Файл: Спецглавы теоретических основ теплотехники Богомолов А. Р.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 79
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
основную массу жидкости, называемую ядром потока (внешним потоком), в которой движение является развитым турбулентным, и пограничный слой вблизи стенки, где происходит переход турбулентного движения в ламинарное. Для внешнего потока справедлива теория движения идеальной жидкости (т.е. справедливы уравнения Эйлера). Для пограничного слоя справедливы уравнения Навье-Стокса.
Особенности течения вязкой жидкости при больших числах Re. Пограничный слой
Если числа Re велики (Re » 1) , можно ожидать, что течения вязкой жидкости близки течениям идеальной, за исключением тонкого слоя около границы. В этом тонком слое влияние вязкости существенно сказывается на распределение скорости. И этот тонкий слой принято называть пограничным . Пограничный слой называют динамическим (когда изучается гидродинамическая задача), тепловым (когда изучается температурное поле) и диффузионным (когда изучается концентрационное поле).
Граничные условия 5 рода. При тепловом воздействии происходит превращение массы (плавление, сублимация и т.п.) и местоположение поверхности перемещается во времени.
Такое движение, при котором все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, называют струйчатым или ламинарным. (Re<2300)
Такое неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении, называют турбулентным. (230010000 – устойчивый (развитый))
Переход от ламинарного течения к турбулентному происходит тем легче, чем больше массовая скорость жидкости ρω и диаметр трубы d и чем меньше вязкость жидкости µ.
Указанное значение Re = 2300 является условным, так как оно относится лишь к стабилизированному изотермическому потоку в прямых трубах с очень малой шероховатостью стенок. Значение Re и турбулентный режим движения для газов достигается при значительно больших скоростях, чем для капельных жидкостей (при равных d).
Суммарное касательное напряжение в потоке определяется, следовательно, как вязкостью жидкости, так и турбулентностью потока:
Где, w*- Разность между истинной и осредненной скоростями называют мгновенной и пульсационной скоростью
µ - динамическая вязкость
Сумма средних значений и пульсаций мгновенных величин подставим уравнение движения с учетом пульсационных скоростей которые запишутся в виде:
Это выражение называется уравнением Рейнольдса. В этом уравнении появившееся слагаемое div i ∗ ρω ω учитывает перенос импульса турбулентными пульсациями. Последнее слагаемое в правой части в проекции на ось 0х запишем в виде
При обтекании твердого тела влияние сил вязкости может быть существенным только в области тонкого пристеночного слоя, а за его пределами им можно пренебречь. Отмечено, что в основной массе потока (вдали от стенки) скорости жидкости в значительной мере выравнены по сечению трубы. Однако вблизи стенки трубы скорость резко снижается, обращаясь у самой стенки в нуль. В непосредственной близости от стенки, с приближением к ней, движение жидкости становится все менее турбулентным и все более ламинарным, вследствие того, что твердая стенка как бы «гасит» турбулентные пульсации в поперечном направлении. Таким образом, турбулентное движение не существует в чистом виде, а всегда сопровождается ламинарным.
Условно различают центральную зону, или основную массу жидкости, называемую ядром потока (внешним потоком), в которой движение является развитым турбулентным, и пограничный слой вблизи стенки, где происходит переход турбулентного движения в ламинарное.
Пограничный слой называют динамическим (когда изучается гидродинамическая задача), тепловым (когда изучается температурное поле) и диффузионным (когда изучается концентрационное поле). Внутри динамического (гидродинамического) пограничного слоя имеется тонкий подслой (у стенки трубы или пластины) толщиной δ, где силы вязкости оказывают превалирующее влияние на движение жидкости. Поэтому характер ее течения в подслое в основном ламинарный. Градиент скорости в ламинарном пограничном слое очень высок, причем у самой стенки скорость равна нулю. Ламинарный подслой в турбулентном потоке характеризуется очень малой толщиной (доли миллиметра), которая уменьшается с возрастанием турбулентности потока. Ламинарный подслой оказывает значительное влияние на величину гидравлического сопротивления при движении жидкости, а также на протекание тепло- и массообмена. Между ядром потока и ламинарным подслоем существует переходная зона, причем ламинарный подслой и эту зону иногда называют гидродинамическим пограничным слоем. Толщина его определяется тем, что напряжения сдвига между частицами жидкости в пограничном слое, обусловленные ее вязкостью и турбулентными пульсациями, а, следовательно, значения ν и νt становятся сравнимыми по порядку величин.
