Файл: ЛабПр ТДиТМО.doc

При взаимодействии потока со стенками трубы частицы жидкости, прилегающие к стенке, тормозятся и за счет действия сил вязкого трения образуют тонкий пристенный слой заторможенной жидкости, движущейся ламинарно. Этот слой получил название гидродинамического пограничного слоя. Впервые существование пограничного слоя было установлено Л. Прандтлем.

Пограничный слой оказывает существенное влияние на характер теплообмена при вынужденном движении потока в трубе. Это связано с тем, что в пределах пограничного слоя перенос теплоты осуществляется преимущественно посредством теплопроводности, а во внешнем потоке –конвекцией, обусловленной его интенсивным перемешиванием.

На входе в трубу всегда существует начальный участок длиной L_нач., в пределах которого происходит стабилизация потока жидкости, т.е. установление постоянного профиля скоростей. Он называетсяучастком гидродинамической стабилизации.

При ламинарном режиме течения, начиная с входного сечения, внутри трубы появляется пограничный слой, толщина которого растет по мере удаления от входа. На расстоянииL_нач. от торца трубы пограничные слои смыкаются, заполняя все сечение трубы, и образуют ламинарный стабилизированный поток. Коэффициент теплоотдачис ростом пограничного слоя уменьшается и на стабилизированном участке сохраняет постоянное значение. Характер изменения коэффициента теплоотдачи и структура потока при ламинарном режиме течения показаны на рис. 1.

Рис.1. Структура потока и график изменения коэффициента теплоотдачи при ламинарном режиме течения.

При турбулентномрежиме при входе жидкости в трубу на внутренней её поверхности образуется, как и в первом случае, ламинарный пограничный слой. По мере удаления от входа в трубу толщина этого слоя возрастает и на некотором расстоянии от входа ламинарный пограничный слой разрушается и переходит в турбулентный пограничный слой. Толщина турбулентного пограничного слоя далее возрастает и на расстоянииL_нач.от торца трубы турбулентные пограничные слои смыкаются и образуют по всему сечению трубы турбулентный стабилизированный поток, структура которого сохраняется далее по всей длине трубы. Следует отметить, что, как правило, ламинарный слой не разрушается полностью, а образует тонкий ламинарный подслой, сохраняющийся в потоке далее по всей длине трубы. Коэффициент теплоотдачипо мере увеличения толщины ламинарного пограничного слоя на входе потока в трубу сначала уменьшается, а после начала его разрушения начинает возрастать и, наконец, после формирования структуры стабилизированного потока приобретает постоянное значение, сохраняющееся далее по длине трубы. Структура потока и характер изменения коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме течения в трубе показаны на рис. 2.

Рис. 2. Структура потока и график изменения коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме

Для повышения теплоотдачи от стенки к жидкости необходимо предпринимать меры к разрушению пограничного слоя или уменьшению его толщины. Для этой цели обычно используется турбулизация пристенного пограничного слоя за счет повышения скорости течения жидкости или создания искусственной шероховатости поверхности теплообмена. Пример создания искусственной шероховатости поверхности теплообмена путем нанесения кольцевой трубной накатки показан на рис. 3.

Рис.3 Кольцевая трубная накатка

В инженерной практике расчет процессов теплообмена при вынужденном движении жидкости в трубе проводится на основе методов теории подобия. Основы использования теории подобия применительно к процессам теплообмена описаны, например, в /1,2,3/.При выборе соответствующего критериального уравнения большое значение имеет режим течения потока.

Ламинарное течение (Re<2320).

При теплообмене различают вязкостноеивязкостно-гравитационноеламинарное течение.

Вязкостнымназывается такой ламинарный режим вынужденной конвекции, при котором можно пренебречь влиянием свободной конвекции. Вязкостный режим наблюдается при небольших перепадах температур и высокой вязкости среды, когдаGrPr<810⁵.

Для длинных круглых труб (l/d_вн>Pe/12) влиянием на теплообмен начального участка стабилизации потока можно пренебречь. Тогда среднее по длине всей длине трубы значение критерия Нуссельта будетNu=3,66. Для коротких труб (l/d_вн<Pe/12) среднее значение критерия Нуссельта находится по следующему критериальному уравнению

, (1)

где - фактор, учитывающий влияние изменения температуры в пристенном слое на физические свойства среды.

