Физические свойства жидкостей

В качестве жидких теплоносителей в настоящее время используют различные вещества: воздух, углекислый и другие газы, воду, масла, нефть, бензол, спирт, жидкие металлы, различные растворители и др. В зависимости от физических свойств этих веществ процесс теплоотдачи протекает различно и своеобразно. Особенно большое влияние на теплоотдачу оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость c, плотность r, коэффициент температуропроводности a и коэффициент вязкости m. Для каждого вещества эти параметры имеют определенные значения и, как правило, являются функцией температуры, а некоторые из них и давления.

Величины λ, c, r, a уже использовались при рассмотрении теплопроводности. В задачах конвективного теплообмена большое значение приобретает также вязкость. Все реальные жидкости обладают вязкостью, между частицами и слоями, движущимися с различными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения, противодействующего движению. Согласно закону Ньютона эта касательная сила (отнесенная к единице поверхности), которая действует в любой точке потока, в плоскости, ориентированной по течению, пропорциональна изменению скорости в направлении нормали к w направлению движения:

Коэффициент пропорциональности m называется коэффициентом динамической вязкости или просто вязкости. При градиенте скорости, равном единице, он численно равен касательной силе.

В уравнения гидродинамики и теплопередачи часто входит отношение вязкости и плотности, называемое коэффициентом кинематической вязкости Коэффициенты динамической и кинематической вязкости являются физическими параметрами, они существенно зависят от температуры.

У капельных жидкостей вязкость почти не зависит от давления, но значительно уменьшается при повышении температуры. Типичный характер функции для капельных жидкостей представлен на рис. 1 (для воды).

Рис. 1

У газов вязкость увеличивается при повышении температуры (рис. 2) (для воздуха при атмосферном давлении).

При увеличении давления коэффициент вязкости газов также увеличивается, но не столь существенно. Зависимость вязкости от давления различна для разных газов. Для воздуха увеличение давления от 1 до 50 бар приводит к увеличению вязкости примерно на 5 %. При давлении ниже атмосферного вязкость газов начинает зависеть от давления (уменьшается при уменьшении давления) тогда, когда расстояние между поверхностями, где течет газ, одного порядка или меньше средней длины свободного пробега молекул, которое увеличивается с уменьшением давления.

Кинематическая вязкость капельных жидкостей пропорциональна динамической вязкости, так как их плотность слабо зависит от температуры. Напротив, у газов кинематический коэффициент вязкости сильно растет, так как сростом температуры падает их плотность (см. рис. 10.2).

Рис. 2

При течении жидкости или газа с вязкостью наличие внутреннего трения приводит к диссипации (рассеянию) энергии. Часть механической энергии переходит в тепловую и вызывает нагревание жидкости. Если вязкость жидкости или ее скорость невелики, то нагревание будет не значительным. В дальнейшем мы будем рассматривать процессы, в которых можно пренебречь теплотой трения.

На теплоотдачу оказывает влияние сжимаемость жидкости. Изотермической сжимаемостью или коэффициентом сжатия тела при постоянной температуре называют положительную величину представляющую собой относительное изменение удельного объема при изменении давления на единицу.

Для капельных жидкостей сжимаемость мала, например, для воды т.е. повышение давления на единицу вызывает относительное изменение объема на 1/20000. Для воздуха в нормальном состоянии Аналогично для других газов. Тем не менее, будем рассматривать жидкости (в том числе и газы) как несжимаемые. Условной границей считается, что если число Маха M < 0,25, то жидкость несжимаемая.

На конвективный теплообмен также оказывает влияние тепловое расширение жидкости, которое характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения, определяемым уравнением , представляющим собой относительное изменение удельного объема при изменении температуры на один градус. Для жидкостей тепловое расширение мало, для некоторых, например, для воды при температурах, меньших 4^оС, отрицательно. Для идеального газа В неравномерно нагретой жидкости вследствие теплового расширения возникает неоднородное поле плотности, что в конечном итоге может привести к свободному движению.

3 Гидродинамический и тепловой пограничные слои

Рассмотрим продольное обтекание поверхности тела безграничным потоком жидкости. Скорость и температура набегающего потока постоянны и равны w иt. На поверхности тела частицы жидкости прилипают к ней. В результате в области около пластины вследствие действия сил вязкости образуется тонкий слой слабо заторможенной жидкости, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхности тела до скорости невозмущенного потока (вдали от тела), который называется гидродинамический пограничный слой (рис. 3). Это понятие впервые было введено Л. Прандтлем в 1904 г.

Рис. 3

С увеличением координаты х, отсчитываемой от передней кромки тела, толщина d гидродинамического пограничного слоя увеличивается. Для течения жидкости внутри пограничного слоя , вне пограничного слоя и на его внешней границе Так как реально точной границы нет, то условием считается отличие скорости не более 1 %.

Течение в пограничном слое может быть ламинарным и турбулентным. Сначала – ламинарное, затем может перейти в турбулентное. Граница перехода не является точкой, это отрезок, которому соответствует неустойчивый переходный режим. Для турбулентного пограничного слоя характерным является то, что в пристеночной области имеется тонкий вязкий ламинарный подслой почти постоянной толщины, так как условие прилипания не допускает пульсаций скорости на стенке.

Аналогично понятию гидродинамического пограничного слоя Г. Н. Кружилиным было введено понятие теплового пограничного слоя (рис. 4).

Рис. 4

Тепловой пограничный слой – это слой жидкости у стенки, в пределах которого температура изменяется от t₀ до t_с. Для области внутри теплового пограничного слоя , а на внешней границе

Таким образом, все изменение температуры жидкости сосредоточено в сравнительно тонком слое, непосредственно прилегающем к поверхности тела.

Толщины гидродинамического и температурного погранслоев в общем случае не равны, соотношение толщин зависит от рода жидкости и формы поверхности.

Форма и размеры теплоотдающей поверхности существенно влияют на теплоотдачу. В зависимости от этих факторов может резко меняться характер обтекания поверхности, по-иному строиться погранслой. В технике имеется большое многообразие поверхностей нагрева, но даже если взять лишь простые геометрические формы тела – плиту и трубу, то из них можно составить большое количество теплоотдающих поверхностей.

Дата добавления: 2014-01-04