Критические значения чисел Рейнольдса зависят также от шероховатости пластины, причем для шероховатой пластины критические числа Рейнольдса меньше, чем для гладкой пластины. При обтекании пластины с недостаточно острой передней кромкой с самого начала может иметь место турбулентный пограничный слой (ламинарная и переходная зоны в этом случае отсутствуют). Переходная зона пограничного слоя отличается перемежаемостью течения: в данной области потока оно может быть либо ламинарным, либо турбулентным потоком. По мере приближения к точке xkr 2время существования ламинарного режима течения стремится к нулю. Коэффициент перемежаемости γ, характеризующий долю времени существования турбулентного режима течения, в области x kr1 ≤ x≤ x kr2 изменяется следующим образом: 0 ≤ γ ≤ 1.
Принято разбивать турбулентный пограничный слой на две части: внешнюю и внутреннюю. Наблюдая за режимами движения во внешней части можно обнаружить, что поток является турбулентным только в течение времени t τ , а в другое время τ поток является ламинарным. Этот смешанный режим или явление характеризуется коэффициентом перемежаемости γ:
В движущейся однокомпонентной среде теплота переносится теплопроводностью и конвекцией. Этот процесс называется конвективным теплообменом. По аналогии перенос вещества в многокомпонентной среде совместно происходящими процессами молекулярной диффузии и конвекции называют конвективным массообменом. Для расчетов теплоотдачи используют закон Ньютона—Рихмана
qc = a(tc – t0);qc измеряется в Дж/(м2×с).
Для расчетов массоотдачи используют уравнение
Для расчетов массоотдачи используют уравнение
,
где υ-кинетическая вязкость, D-коэффициент диффузии, а-коэффициент
температуропроводности.
Сравнив уравнение диффузии, энергии и движения описывающие поля концентрации, температуры и скорости в раздельно идущих процессах переноса вещества, теплоты и количества движения.
Эти уравнения тождественны по переменным
. Если при этом имеется подобие граничных условий то существует подобие температурных, концентрационных и скоростных полей – в этом и заключается ТРОЙНАЯ АНАЛОГИЯ.
В том случае, когда поперечная составляющая градиента концентрации много больше продольной составляющей, т.е. когда продольным переносом массы в продольном направлении можно пренебречь, область процесса переноса вещества называют диффузионным пограничным слоем. Обычно эта область наблюдается вблизи поверхности раздела фаз (испарение, конденсация и др.). О диффузионном пограничном слое говорят также при рассмотрении процессов искусственно организованного вдува–отсоса инородного газа через пористую поверхность, омываемую потоком основного газа. При вдувании газа растет толщина пограничного слоя и уменьшается коэффициент теплоотдачи. При его отсосе наблюдается обратная картина. Заметьте, что закономерности тепломассообмена, полученные для процессов вдува–отсоса, можно использовать для анализа влияния поперечного потока массы на распределение скорости и температуры в задачах массопереноса, касающихся процессов испарения, конденсации и др.
Во многих теплообменных аппаратах горячим теплоносителем являются многокомпонентные смеси газов. Если температура поверхности теплообмена ниже температуры насыщения компонента смеси, то на поверхности теплообмена происходит конденсация этого компонента. В этом случае передача теплоты от парогазовой смеси к поверхности теплообмена осуществляется совместно протекающими процессами конвективного теплообмена и конвективного массообмена.
