Подобие процессов конвективноготеплообмена

Общие понятия

Конвективным теплообменом или теплоотдачей на­зывается процесс совместной передачи теплоты конвек­цией и теплопроводностью от поверхности твердой стенки к потоку омывающей ее жидкости или от потока жидкости к стенке.

Тепловой поток Ф при конвективном теплообмене пропорционален площади поверхности стенки и разно­сти температур жидкости и стенки. Он подсчитывается по уравнению Ньютона — Рихмана: Ф = αF (t₁-t₂), (19.1)

где F — площадь поверхности, через которую происходит передача теплоты, м²; t₁ — температура нагревающего тела, °С; t₂ — температура нагреваемого тела, °С; t_t — t₂ — температурный напор, °С; α — коэффициент про­порциональности, называемый коэффициентом тепло­отдачи, Вт/(м²-°С) или, Вт/(м² К), что одно и тоже. На коэффициент теплоотдачи влияют разнообразные факторы: скорость потока жидкости, характер сил, вызывающих ее движение, физические свойства самой жидкости (плотность, вязкость, теплопроводность) и, прежде всего режим течения жидкости.Как установил О. Рейнольде в своих опытах (1884 г.), следует различать два основных режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный, описываемые различными уравнениями.

В потоке ламинарного режима все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям и частицы жидкости не перемешиваются друг с другом. При этом передача теплоты от одной струйки к другой происходит только теплопроводностью, а так как теплопроводность жидкостей (капельных и газов) невелика, то и распро­странение теплоты по всей массе жидкости в ламинарном потоке происходит медленно.

В потоке турбулентного режима частицы жидкости движутся беспорядочно: каждая частица перемещается вдоль канала с некоторой скоростью, а кроме того, со­вершает движения перпендикулярно стенкам канала. При этом происходит перемешивание частиц жидкости и перенос теплоты из области с более высокими темпера­турами в область с менее высокими температурами, т. е. перенос теплоты конвекцией. Однако при таком пере­мешивании происходят неизбежные столкновения час­тиц, при таких столкновениях теплота переходит от одной частицы к другой за счет их теплопроводности.

Определение коэффициента теплоотдачи α теорети­ческим путем весьма затруднительно, а в большинстве случаев даже невозможно из-за большого количества факторов, влияющих на конвективный теплообмен.Поэтому значение этого коэффициента определяют опытным путем. Такие опыты можно проводить непо­средственно на промышленных установках — теплообменных устройствах (паровых котлах, подогревателях, экономайзерах и др.). Но такой путь экспериментиро­вания используют редко, так как промышленные уста­новки громоздки, часто сложны по своему устройству и обходятся такие эксперименты дорого.

Поэтому обычно исследования конвективного тепло­обмена проводят на моделях небольших размеров, а ре­зультаты таких исследований переносят на промышлен­ные установки. Но для этого необходимо, чтобы процессы в моделях и в промышленной установке были подобными. Условия, необходимые для создания подобных процессов, раскрываются теорией подобия, получившей особенно большое развитие за последние годы и в част­ности благодаря выдающимся работам отечественных уче­ных.

С понятием подобия мы впервые встречаемся в гео­метрии, где рассматриваются условия подобия геометри­ческих фигур. Например, из геометрии известно, что условием подобия прямоугольников является равенство отношений основания прямоугольника b к его высоте h.

Следовательно, если в прямоугольнике отношение основания к высоте равно 10, то во всех подобных ему прямоугольниках это отношение будет равно этому же безразмерному числу 10.

В обобщенном виде для подобных прямоугольников это условие подобия можно записать в виде равенства:

b₁/h₁ = b₂/h₂ =... = b_n/h_n = К_h

Здесь величина K_h называется константой геометри­ческого подобия. Из приведенного примера следует, что

Рис. 19-1. Геометрически подобные зме­евики

два отрезка прямых труб будут подобными, если для них l₁/d₁= l₂/d₂, где l₁ и l₂ — длины этих отрезков труб, a d₁ и d₂ — их диаметры (внутренние или наружные).

Трубы теплообменников иногда выполняют в виде змеевиков (рис. 19.1). Условиями геометрического по­добия двух таких змеевиков являются два равенства. Во-первых, l₁ /d₁ = l₂/d₂. Во-вторых, R₁/d₁ = R₂/d₂, где R₁ и R₂ — радиусы этих змеевиков (внутренние или наружные). Подобными могут быть не только геометри­ческие фигуры, но и любые физические величины, а также физические процессы, например процессы конвективного теплообмена, протекающего в теплообменном аппарате и в его модели.

В основе подобия таких процессов лежит их геомет­рическое подобие. Это значит, что каналы в аппарате и его модели, по которым протекают жидкости-теплоно­сители, должны быть геометрически подобными.

Кроме того, подобие процессов конвективного тепло­обмена обусловлено равенством особых безразмерных комплексов, состоящих из физических величин, влияю­щих на теплообмен, например таких, как скорость потока, вязкость и плотность жидкости, омывающий стенку, температуры стенки и жидкости и др. Такие безраз­мерные комплексы называются числами (критериями) подобия.

Следует иметь в виду, что равенство одноименных чисел подобия в подобных процессах, протекающих, например, в модели и в установке, вовсе не означает, что одноименные величины, входящие в уравнения таких чисел, должны быть равны между собой (т. е. чтобы жидкости, протекающие в модели и в установке, имели одинаковую плотность, одинаковую вязкость и т. д. или чтобы скорости их движения были бы тоже одина­ковыми). В подобных процессах возможно применение и различных жидкостей, необходимо только, как сказано выше, чтобы комплексы величин, составляющих одно­именные числа подобия, были бы равны между собой.

Дата добавления: 2015-05-26