μεταφορά θερμότητας με συναγωγή.
Λαβρόφ, Ντμίτρι Αλεξάντροβιτς
Ακαδημαϊκό πτυχίο:
PhD
Τόπος υπεράσπισης της διατριβής:
Κωδικός ειδικότητας VAK:
Ειδικότητα:
Θεωρητικά θεμέλια της θερμικής μηχανικής
Αριθμός σελίδων:
Εισαγωγή.
1. Ανασκόπηση βιβλιογραφίας και ερευνητικοί στόχοι.
1.1. Μέθοδοι συγκριτικής ποσοτικής αξιολόγησης της ενεργειακής απόδοσης θερμαντικών επιφανειών μεταφοράς.
1.2. Αύξηση της απόδοσης των σωληνοειδών θερμαντικών επιφανειών
1.3. Στόχοι έρευνας.
2. Μέθοδος υπολογισμού της ενεργειακής απόδοσης εναλλακτών θερμότητας από δέσμες λείων σωλήνων και πτερυγίων σωλήνων και συσκευών από φύλλα προφίλ (πλακοειδείς εναλλάκτες θερμότητας). Σύγκριση δεσμών λείου σωλήνα και πτερυγίων στην περίπτωση ροής "δύο όψεων" και "μονόπλευρης" γύρω από την επιφάνεια θέρμανσης.
2.1. Μέθοδος υπολογισμού της ενεργειακής απόδοσης δεσμίδων λείων σωλήνων.
2.2. Μέθοδος υπολογισμού της ενεργειακής απόδοσης δοκών με πτερύγια.
2.3. Προσδιορισμός της Ενεργειακής Απόδοσης Δεμάτων Smooth-Tube και Finned. Σύγκριση δεσμών λείου σωλήνα και πτερυγίων.
2.4. Μέθοδος υπολογισμού της ενεργειακής απόδοσης εναλλάκτη θερμότητας από φύλλα προφίλ (πλακοειδείς εναλλάκτες). Υπολογισμός ενεργειακής απόδοσης.
3. Πειραματική μελέτη θερμότητας και αεροδυναμικήςχαρακτηριστικά σε υπερσφιχτές δοκούς σκακιού.
3.1. Τεχνική μελέτης μεταφοράς θερμότητας και αεροδυναμικής αντίστασης.
3.2. Πειραματικός χώρος.
3.3. Σχέδιο της πειραματικής εγκατάστασης.
3.4. Τεχνική επεξεργασίας πειραματικών δεδομένων.
3.5. Μετρήσεις σε θερμικά και αεροδυναμικά πειράματα.
3.6. Πειράματα βαθμονόμησης.
3.7. Ανάλυση και γενίκευση πειραματικών δεδομένων για τη μεταφορά θερμότητας.
3.8. Ανάλυση και γενίκευση πειραματικών δεδομένων για την αντοχή.
3.9. Σύγκριση των ληφθέντων αποτελεσμάτων με δεδομένα άλλων συγγραφέων.
Εισαγωγή στη διατριβή (μέρος της περίληψης) Με θέμα "Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή"
Οι εναλλάκτες θερμότητας, κατά κανόνα, είναι το πιο έντονο μέταλλο και ογκώδες μέρος των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής στη βιομηχανική και ηλεκτρική μηχανική σταθμών. Ειδικότερα, αυτό ισχύει για εναλλάκτες θερμότητας που λειτουργούν σε συστήματα ανάκτησης θερμότητας χαμηλής ποιότητας και λειτουργούν σε μικρές διαφορές θερμοκρασίας. Επομένως, το πρόβλημα της ανάπτυξης αποδοτικών συστημάτων ανταλλαγής θερμότητας είναι σε μεγάλο βαθμό το πρόβλημα της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας.
Η αναζήτηση και η μελέτη μεθόδων εντατικοποίησης, καθώς και η επιστήμη της μεταφοράς θερμότητας γενικότερα, έχει μια αρκετά μεγάλη ιστορία. Με βάση τη διαισθητική ιδέα της εντατικής ανάμειξης ως μέσου εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας, πολλοί ερευνητές έχουν προτείνει και δοκιμάσει μια μεγάλη ποικιλία στροβιλωδών ενθεμάτων, τροποποιημένων σχημάτων καναλιών και διαφόρων τεχνητών μορφών τραχύτητας επιφάνειας. Με βάση τα αναπτυγμένα υπολογιστικά μοντέλα αναταράξεων και με τη χρήση αριθμητικής προσομοίωσης σύνθετων ροών, σε σχετικά πρόσφατους χρόνους, αρκετά σαφείς ιδέες για τον μηχανισμό εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας, την επίδραση παραγόντων όπως οι ιδιότητες του ρευστού (αριθμός Prandtl), το καθεστώς ροής (αριθμός Reynolds), επιτάχυνση ή επιβράδυνση ροής (ροή σε σύγχυση ή διαχύτη). Αναπτύσσονται μέθοδοι διάφορων φυσικών επιρροών για να εντείνουν τη μεταφορά, όπως ακουστικές και ηλεκτρομαγνητικές επιρροές.
Οι συναγωγικοί εναλλάκτες θερμότητας ανάκτησης όπως "αέριο-αέριο", "υγρό-υγρό", "αέριο-υγρό", "αέριο-διφασικό μέσο", "υγρό-διφασικό μέσο" χρησιμοποιούνται ευρέως επί του παρόντος τόσο στη βιομηχανία ( πετροχημεία, μεταλλουργία, αεροπορία, ναυτιλία, ψυκτικός εξοπλισμός, κ.λπ.), και στη βιομηχανία ηλεκτροπαραγωγής σταθμών.
Στην κατασκευή τέτοιων εναλλάκτη θερμότητας καταναλώνεται μεγάλη ποσότητα μετάλλου. Η λειτουργία τους συνδέεται με υψηλό ενεργειακό κόστος, κυρίως για την άντληση ψυκτικών υγρών. Η αύξηση των όγκων παραγωγής συνοδεύεται από αύξηση της μάζας και των διαστάσεων των εναλλάκτη θερμότητας, καθώς και του ενεργειακού κόστους λειτουργίας τους. Επομένως, το έργο της μείωσης της μάζας των εναλλάκτη θερμότητας (ειδικά "αέριο - αέριο" και "αέριο - υγρό"), αφενός, και το κόστος λειτουργίας, αφετέρου, είναι επίσης πολύ σχετικό εδώ.
Αυτές οι εργασίες μπορούν να επιλυθούν μόνο με την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας από έναν ή και τους δύο φορείς θερμότητας με μέτρια αύξηση της υδροδυναμικής αντίστασης, καθώς η ενεργειακή απόδοση ενός εναλλάκτη θερμότητας καθορίζεται από την αναλογία μεταξύ του χρήσιμου αποτελέσματος (ροή θερμότητας) και του κόστους υλικού (μέταλλο και κατανάλωση ενέργειας).
Το πρόβλημα της αύξησης της ενεργειακής απόδοσης των εναλλάκτη θερμότητας και οι μέθοδοι συγκριτικής αξιολόγησης της απόδοσής τους, όπως σημειώθηκε παραπάνω, έχει μελετηθεί ουσιαστικά από την εμφάνιση των πρώτων συσκευών. Η ανάλυση βασίστηκε στην έρευνα του Gukhman A.A. , Kirpicheva M.A. , Buznika V.M. , Zhukauskas A.A. , Migaya V.K. , Καλίνινα Ε.Κ. και Dreitser G.A. . Εκτενείς πληροφορίες σχετικά με τα σχέδια συμπαγών και ενισχυμένων εναλλάκτη θερμότητας και τις μεθόδους υπολογισμού τους περιέχονται στο.