Процесс массообмена возникает из-за наличия в паре неконденсирующегося газа, чаще всего, воздуха, который проникает в теплообменник, работающий под разрежением. При конденсации пара на поверхности охлаждения жидкая фаза (конденсат) выпадает в виде пленки или отдельных капель. Пленочная конденсация возникает на поверхностях, смачиваемых выпадающим конденсатом, капельная – на несмачиваемых поверхностях охлаждения. В указанных случаях конденсация поддерживается за счет отвода теплоты от межфазной границы в объем жидкости. Наличие в паре неконденсирующегося газа затрудняет доступ пара к поверхности конденсации. В результате скорость конденсации уменьшается.
Из-за снижения парциального давления пара вблизи поверхности конденсации температура поверхности пленки оказывается меньше, чем при конденсации чистого пара. Это является основной причиной уменьшения отводимого теплового потока и снижения интенсивности конденсации. Следовательно, чтобы воздух, попадающий в конденсаторы паровых турбин, не оказывал слишком сильно свое отрицательное влияние на теплоотдачу, его необходимо постоянно отводить из конденсатора.
Задачи интенсификации процесса теплообмена и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов стала весьма актуальной в современной энергетике. В ряде случаев теплообменные аппараты некоторых установок имеют настолько большие размеры, что превышают размеры основного оборудования. В других случаях малая интенсивность теплообмена ограничивает возможности решения поставленных задач. Проблема интенсификации теплообмена особенно актуальна в тех случаях, когда у одного или у обоих теплоносителе коэффициенты теплоотдачи малы.
Трудность достижения эффективного теплообменногоаппаратов для энергетических установок заключается не только в достижении высоких теплоаэродинамических показателей.
Помимо сохранения этих показателей теплообменныеаппараты должны быть надежными в эксплуатации, просты по конструкции, технологичны в изготовлении и иметь небольшую стоимость. Возможность изготовления теплообменной аппаратуры из дешевых материалов с применением современных высокопроизводительных процессов является весьма важной. Задачи интенсификации теплообмена обычно сводятся:
- к уменьшению габаритов и массы теплообменных устройств,
- к снижению температурного напора, т. е. к снижению
температуры стенок при заданной температуре теплоносителя или к увеличению температуры теплоносителя при заданной температуре стенок.Имеется в виду уменьшение габаритов теплообменного устройства или снижение температурного напора по сравнению с их значениями, которые достигаются в данных условиях обычными путями (изменением скорости потока и размерами каналов).
Основными способами интенсификации конвективного теплообмена в теплообменных аппаратах являются:
1. Изменение термического сопротивления.
2. Изменение скорости потока.
3. Использование развитых поверхностей теплообмена путем оребрения и ошиповки. Оребрение поверхности применяется со стороны теплоносителя, обладающего меньшим коэффициентом теплоотдачи. Оребрение поверхности теплообмена целесообразно не только по высоким значениям коэффициента теплопередачи, но и по весовым показателям, так как поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая несущую поверхность трубок, не подвержена давлению, а поэтому оребрение изготавливается из более тонкого материала, чем трубки, тем самым обеспечивается значительный весовой эффект.
4. Воздействием на поток с целью его искусственной
турбулизации. При значениях критерия Рейнольдса, соответствующих ламинарному и переходному режимам за счет искусственной турбулизации достигаются значения коэффициента теплоотдачи, характерные для развитого турбулентного потока. Однако эффективность искусственной турбулизации потока с увеличением значения критерия Рейнольдса снижается, при этом темп роста сопротивления превалирует над темпом роста теплоотдачи.
5. Уменьшение геометрических размеров поверхности теплообмена.
6. Применение пластинчатых и спиральных теплообменников. Пластинчатая поверхность теплообмена дает возможность получить высокие значения удельной поверхности, создать компактные теплообменные аппараты. Если при этом предпринять дополнительные меры по интенсификации теплообмена либо за счет воздействия на поток, либо за счет оребрения, можно получить высокоэффективную поверхность теплообмена.
Основными способами интенсификации лучистого теплообмена являются:
1. Увеличение температуры дымовых газов.