- поправочный множитель, учитывающий влияние начального участка стабилизации потока.

Вязкостно-гравитационнымназывается такой ламинарный режим течения (GrPr>810⁵⁾, когда вследствие относительно высокого температурного градиента в направлении поперечном основному направлению движения потока возникает движение элементов среды, а значит, существенное влияние на процесс теплоотдачи начинает оказывать свободная конвекция. При вязкостно-гравитационном режиме используют критериальное уравнение вида

(2)

Турбулентное течение (Re>10⁴⁾.

При турбулентном режиме течения для расчета среднего коэффициента теплоотдачи используется критериальное уравнение, полученное М.А. Михеевым на основе обобщения результатов множества экспериментов:

(3)

Поправочный множитель , учитывающий влияние начального участка стабилизации потока, при значенияхl/d_вн50 становится равным 1, т.е. в этом случае влияние начального участка на процесс теплообмена в трубе в целом не учитывается.

Переходный режим (2320Re104).

При переходном режиме для определения среднего коэффициента теплоотдачи используется уравнение Михеева для турбулентного режима с введением поправки на переходный режим.

, (4)

где - поправка на переходный режим, которая устанавливается экспериментально.

Зависимость от критерия Рейнольдса представлена в таблице 1.

Таблица 1.

При вынужденном течении жидкости внутри круглой трубы в качестве определяющего размера используется внутренний диаметр трубы d_вн, а в случае трубы произвольной формы сечения – эквивалентный диаметрd_экв, который определяется как:

, (5)

где - площадь поперечного сечения трубы;

- периметр сечения.

В качестве определяющей температуры принимается среднее значение между температурой стенки и температурой основного потока:

(6)

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА.

Изучение процесса вынужденной конвекции в трубе проводится на лабораторной установке, реализующей метод имитационного моделирования реальных физических процессов. В состав установки входит управляющая ПЭВМ, соединенная с пультом управления и рабочим участком, имитирующим реальный объект исследования. Схема установки с системами электрического питания и измерения представлена на рис. 4.

1-рабочий участок трубы; 2-вентилятор; 3-тумблер включения вентилятора; 4-регулятор вентилятора; 5-тумблер включения электрического нагревателя; 6-регулятор мощности электрического нагревателя; 7-вольтметр цепи электрического нагревателя с цифровым индикатором; 8-трубка Пито ; 9-цифровой индикатор перепада давления на трубке Пито; 10-цифровой индикатор перепада давления по длине трубы; 11-датчик измерения температуры воздуха на входе в рабочий участок; 12-датчик измерения температуры воздуха на выходе из рабочего участка; 13-датчики измерения температуры стенки трубы по длине рабочего участка; 14-цифровой индикатор температуры.

Рис. 4. Схема рабочего участка лабораторного стенда для изучения процесса теплообмена при вынужденном движении воздуха в трубе.

Рабочий участок 1 представляет собой трубку из нержавеющей стали с внутренним диаметром d_вн= 8,5 мм и длинойL= 720 мм, через которую с помощью вентилятора 2 прокачивается воздух. Расход воздуха изменяется регулятором вентилятора 4. Динамический напорH, создаваемый вентилятором, измеряется с помощью трубки Пито 8 и регистрируется цифровым индикатором 9. Нагрев рабочего участка осуществляется посредством электрического тока, пропускаемого через трубку, мощность которого изменяется регулятором 6. Для оценки мощности в цепь электрического нагревателя включен вольтметр с цифровым индикатором 7. Падение давления за счет гидравлического сопротивления рабочего участкаPопределяется посредством цифрового индикатора 10. Температура воздуха на входе в рабочий участок и выходе из него измеряется посредством температурных датчиков 11 и 12. Для измерения температуры стенки по длине трубки

(Т₁…Т₁₀) используются температурные датчики 13, расположенные на наружной поверхности трубки. Показания всех датчиков температуры могут выводиться последовательно на цифровой индикатор температуры 14. КоординатыX_iдатчиков температуры, установленных на трубке, отсчитываемые от входа в трубку, и длины участковL_i, соответствующих каждому температурному датчику, приводятся в таблице 2.

Таблица 2.