Η ασυνέπεια αυτών των απαιτήσεων είναι προφανής: η ένταση της μεταφοράς θερμότητας, ceteris paribus, αυξάνεται περίπου αναλογικά με την ταχύτητα του ψυκτικού υγρού στον πρώτο βαθμό και η ισχύς που καταναλώνεται είναι ανάλογη με την ταχύτητα που έχει τεθεί σε κυβισμό. Επιπλέον, η ροή θερμότητας είναι γενικά ανάλογη με την επιφάνεια.
Επομένως, η λύση στο πρόβλημα της αύξησης της ενεργειακής απόδοσης ενός εναλλάκτη θερμότητας είναι η δημιουργία ενός τέτοιου φυσικού περιβάλλοντος για μια δεδομένη περιοχή και μέση ταχύτητα του ψυκτικού υγρού, στο οποίο η μεταφορά θερμότητας γίνεται με την υψηλότερη δυνατή ένταση και η διαδικασία της ορμής μεταφορά (καθορισμός του κόστους ισχύος) - με το λιγότερο.
Η πολυπλοκότητα αυτής της εργασίας οφείλεται σε δύο συνθήκες. Πρώτον, και οι δύο διαδικασίες μεταφοράς πραγματοποιούνται από τα ίδια στοιχεία του μέσου, τα οποία είναι ταυτόχρονα φορείς τόσο της θερμότητας όσο και της ορμής. Δεύτερον, στη γενική περίπτωση, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη τα ζητήματα της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας και της μείωσης του κόστους άντλησης και για τα δύο ψυκτικά που έχουν κοινή επιφάνεια διαχωρισμού.
Είναι προφανές ότι η φυσική κατάσταση που αντιστοιχεί στο σχήμα διεργασίας που περιγράφηκε παραπάνω είναι πολύ ασυνήθιστη, πολύ περίπλοκη και μπορεί να δημιουργηθεί μόνο τεχνητά με καλά μελετημένη και προσεκτικά ελεγχόμενη ανάπτυξη της διαδικασίας.
Επιπλέον, στην πρακτική χρήση της εντατικοποίησης σε εναλλάκτες θερμότητας, πρέπει να αντιμετωπίσει κανείς το πρόβλημα της επιλογής της σωστής μεθόδου εντατικοποίησης και των γεωμετρικών παραμέτρων των στοιχείων εντατικοποίησης, λαμβάνοντας υπόψη ότι η κατασκευή ενισχυμένων επιφανειών απαιτεί ορισμένες πρόσθετες δαπάνες (λαμβάνοντας υπόψη κατασκευασιμότητα και κόστος λογαριασμού), και επίσης λάβετε υπόψη περιπτώσεις όπου οι ενισχυμένες επιφάνειες λειτούργησαν καλά στην αρχική περίοδο λειτουργίας και στη συνέχεια το αντίστοιχο αποτέλεσμα μειώθηκε ή εξαφανίστηκε λόγω της συσσώρευσης θερμικά επιβλαβών εναποθέσεων, διαβρωτικής και διαβρωτικής φθοράς των στοιχείων ενίσχυσης , και στη συνέχεια καθίσταται απαραίτητο να επιλέξετε τη βέλτιστη μέθοδο από την άποψη της μακροχρόνιας λειτουργίας, των μεθόδων πιθανού καθαρισμού κ.λπ. ., δηλαδή, γενικά, από την άποψη της αξιοπιστίας του εναλλάκτη θερμότητας.
Η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των εναλλακτών θερμότητας με δέσμες λείου σωλήνα, λίγων σειρών που λειτουργούν με καθαρό αέριο (λέβητες ανάκτησης θερμότητας, μονάδες CCGT, θερμαντήρες αέρα, λέβητες αερίου ζεστού νερού, πύργοι ξηρής ψύξης, κ.λπ.) μπορεί να επιτευχθεί με τη μείωση του εγκάρσιο και διαμήκη βήμα της δέσμης, δηλαδή λόγω αύξησης της συμπαγούς δοκού.
Το θέμα αυτό αποτελεί αντικείμενο του πειραματικού μέρους της εργασίας, στο οποίο θερμο-αεροδυναμικήΧαρακτηριστικά υπερστεγών δεσμίδων λείων σωλήνων με εγκάρσια βελτιστοποίηση.
Ένα σημαντικό ζήτημα κατά την εξέταση του προβλήματος της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή παραμένει το ζήτημα του προσδιορισμού ποσοτικών δεικτών ενεργειακής απόδοσης και της σωστής σύγκρισης διαφόρων μεθόδων εντατικοποίησης.
Ο υπολογισμός και το μεθοδολογικό μέρος της εργασίας είναι αφιερωμένο σε αυτό το θέμα, στο οποίο αναπτύσσεται μια μεθοδολογία και ένας αλγόριθμος για τον υπολογισμό των δεικτών ενεργειακής απόδοσης διαφόρων συναγωγών επιφανειών με "μονόπλευρη" και "δύο όψη" ροή γύρω από την επιφάνεια. οκτώ
Συμπέρασμα διατριβής με θέμα "Θεωρητικά θεμέλια της θερμικής μηχανικής", Λαβρόφ, Ντμίτρι Αλεξάντροβιτς
Το εύρος διακύμανσης των υπό εξέταση παραμέτρων (ο δείκτης ενεργειακής απόδοσης για την επιφάνεια Kp, ο λόγος των μηκών b21b\ και ο λόγος των υψών b21b\ του εναλλάκτη θερμότητας δοκιμής και αναφοράς, ο λόγος των συζευγμένων αριθμών Reynolds, ο λόγος των όγκων που καταλαμβάνουν οι επιφάνειες και ο συντελεστής συμπαγούς) ανάλογα με τον τύπο του καναλιού προφίλ φαίνεται στον Πίνακα 2.11 .
Ο Πίνακας 2.11 δείχνει ότι οι πιο αποτελεσματικές επιφάνειες πλακών για εναλλάκτες θερμότητας αερίου-αερίου είναι επιφάνειες με επίπεδα κανάλια με σφαιρικές εσοχές (οπές) και με διγωνικά κανάλια που σχηματίζονται από τραπεζοειδείς προεξοχές. Αυτοί οι εναλλάκτες θερμότητας έχουν μικρότερη επιφάνεια θέρμανσης από τους άλλους τρεις (συμπεριλαμβανομένης της "αναφοράς"), με τις ίδιες μεταφερόμενες ροές θερμότητας, την ίδια ισχύ για άντληση φορέων θερμότητας και με τους ίδιους ρυθμούς ροής φορέα θερμότητας. Παράλληλα, παρατηρείται μείωση του ύψους
92 της συσκευής ανταλλαγής (μείωση του μήκους της διαδρομής των φορέων θερμότητας) και αύξηση του μήκους του εναλλάκτη θερμότητας (το πλάτος των φύλλων k λαμβάνεται αμετάβλητο, Εικ. 2.23). Οι συζευγμένες τιμές των αριθμών Reynolds και, κατά συνέπεια, η ταχύτητα των ψυκτικών υγρών υπαγορεύονται επίσης από τις συνθήκες σύγκρισης. Σε όλες τις περιπτώσεις, ελεγχόταν το εύρος των αριθμών Reynolds, στο οποίο ισχύουν οι εμπειρικές εξαρτήσεις για τη μεταφορά θερμότητας και την αντίσταση που είναι αποδεκτές από τη βιβλιογραφία.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ
Ως αποτέλεσμα αυτής της εργασίας:
1. Αναλύονται οι υπάρχουσες μέθοδοι συγκριτικής ποσοτικής εκτίμησης της απόδοσης των επιφανειών θέρμανσης με συναγωγή.