2. Увеличение степени черноты дымовых газов10000>
Особенности течения вязкой жидкости при больших числах Re. Пограничный слой
Если числа Re велики (Re » 1) , можно ожидать, что течения вязкой жидкости близки течениям идеальной, за исключением тонкого слоя около границы. В этом тонком слое влияние вязкости существенно сказывается на распределение скорости. И этот тонкий слой принято называть пограничным . Пограничный слой называют динамическим (когда изучается гидродинамическая задача), тепловым (когда изучается температурное поле) и диффузионным (когда изучается концентрационное поле).
Граничные условия 5 рода. При тепловом воздействии происходит превращение массы (плавление, сублимация и т.п.) и местоположение поверхности перемещается во времени.
-
Никита -
Никита -
Ламинарный и турбулентный режим течения, уравнение Рейнольдса
Такое движение, при котором все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, называют струйчатым или ламинарным. (Re<2300)
Такое неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении, называют турбулентным. (2300
Переход от ламинарного течения к турбулентному происходит тем легче, чем больше массовая скорость жидкости ρω и диаметр трубы d и чем меньше вязкость жидкости µ.
Указанное значение Re = 2300 является условным, так как оно относится лишь к стабилизированному изотермическому потоку в прямых трубах с очень малой шероховатостью стенок. Значение Re и турбулентный режим движения для газов достигается при значительно больших скоростях, чем для капельных жидкостей (при равных d).
Суммарное касательное напряжение в потоке определяется, следовательно, как вязкостью жидкости, так и турбулентностью потока:
Где, w*- Разность между истинной и осредненной скоростями называют мгновенной и пульсационной скоростью
µ - динамическая вязкость
Сумма средних значений и пульсаций мгновенных величин подставим уравнение движения с учетом пульсационных скоростей которые запишутся в виде:
Это выражение называется уравнением Рейнольдса. В этом уравнении появившееся слагаемое div i ∗ ρω ω учитывает перенос импульса турбулентными пульсациями. Последнее слагаемое в правой части в проекции на ось 0х запишем в виде
-
Ламинарный пограничный слой.
При обтекании твердого тела влияние сил вязкости может быть существенным только в области тонкого пристеночного слоя, а за его пределами им можно пренебречь. Отмечено, что в основной массе потока (вдали от стенки) скорости жидкости в значительной мере выравнены по сечению трубы. Однако вблизи стенки трубы скорость резко снижается, обращаясь у самой стенки в нуль. В непосредственной близости от стенки, с приближением к ней, движение жидкости становится все менее турбулентным и все более ламинарным, вследствие того, что твердая стенка как бы «гасит» турбулентные пульсации в поперечном направлении. Таким образом, турбулентное движение не существует в чистом виде, а всегда сопровождается ламинарным.
Условно различают центральную зону, или основную массу жидкости, называемую ядром потока (внешним потоком), в которой движение является развитым турбулентным, и пограничный слой вблизи стенки, где происходит переход турбулентного движения в ламинарное.
Пограничный слой называют динамическим (когда изучается гидродинамическая задача), тепловым (когда изучается температурное поле) и диффузионным (когда изучается концентрационное поле). Внутри динамического (гидродинамического) пограничного слоя имеется тонкий подслой (у стенки трубы или пластины) толщиной δ, где силы вязкости оказывают превалирующее влияние на движение жидкости. Поэтому характер ее течения в подслое в основном ламинарный. Градиент скорости в ламинарном пограничном слое очень высок, причем у самой стенки скорость равна нулю. Ламинарный подслой в турбулентном потоке характеризуется очень малой толщиной (доли миллиметра), которая уменьшается с возрастанием турбулентности потока. Ламинарный подслой оказывает значительное влияние на величину гидравлического сопротивления при движении жидкости, а также на протекание тепло- и массообмена. Между ядром потока и ламинарным подслоем существует переходная зона, причем ламинарный подслой и эту зону иногда называют гидродинамическим пограничным слоем. Толщина его определяется тем, что напряжения сдвига между частицами жидкости в пограничном слое, обусловленные ее вязкостью и турбулентными пульсациями, а, следовательно, значения ν и νt становятся сравнимыми по порядку величин.
