книги из ГПНТБ / Смольский Б.М. Нестационарный теплообмен

Значения коэффициентов теплообмена находились как отношение теплового потока к разности температур Ѳ =

— itк — tn. Результаты расчета коэффициентов теплообме­ на образцов с потоком воды приведены на рис. 30.

О 20 40 %сгк

Рис. 30. Зависимость коэффициента теплообмена от времени для об­

Для медного цилиндра длиной 5 мм был подсчитан коэффициент теплообмена по экспоненциальному методу (2.18), так как для этого случая критерий Ві<0,1. С этой целью использовалась экспоненциальная функция, кото­ рой аппроксимировалось изменение температуры поверх­ ности во времени. Производная температуры от времени, входящая в формулу (2.18), имела вид

- J 1 = А кб ехР (— кбт)- от

Из рис. 30 видно, что коэффициент теплообмена меня­ ется во времени, стремясь к некоторому постоянному зна­ чению. Промежуток времени, по истечению которого устанавливалось это значение коэффициентов теплообме­ на, составлял 30—40 сек в зависимости от типа образца. Чем меньше длина цилиндра и параметр ср, тем больше отклонение ссн от постоянного значения. Максималь­ ное изменение нестационарного коэффициента теплооб­ мена в данных условиях составляло 70% в случае цилинд­ ра длиной 5 мм и 30% для цилиндра длиной в 100 мм.

При обработке экспериментальных данных в этой се­ рии опытов для некоторых образцов был использован

Рис. 31. Изменение теплового потока во времени, подсчитанное по методу последовательных интервалов (материал—медь): 1 — 6= =0.005 м\ 2 — 0,025; 3 — 0,05

100

коэффициентов теплообмена, определенных по методу последовательных интервалов. В этих расчетах в соответ­ ствии с требованием метода соблюдалось условие F o ^ ^0,5. Для медного цилинра длиной 5 мм Fo='22,3, а дли­ ной 50 мм Fo —0,445. При сопоставлении кривых на рис. 31 с кривыми на рис. 26 видно, что для образца из меди длиной 5 мм кривые изменения теплового потока во вре­ мени, рассчитанные двумя методами, совпадают.

Рис. 32. Изменение коэффициента теплообмена во времени, подсчи­ танное по методу последовательных интервалов . (материал—медь):

1 — 6=0,05 м; 2 — 0,025 м

Для образцов из меди длиной 25 и 50 мм тепловой по­ ток, подсчитанный’ по методу последовательных интерва­ лов, меньше в каждый момент времени, чем тепловой по­ ток, подсчитанный по формуле (2.38).

При определении температуры поверхности двумя спо­ собами (по методу последовательных интервалов и по­ следовательных приближений) тоже было обнаружено несоответствие. Рассчитанная по методу последователь­ ных интервалов температура поверхности образца растет во времени медленнее. В результате в один и тот же мо­ мент времени для одного и того лее материала коэффи­ циент теплообмена как отношение теплового потока к разнице температур tn<— tn оказался для длинных об­ разцов больше, чем для коротких, при использовании метода последовательных интервалов (рис. 32), что про­

101

тиворечит результатам, полученным с помощью разра­ ботанного нами метода.

Таким образом, было обнаружено, что нагрев цилин­ дрической вырезки из плоскопараллельной пластины по­ током воды является нестационарным процессом. В рас­ смотренных условиях изменение коэффициента теплооб­ мена достигало от 1,3 до 1,7 раза в зависимости от размера и теплофизических, свойств образца. Тем самым было обнаружено влияние размеров и теплофпзнческих

ме таких факторов, как Fo, Re, теплоемкость стенки экс­ периментального образца, существенное влияние может оказать число Рг жидкости, обтекающей тело.

Например, расчет, приведенный в работе [1], для теплообмена потока жидкости со стенкой канала при ступенчатом изменении теплового потока показывает, что новый стационарный режим при одинаковых услови­ ях наступает для воздуха через 0,05 сек, а для трансфор­ маторного масла через 18 сек. В пульсирующих потоках при Р г « 1 процесс теплообмена является квазиставдонарным, а при достаточно больших числах Рг тепловой поток в нестационарных условиях существенно превосхо­ дит тепловой поток в соответствующих стационарных условиях [1].

Рис.'ЗЗ. Зависимость отношения <7п/<7ст от времени релаксации тепло­ вого пограничного слоя в лобовой точке пластины при ступенчатом изменении температуры поверхности: I — Рг=0Д; 2 — 1.0; 3 — 10;

4 — 100

102

следования теплообмена твердого тела в окрестности ло­ бовой точки, следует, что время установления стационар­ ного режима теплообмена при ступенчатом изменении температуры поверхности прямо пропорционально кор­ ню четвертой степени из числа Рг и обратно пропорцио­ нально скорости потока (рис. 33).

В отличие от перечисленных в работе [17] отмечает­ ся, что отношение коэффициентов теплообмена в неста­ ционарных и стационарных условиях не зависит от критериев Рг и Re, т. е. влияние на коэффициент тепло­ обмена указанных критериев в нестационарных и ста­ ционарных условиях одинаково.

В связи с этим желательно хотя бы качественно оце-. нить влияние числа Рг на нестационарный коэффициент теплообмена. Авторы исследовали нестационарный теплообмен твердых тел с потоком вязкой жидкости.

Для проведения исследования использовались та же экспериментальная установка и образцы, что п в случае

103

исследования теплообмена цилиндрической вырезки из пластины с потоком воды. Только в данном случае в термостате, где происходил теплообмен образца, в каче­ стве рабочей жидкости применялось масло МС-20. Неко­ торые свойства воды и масла МС-20 приведены в табл. 7.