2. Αναλύονται μέθοδοι για την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης σωληνοειδών θερμαντικών επιφανειών.
3. Προτείνεται μια μέθοδος για τον υπολογισμό της ενεργειακής απόδοσης δεσμών λείων σωλήνων και πτερυγίων σωλήνων με ροή «μονόπλευρης» και «δύο όψεων» γύρω από την επιφάνεια θέρμανσης, εναλλάκτες θερμότητας από φύλλα προφίλ και εναλλάκτες θερμότητας με επίπεδο πτερύγιο πλέγματος καναλιών.
4. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση της ενεργειακής απόδοσης δεσμών με λείους σωλήνες και πτερύγια κλιμάκωσης, εναλλάκτες θερμότητας από φύλλα προφίλ και εναλλάκτες θερμότητας με επίπεδα κανάλια με πτερύγια πλέγματος.
5. Έχουν ληφθεί νέες αξιόπιστες εξαρτήσεις για μεταφορά θερμότητας και αντίσταση σε κλιμακωτές δέσμες με axb = 1.051x0.910. 1,027x0,889 και 1,009x0,874 στην περιοχή των αριθμών Nye = (8-100)-10 όταν αλλάζετε τις σειρές κατά μήκος του αερίου 22 από 5 έως 3.
6. Καθορίζονται οι δείκτες ενεργειακής απόδοσης των μελετούμενων συμπαγών θερμαντικών επιφανειών.
Κατάλογος αναφορών για έρευνα διατριβής υποψήφιος τεχνικών επιστημών Λαβρόφ, Ντμίτρι Αλεξάντροβιτς, 1999
1. Antufiev V.M., Gusev E.K., Ivanenko V.V. κλπ. Εναλλάκτες θερμότητας από φύλλα προφίλ. Μ.: Ενέργεια. 1972.
2. Antufiev V.M. Συγκριτικές μελέτες μεταφοράς θερμότητας και αντίστασης ραβδωτών επιφανειών // Energomashinostroenie. 1961. Νο 2. S. 1216.
3. Antufiev V.M. Αποδοτικότητα διαφόρων μορφών επιφανειών θέρμανσης με συναγωγή. Λ.: Ενέργεια, 1966.
4. Α. σ. Νο. 1560896 (ΕΣΣΔ). Μετααγωγική σωληνοειδής επιφάνεια / V.I. Velichko, V.A. Προνίνη. (ΕΣΣΔ). -Βουλ. Νο. 16, 1990.
5. Αεροδυναμικός υπολογισμός λεβητοστασίων. Κανονιστική μέθοδος / Κάτω. εκδ. ΣΙ. Mochan. Μόσχα: Ενέργεια, 1977.
6. Bazhan P.I., Kanevits G.E., Seliverstov V.M. Εγχειρίδιο εναλλάκτη θερμότητας. Μ.: Mashinostroenie, 1989.
7. Baranovsky N.V., Kovalenko L.M., Yastrebenetsky A.R. Πλάκες και σπειροειδείς εναλλάκτες θερμότητας. Μ.: Mashinostroenie, 1973.
8. Bergles A. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας // Teploobmen. Επιτεύγματα. Προοπτικές. Επιλεγμένα Πρακτικά 6ου Διεθνούς Συνεδρίου για τη Μεταφορά Θερμότητας. Μ.: Μιρ. 1981. V.6. σελ. 145-192.
9. Buznik V.M. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας σε εγκαταστάσεις πλοίων. Λ.: Ναυπηγική. 1969.
10. Yu.Velichko V.I., Kovalenko N.A., Schille B. Μεταφορά θερμότητας και αντίσταση σε εξαιρετικά στεγανές δέσμες λείων σωλήνων κλιμακωτής διάταξης. Μινσκ: ANC "ITMO im. Α.Β. Lykova, 1996.
11. P. Velichko V.I., Lavrov D.A. Ενεργειακή απόδοση θερμαντικών επιφανειών μεταφοράς με αμφίπλευρη ροή γύρω από // Tr. Δεύτερη Ρωσική νήσος. συνδ. στη μεταφορά θερμότητας. Τ.6. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας. Μ.: ΜΠΕΙ, 1998. Σ. 58-61.
12. N. Grigoriev V.A., Krokhin Yu.I. Συσκευή μεταφοράς θερμότητας και μάζας κρυογονικής τεχνολογίας. Μόσχα: Energoizdat, 1982.
13. Gukhman A.A., Zaitsev A.A. Υπολογισμός και αξιολόγηση της απόδοσης επιφανειών μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή σύνθετου σχήματος με βάση μια γενικευμένη ανάλυση // Σύγχρονα προβλήματα της θεωρίας της μεταφοράς θερμότητας και της φυσικής υδροδυναμικής. Novosibirsk.: 1984. S. 16-30.
14. Gukhman A.A. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή και το πρόβλημα της συγκριτικής εκτίμησης των επιφανειών ανταλλαγής θερμότητας // Teploenergetika.1977. Νο 4. σελ. 5-8.
15. Gukhman A.A., Kirpikov V.A. Στο ζήτημα της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή // Μεταφορά θερμότητας και μάζας VI: Υλικά της VI Πανευρωπαϊκής Διάσκεψης για τη μεταφορά θερμότητας και μάζας. Τ. 1.4. 1. Μινσκ: ITMO AN BSSR. 1980.
16. Gukhman A.A. Μέθοδος σύγκρισης θερμαντικών επιφανειών μεταφοράς // JTF . 1938. V.8, Νο. 17. S.1584-1602.
17. Dilevskaya E.V. Κρυογονικοί μικροεναλλάκτες θερμότητας. Μ.: Mashinostroenie, 1978.
18. Zhukauskas A.A., Zhyugzhda I. Μεταφορά θερμότητας κυλίνδρου σε εγκάρσια ροή ρευστού. Βίλνιους: Mokslas, 1979.
19. Zhukauskas A.A. Συναγωγική μεταφορά σε εναλλάκτες θερμότητας. Μόσχα: Nauka, 1982.
20. Zhukauskas A.A., Makaryavichus V.I., Shlanchyauskas A.A. Μεταφορά θερμότητας δεσμίδων σωλήνων σε εγκάρσια ροή ρευστού. Βίλνιους: Mintis, 1968.
21. Zhukauskas A.A. Προβλήματα εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή. Μεταφορά θερμότητας και μάζας VII. Αναφορές προβλημάτων της Διάσκεψης της Ομοσπονδιακής Ένωσης για τη μεταφορά θερμότητας και μάζας. Μέρος 1. Μινσκ. 1985. Σ. 16-41.
22. Zhukauskas A.A., Ulinskas R.V., Katinas V.I. Υδροδυναμική και δονήσεις απλοποιημένων δεσμίδων σωλήνων. Βίλνιους: Mokslas, 1984.
23. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Μεταφορά θερμότητας. Μόσχα: Ενέργεια, 1981.
24. Kalafati D.D., Popalov V.V. Βελτιστοποίηση των εναλλάκτη θερμότητας από άποψη απόδοσης μεταφοράς θερμότητας. Μόσχα: Energoatomizdat, 1986.
