Файл: Календерьян В.А. Теплоотдача плотного движущегося слоя и методы ее интенсификации.pdf

так как они не учитывают влияния радиального перемешивания и

туры приводит к интенсификации теплообмена вследствие роста эф­ фективной теплопроводности слоя. Во всей изученной области влия­ ние температуры на теплообмен отражено в критериальных уравне­ ниях выбором в качестве определяющей средней температуры слоя. Введения температурного фактора не требуется Позднее эти выводы были подтверждены в [143, 1831 и для более высоких температур (до 800° С).

О влиянии свойств сыпучих материалов можно судить по при­

(коэффициенты внутреннего и внешнего трения), так как по своим свойствам, а значит, и по характеру движения указанные материалы близки к идеально сыпучим. Эти же зависимости позволяют сделать вывод о том, что направление теплового потока и характер продоль­ ного омывания поверхности (внутреннее, наружное) практически не сказываются на теплоотдаче плотного слоя.

Обобщение экспериментальных данных по теплообмену проводи­ лось раздельно для областей стесненного и нестесненного движения. На рис. I I I . 7 и I I I . 8 приведена обобщенная обработка, в результа­ те которой для гладких и оребренных каналов получены единые кри­

для гладких каналов: 42,5 < — < 276; 280 < Ре < 50 200; для

поверхности. В критерии Нуссельта и Пекле входят эффективные характеристики неподвижного слоя, определенные при плотности укладки в движении (табл. II . 1) . Размер частиц смеси определен как средневзвешенный.

Возможность получения единых уравнений для гладких и ореб­ ренных каналов свидетельствует о том, что продольное оребрение не вносит качественных изменений в процессы движения и теплообме-

дольном (внутреннем и внешнем) движении плотного слоя для раз­ личных материалов с хорошими сыпучими свойствами, при различ­ ном направлении теплового потока в области умеренных (до 500— 600° С) температур. Удовлетворительное обобщение обширного эк­ спериментального материала, полученного в разных условиях [80, 152, 209] с помощью эффективных теплофизических характеристик, свидетельствует о правомерности рассмотрения плотного движущего­ ся непродуваемого слоя как квазисплошной среды.

Сопоставление с аналитическими зависимостями для однофаз­ ных сред выполнялось для выяснения возможности их применения

ламинарном течении жидкостей и постоянной температуре стенки [156, 246]: а) для стержнеподобного течения в трубчатых каналах (математически индентично задаче о нестационарной теплопровод-

66

яости неограниченного цилиндра) — л и н и я / / ; б) для стабилизиро­ ванного течения в трубчатых каналах (параболический профиль ско­ ростей) — линия III; в) для изменяющегося профиля скоростей — линия IV. Все эти зависимости справедливы для начального терми­ ческого участка {^g--^- < 1.365J.

На рис. I I 1.9 нанесены также данные о прогреве неограниченно­ го массива с цилиндрической полостью (линия 5 ) . Расчет выполнен

на основании приближенных формул [34] для толщины прогретогослоя и количества передаваемого тепла при граничных условиях пер­ вого рода (tQT = const). Из этих зависимостей нами получено урав­ нение для средней теплоотдачи (при показателе параболы п = 2).

Экспериментальные данные для нестесненного движения слоя в неоребренных каналах описываются линией /, соответствующей уравнению (111,5), которое представлено в виде

и справедливо для кольцевых каналов на начальном термическом участке при 0,85-10 < X = - j ^ - - ^ - < 0,345. Экспериментальные за­ висимости для стесненного движения (линии VI, VII) построены по уравнению (III.4) при -^- = 15 и 10 соответственно.

Анализ результатов свидетельствует об удовлетворительном со­ гласовании экспериментальной зависимости для нестесненного дви­ жения с теоретическими (линии / / и V): темп их практически одина­ ков, количественные расхождения не превышают 11—20%, причем опытные данные систематически лежат выше. Это может объяснять­ ся интенсифицирующим влиянием вращения и перемешивания час­ тиц в пограничном слое, не учтенным в теоретических решениях. В целом же можно считать допустимым описание процесса тепло­

для безградиентного течения или нестационарной теплопроводности. При этом принятые для слоя граничные условия первого рода

(ir=R = ^ет) удовлетворительно соответствуют реальным условиям при достаточных временах контакта, т. е. нет необходимости в учете дополнительного пристенного термического сопротивления. Эти выводы справедливы только при незначительном (не более 90—95%) торможении слоя у стенок канала.

