12.128)

Откуда, вынося за скобки величину оребренноп поверхности Ft, можно записать

(12.129)

Обозначив отношение = /гр, получим полный коэффици-

F

ент теплопередачи, отнесенный к единице оребренной поверхности

где kp — коэффициент оребрення.

Как видно из выражения (12.129), оребренпе увеличивает по­ верхность теплоотдачи на лимитирующей стороне и позволяет зна­ чительно увеличить теплопередачу в целом.

В случае оребренной цилиндрической стенки (рис. 12.18, б) фор­ мула для удельного теплового потока, отнесенного к единице дли­ ны, принимает вид

(12.131)

Следует отметить, что при выводе уравнении (12.129) н (12.1-1) не учитывалось изменение величины поверхности стенки по направ­ лению теплового потока, а также не принималось во внимание раз­ личие температур на поверхности ребер, вызванное их термиче­ ским сопротивлением. Поэтому в ряде случаев, например, при рас­ чете двигателей с воздушным охлаждением, вычисление теплс-е- редачи через оребренную стенку производится по уточненным ур з- нениям, которые рассматриваются в специальных курсах.

Теплопередача в двигателях внутреннего сгорания

Теплопередача в двигателях внутреннего сгорания складывает­ ся из теплоотдачи от горячего рабочего тела в стенки детален, об­ разующих рабочую полость двигателя, переноса теплоты за счет теплопроводности материала деталей и теплоотдачи в охлаждаю­ щую жидкость. Лимитирующим процессом в этом комплексе явля­ ется теплоотдача от нагретых газов в стенки, которая представ­ ляет собой особый случай сложного теплообмена за счет вынуж­ денной конвекции и лучеиспускания.

Главной особенностью процесса теплоотдачи в двигателях яв­ ляется нестацнонарность, обусловленная циклическим изменением температуры и газодинамического состояния теплоносителя, а так­ же площади и температуры тепловоспрннимающей поверхности. Дополнительно к этому условия теплоотдачи характеризуются большой неравномерностью температурного поля и физических констант рабочего тела по объему камеры сгорания. Указанные об­ стоятельства чрезвычайно затрудняют строгое аналитическое ис­ следование рассматриваемого процесса, в результате чего его точ­ ное математическое описание до сих пор не получено. Все сущест­ вующие методы количественной оценки базируются на ряде допу­ щений и дают возможность рассчитывать теплообмен только с оп­ ределенным приближением.

354

Наибольшее распространение получил метод, при котором не­ прерывный процесс теплоотдачи рассматривается как сумма мгно­ венных состоянии, в каждом из которых основные параметры, опре­ деляющие процесс, могут считаться постоянными. С учетом такой условности теплообмен может считаться квазистационарным (буд­ то бы стационарным). В этом случае в каждый момент времени можно применить обычное уравнение Ньютона, согласно которому элементарное количество теплоты, отданное в стенки рабочей по­ лости, равно

можно получить количество теплоты, отданное в стенки за время цикла тп

ти

коэффициент теплоотдачи. Обозначив его через ас.ср, будем иметь

J actrd i

Анализируя уравнение (12.136) и сравнивая его с общим выра­ жением закона Ньютона (12.27), можно прийти к выводу, что комп-

/а0£гоИ

* С . С р Т „

постоянной температуры, которая при подстановке в уравнение (12.136) дает реальную суммарную величину теплоотдачи за цикл при переменных параметрах. В связи с этим указанный комплекс получил название результирующей температуры

Расчеты показывают, что результирующая температура в 1,6— 1,8 раз выше средней температуры цикла. Таким образом, количе­

При расчетах среднее значение коэффициента теплоотдачи вы­

Как видно из уравнения (12.138). основным параметром, опре­ деляющим процесс теплообмена в двигателе, является суммарный коэффициент теплоотдачи дс. Вследствие нестационарное™ пара­ метров, обусловливающих газодинамическое состояние и темпера­ турное поле заряда, величина этого коэффициента в различные мо­ менты цикла изменяется.

Определение мгновенного значения ас базируется на рассмот­ ренных выше положениях теории подобия.

В наиболее общем виде коэффициент теплоотдачи в стенки рабо­ чей полости поршневого двигателя может быть представлен обыч­

Однако вследствие значительных трудностей, возникающих при прямом вычислении критериев подобия, в качестве определяющих аргументов уравнения теплоотдачи чаще принимаются параметры рабочего процесса, обусловливающие газодинамическое и тепло­ вое состояние заряда. Примером такого выражения может слу­

356

типом двигателя и характером протекания его рабо­ чего процесса.

