ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.07.2024
Просмотров: 120
Скачиваний: 0
't*
Jt
1
, У
■'л•
<• ^
Б. М. СМОЛЬСКИИ, Л. А. СЕРГЕЕВА, В. Л. СЕРГЕЕВ
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ
ТЕПЛООБМЕН
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА И ТЕХНИКА: МИНСК 1974
С 51
УДК 536.242
Л ?
чная
веская r '!. c p
> оАЛА
С м о л ь е к и і'і Б. М„ С е р г е е в а Л. А.. С е р г е е в В. Л. Нестационарный ■теплообмен. Минск, «Наука іі техника», 1974, стр. 160.
Вкниге приведены результаты теоретического II экспериментального исследования нестационар ного теплообмена при течении жидкости в трубе, обтекании шара, пластины, затупленного тела в
области точки торможения. Показано влияние рода жидкости на характеристики нестационарно го теплообмена.
Анализируются методы экспериментального исследования нестационарного теплообмена и по лученные экспериментальные результаты с единой точки зрения.
Таблиц 9, иллюстраций 52, библиография — 147 названий.
Рассчитана на научных сотрудников, инжене ров, может быть полезна также аспирантам и сту дентам.
0236—023
131—74
М316—74
Рецензенты:
■доктор технических наук А. Г. Т е м к и й ,
.кандидат технических наук Ю. Е. Ф р а й м а н
Издательство «Наука и техника», 1974.
©
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Ci.^ £■£>Xг
г
R
t — соответственно температура и ее среднее значение,
у— соответственно продольная и поперечная координаты,
— удельный тепловой поток,
, V — составляющие скорости потока соответственно вдоль х и у,
—время,
—диаметр,
—радиус,
—радиус трубы, половина толщины пластины,
G — расход,
Т— безразмерная температура, 8 — толщина стенки,
бд , 8 т — соответственно толщина динамического и теплового погра
ничных слоев.
Индексы
ж—жидкость, газ,
т— твердое тело,
ст — стационарные условия,
и— нестационарные условия,
п— поверхность стенки,
О—начальные условия, параметрызаторможенного потока,
вх |
—условия на |
входе, |
в |
— среда вне |
трубы, |
оо |
—условия на |
внешней границепограничного слоя. |
1
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальные и теоретические зависимости для интенсивности теплообмена, широко используемые в на стоящее время при расчетах процессов теплообмена в теплообменных аппаратах и технологических процессах, получены в большинстве для стационарных условий теп лообмена.
Если существенные для теплообмена параметры часто изменяются как в течение всего процесса, так и в течение переходных режимов, имеет место нестационар ный процесс.Во многих современных.аппаратах велики скорости изменения тепловых параметров.
Применимы ли в таких условиях упомянутые выше зависимости для интенсивности теплообмена?
Для расчета интенсивности теплообмена использует ся закон Ньютона
Яст |
® (^п ^>н)> |
(О |
где а — коэффициент |
теплообмена,, |
представляющий |
собой постоянную величину в течение процесса для дайной поверхности и постоянных во времени гидро динамических условий и значений температуры поверх ности tn и потока г'ж. Оіі определяется некоторыми внеш ними размерами тела, скоростью и физическими свойст вами потока жидкости. Эта зависимость, в частности, при течении жидкости в трубе имеет вид [91]|
Nu = 0,021 Re0-8Pr^43 (Ргж/Ргп) при Re;> ІО4. |
. (2) |
В некоторых процессах параметры tn, tH(, скорость потока, свойства жидкости, определяющие интенсив ность теплообмена, могут изменяться во времени.
4
Теоретические оценки показывают [1—3], что при равных значениях tn и tm тепловые потоки в принципе не одинаковы в стационарных и нестационарных условиях из-за различия коэффициентов теплообмена.
Это значит, что расчет теплового потока в случае нестационарного теплообмена с помощью формул типа
(1) и (2) по мгновенным значениям параметров может привести к результатам, отличающимся от действитель ных тепловых потоков.
Для определения величин коэффициентов теплообме на в стационарных и нестационарных условиях необхо
димо знать |
их зависимости |
от тех же параметров тепло |
|
обмена, что |
и |
в случае |
стационарного теплообмена |
(например, |
Re, |
Рг и др.), так и от новых параметров, ха |
рактерных для нестационарного теплообмена. Причем за висимость Nu от Re и Рг в нестационарных условиях мо жет отличаться от соответствующей зависимости в ста ционарных условиях.
Явления нестационарной теплопроводности в погра ничном слое и стенке, создающие возможность возник новения нестационарных эффектов, отличаются от след ствий конечной скорости распространения тепла [55, 96]. Как показано в работах [55, 96], в большинстве случаев использование выражения для теплового потока в обыч ной форме дает достаточно точные результаты. Неучет частной производной теплового потока по времени при водит к ошибке в определении времени наступления в данном сечении некоторого значения температуры, со ставляющей ІО-9—10-і3 сек, что невозможно заметить при современном уровне измерительной техники.