Экспериментальным образцом служил цилиндр диаметром 10 н длиной 5 мм из меди (см. рис. 22). Зна-

Рис. 34. Изменение температуры полого медного шара (6 = 5 мм) во времени при нагреве его в потоке масла МС-20: 1 — на наружной поверхности теплообмена; 2 — на внутренней

чения измеренных температур на торцах образца пред­ ставлены на рис. 34.

Зная температуру экспериментального образца, по экспоненциальному методу (2.17) рассчитали коэффици­ ент теплообмена (рис. 35).

Из рис. 35 видно, что .нестационарный коэффициент теплообмена в этом случае, как и для воды, уменьшает­ ся с течением времени, стремясь к постоянному значе­ нию. Если принять значение квазистацнонарного коэф­ фициента теплообмена равным 47,6 ѳг/ж2- °С, то коэффи­ циент теплообмена при нагреве образца в масле МС-20

104

a l J 6 f, B T / M 2°Z

Рис. 35. Изменение коэффициента теплообмена во времеиия при на­ греве медного полого шара (6=5 мм) в потоке масла МС-20

Рис. 36. Сравнение коэффициента теплообмена при нагреве медного полого шара в потоке воды (1) и масла (2)

за интервал времени от 3—'70 сек меняется в 2,2 раза. Коэффициент теплообмена при нагреве того же образца

вводе изменялся в 1,7 раза (рис. 36).

Вслучае теплообмена экспериментального образца с потоком, масла квазистацнонарный режим наступает че­

рез 65 сек от начала процесса нагрева, при теплообмене с потоком воды того же образца — через 45 сек от нача­ ла процесса.

Абсолютные значения коэффициента теплообмена экспериментального тела с потоком воды отличаются от значений коэффициентов теплообмена того же тела с потоком масла на порядок. В первом случае они меня­ лись от 950 до 1550 вт/м2- °С, а во втором — от 51 до

105 вт/м2- °С.

При использовании в качестве рабочей жидкости мас­ ла МС-20 число Рг = 350 при температуре 97 °С, а в слу­ чае нагрева образца в воде Рг = 2. Кроме того, в первом случае скорость потока была меньше, чем во втором.

Таким образом, с ростом числа Рг жидкости и умень­ шением скорости потока увеличивается разница в коэф­ фициенте теплообмена в нестационарных и стационар­ ных условиях, а также возрастает время установления квазистационарного режима. Эти результаты соответст­ вуют выводам ряда работ [1, 2, 49], а также физической сущности процесса нестационарного теплообмена.

Внешнее обтекание шаров. Изучая нестационарный теплообмен на шарах, можно исключить необходимость тепловой изоляции мерного элемента, использованного в работе [24], и соответственно тепловые потери в нее. В работе [116] исследовалось соотношение интенсивно­ сти теплообмена в нестационарных и соответствующих стационарных условиях и зависимость его от основных параметров, характеризующих нестационарный тепло­ обмен. Кроме того, при такой постановке опыта средние характеристики по поверхности образца равны локаль­ ным. Это относится и к температуре жидкости вдали от поверхности теплообмена.

Для исследования нагрева металлических шаров по­ током воды использовалась экспериментальная установ­ ка, рассмотренная выше. В схему установки была вклю­ чена дополнительная система для охлаждения шара, не­ обходимая в опытах по стационарному теплообмену

(рис. 37).

106

Для установления начальной температуры, нагрева шара и исследования теплообмена при стационарных режимах применялись термостаты. Для регистрации из­ менения температуры в ряде точек образцов во времени использовался лучевой осциллограф Н-700 с подлюченным к нему внешним отметчиком времени. Нагрев воды и распределение температуры в стенке образца в опытах по стационарному теплообмену измерялись' потенциомет­ ром.

Рис. 37. Схема измерении температуры стенки шара в стационарных условиях: 1 — термостат; 2 — сосуд Дьюара; 3 — потенциометр ПП-0,05; 4 — автотрансформатор; 5 — экспериментальный образец

Экспериментальными образцами служили металли­ ческие шары с одинаковым наружным диаметром, рав­ ным 100 мм. Равенство наружных диаметров позволяло сравнивать результаты экспериментов при одинаковых внешних условиях, определяющих коэффициент теплооб­ мена. Четыре шара были изготовлены из меди. Три из них полые с толщиной стенки 6=6, 15, 25 мм и один сплошной. Два полых шара с толщиной стенки 6= 25 мм были изготовлены из алюминия и латуни. Теплофизиче­ ские характеристики металлов, использованных .для из­ готовления шаров, взяты из работы [111] п охватывают

107

изменение коэффициента теплопроводности от ПО до 390 вт/м • °С и параметра ср от 2420 до 3470 кдж/м3 •°С.

Шар состоял из двух половин, которые соединялись между собой с помощью резьбы (рис. 38). Место стыка снаружи покрывалось клеем БФ-2.

Для проведения экспериментов по стационарному теплообмену между шаром и потоком воды в полом мед­

Рис. 38. Схема шара для исследования теплообмена с потоком жид­ кости в нестационарных условиях

С этой лее целью использовался медный полый шар с толщиной стенки 6= 5 мм, в котором был смонтирован электрический нагреватель мощностью до 1,5 кет, позво­ ляющий нагревать образец изнутри. Мощность нагревавателя можно было регулировать с помощью латра. Нагреватель имел сферическую форму и был изолирован от шара асбестом.

В опытах применялись хромель-капелевые термопа­ ры, которые в сочетании с наиболее чувствительными

108