Файл: Тепловые процессы при обработке металлов и сплавов давлением учеб. пособие для студентов металлург. спец. вузов.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 14.10.2024

Просмотров: 250

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Общее выражение приведенного коэффициента излучения для двух поверхностей записывается следующим образом:

Спр»в=

 

^

Fx I

 

,

(1.1.10)

прив

1

Г 1

1

M

4

'

 

+ ?12

 

 

- 1

 

 

где фі2 — коэффициент

облучения

второй

поверхности

первой;

'g\ и

І2 — степени черноты излучающих поверхностей; F\ и F2

— площади

излучающих поверхностей.

 

 

 

 

 

Рассмотрим некоторые частные значения приведенного коэффи­

циента излучения:

 

 

 

 

 

 

 

а. Теплообмен происходит между двумя

плоскопараллельными

неограниченными поверхностями. В этом

случае фі2 = Ф21 = 1 (т. е.

все тепло от одной поверхности полностью

попадает на другую) и

^ і / ^ 2 =1 . Следовательно,

 

 

 

 

 

 

С п р и в = -

^

.

 

(1.1.11)

 

 

— +

1

 

 

 

 

б. Теплообмен происходит между двумя телами, первое из ко­ торых находится в полости другого. В этом случае излучение пер­

вого тела полностью попадает на поверхность

второго, т. е. срі2 = 1

(в то же время ф г і ^ І ) . Кроме того, FiJF2^\.

 

Таким образом,

C n p " " _ L

Z l ' m - i '

'

( U ' 1 2 )

е. Если полость, охватывающая первое тело, очень велика, то

можно считать FJF2<^\.

В этом случае будем

иметь

 

Сп рив — S j C g .

 

(1.1.13)

Если теплообмен осуществляется между тремя поверхностями, расчетная формула для СП рИ в усложняется.

К о н в е к ц и я

Пока объем жидкости или газа находится в состоянии покоя, теплообмен между отдельными его областями осуществляется пу­ тем теплопроводности и излучения. Как только этот объем приходит в движение, скорости теплообмена возрастают, так как отдельные частицы жидкости или газа, имеющие разные температуры, могут при этом сближаться. Таким образом, в данном случае на процесс передачи тепловой энергии оказывает существенное влияние пере­ нос массы вещества из одной точки пространства в другую. Такой вид теплопередачи, связанный с массообменом, называется кон­ векцией.

Конвекция наблюдается в жидкостях, газах, сыпучих материа­ лах и деформируемых твердых телах.

Если движение рассматриваемой среды обусловлено лишь изме­ нениями ллотности, вызванными неравномерным распределением

8

температуры, процесс называется свободной, или естественной, конвекцией. Свободная конвекция присуща жидкостям и газам.

Если движение среды вызвано другими причинами, в частности действием различного рода машин (вентилятора, насоса, компрес­ сора •— при перемещении объема жидкости или газа; прокатного стана, кузнечно-штамповочных машин — при деформации металла

ит. д.), процесс называется вынужденной конвекцией.

Вданном учебном пособии под конвективным теплообменом бу­ дем подразумевать передачу тепла между жидкостью или газом и твердой поверхностью.

Основным законом конвективного теплообмена является закон Ньютона, согласно которому количество тепла, передаваемое от теплоносителя к тепловоспринимающей поверхности, пропорцио­ нально разности температур между ними:

д = а(Т1—Т2)

вт/м* (ккал\я2-я),

(1.1.14)

где Тх—температура

теплоносителя, Т2 — температура

поверх­

ности.

Коэффициент пропорциональности а называется коэффициен­ том теплоотдачи (ряд авторов называют а коэффициентом тепло­ обмена). По физическому смыслу коэффициент теплоотдачи пред­ ставляет собой количество тепла, проходящее через единицу теплоотдающей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и теплоносителем 1°С.

Определение численного значения коэффициента теплоотдачи представляет сложную задачу, так как он является функцией боль­ шого числа факторов: формы тела, его размеров и ориентации в пространстве, температуры поверхности и теплоносителя, физиче­ ских свойств теплоносителя (вязкости, теплоемкости, коэффициен­ та теплопроводности, плотности), режима движения потока и т. д. В силу этого основным методом определения коэффициента тепло­ отдачи является экспериментальный метод.

Обычно для каждого конкретного случая теплообмена произво­ дят экспериментальное исследование коэффициента теплоотдачи. Полученные результаты затем обрабатывают и представляют в ви­ де критериальных уравнений, которые можно использовать для определения а.

Приведем некоторые известные из литературы критериальные уравнения [6].

а. Теплоотдача от шаров, вертикальных труб и плит 'при сво­ бодном движении

 

N u m = c ( G r P r ) £ ,

(1.1.15)

где

N u m = aRjKrn — критерий Нуссельта; индекс

m обозначает, что

все

величины, входящие в уравнение, рассчитаны по определя­

ющей температуре Тт, которая

равна

 

 

Tm=Y(T^

+ Tfy,

(1.1.16)

9

Tw — температура

поверхности;

Г/ — температура теплоотдающей

среды на большом

удалении от

поверхности; Я т — коэффициент

теплопроводности теплоотдающей среды, определенный при темпе­

ратуре Тт; R — характерный размер

(диаметр — для шаров и труб,

высота — для плит) ;

 

 

 

 

 

 

Gr — .s—z.

