Файл: со страницы 216 ответ на 5 задачу.pdf

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ОДНОФАЗНОЙ СРЕДЕ

Лекция 17. Определение коэффициентов теплоотдачи при вынужденном течении жидкости в трубах

При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса от значений, опреде-

витое турбулентное течение при наличии вторичной циркуляции. Промежуточная область, соответствующая Reкр Re Reкр , также характеризуется

наличием вторичной циркуляции. Здесь расчет теплоотдачи ведется по формуле (17.4) как для турбулентного течения жидкости.

Для течений с Re Reкр увеличение теплоотдачи учитывается множи-

телем изг 1 1,18 dR , на который следует умножить коэффициент теплоотдачи для турбулентного течения, полученный по формуле (17.4).

Контрольныевопросы

1.Запишите эмпирические критериальные уравнения для расчета теплоотдачи при течении жидкости в прямых гладких круглых трубах.

2.Почему для вязкостно-гравитационного режима необходимо учитывать взаимное направление свободного и вынужденного движения?

3.Какие критерии подобия являются определяющими для вязкостного, вязкостно-гравитационного и турбулентного режимов течения?

4.В каком случае необходимо учитывать поправку в коэффициент теплоотдачи на участок гидродинамической стабилизации?

5.Почему при турбулентном режиме течения поправка на участок гидродинамической стабилизации зависит от числа Рейнольдса?

6.Поясните методику расчета теплоотдачи в некруглых трубах. Дайте определение эффективного диаметра трубы.

7.Как влияет на теплоотдачу изогнутость труб? Как рассчитывают коэффициент теплоотдачи для змеевиков?

8.Поясните причины изменения теплоотдачи и методику расчета коэффициента теплоотдачи для шероховатых труб.

9.Поясните особенности расчета теплоотдачи при течении в трубе газа, имеющего высокую температуру.

10.Что является определяющим размером и определяющей температурой при течении жидкости в трубе?

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ОДНОФАЗНОЙ СРЕДЕ

Лекция18.

Отдельныезадачиконвективноготеплообменаводнофазнойсреде

Теплоотдача при течении газа с большими скоростями. Адиабатная температура стенки. Изменение физических свойств теплоносителя с температурой. Теплоотдача жидких металлов. Теплоотдача при наличии в жидкости внутренних источников тепла. Особенности теплообмена при сверхкритическом состоянии вещества. Особенности теплообмена при течении разреженного газа.

Теплоотдачапритечениигазасбольшимискоростями. Адиабатнаятемпературастенки. Изменениетеплофизических свойствтеплоносителястемпературой

Вопросы теплоотдачи при течении газов с высокой скоростью приобрели в последнее время очень важное значение в связи с конструированием и расчетом газовых турбин, самолетов, ракет, магнитогидродинамических генераторов электрической энергии и различных теплообменных устройств.

Увеличение скорости приводит к уменьшению толщины гидродинамического пограничного слоя и, следовательно, к увеличению скоростного градиента у стенки и увеличению трения. В результате появляется необходимость учета выделения тепла за счет трения. Выделяющееся тепло идет на повышение температуры газа и приводит к его расширению. В этих условиях давление газа может изменяться очень существенно, что в свою очередь вызывает значительное изменение плотности. В результате возникает необходимость учета сжимаемости газа.

При больших скоростях гидродинамические процессы и процессы теплообмена неразрывно связаны. Большое значение приобретают также термодинамические факторы, поскольку течение с большими скоростями характеризуется взаимными преобразованиями внутренней и кинетической энергии потока и расширением газа.

Уравнение первого закона термодинамики для струйки газа можно записать в следующем виде:

где i – удельная энтальпия, Дж/кг; ω – скорость газа, м/с; Q – тепловой поток на участке между сечениями 1 и 2, Вт; G – расход газа, кг/с; индексы 1 и 2 относятся, соответственно, к начальному и конечному сечениям потока.

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ОДНОФАЗНОЙ СРЕДЕ

Лекция 18. Отдельные задачи конвективного теплообмена в однофазной среде

Энтальпия iт, при полном адиабатическом (Q=0) торможении называется энтальпией адиабатического торможения, или энтальпией потока.

iт i 22 .

Таким образом, при адиабатическом торможении потока его кинетическая энергия идет на изменение энтальпии. Изменение энтальпии в конечном счете приводит к изменению температуры газов.

Температура Tт, которую принимает газ при полном адиабатическом торможении, называется температурой торможения:

Tт T 2c2p .

Очевидно, при больших скоростях газа ранее использовавшееся уравнение теплового баланса Q=Gcp(t1 – t2) должно быть заменено уравнением

Q Gcp (Tт1 Tт2 ).

Важной характеристикой потока является число Маха М, величина, представляющая собой отношение скорости потока к скорости звука в этой же точке.

При течении с большой скоростью использование уравнение Ньютона – Рихмана qc=α(tc – tг) может привести к неточным результатам. Например, при омывании теплоизоляционного тела, когда qc=0, эта формула дает, что qc≠0. Нужно учесть то обстоятельство, что при течении с большими скоростями температура в пограничном слое повышается. Поэтому расчет теплоотдачи при больших скоростях ведут по формуле

где tсоб – собственная температура; r – коэффициент восстановления; tс – температура стенки.