25. Καλίνιν Ε.Κ. Dreytser G.A., Yarkho S.A. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας στα κανάλια. Μ.: Mashinostroenie, 1990.
26. Karadashev G.A. Φυσικές μέθοδοι εντατικοποίησης διεργασιών χημικής τεχνολογίας. Μ.: Χημεία. 1990.
27. Kirpikov V.A. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή. Μ.: 1991.
28. Kirpikov V.A., Leifman I.I. Γραφική μέθοδος αξιολόγησης της απόδοσης θερμαντικών επιφανειών μεταφοράς.Teploenergetika. 1975. Νο 3. σελ. 34-36.113
29. Kirpikov V.A., Musavi Nainian S.M. Khim. και πετρελαιομηχανική. 1994. Νο 10. σελ. 11-14.
30. Kirpichev M.V. Στην πιο συμφέρουσα μορφή της επιφάνειας θέρμανσης. Γ.Μ. Κρζιζανόφσκι. 1944. Τ. 12. Σ. 5-8.
31. Kovalenko JIM., Glushkov A.F. Εναλλάκτες θερμότητας με βελτίωση μεταφοράς θερμότητας. Μόσχα: Energoatomizdat, 1986.
32. Kuntysh V.V., Iokhvedov F.I. Επιλέγοντας μια αποτελεσματική επιφάνεια θέρμανσης για να δημιουργήσετε μια συμπαγή αερόθερμο(θερμάστρα) // Izvestiya vuzov. Ser. Ενέργεια. 1970. Νο 5. σελ. 68-72.
33. Case W.N., London A.JI. Συμπαγείς εναλλάκτες θερμότητας. Μ.: Ενέργεια. 1967.
34. Lavrov D.A., Velichko V.I. Αύξηση της ενεργειακής απόδοσης θερμαντικών επιφανειών μεταφοράς με διμερή ροή γύρω // Πέμπτη Διεθνής Επιστημονική και Τεχνική Συνδιάσκεψη. φοιτητές και μεταπτυχιακοί φοιτητές. Περιλήψεις εκθέσεων. Τ.2. Μ.: ΜΠΕΙ, 1999. Σ. 279-280.
35. Lipets A.U. Σχετικά με τις ορθολογικές διατάξεις των επιφανειών θέρμανσης με συναγωγή των μονάδων λέβητα // Teploenergetika. 1963. Νο 5.
36. Migay V.K. Μοντελοποίηση εξοπλισμού ανταλλαγής θερμότητας. Λένινγκραντ: Energoatomizdat. 1987.
37. Migay V.K. Βελτίωση της απόδοσης των σύγχρονων εναλλάκτη θερμότητας. Λ.: Ενέργεια. 1980.
38. Migai V.K., Firsova E.V. Μεταφορά θερμότητας και υδραυλική αντίσταση δεσμίδων σωλήνων. Λ.: Επιστήμη. 1986.
39. Προσδιορισμός των πλέον συμφερόντων ταχυτήτων αερίου σε εξοικονομητές τύπου μεμβράνης / Α.Β. Zmachinsky, Yu.V. Μουσάτοφ, Γ.Ι. Levchenko, V.A. Μεντβέντεφ // Μηχανική Ενέργειας. 1974. Νο 7. σελ. 13-15.
40. Βασικές αρχές υπολογισμού και σχεδιασμού αερόψυκτων εναλλακτών θερμότητας: A Handbook / A.N. Άυπνος ο Γ.Α. Dreitser, V.B. Kuntysh και άλλοι Αγία Πετρούπολη: Nedra, 1996.
41. Pochuev V.P., Lutsenko Yu.N., Mukhin A.A. Μεταφορά θερμότητας σε ψυγμένα πτερύγια αεριοστροβίλων υψηλής θερμοκρασίας // Tr. Πρώτος Ρώσος υπήκοος συνέδρια για τη μεταφορά θερμότητας. V. 8. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας. Μ.: MEI, 1994. S. 178-183.
42. Pronin V.A. Μέτρηση υδροδυναμικών χαρακτηριστικών και μεταφορά θερμότητας σε σφιχτές εγκάρσια βελτιωμένες δέσμες σωλήνων. Ενεργειακά αποδοτική μέθοδος τοποθέτησης σωλήνων σε δέσμη / Περίληψη της διατριβής. dis. ειλικρίνεια. εκείνοι. Επιστήμες. Μ.: 1990.
43. Pronin V.A., Klevtsov A.V., Lavrov D.A., Kosolapov D.M. Βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των επίπεδων καναλιών με νευρώσεις // Tr. Δεύτερη Ρωσική νήσος. συνδ. στη μεταφορά θερμότητας. Τ.6. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας. Μ.: ΜΠΕΙ, 1998. Σ. 188-191.
44. Pruss L.V. Το πρόβλημα της αξιοπιστίας των εναλλάκτη θερμότητας. Λ.: Επιστήμη. 1986.114
46. Salikov A.P., Tulin S.N. Μέθοδος σύγκρισης δεσμίδων σωλήνων με συρμάτινα πτερύγια / Power Engineering. 1959. Νο 11. σελ. 20-21.
47. Εγχειρίδιο εναλλάκτη θερμότητας / Per. από τα αγγλικά, εκδ. B.S. Πετούκοβα,
48. Β.Κ. Σικόφ. T. 1. M.: Energoatomizdat, 1987.
49. Stasyulyavichus Yu., Skrinska A. Μεταφορά θερμότητας εγκάρσια απλοποιημένων δεσμίδων ραβδωτών σωλήνων. Βίλνιους: Mokslas, 1979.
50. Θερμικός υπολογισμός μονάδων λέβητα. Κανονιστική μέθοδος / Κάτω. εκδ. N.V. Kuznetsova και άλλοι M.: Energy, 1973.
51. Εξοπλισμός ανταλλαγής θερμότητας σταθμών ηλεκτροπαραγωγής / Μ.Μ. Andreev,
52. C.S. Berman, V.G. Buglaev, Kh.N. Κοστρόφ. Μόσχα: Mashgiz, 1963.
53. Συσκευές ανταλλαγής θερμότητας αεριοστρόβιλων και συνδυασμένων εγκαταστάσεων, Εκδ. ΟΛΑ ΣΥΜΠΕΡΙΛΑΜΒΑΝΟΝΤΑΙ. Ο Λεοντίεφ. Μ.: Mashinostroenie. 1985.
54. Turkin A.V., Sorokin A.G., Bragina O.N. et al. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με χρήση οπών σε επίπεδο κανάλι σε χαμηλές ταχύτητες αέρα // Μεταφορά θερμότητας και μάζας MMF - 92. V.1. 4.1. Μινσκ: ANC "ITMO im. Α.Β. Λύκοβα», 1992. Σ. 18-21.
55. Shchukin V.K., Khalatov A.A. Μεταφορά θερμότητας, μεταφορά μάζας και υδροδυναμική στροβιλιζόμενων ροών σε αξονικά συμμετρικά κανάλια. Μ.: Mashinostroenie. 1982.
56. Εργαστήριο για τη μεταφορά θερμότητας / Εκδ. Ο Α.Π. Σολόντοφ. Μόσχα: Energoatomizdat, 1986.
Λάβετε υπόψη ότι τα επιστημονικά κείμενα που παρουσιάζονται παραπάνω δημοσιεύονται για ανασκόπηση και λαμβάνονται μέσω αναγνώρισης κειμένου πρωτότυπης διατριβής (OCR). Σε αυτό το πλαίσιο, ενδέχεται να περιέχουν σφάλματα που σχετίζονται με την ατέλεια των αλγορίθμων αναγνώρισης.
