Весна 16 курс 3 ОрТОР / Теория АД / Термодинамика и теплопередача Никифоров А.И.-3

101

Решение

Так как нихромовая проволока охлаждается за счёт излучения и свободной конвекции, то отводимый тепловой поток (тепловые потери) с единицы длины площади поверхности проволоки (π · d · 1 м) определяется уравнением:

ql = qл + qк,

где qл – тепловой поток (тепловые потери) за счёт излучения;

qк – тепловой поток (тепловые потери) за счёт естественной конвекции. Определим тепловые потери за счёт излучения:

воспользуемся критериальным уравнением естественной конвекции:

Nuср С Gr Pr ср

За определяющую температуру принимается средняя температура пограничного слоя:

∆t = 400 – 30 = 370 °С.

102

Вычисляем значение (Gr ·Pr)ср по формуле (10.6):

При этом значении комплекса (Gr · Pr)ср константы критериального уравнения равны: C = 1,18 и n = 18 = 0,125

Тогда:

Nuср 1,18 Gr Pr 0,125ср 1,18 12,8 0,125 1,625.

Все величины для нахождения коэффициента теплоотдачи найдены, определим его численное значение:

Nuср 1,625 4,00 10 2 43,3 Вт/(м2 К) d 1,5 10 3

И окончательно получаем потери за счет свободной конвекции:

qк d t 43,3 3,14 1,5 10 3 370 75,6 Вт/м.

Общие потери теплоты с 1 м нихромовой проволоки составляют:

ql qл qк 52,8 75,6 128,4 Вт/м

Допустимую силу тока для нихромовой проволоки определим из уравнения:

103

Проверьте, как Вы усвоили материал

1.Чем физически отличается процесс теплоотдачи излучением от теплообмена конвекцией и теплопроводностью?

2.Что называется отражательной, поглощательной и пропускательной способностью тела?

3.В каком случае тело называется абсолютно чёрным, абсолютно прозрачным и абсолютно белым? Приведите примеры тел, которые близки по своим свойствам к абсолютным.

4.Что устанавливает закон Стефана-Больцмана?

5.В чём сущность закона Кирхгофа?

6.Назовите способы уменьшения передачи тепла излучением.

7.Дайте определение теплозащитному экрану.

8.Как влияют непрозрачные экраны на теплообмен излучением?

9.Приведите примеры использования тепловых экранов в авиационной технике.

10.Вспомните название газов, принимающих участие в излучении и поглощении тепловой энергии.

11.Каковы различия между излучением твёрдых тел и излучением газов?

12.Объясните физическую сущность лучистого теплообмена.

13.Напишите формулу для определения плотности теплового потока пр и лучисто-конвективном теплообмене.

104

ТЕМА 12. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Развитие и совершенствование летательных аппаратов сопровождается увеличением их энерговооруженности и ростом скорости полета. Это приводит к увеличению количества выделяемого тепла, основными источниками которого являются двигатель, радио- и электрооборудование, а также обшивка летательного аппарата при полете на большой сверхзвуковой скорости. Для обеспечения нормальной работы летательного аппарата и пассажиров экипажа требуется отводить тепло.

Вкачестве теплопоглотителей обычно используют поступающие в двигатель топливо и воздух. Вспомогательными теплопоглотителями могут служить специальные жидкости: вода, спирт и другие, которые при нагреве и испарении отводят тепло с охлаждаемой поверхности.

Втех случаях, когда источники тепла удалены от стоков, транспортировка тепла осуществляется теплоносителями.

Устройства, предназначенные для передачи тепла от горячих теплоносителей холодным, называются теплообменными аппаратами или теплообменниками.

От рационального выбора типа теплообменного аппарата и правильной эксплуатации его в значительной мере зависит экономичность и надежность работы всей силовой установки в целом.

На самолётах, эксплуатируемых в гражданской авиации, устанавливаются топливно-масляные радиаторы, служащие для подогрева топлива, поступающего в камеры сгорания, масляно-воздушные радиаторы, в которых охлаждается масло, устройства для кондиционирования воздуха. Теплообменные аппараты применяются также в системах регенерации тепла газотурбинных двигателей с целью повышения их экономичности.

105

12.1. Основные типы теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и контактные (смесительные).

Врекуперативных теплообменных аппаратах передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их теплопроводную стенку (рабочую поверхность). При этом направление теплового потока через стенку не изменяется в процессе работы.

Взависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменные аппараты подразделяются на прямоточные, противоточные и перекрестноточные (рис. 12.1). В первом случае теплоносители движутся в одном направлении (рис. 12.1, а), во втором – в противоположных направлениях (рис. 12.1, б) и в третьем – во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 12.1, в). Могут использоваться и более сложные схемы движения теплоносителей (рис. 12.1, г, д, е). Рабочая поверхность рекуперативных теплообменных аппаратов может выполняться в виде трубок или пластин (рис. 12.2) с этим различают трубчатые (рис. 12.2, а) и пластинчатые (рис. 12.2, б) теплообменники.

В регенеративно-теплообменных аппаратах одна и та же рабочая поверхность, так называемая насадка, попеременно обтекается горячим и холодным теплоносителями. При прохождении через насадку горячего теплоносителя в ней аккумулируется тепло, которое затем передается холодному теплоносителю. Насадка должна обладать высокой общей

107

В контактных теплообменных аппаратах передача тепла происходит при непосредственном контакте теплоносителей. Поэтому такие теплообменники целесообразно использовать для теплоносителей, которые в дальнейшем могут быть легко отделены друг от друга. Этот принцип теплообмена используется, например, при охлаждении масла в картере поршневого двигателя, в

воздушных градирнях и других случаях.

Разновидностью теплообменных аппаратов являются радиационные холодильники или излучатели, в которых тепло от горячих теплоносителей рассеивается излучением. Радиационные холодильники используются на космических аппаратах для отвода тепла от аппарата в космическое пространство.

По виду применяемых теплоносителей теплообменники подразделяются

на:

-жидкостно – жидкостные;

-газо – газовые;

-газо – жидкостные;

А по целевому назначению подразделяются на:

-маслоохладители;

-воздухоохладители;

-воздухоподогреватели;

Основными требованиями к авиационным теплообменным аппаратам являются высокая плотность теплового потока, минимальные масса и габариты, низкий уровень гидравлических потерь, высокая надежность работы и удобство эксплуатации. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют рекуперативные теплообменные аппараты. В настоящее время они наиболее широко используются в авиационной технике.

12.2. Анализ процесса в рекуперативном теплообменном аппарате

Различают конструктивный и проверочный тепловой расчёт теплообменного аппарата. Цель конструктивного расчёта состоит в

108

определении величины рабочей поверхности теплообменника, которая является исходным параметром при его проектировании. При этом должно быть известно количество передаваемой теплоты или массовые расходы теплоносителей и изменение их температуры.

Проверочный расчёт выполняется для теплообменника с известной величиной поверхности. Цель расчёта состоит в определении температур теплоносителя на выходе из теплообменника и количество передаваемой теплоты.

На рис. 12.4. изображены температурные поля прямоточного (рис. 12.4, а) и противоточного (рис. 12.4, б) теплообменников. Индексами 1 и 2 отмечаются температуры и другие параметры соответственно горячего и холодного теплоносителя. Одним и двумя штрихами отмечаются параметры теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата.

В основе анализа процесса и расчёта рекуперативного теплообменного

(12.2)

где Q1 и Q2 – количество тепла, отдаваемое горячим и воспринимаемое холодным теплоносителем; ∆Q – потери тепла в окружающую среду; k – коэффициент теплопередачи; t1, t2 – температуры теплоносителей; F – площадь поверхности теплообмена.

Изменение температуры теплоносителей в теплообменнике.

Учитывая, что

и пренебрегая потерями тепла в окружающую среду, уравнение (12.1) можно записать в виде

109

Отсюда следует, что изменение температуры теплоносителей в теплообменнике обратно пропорционально их водяным эквивалентам. При равенстве водяных эквивалентов изменение температуры теплоносителей одинаково. На рис. 12.4 показан характер изменения температуры теплоносителей в прямоточном (12.4, а) и в противоточном (12.4, б) теплообменных аппаратах при различных соотношениях водяных эквивалентов.

Площадь рабочей поверхности теплообменника. Исходя из того, что разность температур t1 t2 изменяется по длине теплообменного аппарата,

уравнение теплопередачи для него запишется в виде

Величину ∆t в теории теплообменных аппаратов называют температурным напором. В расчетах используется величина среднего температурного напора,

равного:

1 F

tñð F 0 t dF .

110

С учётом этого, а также принимая k = const, уравнение теплопередачи

Таким образом, площадь рабочей поверхности, а следовательно, и масса теплообменника при данной величине Q зависят от коэффициента теплопередачи и среднего температурного напора.

Рис.12.4. Схемы изменения температур t1, t2 в зависимости от схемы движения теплоносителей и значений водяных эквивалентов: а – прямоток, б –

противоток