И режимы движения

Теплоносители, используемые в технике, их физические свойства

Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен - это сложный вид теплообмена, при котором совместно протекают процессы конвекции и теплопроводности. Конвекция происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися в пространстве объемами среды. Среды, которые участвуют в процессах тепломассообмена, называются теплоносителями.

В качестве теплоносителей используются: вода, воздух, водяной пар, минеральные масла, нефть, органические жидкости, ртуть, расплавленные металлы и многие другие.

В зависимости от физических свойств теплоносителей процессы тепломассообмена протекают различно. Наиболее часто используется вода, поскольку она широко распространена, имеет стабильный химический состав, нетоксична, обладает хорошей теплоемкостью.

Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физические свойства ^зтеплоносителей:

и и"',;• коэффициент теплопроводности X, Вт/(м²-°С);»с)';! ■■• ■ удельная теплоемкость С, кДж/(кгК);

• плотность/), кг/м³;

• коэффициент температуропроводности а, м²/с;

• динамический ц, Па-с, и кинематический V, м²/с, коэффициенты вязкости.

Эти параметры для каждого вещества имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некоторые из них - и давления.

В исследованиях конвективного теплообмена большое значение имеет вязкость жидкости. Все реальные жидкости обладают вязкостью. Между частицами или слоями, движущимися с различными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения (касательное усилие), ускоряющая движение более медленного слоя и тормозящая движение более быстрого. Чем больше вязкость жидкости, тем меньше ее текучесть. Вязкость капельных жидкостей с увеличением температуры уменьшается и почти не зависит от давления. У газов с увеличением температуры и давления вязкость увеличивается. Вязкость идеальных газов не зависит от давления.

Конвективный теплообмен также зависит от движения жидкости, которое бывает свободным и вынужденным. Свободное движение возникает в связи с ее нагреванием и изменением плотности. Вынужденное движение создается искусственно под действием различных нагнетателей (насосов, вентиляторов, компрессоров) или из-за геометрической разности уровней. В связи с этим различают свободную (естественную) и вынужденную конвекцию.

Ученый О. Рейнольде в 1884 г. в своих опытах установил, что при движении жидкости встречаются два вида потока, подчиняющихся различным законам. В потоке первого вида все частицы движутся только по параллельным между собой траекториям, и движение их длительно совпадает с направлением всего потока. Жидкость движется спокойно, без пульсаций, образуя струи, следующие очертаниям канала. Движение такого рода называется ламинарным.

Второй тип потока называется турбулентным, в нем непрерывно происходит перемешивание всех слоев жидкости. Каждая частица потока, перемещаясь вдоль канала с некоторой скоростью, совершает различные движения перпендикулярно стенкам канала. В связи с этим поток представляет собой беспорядочную массу хаотически движущихся частиц. Чем больше образуется пульсаций, завихрений, тем больше турбулентность потока. При переходе ламинарного движения в турбулентное сопротивление от трения в канале возрастает.

О. Рейнольде показал, что характер движения жидкости в круглой трубе определяется отношением, которое называется числом Рейнольдса и обозначается Ке:

Ке = —, (2.68)

где м> - средняя скорость жидкости, м/с; а¹ - диаметр круглой трубы, м; V - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м²/с.

Подставляя единицы отдельных величин в число Ке, легко убедиться, что оно является величиной безразмерной.

При значениях Ке < 2300 поток жидкости в трубе остается ламинарным, при значениях Ке > 10 000 поток жидкости становится турбулентным. Ламинарный поток является устойчивым только в докритической области (до Ке < 2300). При некоторых специальных мерах предосторожности ламинарное движение можно наблюдать при числах Ке, значительно превышающих критическое. Однако при 2300 < Ке < 10 000 режим движения является неустойчивым и при малейшем возмущении поток переходит из ламинарного в турбулентный, такой неустойчивый режим еще называют переходным.

Характер движения жидкости влияет на интенсивность передачи теплоты. При ламинарном режиме и отсутствии естественной конвекции теплота в перпендикулярном стенке направлении передается только теплопроводностью. Количество этой теплоты зависит от физических свойств жидкости, геометрических размеров, формы поверхности канала и почти не зависит от скорости.

При турбулентном движении жидкости перенос теплоты наряду с теплопроводностью осуществляется перпендикулярным поверхности канала перемещением частиц, т. е. конвекцией.

Дата добавления: 2014-01-04