книги из ГПНТБ / Жаров Г.Г. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки

За определяющий размер принимали удвоенный гидравлический диаметр. Величина 81/г колебалась в пределах 0,1—0,5. Влияние вращения на теплоотдачу также не было обнаружено. С целью ориен­ тировочного представления величин приведем некоторые значения коэффициентов теплоотдачи, подсчитанные по предлагаемым фор­

Из анализа расчетных данных табл. 25 видно, что первые две формулы дают слишком заниженные значения, а третья формула, наоборот, — значительно завышенные значения коэффициентов теп­ лоотдачи. По-видимому, такой резкий разброс говорит о том, что опыты проводились для различных типов уплотнений разными иссле­ дователями. Дл я оценки теплоотдачи в уплотнениях целесообразно рекомендовать критериальную зависимость (102), которая дает результаты, более близкие к экспериментальным.

§ 37. Теплоотдача на вращающейся гладкой цилиндрической поверхности,

вподшипниках

ив неограниченном пространстве

Ввысокотемпературных турбинах существен­

ное значение имеют потоки, тепла, проходящие через концевые ци­ линдрические части вала и подшипники, а также через поверхность статора непосредственно в окружающую среду. Эти утечки тепла необходимо строго учитывать, так как иногда они составляют значи­ тельную часть всего отведенного тепла в турбине при ее охлаж­ дении.

ства тепла от поверхностей турбины зависит также и от скорости свободно движущегося около нее воздуха.

Для любых поверхностей в работе [50] предлагаются следующие критериальные зависимости по определению коэффициента тепло­ отдачи в неограниченном пространстве:

Характерными размерами для различных тел принимаются: для цилиндров и шаров— их диаметр, а для плит— их высота /г (для горизонтальных плит— меньшая сторона плиты). Если теплоотдающая поверхность обращена вверх, то для горизонтальных плит полу­ ченный результат необходимо умножить на коэффициент 1,3; если теплоотдающая поверхность обращена вниз, то полученный резуль­ тат нужно умножить на коэффициент 0,7. Константы газа прини­ маются по средней температуре между температурой воздуха и стенки.

Для определения коэффициента теплоотдачи горизонтальных труб (патрубков) в условиях свободного движения воздуха пред­

При усиленной естественной циркуляции или незначительных ско­ ростях окружающего воздуха можно использовать упрощенную

Таблица 27

Коэффициенты теплоотдачи в условиях свободной конвекции

Как видно из табл. 27, разность температур стенки и воздуха ска­ зывается на изменении коэффициента теплоотдачи. С увеличением разности температур коэффициент теплоотдачи увеличивается, с уве­ личением диаметра коэффициент теплоотдачи уменьшается.

Следует также отметить, что при свободной конвекции коэффи­ циенты теплоотдачи имеют довольно малые значения. При вы­ нужденном течении воздуха они, естественно, увеличиваются.

Глава V

ТЕПЛООБМЕН НА ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ОХЛАЖДАЕМЫХ Д Е Т А Л Е Й ГАЗОВЫХ ТУРБИН

В узлах газовых турбин часто используют узкие каналы, по которым прокачивается охлаждающий агент. Знание коэффициента теплоотдачи в таких каналах является опре­ деляющим при расчете систем охлаждения.

В авиационной практике часто для определения коэффициента теплоотдачи к жидкости с узких каналах используют зависимость, предложенную Крауссольдом

Nu = 0,024Re°.8 Pr°.3 3 .

Это уравнение получено для каналов прямоугольного сечения длиной 19,5 мм, шириной 1,8; 3,2; 6,6 мм и высотой 600 мм. За эквивалентный диаметр принималось частное от деления учетверен­ ной проходной площади на периметр. За определяющую темпера­ туру была принята средняя температура потока жидкости. Исследо­ вания турбулентного течения при горизонтальном и вертикальном расположении каналов показали, что естественная конвекция и ее взаимодействие с вынужденным движением не оказывают существен­ ного влияния на структуру потока. Теплообмен внутри канала харак­ теризовался в основном гидродинамикой вынужденного движения и физическими свойствами жидкости.

В наиболее общей форме зависимость для оценки коэффициента теплоотдачи как в трубках круглого сечения, так и для прямоуголь­ ных каналов дана М. А. Михеевым [50]. При турбулентном течении жидкости (Re > 12 ООО) критериальная зависимость имеет вид

Nu = 0,021К е 0 с - 8 Р Г Г ( - ^ ) 0 , 2 5 ,

где индекс «с» показывает, что физические константы находят по температуре среды, а индекс «ст» — что физические константы на­ ходят по температуре стенки. Формула справедлива для гидравли­ чески гладких каналов. Для воздуха можно записать

Некоторые ориентировочные значения коэффициентов тепло­ отдачи при течении воздуха в каналах представлены на рис. 94. Если в каналах охлаждения отсутствуют вставки (завихрители), кото­ рые сглаживают влияние начального участка, то коэффициенты тепло­ отдачи целесообразно рассчитывать по критериальной зависимости

ос, кдж/(мг-ч-К)

6000

f

Рис. 94. Коэффициенты теплоотдачи от воздуха к стенкам канала.