19. Турбулентный пограничный слой.
Критические значения чисел Рейнольдса зависят также от шероховатости пластины, причем для шероховатой пластины критические числа Рейнольдса меньше, чем для гладкой пластины. При обтекании пластины с недостаточно острой передней кромкой с самого начала может иметь место турбулентный пограничный слой (ламинарная и переходная зоны в этом случае отсутствуют). Переходная зона пограничного слоя отличается перемежаемостью течения: в данной области потока оно может быть либо ламинарным, либо турбулентным потоком. По мере приближения к точке xkr 2время существования ламинарного режима течения стремится к нулю. Коэффициент перемежаемости γ, характеризующий долю времени существования турбулентного режима течения, в области x kr1 ≤ x≤ x kr2 изменяется следующим образом: 0 ≤ γ ≤ 1.
Принято разбивать турбулентный пограничный слой на две части: внешнюю и внутреннюю. Наблюдая за режимами движения во внешней части можно обнаружить, что поток является турбулентным только в течение времени t τ , а в другое время τ поток является ламинарным. Этот смешанный режим или явление характеризуется коэффициентом перемежаемости γ:
20. Тепло и массоотдача.
В движущейся однокомпонентной среде теплота переносится теплопроводностью и конвекцией. Этот процесс называется конвективным теплообменом. По аналогии перенос вещества в многокомпонентной среде совместно происходящими процессами молекулярной диффузии и конвекции называют конвективным массообменом. Для расчетов теплоотдачи используют закон Ньютона—Рихмана
qc = a(tc – t0);qc измеряется в Дж/(м2×с).
Для расчетов массоотдачи используют уравнение
Для расчетов массоотдачи используют уравнение
21. Тройная аналогия.
,где υ-кинетическая вязкость, D-коэффициент диффузии, а-коэффициент
температуропроводности.
Сравнив уравнение диффузии, энергии и движения описывающие поля концентрации, температуры и скорости в раздельно идущих процессах переноса вещества, теплоты и количества движения.
Эти уравнения тождественны по переменным
. Если при этом имеется подобие граничных условий то существует подобие температурных, концентрационных и скоростных полей – в этом и заключается ТРОЙНАЯ АНАЛОГИЯ.22. Диффузионный пограничный слой
В том случае, когда поперечная составляющая градиента концентрации много больше продольной составляющей, т.е. когда продольным переносом массы в продольном направлении можно пренебречь, область процесса переноса вещества называют диффузионным пограничным слоем. Обычно эта область наблюдается вблизи поверхности раздела фаз (испарение, конденсация и др.). О диффузионном пограничном слое говорят также при рассмотрении процессов искусственно организованного вдува–отсоса инородного газа через пористую поверхность, омываемую потоком основного газа. При вдувании газа растет толщина пограничного слоя и уменьшается коэффициент теплоотдачи. При его отсосе наблюдается обратная картина. Заметьте, что закономерности тепломассообмена, полученные для процессов вдува–отсоса, можно использовать для анализа влияния поперечного потока массы на распределение скорости и температуры в задачах массопереноса, касающихся процессов испарения, конденсации и др.
23. Тепло- и массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси
Во многих теплообменных аппаратах горячим теплоносителем являются многокомпонентные смеси газов. Если температура поверхности теплообмена ниже температуры насыщения компонента смеси, то на поверхности теплообмена происходит конденсация этого компонента. В этом случае передача теплоты от парогазовой смеси к поверхности теплообмена осуществляется совместно протекающими процессами конвективного теплообмена и конвективного массообмена.
