ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Теплоперенос (теплоотдача) при свободной конвекТеплоперенос (теплоотдача) при вынужденном движении (количественные связи) из "Процессы и аппараты химической технологии Том1 Явления переноса макрокинетика подобие моделирование проектирование" На некотором удалении а от входа потока силы трения и инерции становятся соизмеримыми. Устойчивость ламинарного слоя жидкости над пластиной теряется. За точкой а толщина 6 ламинарного пограничного слоя уменьшается и далее становится неизменной (S = onst). [c.280] На рис. 4.12 показан профиль скорости по ортогональной координате у при О X а при О у 6 скорость изменяется примерно по параболическому закону, при у Ь она потенциальна и равна скорости набегающего потока. Здесь, т. е. при у Ь, поток жидкости еще не чувствует взаимодействия потока и пластины, поток еще не знает о существовании пластины. [c.280] Такие физические представления облегчают понимание и последующую математическую формализацию описания процессов переноса в турбулентных потоках. Для теплообмена важно понять, что тонкий ламинарный слой потока на тепло обменной поверхности проводит теплоту по нормали к поверхности молекулярным механизмом (теплопроводностью) и представляет собой своеобразную теплоизоляцию. Основное термическое сопротивление заключено именно в ламинарном слое теплоносителя и равно /Л, где Л — коэффициент теплопроводности жидкости (газа), 5 — толщина пограничного слоя. [c.281] Зависимость локального коэффициента теплоотдачи от /3 (рис. 4.15) качественно совпадает с зависимостью на рис. 4.13. [c.283] В гидродинамике различают вынужденное и свободное движение жидкости (газа). Первое обусловлено прямым действием сил напора Ар, т. е. разности давления под действием насосов или тягодутьевых средств, которые благодаря этому принудительно прогоняют жидкость (газ) через аппарат или теплообменные устройства). [c.283] Свободная конвекция вызвана наличием массовых силовых полей в объеме жидкости. Например, поле температуры в объеме может создать поле плотности среды, при взаимодействии которого с полем силы тяжести возникает движение масс. Это движение и называют свободным горячие и потому более легкие массы среды под действием сил Архимеда стремятся вверх, холодные и тяжелые — вниз (см. рис. 4.16 а). [c.283] По существу этот просто безразмерный коэффициент теплоотдачи и является искомой функцией во всех задачах теплоотдачи. Число Нуссельта не следует путать с критерием В] в (4.24), хотя по внешнему виду они совпадают. При выводе (4.24) утверждалось равенство теплового потока, обусловленного теплопроводностью твердой стенки, тепловому потоку, вызванному теплоотдачей от поверхности этой стенки во внешнюю среду. Выражение Ки в (4.31) получено из утверждения равенства теплового потока, обусловленного теплопроводностью подвижного ламинарного слоя текущей среды, тепловому потоку, вызванному теплоотдачей от поверхности твердой стенки во внешнюю среду. В В1 Л = Лет — коэффициент теплопроводности материала стенки, в Ки Л — коэффициент теплопроводности движущейся вдоль стенки сплошной среды (жидкости или газа). Число Ки — безразмерная форма записи искомой величины — коэффициента теплоотдачи а. Критерий В — безразмерный комплекс, который рассчитывается по известным а, (I, Лет и представляет собой аргумент в задаче о нестационарной теплопроводности. [c.285] Определяющей температурой, при которой находятся теплофизические параметры (по справочникам), является в (4.32) средняя температура между стенкой и средой i[° С] = (I t + i )/2. [c.286] Еще раз напомним в (4.32) для вертикальных поверхностей теплообмена определяющий размер — их высота, для горизонтальных поверхностей, в частности, труб, — диаметр. [c.286] Обращаем внимание, что для турбулентного режима течения теплоносителя в пограничном слое на вертикальных пластинах и трубах показатель степени п = 0,33 1/3. В критерий Gr характерный размер входит в кубе, т. е. следовательно, в (4.32) справа величина I будет в первой степени, и в число Nu величина I входит тоже в первой степени. Следовательно, коэффициент теплоотдачи а для турбулентного пограничного слоя не зависит от линейного вертикального размера теплообменной поверхности. Этот вывод согласуется с рис. 4.17а зона формирования пограничного ламинарного слоя для больших по вертикали теплообменных поверхностей очень незначительна, а выше этой зоны толщина S ламинарного пограничного слоя практически неизменна. Поэтому а Л/(5 не зависит от вертикального размера I. [c.286] В ситуации Gr Рг 10 часть пограничного слоя ламинари-зирована, а часть — турбулизирована (см. рис. 4.17а). Высоту, на которой происходит потеря устойчивости ламинарного слоя, можно оценить как д11 У) РАТи/а) 10 . [c.286] Для ламинарного режима течения в трубах и каналах некоторые теоретические рещения возможны лищь в изотермическом приближении. Прежде всего это касается классической задачи о гидродинамической теории теплообмена [2, 28, 30], которая в явном виде дает связь коэффициента теплоотдачи а и коэффициента гидродинамического сопротивления введенного в гл. 3. [c.287] По существу (качественно) при вынужденном движении все уравнения теплоотдачи имеют набор обобщенных переменных по форме (4.34) гидродинамической теории теплообмена (аналогия Рейнольдса). Экспериментальные исследования теплообмена лищь уточняют (4.34) количественно и, как правило, подтверждают, что Ки = сКе Рг (Ог Рг) 1 Г Р. где все безразмерные сомножители, кроме КеРг = Ре, оттеняют особенности и детали условий течения, теплоотдачи и формы каналов. [c.288] Гидродинамическая теория теплообмена весьма значима не только в установлении основных обобшенных переменных, аргументов для коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении. Она показывает, что за интенсификацию теплообмена при конвекции приходится платить увеличением сопротивления движению вдоль или поперек поверхностей теплообмена и собственно скорости движения. Так как мощность двигателей, прокачивающих теплоноситель через теплообменное устройство, N то становится очевидным, что интенсификация теплообмена эквивалентна количеству потребляемой и очень дорогой электроэнергии. [c.289] Возвращаясь к коэффициенту теплоотдачи при вынужденном движении, отметим, что при необходимости уточнений его значений используют формулы, полученные обобщением экспериментальных данных в неизотермических условиях ламинарного течения. Если в ламинарном потоке силы трения превосходят не только силы инерции и гравитационные силы, то наступает так называемый вязкостный режим, при котором отсутствует свободная конвекция даже в неизотермическом поле течения. Это явление наблюдается при Gr Рг 7 10 . [c.289] Формулы пригодны и для постоянного теплового потока по всей поверхности теплообмена (электронагрев, лучистый поток) [7]. [c.290] Вязкостно-гравитационный режим теплообмена также относится к области ламинарного течения, но здесь свободная конвекция играет существенную роль. Интересно, что критическое значение Лвкр критерия Рейнольдса зависит от интенсивности свободной конвекции (табл. 4.3). [c.290] Иными словами, свободная конвекция мешает турбулизации течения потока, упорядочивает течение. [c.290] Формула (4.41) позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи в протяженных каналах и трубах, усредненный по всей поверхности теплообмена, т. е. по длине или по периметру. [c.291] Для коротких каналов, а именно они чаще всего используются в химической технологии (l/d 50, I — протяженность вдоль потока, d — поперек), вводится поправочный множитель / (табл. 4.5), учитывающий формирование и перестройку пограничного слоя на входе в канал. [c.291] Вернуться к основной статье