Приведенное выражение отличается от предыдущей формулы членом в квадратных скобках. Этот член учитывает повышение интен­ сивности теплоотдачи на начальном участке.

Если воздух подается на охлаждение с температурой 200 К и давлением 50 н/см2, что является реальным для воздушных систем охлаждения, то формулу (104) можно представить в более простом виде

а: 8,0

При криволинейных п коротких каналах коэффициент тепло­ отдачи следует увеличивать с помощью специальных коэффициентов.

В диапазонах чисел Рейнольдса от 5000 до 12 000 в узких каналах наблюдается переходное течение. Для расчета теплообмена в щелевом канале при переходном режиме в работе [89] рекомендуется крите­ риальная зависимость

Nu = 0,0028Re.

Здесь в качестве определяющего размера принят эквивалентный диа­ метр, а физические константы находят по среднемассовой темпера­ туре потока.

При ламинарном течении потока (Re <С 2200) на интенсивность теплообмена влияет не только режим течения, но и турбулизация за счет конвекции. Поэтому критериальная зависимость будет отли­ чаться от вышеприведенных. В работе [77] приводится зависимость, которую можно использовать в расчетах теплообмена при ламинар­ ном течении жидкости

При течении жидкости во вращающихся каналах (ротора, рабо­ чих лопаток) конвективные токи значительно усиливаются, что может резко сказаться на теплообмене. Определение коэффициентов тепло­ отдачи в этом случае возможно только экспериментально. Однако приближенно теплоотдачу в этом случае можно оценить путем введе­ ния в критериальное уравнение критерия Грасгофа, подсчитанного по формуле

Gr =

где / — ускорение центробежной силы; Р — коэффициент объемного расширения;

Дг — разность температур в крайних по радиусу точках канала;

В данном случае можно рекомендовать следующее расчетное выражение:

Nu = 0,146Re0 , 3 3 Gr0 '1 ,

в котором физические константы определяются по средней темпера­ туре потока.

С целью интенсификации потока в каналах охлаждаемых узлов используют различного рода вставки (завихрители), которые закру­ чивают жидкость и тем самым увеличивают теплоотдачу. В работе [70 ] приводятся результаты исследований конвективной теплоотдачи при течении закрученного потока воздуха на начальном участке кольцевой трубы. Опыты выполняли на специальной эксперимен­ тальной установке, где путем прямого калориметрирования была замерена теплоотдача при закрученном под различными углами воздухе. Физические константы определяли по среднемассовой тем­ пературе и среднему давлению воздуха.

Эквивалентный диаметр кольцевого канала принимали как раз­ ность наружного диаметра завихрителя и внутреннего диаметра трубы. В работе показано, что закрутка потока приводит к значи­ тельному увеличению теплоотдачи по сравнению с осевым потоком

при одинаковом расходе воздуха. Расчетная критериальная зависи­ мость представлена в следующем виде:

одинаковая энергия, закрутка потока увеличивает теплоотдачу на

(Ксм и Лем—• теплопроводность и вязкость воздуха при температуре смеси)

В результате проведенных экспериментов получены зависимости коэффициентов теплоотдачи при различных расходах охлаждающего воздуха и на разных расстояниях от входа при плавном и неплавном входе (рис. 96, 97). Процесс теплообмена становится стабилизи­ рованным только на некотором расстоянии от входа. На участке стабилизации он зависит прежде всего от формы канала, входа в канал и скорости течения охлаждающего агента. Наибольшее значение коэффициента теплоотдачи наблюдается у входа в канал. Это можно

наблюдается уже ламинарный пограничный слой. При дальнейшем течении охлаждающего агента коэффициент теплоотдачи опять воз­ растает, что обусловлено появлением турбулентного течения в этой области. Это подтверждается и тем обстоятельством, что место пере­ хода лежит в области критического значения числа Рейнольдса.

При ступенчатом входе в канал падение и последующий рост коэффициента теплоотдачи происходят более интенсивно, чем при плавном входе. Это можно объяснить значительной турбулентностью потока, связанного с отрывными течениями при входе в канал. В пе­ реходной области течения коэффициент теплоотдачи в случае сту­ пенчатого входа увеличивается больше, чем при плавном. Теплообмен здесь носит колебательный характер. Наличие такой переходной зоны, протяженность которой зависит от числа Рейнольдса и формы канала, позволяет говорить лишь об условной длине зоны стабили­ зации.