Δεν υπάρχουν τέτοια λάθη στα αρχεία PDF των διατριβών και των περιλήψεων που παραδίδουμε.
A.A.Konoplev, G.G.Aleksanyan, B.L.Rytov, ακαδ. Ο Αλ. Ο Αλ. Βερολίνο, Ινστιτούτο Χημικής Φυσικής. ακαδ. N.N. Semenov της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, Μόσχα
Αναπτύχθηκε, θεωρητικά και πειραματικά, μια νέα αποτελεσματική μέθοδος για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας σε σωληνωτούς εναλλάκτες θερμότητας, η οποία ονομάζεται μέθοδος βαθύ προφίλ. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές πειραματικού εργαστηριακού εναλλάκτη θερμότητας, τα δεδομένα του οποίου συγκρίθηκαν με αυτά του ΤΤΑΙ. Όλα τα αποτελέσματα που προέκυψαν δημοσιεύονται σε επιστημονικά περιοδικά. Δείχνονται οι δυνατότητες χρήσης της μεθόδου για τη δημιουργία αποδοτικών και συμπαγών σωληνοειδών εναλλάκτη θερμότητας.
Το πρόβλημα της δημιουργίας σύγχρονου εξαιρετικά αποδοτικού και συμπαγούς εξοπλισμού ανταλλαγής θερμότητας είναι πολύ επίκαιρο σήμερα, έχει μεγάλη επιστημονική και πρακτική σημασία. Αυτό το πρόβλημα σχετίζεται στενά με το πρόβλημα της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας, για τη λύση του οποίου έχουν προταθεί και, στον ένα ή τον άλλο βαθμό, μελετηθεί αρκετές διαφορετικές μέθοδοι (βλ., για παράδειγμα, ). Από αυτά, ίσως το πιο επιτυχημένο, καθώς και σχετικά απλό και τεχνολογικά προηγμένο, ήταν η διαμόρφωση σωλήνων ανταλλαγής θερμότητας με δακτυλιοειδείς προεξοχές κυλιόμενες στην επιφάνειά τους. Οι μέθοδοι είναι διαφορετικές, όπως, για παράδειγμα, στροβιλισμός ροών σε κανάλια, σπειροειδείς ή διαμήκεις νευρώσεις και ένθετα, τραχιές επιφάνειες και επιβολή ταλαντώσεων στις ροές ανταλλαγής θερμότητας κ.λπ. δεν ήταν τόσο αποτελεσματικές. Επίσης, η χρήση σωλήνων ανταλλαγής θερμότητας μικρής διαμέτρου συμβάλλει στην εντατική μεταφορά θερμότητας. Έτσι, εναλλάκτες θερμότητας κελύφους και σωλήνα της μάρκας TTAI που κατασκευάζονται από την Teploobmen LLC με κλειστές δέσμες λείων ή ραβδωτών σωλήνων από χάλυβα ή τιτανίου με λεπτό τοίχωμα (διάμετρος περίπου 8 mm και τοιχώματα πάχους 0,2-0,3 mm) που εμφανίζονταν σχετικά πρόσφατα στην αγορά εξοπλισμού ανταλλαγής θερμότητας τοποθετούνται στον δακτυλιοειδές χώρο χωρίς διαφράγματα, ξεπερνούν σημαντικά όλους τους άλλους σωληνωτούς, και όχι μόνο, εναλλάκτες θερμότητας ως προς τις θερμικές παραμέτρους και το βάρος και το μέγεθος. Τα μειονεκτήματα που εμφανίζονται κατά τη λειτουργία τους σχετίζονται ακριβώς με τα λεπτά τοιχώματα των σωλήνων και τη μικρή τους διάμετρο. Αυτά είναι, για παράδειγμα, εκτροπή και δονήσεις της δέσμης του σωλήνα, δυσκολίες στον μηχανικό καθαρισμό κ.λπ.
Η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας του καναλιού του σωλήνα κατά το προφίλ του με ραβδώσεις επιτυγχάνεται λόγω πρόσθετων αναταράξεων των στρωμάτων κοντά στο τοίχωμα του υγρού, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στον τοίχο. Όπως διαπιστώθηκε από τους συγγραφείς του κομματιού και ορισμένους ερευνητές του, η βέλτιστη τιμή είναι περίπου d/D»0,92-0,94. Ένα μεγαλύτερο στένωση του τμήματος ροής του καναλιού του σωλήνα, αν και οδηγεί σε μεγαλύτερη αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας στον τοίχο, συνοδεύεται από μια αισθητά αυξανόμενη διάχυση του στροβιλισμού στον εσωτερικό όγκο του καναλιού, με σημαντικές απώλειες ενέργειας για η άντληση του ψυκτικού υγρού και, σύμφωνα με την πλέον καθιερωμένη γνώμη, δεν είναι απαραίτητη, επειδή ο πυρήνας του ψυκτικού ρέει σε τυρβώδη λειτουργία και έτσι είναι αρκετά τυρβώδης.
Ωστόσο, με βάση την εμπειρία της μελέτης της μεταφοράς θερμότητας και μάζας κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων σε τυρβώδεις ροές (βλ., για παράδειγμα, ), θεωρήθηκε στο Ινστιτούτο Χημικής Φυσικής της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών ότι οι αναταράξεις ολόκληρης της ροής, συμπεριλαμβανομένης της πυρήνα, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας. Αυτή η πρόσθετη αναταραχή μπορεί να επιτευχθεί αλλάζοντας το μέγεθος της περιοχής ροής περισσότερο από ό,τι θεωρείται αποδεκτό για ραβδώσεις. Η προτεινόμενη μέθοδος ονομάστηκε μέθοδος βαθύ προφίλ.
Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι με έντονες αναταράξεις ολόκληρης της ροής στο σύνολό της κοντά στον τοίχο, εκτός από την αύξηση του συντελεστή μεταφοράς, υπάρχει μια αύξηση της κλίσης θερμοκρασίας (δηλαδή, η διαφορά θερμοκρασίας, η οποία καθορίζει, κατά μήκος με τον συντελεστή, το μέγεθος της ροής θερμότητας διάχυσης στον τοίχο) λόγω της «επιπέδωσης» του ακτινικού προφίλ του. Μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στο ICP RAS έδειξαν ότι παρά τη σημαντική αύξηση των απωλειών ενέργειας για την άντληση του ψυκτικού υγρού, μπορούν να βρεθούν τέτοιες τιμές των παραμέτρων σχεδιασμού και κατανάλωσης, λαμβάνοντας υπόψη ότι το D Π~v 2, και Nu~ v m, όπου Μ<1, которые обеспечат приемлемые значения характеристик процесса теплообмена.
Τα αποτελέσματα των μελετών μας έχουν δημοσιευτεί, βλ., για παράδειγμα,. Σε γενικές γραμμές, υποδεικνύουν τη δυνατότητα εφαρμογής της μεθόδου βαθύ προφίλ για πρακτική χρήση, και ως εκ τούτου θα θέλαμε να γνωρίσουμε τον ενδιαφερόμενο αναγνώστη τουλάχιστον με τα κύρια αποτελέσματά τους. Επιπλέον, κατά τη γνώμη μας, είναι αυτή η μέθοδος που φαίνεται να είναι η πιο αποτελεσματική και πολλά υποσχόμενη μεταξύ των γνωστών σήμερα.