критерии

Грасгофа;

 

g — ускорение силы тяжести;

ß — коэффициент

объемного

расши­

рения; AT — разность температур между

поверхностью и

теплоот­

дающей средой;

V — кинематический

коэффициент вязкости; Рг =

= ѵ/а — критерий

Прандтля;

а — коэффициент

температуропровод­

ности

среды; с и п — постоянные, зависящие от величины

произве­

дения

(GrPr).

 

 

 

 

 

 

б.

Теплоотдача при поперечном

омывании

труб. Принимаем:

средняя температура теплоотдающей среды равна 7/, температура

поверхности Tw.

Индексы f и w в дальнейшем

обозначают, что ве­

личина определена при температуре Г/ или Tw.

 

 

Критериальное уравнение имеет следующую форму:

 

 

N u , = ^ б Э И е Г Р г / 0 ' 3 8 (—Г'

(1-1.17)

для

Re,= 1 • 10 -4- M O 3

 

 

 

 

 

 

a0,62D 0,38 / Р г / \ ° '

2 5

 

 

Nuf = f0,21 Re/ , e

Tr/'* [ — ^

(1.1.18)

для

R e / = M 0 3 - v - 2 - 1 0 5 ,

 

V Pf™ /

 

 

 

 

где

R e , =

критерии

Реинольдса;

 

w—

У

 

 

 

 

скорость набегающего

потока; ф — функция угла атаки.

На практике

рассмотренные

три вида теплообмена зачастую

действуют совместно. Примером может служить теплопередача в пористом теле. В сплошном материале распространение теплоты

осуществляется

теплопроводностью, а

через

поры — путем

лучи­

стого теплообмена, а также конвекции

и теплопроводности

среды,

находящейся в

порах. В силу этого

понятие

«теплопроводность

пористых тел» является условным и представляет собой суммарный эффект действия всех видов теплообмена.

Другим примером может служить теплоотдача раскаленного ме­ талла в окружающую атмосферу. Здесь теплообмен между поверх­ ностью и средой осуществляется путем лучеиспускания и конвек­ ции. Следовательно, удельный тепловой поток, проходящий через поверхность охлаждающегося тела, определяется как сумма удель­ ных тепловых потоков, определенных по закону Стефана — Больцмана и Ньютона, т. е.

^ = ^ + ^ = C n P „ B [ ( l ^ ) 4 - g ) 4 ] + a ( 7 ' 1 - r 2 ) ,

(1.1.19)

10

где Т\ — температура поверхности;

— температура среды.

При решении задачи теплопроводности для охлаждающегося

тела соотношение (1.1.19) используется в качестве граничного ус­

ловия. Поскольку это условие оказывается

нелинейным, его заменя­

ют более простым

 

 

 

Яъ = ^Лті

—т ^

(1.1.20)

где

 

 

 

Сприв

100/

V îoo /

(1.1.21)

 

 

 

 

Для более детального ознакомления с рассмотренными здесь вопросами следует изучать специальную литературу по курсу теп­ лопередачи.

2.ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЬЮ ДЕФОРМИРУЕМОГО МЕТАЛЛА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ В ТЕЧЕНИЕ ПАУЗ

Явления теплообмена, сопутствующие процессу обработки ме­ таллов давлением, чрезвычайно сложны. Поэтому при исследова­ нии температурного поля деформируемого металла обычно прини­ мают ряд упрощающих допущений, что позволяет использовать при анализе -процесса теплопроводности феноменологический ме­ тод *.

Схематически весь комплекс явлений теплопереноса при обра­ ботке металлов давлением можно представить следующим образом (на примере прокатки металлов). Извлеченная из нагревательной печи заготовка по мере перемещения к валкам охлаждается за счет лучистого и конвективного теплообмена с окружающей средой, а также за счет контактного теплообмена с рольгангами, слитковозом и т. д.

При подаче заготовки в валки происходят следующие процессы. С одной стороны, происходит охлаждение раската в результате теплопередачи в валки через прослойку окалины. С другой стороны, происходит нагревание раската за счет диссипации механической энергии пластического формоизменения, а также за счет работы против внешних сил трения. Выйдя из очага деформации, металл вновь подвергается лучистому и конвективному теплообмену с ок­ ружающей средой и т. д.

Рассмотрим более детально основные факторы, влияющие на

* Феноменологический метод основан на установлении некоторых общих со­ отношений между параметрами, определяющими рассматриваемое физическое яв­ ление в целом. Эти соотношения, как правило, называются законами. Последние имеют весьма общий характер, а роль конкретной физической среды учитывается введением коэффициентов пропорциональности (коэффициент теплопроводности, коэффициент теплоотдачи, степень черноты и т. д.). Феноменологические законы и коэффициенты пропорциональности устанавливаются опытом. Феноменологиче­ ский метод рассматривает изучаемую среду как сплошную, т. е. пренебрегает ее дискретным строением.

11

Смотрите также файлы