Степень отклонения режима теплообмена., от стацио нарного зависит от скорости изменения параметров во времени, свойств тела и жидкости. Предельные скорости,
рассматриваемые в ряде теоретических |
работ, соответ |
|
ствуют ступенчатому изменению |
параметров, например' |
|
температуры или теплового потока на |
поверхности. |
|
С практической точки зрения |
важным является не |
ступенчатое изменение параметров, характеризующих процесс теплообмена, а более медленное их изменение, например нагрев или охлаждение тел.
За последние годы повысился интерес к изучению процессов теплообмена, протекающих в нестационарных условиях. Такие процессы имеют место в теплообмеи-
5
пых аппаратах [83, 88], в частности, при изменении ре жима работы в активной зоне реактора [8, 9, 23, 82], при пуске и остановке котла. Сюда можно отнести также процессы теплообмена при нагреве рабочих лопаток и других узлов в турбинах [106], в периодически или кратковременно действующих гиперзвуковых аэродина мических трубах [34], в элементах оптического кванто вого генератора [90], при движении нагретого газа в канале ствола орудия [104].
Такие условия также наблюдаются в процессе сжи гания угольных частиц [74] и жидкого топлива.
Глава I
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛООБМЕНА
Работы по исследованию нёстационарного теплообме на охватывают процессы теплообмена в трубах при ла минарном и турбулентном режимах течения [1, 2, 5, 6, 8—И, 18, 19, 28, 121, 122]. Учитывается влияние на не
стационарный теплообмен |
рода материала и толщины |
||||||
стенки [2, 3, 22—27, 64, 65, |
100], изменение расхода газа |
||||||
[12—16, 94], тепловыделения |
в стенке [8, |
13, |
14, |
16, |
17, |
||
93, |
94], температуры жидкости |
во времени |
[2, |
7, |
21, |
22, |
|
94] |
и другие факторы [20, |
29, 30]. Рассматривается со |
|||||
вместно перенос тепла в |
потоке жидкости |
и |
стенке |
[2 -5 ].
Рассмотрено обтекание сферы при изменениях тем
пературы |
стенки вследствие нагрева |
или охлаждения |
|||
[31, |
34, |
36—38, |
117], при различных |
значениях чисел |
|
Pr, |
Re, |
Ві |
[33, |
35, 38], в условиях естественной конвек |
ции [32, 39] и другие случаи [40, 41], обтекание цилинд ров в условиях естественной конвекции [42] при раз личных изменениях скорости и температуры потока [43,-45, 47], нагрев и охлаждение цилиндра [46],'об текание осесимметричных тел в области точки торможе ния при изменении скорости набегающего потока во времени [48], при ступенчатом изменении температуры поверхности или теплового потока [49—52, 56, 57], при изменении температуры стенки вследствие нагрева по током жидкости [53] или тепловым излучением [54], обтекание пластины при ламинарном движении жид кости [58—61, 71—73, 102, 105, 106], при свободной конвекции около тел, обладающих значительной или малой теплоемкостью [61—65], со ступенчатым подво дом энергии [66], при нагреве пластины [67, 68], при внезапных или плавных изменениях температуры окру жающей среды [69, 70].
7
Рассмотрены |
вопросы нестационарного теплообмена |
|
между частицами и потоком |
[74, 75, 97], нестационар |
|
ный лучистый |
теплообмен |
[76—79], нестационарный |
теплообмен при течении жидкости через пористый мате риал [80, 81].
Кроме общих случаев теплообмена, рассмотрен не стационарный теплообмен в конкретных аппаратах и других устройствах. Сюда можно отнести исследование теплообмена при переходных режимах, пуске в активной зоне реактора [8, 23, 82, 121], в теплообменниках [83— 88], а также нестационарного аэродинамического пагре-
У ва летательных аппаратов [89], нестационарного тепло обмена элемента оптического квантового генератора [90], при движении нагретого газа в канале ствола ору дия [104] и ряд других случав.
Несколько работ [107—109] посвящено исследова нию нестационарного массообмена в технологических процессах. В этих работах исследован массообмен в случае скачкообразного возникновения разности кон центраций на поверхности пластины [107], поперечно обтекаемого цилиндра [108] и стенки трубы [109]. При мененный электрохимический метод позволил исследо вать область малых Fo. При этом обнаружено отклоне
ние режима |
массообмена от |
квазистационарного. |
|
Установлено, |
что коэффициент массообмена |
для рас |
|
сматриваемых |
случаев является |
величиной, |
переменной |
во времени. Он изменяется от больших значений в на чале процесса до значений, соответствующих стационар ному состоянию [ПО, 115].
Из приведенного выше видно, что результаты иссле дований нестационарного теплообмена важны для цело
го ряда новых областей науки и техники. |
- - |
Для расчета процесса теплообмена при зависящем от |
времени коэффициенте теплообмена рекомендуется сле дующий метод [92]. Необходимо разделить расчетный период времени на такие участки, чтобы внутри каждого коэффициент теплообмена можно было принять посто: яниым. Затем последовательно проводить расчет по участкам, используя в качестве начальных условий для данного участка результаты расчета для предыдущего. Для расчета необходимо знать зависимость коэффициен та теплообмена от времени в данных условиях.
S