Είναι σαφές ότι η σωστή επιλογή μιας ή άλλης μεθόδου εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας για την επίλυση ορισμένων τεχνολογικών προβλημάτων μπορεί να γίνει μόνο με βάση τη σωστή αξιολόγηση των ιδιοτήτων και των παραμέτρων τους. Αυτή η αξιολόγηση, που συχνά γίνεται αντιληπτή ως η αποτελεσματικότητα της εντατικοποίησης, θα πρέπει να βασίζεται στη συσχέτιση του αποτελέσματος της εντατικοποίησης και του κόστους εφαρμογής της και να έχει συγκριτικό χαρακτήρα. Μπορεί να ληφθεί συγκρίνοντας τα δεδομένα για τον αξιολογημένο εναλλάκτη θερμότητας (ή το κανάλι του) με ήδη γνωστά δεδομένα, τα οποία χρησιμοποιούνται συχνότερα και πιο βολικά για εναλλάκτες θερμότητας λείου σωλήνα (κανάλια).
Ωστόσο, πρέπει να αναγνωριστεί ότι σήμερα δεν υπάρχει μόνο μια γενικά αναγνωρισμένη μέθοδος για την αξιολόγηση της απόδοσης της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας, δεν υπάρχει καν ένας γενικά αναγνωρισμένος ορισμός της. Αυτό το πρόβλημα συχνά δεν δίνεται καθόλου προσοχή, περιορίζοντας την αξιολόγηση της εντατικοποίησης μόνο φέρνοντας τις εξαρτήσεις της φόρμας:
, (1γ)
Αναμφίβολα, οι εξαρτήσεις (1) περιέχουν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την εκτίμηση της μιας ή της άλλης μεθόδου εντατικοποίησης, ωστόσο, για εκτιμήσεις που είναι επαρκώς κατανοητές και σημαντικές από πρακτική άποψη, μόνο αυτές οι εξαρτήσεις πιθανώς δεν αρκούν.
Σε ορισμένα έργα, οι συγγραφείς προτείνουν την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της εντατικοποίησης χρησιμοποιώντας το ενεργειακό κριτήριο Kirpichev E=Q/N, ή κάποια τροποποίηση E¢ = μι/ΡΕ t, υποθέτοντας ότι όταν συγκρίνουμε δύο εναλλάκτες θερμότητας, αυτός στον οποίο η εναλλαγή θερμότητας εντείνεται με πιο αποτελεσματικό τρόπο θα πρέπει να έχει μεγαλύτερη τιμή του αντίστοιχου κριτηρίου. Σε αυτήν την περίπτωση, η ίδια η σύγκριση θα πρέπει να πραγματοποιείται με τους ίδιους αριθμούς Re και τον αριθμό των σωλήνων στους εναλλάκτες θερμότητας, καθώς και τα μήκη τους. μεγάλοκαι διαμέτρους ρε. Δηλαδή, είναι απαραίτητο να συγκρίνουμε δομικά πανομοιότυπους εναλλάκτες θερμότητας υπό τις ίδιες συνθήκες, που διαφέρουν μόνο σε ενισχυτές στα κανάλια σωλήνων. Οι καθολικές παράμετροι των εναλλάκτη θερμότητας, όπως η επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας φά, θερμική ισχύς Q, η ισχύς που δαπανάται για την άντληση του ψυκτικού, Νπρέπει να ληφθούν κατά τον σχεδιασμό και να αξιολογηθούν στη συνέχεια.
Αυτό το θέμα εξετάζεται λεπτομερέστερα, και συμπεραίνεται επίσης ότι ο συν E¢δεν πρέπει να «...ταξινομηθεί ως απλό και φυσικά σαφές, θεμελιώδες κριτήριο για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της εντατικοποίησης». Όταν συγκρίνουμε εναλλάκτες θερμότητας, δεν είναι πολύ κατατοπιστικό, και επομένως ελάχιστα χρήσιμο, κατά τη γνώμη μας.
Προκύπτουν επίσης κριτήρια για την αξιολόγηση της απόδοσης της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας, για σύγκριση φάκαι φάΤο κριτήριο ch έχει τη μορφή:
, (2α)
Ωστόσο, εδώ πρέπει να σημειωθεί μια ανακρίβεια, η οποία είναι ότι αν φά, Nu/Nu ch, z/z ch ορίζονται στο (2a) στον αριθμό Re του ενισχυμένου καναλιού, στη συνέχεια φά ch, πρέπει να καθοριστεί στον αριθμό Reynolds του καναλιού λείου σωλήνα Re ch, ο οποίος στο Nu/Nu ch< z/z гл, не совпадает с Re и явным образом из (2а) не следует. Поэтому, использование для оценок выражения (2а) без учета зависимости
δεν είναι σωστό και μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα, και όσο μεγαλύτερο είναι το Re ch, καθώς και η διαφορά μεταξύ Nu/Nu ch και z/z ch. Λάβετε την ίδια εξάρτηση (2β) ή την ίδια εξάρτηση
, (2γ)
είναι δυνατή μόνο ως αποτέλεσμα της επίλυσης του αντίστοιχου συστήματος εξισώσεων.
Μοιράζοντας γενικά την προσέγγιση για την αξιολόγηση της απόδοσης της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας ως σύγκριση των κύριων παραμέτρων των εναλλάκτη θερμότητας, θα θέλαμε να εισάγουμε ορισμένες διευκρινίσεις και προσθήκες σε αυτήν. Πράγματι, δεδομένου ότι ο στόχος της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας είναι η αύξησή της, η οποία τελικά οδηγεί σε μείωση της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας, τότε είναι απαραίτητο να αξιολογηθεί ακριβώς με αυτό το αποτέλεσμα, δηλαδή με τη μείωση της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας. Ωστόσο, δεδομένου ότι, κατά κανόνα, οι συντελεστές αντίστασης αυξάνονται με την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας, η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της εντατικοποίησης πρέπει να πραγματοποιείται με το κόστος άντλησης ίσο μεταξύ τους ή σε κάποια άλλη, αλλά αρκετά συγκεκριμένη αναλογία. Και, τέλος, για να ληφθούν εκτιμήσεις της απόδοσης της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας, δεν χρειάζεται να γίνουν συγκρίσεις για καμία από τις παραμέτρους των υποθετικών εναλλάκτη θερμότητας, που απαιτούν την ισότητα όλων των άλλων. Για τους σκοπούς αυτούς, αρκεί να συγκρίνουμε τα συγκεκριμένα, δηλαδή, που σχετίζονται με τη μοναδιαία μάζα του ψυκτικού, χαρακτηριστικά.
Με άλλα λόγια, σύγκριση ειδικών επιφανειών μεταφοράς θερμότητας με ίσο ειδικό κόστος για άντληση φορέων θερμότητας, συνολικά, για το ίδιο πρόβλημα μεταφοράς θερμότητας, που σημαίνει την ισότητα των θερμοκρασιών εισόδου και εξόδου για τους ίδιους φορείς θερμότητας, το κόστος των οποίων είναι επίσης σε η ίδια αναλογία, καθιστά δυνατή τη σύγκριση εναλλάκτη θερμότητας ακόμη και διαφορετικών τύπων (για παράδειγμα, εναλλάκτες θερμότητας κελύφους και σωλήνα και πλάκας), συμπεριλαμβανομένης της αξιολόγησης της μεθόδου εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας.