Экспериментальные зависимости для стесненного движения (ли­ нии VI; VII) характеризуются меньшими абсолютными значениями и углом наклона, чем расчетные линии / / к V. По характеру они бли­ же к теоретической зависимости для параболического профиля ско­ ростей (линия / / / ) , однако и здесь различия весьма существенны. Та­ ким образом, применение аналитических уравнений для ламинарно­ го течения однофазных сред к области стесненного движения слоя недопустимо.

В заключение остановимся на предложенном в [46] варианте об­

ристик газовой прослойки на стенке. Такой подход нам представля­ ется необоснованным, так как при достаточных временах контакта термическое сопротивление прослойки не является определяющим, а эффективные теплофизические характеристики более полно учи­ тывают условия переноса тепла в слое. Полученное в [46] постоян­ ство критерия N u r при малых значениях Ре не соответствует опыг> ным данным, так как именно в области низких скоростей слоя их увеличение приводит к существенной интенсификации теплообмена (см., например, рис. I I I . 4 ) . Условия же завершения тепловой ста­ билизации, как было показано выше, в опытах не были достигнуты.

III. 2. ВЕРТИКАЛЬНАЯ ПЛАСТИНА

Цель экспериментального исследования [81—84] заключалась в проверке теоретических решений для локального и среднего теп­ лообмена при нестесненном движении (гл. I), изучении влияния тор­ можения слоя у поверхности и условий стесненности.

Изменение степени торможения слоя у обогреваемой поверхности Пластины обеспечивалось с помощью начальных необогреваемых участков (длиной 400 мм) различной шероховатости. Конструкция обогреваемого участка (длиной 200 мм) аналогична предложенной в

ния и измерительный комплект К-50 подключались к сети перемен­ ного тока. Под каждой ленточкой в трех сечениях по длине заклады­ вались горячие спаи медь-константановых термопар, выведенных по изотермам и через переключатель с общим холодным спаем подклю­ ченных к потенциометру Р 2 / 1 . Горизонтальное расположение лен-

68

точек позволило свести к минимуму перетечки тепла, так как тепло­ отдача по ширине пластины практически неизменна.

Тщательная калибровка ленты и слабая зависимость сопротив­ ления нихрома от температуры обеспечивала практическое посто­

отводом тепла по термопарам, искажением температурного поля в местах их зачеканки, были сведены к минимуму. Утечки тепла через торцы пластины определялись по замерам температур в боковых се­ чениях и составляли 0,1% . Локальные коэффициенты теплоотдачи рассчитывались по уравнению (II.4). В качестве расчетной прини­ малась вся поверхность пластины (с учетом зазоров между ленточ­ ками). Погрешность, вызванная изменением температуры в этих зазо­ рах, не превышала 0,5%,что было проверено специальными измере­ ниями. Шероховатость начальных участков характеризовалась коэффициентами внешнего трения, составлявшими /' = 0,35; 0,50; 0,51; 0,52 и 0,53 (предельные размеры микрошероховатостей 0,05 и

Теплообмен при нестесненном движении

Визуальные наблюдения для широкого канала, значительно пре­ вышающего по размеру пластину = 70; 6 ~ Ь = 345], пока­ зали, что последняя вносит изменения только в движение прилега­ ющего к ней материала.У ее поверхностей образуются динамические пограничные слои, которые утолщаются по длине. В остальной, преобладающей части сечения движение безградиентное, параллель­ но-струйное, нестесненное. Толщина пограничного слоя и степень торможения в нем возрастают при увеличении шероховатости на-

незначительно ( - jp » 0.95J. Вблизи нижней кромки пластины обра­ зуется воздушный мешок и наблюдается «концевой эффект»— ус­ корение прилегающего материала. В целом движение может рас­ сматриваться как омывание неограниченным потоком.

69