Файл: Совершенствование теплового процесса листовой прокатки..pdf

скорости у стенки Поэтому для повышения эффектив­ ности пленочного охлаждения желательно уменьшать толщину пленки б и увеличивать в ней расход жидкости (скорость пленки).

При создании пленки от падающей струи на частицу жидкости действуют силы веса, инерции и трения. Вытекающая из сопла (на­ садки) жидкость настилается на поверхность твердого тела, разде­ ляясь в случае плоской струи у точки 0 (см. рис. 22, а) на прямой и обратный потоки. Из-за трения жидкость теряет кинетическую

а

Рис. 22. Распределение скоростей течения:

а — по толщине пленки жидкости; б — в струе газа

энергию, толщина пленки нарастает, величины и градиенты скорости уменьшаются. Одновременно уменьшаются числа Фруда

где g — ускорение силы тяжести;

б— толщина пленки.

Сприближением числа Фруда к единице происходит перестроение потока — бурное течение на участке АВ (Fr >• 1) через гидравличе­

90

струя падает на движущуюся плоскость, то область бурного течения становится несимметричной — скорость жидкости суммируется со скоростью поступательного перемещения пленки. Если струя падает на поверхность цилиндра, вращающегося вокруг горизон­ тальной оси, движение осложняется действием сил тяжести, неоди­ наковым по окружности цилиндра.

Механизм растекания струи на поверхности вращающегося ци­ линдра изучен недостаточно. Вместе с тем это может иметь решающее значение при выборе давлений в коллекторе оптимальных диаметров отверстий и плотности расположения струй по бочке валка.

После выхода из зоны бурного течения (участок АВ на рис. 22, а) запас кинетической энергии потока перестает играть определяющую роль в формировании пленки. На поверхности валка толщина и градиент скорости в пленке определяются теперь совместным влия­ нием сил тяжести и трения. Процессы теплообмена в пленке, хотя и менее интенсивны, чем на участке падения струи, они имеют неко­ торое значение в суммарном тепловом балансе валка.

Если жидкость течет в пленке над нагретой поверхностью, то к вынужденной конвекции добавляется свободная. Интенсивность теплообмена возрастает. Свободная конвекция над нагретой поверх­ ностью способствует турбулизации потока в пленке, что также увеличивает конвективный теплообмен.

В связи с недостаточной изученностью перечисленных факторов, а также вследствие статистического характера некоторых из них (турбулентность) получить значение коэффициента теплообмена тео­ ретически не представляется возможным. Поэтому процесс тепло­ обмена исследуют экспериментально на тепловых моделях.

При расчете критерия Рейнольдса для вынужденной конвекции, образующейся при подаче жидкости из брызгального коллектора, в качестве характерной скорости течения естественно принять ско­ рость в струе. При небольших расстояниях от коллектора до валка ее можно считать постоянной и определять по известной формуле гидравлики:

91

В результате критерий Рейнольдса (облива) определяется фор­ мулой

Для характеристики площади поверхности валка, по которой растекается струя (величина ее влияет на теплообмен) целесообразно ввести критерий ^<?обл, где в качестве характерного размера принят диаметр валка D:

Для характеристики центробежных сил, отбрасывающих частицы из жидкой пленки, естественно выбрать определяющий критерий Рейнольдса вращения валка в виде

При истечении газовых струй из сопел коллектора или горелок происходит их перемешивание с окружающим воздухом. Скорость течения на оси струи убывает с координатой х (рис. 22, б). Для пло­ скопараллельной струи, наблюдаемой при истечении через тонкую длинную щель, скорость на оси струи wx связана с координатой х соотношением [43]

При истечении через сопла коллектора, размещенные в ряд на небольшом расстоянии / одно от другого (в случае опытной уста­ новки, описанной в разделе 4, гл. IV, 1 = 3+9 см), можно считать, что на расстоянии от коллектора порядка 5/ отдельные струи сли­ ваются и становятся плоскими. В этом случае исходную ширину плоской струи /гщ (см. рис. 22, б) следует определить по формуле (139)

При натекании струи газа на препятствие происходит «настила­ ние» или «прилипание» ее к твердой поверхности. Величина градиента скорости у стенки, определяющая интенсивность теплообмена, зави­ сит от расстояния вдоль поверхности до точки падения струи, от тол­ щины настилающейся струи и кривизны обтекаемой поверхности. При движении поверхности относительно струи (вращение валка) явление осложняется. В случае натекания струи газа на поверх­ ность, имеющую температуру, отличную от температуры газа, до-

92

бавляется свободная конвекция. В связи со сложностью описываемых процессов определить величину коэффициента теплообмена валка с газом а теоретически невозможно. Эта задача, как и при эмуль- сионно-водяном охлаждении, может быть решена только путем экспериментальных исследований.

При расчете критерия Рейнольдса, определяющего конвективный теплообмен валка с газом, в качестве характерной скорости следует принять скорость по оси струи на расстоянии х от сопел, равном удалению сопла от поверхности цилиндра, т. е. для плоской струи пользуются формулой (143). Принимая за масштаб расстояний х ширину эквивалентной щели кщ, определяемую по формуле (144), вычислили по следующей формуле характерную скорость для рас­ чета числа Рейнольдса:

вколлекторе из известных формул газодинамики [44].

Вкачестве характерного размера для расчета критерия Рей­ нольдса (132) принимают диаметр цилиндра D; площадь, омываемая струей на поверхности валка, пропорциональна диаметру. Таким образом, критерий Рейнольдса для обдувания воздушными струями вычисляют по формуле

(146)

Если отверстия удалять от цилиндра, одновременно усиливая интенсивность источника струи (например, увеличивая ширину щели кщ и скорость до„), то при х —* оо обтекание цилиндра происходит равномерным потоком со скоростью wm. Число Рейнольдса обдува определяют в этом случае по формуле

новится сравнимым с Лщ. При х Лщ скорость в струе не меняется и остается равной w0 (заштрихованный участок на рис. 22, б «ядро струи»).

3. ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ, ОПИСЫВАЮЩИХ КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ВАЛКОВ

Рассмотрим известные в теплотехнике основные критериальные уравнения конвективного теплообмена цилиндрических тел с внешней средой.

93

Поперечное обтекание неподвижного цилиндра [19, 45—47]

При поперечном обтекании цилиндра жидкостью или газом равно­ мерным потоком со скоростью оУсо теплообмен связан с отводом тепла в пограничном слое. Тепловой поток с единицы площади наружной поверхности цилиндра зависит от величины центрального угла: его круговая эпюра показана на рис. 23.

Интенсивность такого теплообмена характеризуют следующими критериями:

1. Рейнольдса

Re,обл WcaD

(где Ц — коэффициент теплопроводности для жидкости, еще не всту­ пившей в теплообмен).

Вращение цилиндра в неподвижной жидкости (газе) [19, 48—52]

При вращении цилиндра в неподвижной жидкости (газе) тепло­ обмен связан с градиентами скорости в пограничном слое. С возраста­ нием скорости вращения к обычной свободной конвекции, наблю­ даемой у неподвижного цилиндра, добавляется перенос тепла вслед­ ствие наличия градиентов скорости и температуры. При достаточно больших угловых скоростях центробежные силы, действующие на вовлеченные во вращение частицы, могут вызывать их выброс из пограничного слоя, аналогичный выбросу частиц при турбулентном течении.

94