Αναπτύξαμε επίσης μια νέα τεχνική, βλ., για παράδειγμα, για την επεξεργασία πειραματικών δεδομένων, η οποία χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια σε όλα τα έργα μας. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι όταν δύο από τις τέσσερις ανεξάρτητες μεταβλητές μεταφοράς θερμότητας είναι σταθερές, για παράδειγμα, t tr,in και t mt,in και δύο άλλες μεταβλητές, για παράδειγμα, σολτρία σολ mt, από τα πειραματικά δεδομένα είναι δυνατό να βρεθούν τα διαμήκη προφίλ του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας κ, οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας a tr και a mt, καθώς και όλες οι άλλες παράμετροι μεταφοράς θερμότητας, προσεγγίζοντάς τους με κάποια κατάλληλη συνάρτηση, για παράδειγμα, ένα πολυώνυμο δεύτερου βαθμού. Οι μέσες τιμές σε αυτήν την περίπτωση μπορούν να ληφθούν με τον μέσο όρο αυτών των ίδιων προφίλ. Η πρακτική της εφαρμογής αυτής της τεχνικής έχει δείξει ότι οι τιμές που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο είναι πιο ακριβείς από αυτές που λαμβάνονται απευθείας από τις σχέσεις του μοντέλου κριτηρίου.
ΕΝΑΛΛΑΚΤΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΓΙΑ ΔΟΚΙΜΗ
Έχοντας προτείνει μια μέθοδο βαθύ προφίλ για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας σε σωληνοειδείς εναλλάκτες θερμότητας, αποφασίσαμε να δείξουμε τις δυνατότητές της χρησιμοποιώντας έναν εργαστηριακό εναλλάκτη θερμότητας ως παράδειγμα, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα που προέκυψαν με δεδομένα για έναν εναλλάκτη θερμότητας TTAI. Τα αποτελέσματα περιγράφονται λεπτομερέστερα στο ; εδώ τα παρουσιάζουμε συνοπτικά.
Για δοκιμές, κατασκευάστηκε ένας εναλλάκτης θερμότητας μήκους L = 0,616 m, η εσωτερική διάμετρος του περιβλήματος D mt του οποίου άλλαξε λόγω ειδικών ενθέτων και ανήλθε σε 0,03, 0,032, 0,034 και 0,037 m. Σε πειράματα με λείους σωλήνες, χρησιμοποιήθηκε επίσης ένας εναλλάκτης θερμότητας με D mt = 0,04 m. Επτά χάλκινοι σωλήνες στερεώθηκαν σε φύλλα εξαγωνικού σωλήνα, του οποίου το βήμα S ήταν ανάλογο του Dmt, έτσι ώστε S = Dmt /3, η δέσμη σωλήνων να βρισκόταν στο κέντρο του ο δακτυλιοειδής χώρος και, επομένως, η απόσταση μεταξύ του περιβλήματος και του εξωτερικού σωλήνα της δέσμης για όλους τους εξωτερικούς σωλήνες της ήταν η ίδια. Κατά την κατασκευή σωλήνων με προφίλ από λείους χαλκοσωλήνες με εξωτερική διάμετρο D n = 0,01 m και εσωτερική διάμετρο D = 0,008 m, παρουσιάστηκε κάποια παραμόρφωση, με αποτέλεσμα οι διαστάσεις τους να μεταβληθούν και να γίνουν ίσες με D n = 0,0094 m και D = 0,0075 m.
Ο εναλλάκτης θερμότητας TTAI-2-25/1450, που κατασκευάστηκε από τον κατασκευαστή Teploobmen LLC με αύξοντα αριθμό 1970, παρασχέθηκε ευγενικά για συγκριτικές δοκιμές από τον Γενικό Διευθυντή της NPO Termek Alexander Lavrentievich Naumov, για τον οποίο οι συγγραφείς είναι βαθιά ευγνώμονες.
Σύμφωνα με τα δεδομένα διαβατηρίου, το θερμαινόμενο κανάλι του εναλλάκτη θερμότητας είναι ένας σωλήνας, θερμαινόμενο και θερμαντικό μέσο - γλυκό νερό με αρχικές θερμοκρασίες 5 ° C και 105 ° C, ρυθμοί ροής - 1,56 και 3,44 t / h, αντίστοιχα, και το Η θερμοκρασία εξόδου του θερμαινόμενου μέσου είναι 60 ° C, θέρμανση - 80 °C. Η πτώση πίεσης στο χώρο του σωλήνα δεν υπερβαίνει το 0,3 και στον δακτυλιοειδές χώρο είναι 0,25 kgf/cm2. Η δέσμη σωλήνα, τοποθετημένη κάτω από το περίβλημα Dmt = 0,0264, περιέχει 6 σωλήνες με μήκος του πλυμένου τμήματος τους 1,39 m, διάμετρο 0,008 m και τοιχώματα πάχους 0,2 mm, κατασκευασμένα από χάλυβα Kh17N13M2T (υπολογιζόμενη τιμή του συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας l = 15 W/m K).
Δομικά, ο εναλλάκτης θερμότητας κατασκευάζεται με δύο εισόδους στον δακτυλιοειδές χώρο, σε απόσταση μεταξύ τους στα άκρα του, και μια έξοδο από αυτόν στη μέση, έτσι ώστε μόνο το ήμισυ της συνολικής ροής να ρέει μέσω κάθε διατομής του δακτυλίου. Ένα τέτοιο σχήμα ροής, λόγω της διπλάσιας αύξησης του ρυθμού ροής του φορέα θερμότητας του καναλιού θέρμανσης, επιτρέπει, διατηρώντας το ενεργειακό κόστος για την άντληση του φορέα θερμότητας, να αυξάνει ελαφρά τη διαφορά θερμοκρασίας της ανταλλαγής θερμότητας και, επομένως, , η θερμική ισχύς της συσκευής σε σύγκριση με την παραλλαγή με μία μόνο είσοδο.
Πραγματοποιήσαμε αρκετά πειράματα με τον εναλλάκτη θερμότητας TTAI, στα οποία, υποθέτοντας ότι ο κύριος στόχος είναι να αξιολογήσουμε τους συντελεστές μεταφοράς θερμότητάς του, αφήσαμε μόνο μία από τις εισόδους στον δακτυλιοειδές χώρο, χρησιμοποιώντας την άλλη ως έξοδο από αυτόν, ενώ κλείναμε η έξοδος στη μέση. Έτσι, λήφθηκε ένας εναλλάκτης θερμότητας καθαρά αντίθετου ρεύματος με τους ίδιους συντελεστές μεταφοράς θερμότητας και το κόστος ενέργειας για την άντληση φορέων θερμότητας όπως και για τον αρχικό εναλλάκτη θερμότητας, συγκεκριμένα: K = 8,08 kW/(m 2 K), Gmt = 0,5 × 3,44 t/h και DP mt = 0,5 kgf/cm2. Δείτε λεπτομέρειες στο .
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ Η ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΤΗΣ
Πειράματα με εργαστηριακό εναλλάκτη θερμότητας πραγματοποιήθηκαν στην παραλλαγή με θερμαινόμενο κανάλι σωλήνα, παρόμοια με τις συνθήκες λειτουργίας του εναλλάκτη θερμότητας TTAI. Η μεθοδολογία για τη διεξαγωγή πειραμάτων και την επεξεργασία των αποτελεσμάτων που λαμβάνονται περιγράφεται εν συντομία παραπάνω, για λεπτομέρειες βλ. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν φαίνονται στον πίνακα 1 και στο σχ. ένας.