Процесс массообмена возникает из-за наличия в паре неконденсирующегося газа, чаще всего, воздуха, который проникает в теплообменник, работающий под разрежением. При конденсации пара на поверхности охлаждения жидкая фаза (конденсат) выпадает в виде пленки или отдельных капель. Пленочная конденсация возникает на поверхностях, смачиваемых выпадающим конденсатом, капельная – на несмачиваемых поверхностях охлаждения. В указанных случаях конденсация поддерживается за счет отвода теплоты от межфазной границы в объем жидкости. Наличие в паре неконденсирующегося газа затрудняет доступ пара к поверхности конденсации. В результате скорость конденсации уменьшается.
Из-за снижения парциального давления пара вблизи поверхности конденсации температура поверхности пленки оказывается меньше, чем при конденсации чистого пара. Это является основной причиной уменьшения отводимого теплового потока и снижения интенсивности конденсации. Следовательно, чтобы воздух, попадающий в конденсаторы паровых турбин, не оказывал слишком сильно свое отрицательное влияние на теплоотдачу, его необходимо постоянно отводить из конденсатора.
25. Интенсификации процессов производства
Задачи интенсификации процесса теплообмена и создания высокоэффективных теплообменных аппаратов стала весьма актуальной в современной энергетике. В ряде случаев теплообменные аппараты некоторых установок имеют настолько большие размеры, что превышают размеры основного оборудования. В других случаях малая интенсивность теплообмена ограничивает возможности решения поставленных задач. Проблема интенсификации теплообмена особенно актуальна в тех случаях, когда у одного или у обоих теплоносителе коэффициенты теплоотдачи малы.
Трудность достижения эффективного теплообменногоаппаратов для энергетических установок заключается не только в достижении высоких теплоаэродинамических показателей.
Помимо сохранения этих показателей теплообменныеаппараты должны быть надежными в эксплуатации, просты по конструкции, технологичны в изготовлении и иметь небольшую стоимость. Возможность изготовления теплообменной аппаратуры из дешевых материалов с применением современных высокопроизводительных процессов является весьма важной. Задачи интенсификации теплообмена обычно сводятся:
- к уменьшению габаритов и массы теплообменных устройств,
- к снижению температурного напора, т. е. к снижению
температуры стенок при заданной температуре теплоносителя или к увеличению температуры теплоносителя при заданной температуре стенок.Имеется в виду уменьшение габаритов теплообменного устройства или снижение температурного напора по сравнению с их значениями, которые достигаются в данных условиях обычными путями (изменением скорости потока и размерами каналов).
Основными способами интенсификации конвективного теплообмена в теплообменных аппаратах являются:
1. Изменение термического сопротивления.
2. Изменение скорости потока.
3. Использование развитых поверхностей теплообмена путем оребрения и ошиповки. Оребрение поверхности применяется со стороны теплоносителя, обладающего меньшим коэффициентом теплоотдачи. Оребрение поверхности теплообмена целесообразно не только по высоким значениям коэффициента теплопередачи, но и по весовым показателям, так как поверхность оребрения, в 5-10 раз превосходящая несущую поверхность трубок, не подвержена давлению, а поэтому оребрение изготавливается из более тонкого материала, чем трубки, тем самым обеспечивается значительный весовой эффект.
4. Воздействием на поток с целью его искусственной
турбулизации. При значениях критерия Рейнольдса, соответствующих ламинарному и переходному режимам за счет искусственной турбулизации достигаются значения коэффициента теплоотдачи, характерные для развитого турбулентного потока. Однако эффективность искусственной турбулизации потока с увеличением значения критерия Рейнольдса снижается, при этом темп роста сопротивления превалирует над темпом роста теплоотдачи.
5. Уменьшение геометрических размеров поверхности теплообмена.
6. Применение пластинчатых и спиральных теплообменников. Пластинчатая поверхность теплообмена дает возможность получить высокие значения удельной поверхности, создать компактные теплообменные аппараты. Если при этом предпринять дополнительные меры по интенсификации теплообмена либо за счет воздействия на поток, либо за счет оребрения, можно получить высокоэффективную поверхность теплообмена.
Основными способами интенсификации лучистого теплообмена являются:
1. Увеличение температуры дымовых газов.
2. Увеличение степени черноты дымовых газов10000>