При больших скоростях газа параметры потока существенно изменяются как вдоль по течению, так и по сечению канала. Ввиду этого представляет интерес знание локальных коэффициентов теплоотдачи.

Местные коэффициенты теплоотдачи при охлаждении турбулентного потока газа, текущего в круглой трубе со сверхзвуковой скоростью и большими температурными напорами, могут быть определены по уравнению [18]

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ОДНОФАЗНОЙ СРЕДЕ

Лекция 18. Отдельные задачи конвективного теплообмена в однофазной среде

Nuгd 0,021Re0,8гd Prг0,43 (Tг /Tт)0,43.

Физические параметры в этой формуле отнесены к средней термодинамической температуре газа в рассматриваемом сечении. Определяющим размером является внутренний диаметр трубы. В критерий Рейнольдса входит средняя в данном сечении скорость газа.

Теплоотдачажидкихметаллов

Расплавленные металлы применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить интенсивный отвод тепла от поверхности нагрева или когда при низком давлении требуется иметь высокую температуру рабочей жидкости.

Применение в качестве теплоносителя воды, имеющей высокий коэффициент теплоотдачи, приводит к тому, что для получения значительных температур рабочей жидкости необходимо существенно увеличить давление.

Газ может быть догрет до высоких температур без повышения давления. Однако теплоотдача от стенки к газу очень мала, что приводит к возрастанию температуры поверхности нагрева. Газ как теплоноситель имеет существенный недостаток. Так как теплоемкость газа мала, из уравнения теплового баланса следует, что при съеме заданного количества тепла расходы газа должны значительно возрасти. Следовательно, должны возрасти и гидравлические потери.

Охлаждение жидкими металлами совмещает достоинства газового и водяного охлаждения. Жидкие металлы имеют высокую точку кипения, что позволяет повышать их температуру без применения высокого давления, им присущи также большие коэффициенты теплоотдачи.

Наиболее приемлемыми теплоносителями этого типа являются щелочные и тяжелые металлы и их сплавы: натрий, калий, литий, ртуть, олово и др.

В ламинарном потоке тепло поперек течения передается теплопроводностью, в турбулентном – теплопроводностью и конвекцией. Для жидких металлов теплопроводность велика и может конкурировать с процессом турбулентного переноса.

Большое практическое значение имеет теплоотдача при течении жидких металлов в трубах. Для чистых жидких металлов средний коэффициент теплоотдачи для стабилизированного турбулентного течения в прямых гладких трубах без учета теплопроводности вдоль потока жидкого металла может быть вычислен по формуле [21]

МОДУЛЬ 2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ОДНОФАЗНОЙ СРЕДЕ

Лекция 18. Отдельные задачи конвективного теплообмена в однофазной среде

Двучленность правой части данной формулы объясняется учетом радиальной теплопроводности в потоке жидких металлов. По мере уменьшения числа Пекле роль аксиальной теплопроводности возрастает.

Аналитическое исследование теплоотдачи при ламинарном стабилизированном течении жидкости с учетом аксиальной теплопроводности при постоянном тепловом потоке в стенке дает постоянное значение критерия Нуссельта:

Nuжd 4,36 .

Теоретические исследования проведены в предположении, что физические параметры постоянны, что неплохо выполняется для жидких металлов.

Теплоотдачаприналичиивжидкостивнутреннихисточниковтепла

Внутренние источники тепла возникают в потоке жидкости, имеющей радиоактивную взвесь, в потоке радиоактивного раствора, при прохождении электрического тока через электролит или жидкий металл и т. п. Наличие внутренних источников тепла сказывается на величине коэффициента теплоотдачи и на распределении температур в жидкости.

По своему физическому содержанию действие внутренних источников тепла близко к выделению тепла за счет трения при больших скоростях потока. Аналогично процессам теплообмена при течении газа с большой скоростью и в данном случае можно ввести понятие адиабатической температуры стенки. Под этой температурой понимают температуру, которую принимает стенка при отсутствии теплообмена с окружающей средой. В этом случае поле температур в жидкости будет обусловлено только действием внутренних источников тепла.

Особенноститеплообменаприсверхкритическомсостояниивещества

Знание закономерностей теплообмена в около- и сверхкритической области параметров состояния вещества имеет особое значение для теплоэнергетики в связи с применением воды при сверхкритическом давлении в качестве рабочего тела на тепловых электрических станциях. Известно также, что на АЭС эффективно использовали воду при сверхкритических параметрах в первом контуре реакторов с естественной циркуляцией. Для воды pкр=22,12 МПа, Tкр=547,3 К, а в критической точке энтальпия iкр=2150 кДж/кг. Специфика гидродинамики и теплообмена в около- и сверхкритической области параметров состояния вещества состоит в том, что здесь своеобразно и немонотонно изменяются физические свойства теплоносителей в зависимости от