ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизм процесса и факторы, влияющие на интенсивность из "Экспериментальное исследование процессов теплообмена " Рабочий процесс в различных теплообменных устройствах состоит в конвективном теплообмене между поверхностью твердого тела и омывающей ее жидкостью. Интенсивность этого теплового процесса, с одной стороны, определяется геометрическими свойствами и размерами твердого тела, а с другой — гидродинамическим и тепловым состоянием жидкости. При перемещении жидкости относительно твердого тела, имеющего другую температуру, механическое движение жидкости и явления распространения тепла в ней происходят одновременно, и они оказывают взаимное влияние друг на друга. [c.125] Процесс распространения тепла в движущейся жидкости осуществляется за счет теплопроводности и конвекции. Физическое различие между этими процессами переноса состоит в величине участвующих частиц теплоносителя. В процессахтеплопроводности носителями тепловой энергии являются отдельные молекулы, а в конвекции распространение тепла связано с относительным перемещением некоторых объемов жидкости (газа). Свободная кон-иекция жидкости возникает за счет разности температур в неравномерно нагретой жидкости, которая вызывает соответствующее неравномерное распределение плотности и появление подъемной силы в потоке жидкости, обусловливающей ее движение. [c.125] Вынужденная конвекция осуществляется за счет внешнего перепада давления, создаваемого в потоке за счет затраты механической работы. [c.125] Конвективный перенос тепла от жидкости к, поверхности твердого тела связан главным образом с теми частицами жидкости, которые перемещаются за счет пульсаций скорости в направлении, нормальном к этой поверхности. Перенос тепла в направлении, параллельном поверхности твердого тела, в большинстве случаев сравнительно мал. [c.126] Ламинарный режим характеризуется упорядоченным движением, при котором жидкость движется в виде отдельных струек, параллельных поверхности твердого тела без перемешивания. Поперечное перемещение частиц практически отсутствует, и, следовательно, общее движение жидкости совпадает с частным движением отдельных ее частиц. [c.126] При турбулентном движении направления общего движения жидкости и движения отдельных ее частиц не совпадают. Турбулентное движение характеризуется сложными траекториями, множеством завихрений и водоворотов, непрерывно возникающих и исчезающих. Это неупорядоченное движение, в котором мгновенная скорость, т. е. скорость в дайной точке, в какой-либо момент времени, не остается постоянной, как в случае ламинарного движения,— она все время меняется по величине и по направлению— пульсирует. При этом значения осреднениой скорости движения жидкости во времени остаются практически постоянными по величине и направлению. Направление этой осредненной скорости и обусловливает основное продольное течение жидкости. [c.126] Различные гидродинамические режимы движения жидкости оиределяют и способы распространения в ней тепла. Основным способом распространения тепла при ламинарном движении жидкрсти является теплопроводность. Конвективный перенос тепла в жидкости очень мал. Поэтому интенсивность теплообмена мало зависит от скорости и сильно изменяется от физических свойств жидкости (коэффициента теплопроводности). [c.127] Свободная конвекция наиболее существенную роль играет в условиях ламинарного движения жидкости. [c.127] При турбулентном движении жидкости можно наблюдать область ядра потока, где скорость практически постоянна и жидкость можно рассматривать текущей без трения (рис. 3-1). У поверхности твердого тела вследствие прилипания вязкой жидкости имеет место торможение прилегающего к ней тонкого слоя, и здесь образуется пристеночная область—динамический пограничный слой. Скорость движения жидкости в пристеночной области изменяется от своего полного значения в ядре потока до нулевого значения на поверхности твердого тела. [c.127] Распределение температуры имеет аналогичный характер. [c.127] Аналогичная связь между гидродинамическими процессами и процессами теплообмена имеет место и в других случаях, например при продольном обтекании тонкой пластины. В этом случае нетрудно оценить толщину пограничных слоев, которые образуются вблизи поверхности пластины. При оценке толщины динамического пограничного слоя при ламинарном движении пренебрегается продольной теплопроводностью и конвекцией в направлении, нормальном к стенке. [c.128] Трения и инерции составит соответственно значения и -j . [c.128] Из соотношений (3-3) и (3-4) следует, что толщина динамического слоя увеличивается с увеличением вязкости, а теплового — с увеличением теплопроводности. Толщина обоих слоев уменьшается с увеличением скорости и плотности жидкости. [c.129] Из нее следует, что порядок соотношения между динамическим и тепловым пограничными слоями определяется только значением критерия Прандтля, который для различных жидкостей изменяется в весьма широких пределах. [c.129] В соответствии с этим в неметаллических жидкостях (Рг 1) динамический пограничный слой больше теплового, в жидких металлах (Рг 1), наоборот, тепловой больше динамического и только для газов (Рг 1) они практически одинаковы. [c.130] На рис. 3-2 приведены графики распределения температуры по сечению трубы при близких значениях числа Re. Наиболее равномерное распределение температуры по сечению трубы имеет место при течении воды. В этом случае толщина теплового пограничного слоя относительно невелика. Наоборот, при течении ртути наблюдается изменение температуры по всему сечению трубы вплоть до ее осн. Толщина теплового пограничного слоя практически равна ее радиусу. Это говорит о том, что даже в условиях турбулентного течения в трубе (Re ReKp=2 300) решающую роль в переносе тепла в жидких металлах играет молекулярная теплопроводность. [c.130] В неметаллических жидкостях (вода, спирты и др.) преобладающую роль молекулярная теплопроводность играет лишь в условиях ламинарного течения. [c.130] При некоторых условиях могут возникать возвратные течения жидкости в непосредственной близости от поверхности тела и отрыв пограничного слоя от этой поверхности. Отрыв погракичного слоя приводит к образованию сложных вих ревых течений с сильным перемешиванием жидкости. Такие срывы пограничного слоя наблюдаются при обтекании шара, п р и попереч ном обтекании цилиндрической трубы и др. [c.131] При омывании цилиндра потоком жидкого металла теплообмен происходит без заметного влияния вихревого движения IB кормовой части (при Re-Pr 500) из-за очень большой роли в них (молекулярной теплопроводности (рис. 3-5) (см. 3-11). [c.131] Аналогично происходит преобразование произвольного профиля распределения температуры в начальном сечении в профиль, соответствующий термически стабилизированному течению, при котором это распределение также не зависит от входных условий. На приведенных ранее графиках (рис. 3-1) было дано распределение скорости и те.м-пературы в условиях стабилизированных режимов. [c.131] Вернуться к основной статье