Известно также большое число других выражений для опреде­ ления коэффициента теплоотдачи. В прошлом, например, широко

.использовалась формула Нуссельта — Брилинга.

в цилиндре соответственно, кГ/см2 и °К;

В— постоянный коэффициент, учитывающий влияние, газодинамического состояния рабочего тела на

теплоотдачу.

На основе опытов с тихоходными двигателями больших разме­ ров Н. Р. Брилинг предложил считать

5 = 1,45 + 0,185 ст,

где ст— средняя скорость поршня двигателя, м/с.

В отличие от двигателей с принудительным воспламенением сгорание в дизелях сопровождается выделением свободного угле­ рода в виде частичек сажи. В связи с этим пламя в дизелях имеет существенную излучательную способность, пренебрежение которой вносит значительные погрешности в расчет теплообмена.

Для уточненного определения суммарного коэффициента тепло­ отдачи в этом случае может быть использовано уравнение, пред­ ложенное А. К. Костиным

D — диаметр цилиндра;

357

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Основные понятия и определения

Теплообменным аппаратом называется устройство, предназна­ ченное для нагревания или охлаждения одного теплоносителя за счет передачи теплоты от другого.

Такие аппараты весьма распространены в теплотехнике. К ним, например, относятся паровые котлы, различного рода нагреватели, калориферы, радиаторы систем охлаждения двигателей, теплооб­ менники газотурбинных установок и т. п.

С>

Воздух Воздух

Рис. 12.19. Вращающиеся теплообменники-регенераторы:

л — б а р а б а н н о г о т и п а ; б— д и с к о в о г о т и п а ; в —р о т о р - м а т р и ц а ; / — к о р п у с ; 2—р о т о р - м а т р н ц а ; 3— р а з д е л я ю щ и е п е р е г о р о д к и ; 4 — п р и в о д н о й в а л ; б — г о ф р и р о в а н н а я л е н т а ; б — п л о с к а я л е н т а .

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на по­ верхностные, в которых передача теплоты происходит с участием какой-либо поверхности нагрева, находящейся в контакте с тепло­ носителями и смесительные, в которых теплообмен осуществляется путем смешения самих теплоносителей.

В сбою очередь поверхностные аппараты можно разделить на

рекуперативные и регенеративные.

Рекуперативными (рекуператорами) называются такие тепло­ обменные аппараты, в которых теплопередача от горячего к холод­

358

ному теплоносителю происходит непрерывно через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, калориферы, радиаторы систем охлаждения двигателей.

3 регенеративных аппаратах (регенераторах) теплопередача осуществляется путем поочередного соприкосновения поверхности нагрева с горячим и холодным теплоносителем.

Обычно регенераторы выполняются в виде диска пли барабана (рис. 12.19), вращающегося с небольшим числом оборотов, и его сердцевина (набивка), проходя мимо соответствующих трубопро­ водов, обдувается то горячим газом, то рабочим телом, которое не­ обходимо нагреть. Во время контакта с горячим телом теплоемкая набивка регенератора аккумулирует теплоту, а при обдуве холод­ ных? теплоносителем отдает за­ пасенную энергию и повышает его температуру.

Вращающиеся регенерато­ ры широко используются в га­ зотурбинных двигателях для повышения их экономичности.

Характеристики теплообменкых аппаратов во многом зависят от взаимного наврав* ления потоков теплоносителей.

Если горячий и холодный теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева парал­ лельно друг другу и в одном

(рис. 12.20). В случае парал­ лельного движения теплоноси­ телей в противоположных на­ правлениях схема носит назва­ ние противотока (рис. 12.21), а при взаимно перпендикуляр­ ном направлении движения по­ токов— поперечного тока.

От принятой схемы движе­ ния потоков зависит характер изменения температур теплоносите­

лей по мере их перемещения вдоль поверхности нагрева.

3 случае прямотока в начальный момент температурный пере­ пад максимален (см. рис. 12.20,а), а затем он быстро уменьшается за счет охлаждения горячего п нагрева холодного теплоносителей.

Очевидно, что максимальная температура t"о, до которой мож­ но нагреть холодный теплоноситель при прямотоке, равна t'\ —ко­ нечной температуре горячего теплоносителя.

При противотоке (см. рис. 12.21, а) температуры теплоносите­

339