Πίνακας 1. Εναλλάκτες θερμότητας με σωλήνες HP. ένας)
| Αρ. p / p | Επιλογές | ρε mt = 0,03 | ρε mt = 0,032 | ρε mt = 0,034 | ρε mt = 0,037 | ||||
| Δεδομένα πειράματος | Επανυπολογισμός για συνθήκες SR | Δεδομένα πειράματος | Επανυπολογισμός για συνθήκες SR | Δεδομένα πειράματος | Επανυπολογισμός για συνθήκες SR | Δεδομένα πειράματος | Επανυπολογισμός για συνθήκες SR | ||
| 1 | σολ | ||||||||
| 2 | tσε | ||||||||
| 3 | tΝυμφεύω | ||||||||
| 4 | tέξοδος | ||||||||
| 5 | ρε t | 24.64 | 27.19 | 35.38 | 27.79 | 36.29 | 28.62 | 43.68 | 29.53 |
| 6 | κ | 7.09 | 6.96 | 6.15 | 6.57 | 5.70 | 6.08 | 5.44 | 5.56 |
| 7 | ένα | ||||||||
| 8 | Εγώένα | ||||||||
| 9 | v | ||||||||
| 10 | 10 -3 Re | ||||||||
Σημειώσεις:
1) - στον αριθμητή των δεδομένων που δίνονται με τη μορφή κλάσματος, οι τιμές υποδεικνύονται για το κανάλι σωλήνα, στον παρονομαστή - για τον δακτύλιο.
Ρύζι. Εικ. 1. Εξαρτήσεις των συντελεστών μεταφοράς θερμότητας από την ισοδύναμη διάμετρο: (α, β) – συντελεστές ενίσχυσης μεταφοράς θερμότητας. (γ) είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας. Εναλλάκτες θερμότητας 1 - 7 σωλήνων. Εναλλάκτης θερμότητας 2 - 6 σωλήνων. 3 – καμπύλη κατά προσέγγιση. 4 - μέση τιμή.
Ας τους ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά. Τυπικά, η σύγκριση διαφορετικών εναλλάκτη θερμότητας πραγματοποιείται υπό τις ίδιες συνθήκες, οι οποίες θα μπορούσαν να ονομαστούν συνθήκες "standard mode" (SR). Ας πάρουμε τις ακόλουθες τιμές για τη λειτουργία SR στην περίπτωσή μας: οι θερμοκρασίες εισόδου των φορέων θερμότητας είναι ίσες με t tr, σε = 15°С και t mt, σε = 60°С, η ταχύτητα ροής στον σωλήνα κανάλι v tr = 1 m/s, και την αναλογία G mt / G tr, θα αφήσουμε το αντίστοιχο TTAI μιας εισόδου (βλ. παραπάνω), δηλ. G mt / G tr = 0,5´3,44/1,56. Τα ληφθέντα πειραματικά δεδομένα υπολογίστηκαν εκ νέου σε τυπικές συνθήκες με την υπόθεση ότι η εξάρτηση των τοπικών συντελεστών ενίσχυσης μεταφοράς θερμότητας ia = ia(L) μπορεί να αγνοηθεί και σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι μέσες τιμές τους ia, οι οποίες μπορούν να που βρέθηκαν με τον μέσο όρο των αντίστοιχων διαμήκων κατανομών (βλ. για παράδειγμα, ).
Στο σχ. Το σχήμα 1 δείχνει τα δεδομένα για ia tr (Εικ. 1a), ia mt (Εικ. 1b) και K (Εικ. 1c) ανάλογα με την ισοδύναμη διάμετρο de mt. Πειραματικά δεδομένα (Εικ. 1a-1c, καμπύλες 1), για το K (Εικ. 1c) αυτά είναι τα δεδομένα που λαμβάνονται κατά τον επανυπολογισμό για τις συνθήκες SR, βλέπε Πίνακα. 1 προσεγγίζονται με πολυώνυμα 2ου βαθμού f(x) = ax 2 + bx + c, (Εικ. 1a-1c, καμπύλες 3), οι συντελεστές των οποίων βρίσκονται από τα αντίστοιχα δεδομένα. Σε αυτήν την περίπτωση, τα σχετικά σφάλματα προσέγγισης ρίζας-μέσος τετραγώνου για τα ia tr, ia mt και K ήταν 1,6%, 1,8% και 0,3%, αντίστοιχα.
Για τα ia tr και ia mt, εμφανίζονται επίσης οι μέσες τιμές (Εικ. 1a-1b, καμπύλες 4). Οι σχετικές τυπικές αποκλίσεις από τις μέσες τιμές ήταν 3,4% και 21,2%, αντίστοιχα.
Έτσι, από τα δεδομένα που δίνονται προκύπτει ότι η μέση τιμή ia tr = 3,84 και η εξάρτηση που βρέθηκε ia mt = ia mt (de mt) περιγράφουν με αποδεκτό τρόπο τις παραμέτρους ανταλλαγής θερμότητας των διαμορφωμένων εναλλάκτη θερμότητας μας.
Πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα για τον προσδιορισμό των συντελεστών υδροδυναμικής αντίστασης. Η συνολική πτώση πίεσης στο κανάλι του εναλλάκτη θερμότητας αναπαρίσταται συνήθως ως το άθροισμα της πτώσης πίεσης λόγω της αντίστασης τριβής κατά τη ροή των μέσων εργασίας στο κανάλι και της πτώσης λόγω της αντίστασης εισόδου/εξόδου του καναλιού. Για να βρεθούν οι πτώσεις πίεσης στις αντιστάσεις εισόδου/εξόδου και από εδώ για να προσδιοριστούν οι τοπικοί συντελεστές αντίστασης z tr, loc και z mt, loc, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τον προσδιορισμό της απώλειας πίεσης σε εναλλάκτες θερμότητας με λείους σωλήνες με D h = 0,01 m και D = 0,008 m. Ωστόσο, σε αυτή την περίπτωση, για ευνόητους λόγους, ο εναλλάκτης με Dmt = 0,03 m αντικαταστάθηκε από έναν εναλλάκτη με Dmt = 0,04 m.
Μια σειρά πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικούς ρυθμούς ροής (ταχύτητα) των μέσων εργασίας κατέστησαν δυνατό να διαπιστωθεί ότι για τους εναλλάκτες θερμότητας ο συντελεστής τοπικής αντίστασης εισόδου/εξόδου για το κανάλι του σωλήνα μπορεί να προσδιοριστεί ως z tr,loc = 131Re – 0,25 και για το δακτυλιοειδές κανάλι - z mt, loc = z mt,loc (de mt)Re –0,25 . Οι τιμές z mt, lok (de mt) για τέσσερις πειραματικούς εναλλάκτες θερμότητας, φαίνονται στο σχ. 2α, καμπύλη 1, προσεγγίζονται επίσης με ένα πολυώνυμο 2ου βαθμού (Εικ. 2α, καμπύλη 3). Σε αυτή την περίπτωση, το σχετικό σφάλμα προσέγγισης rms ήταν 2,2%.
Ρύζι. Εικ. 2. Εξαρτήσεις των συντελεστών υδροδυναμικής αντίστασης από την ισοδύναμη διάμετρο: (α) εναλλάκτες θερμότητας με λείους σωλήνες. (β) - εναλλάκτες θερμότητας με σωλήνες με προφίλ. Εναλλάκτες θερμότητας 1 - 7 σωλήνων. Εναλλάκτης θερμότητας 2 - 6 σωλήνων. 3 – καμπύλη κατά προσέγγιση.
Υποθέτοντας ίσους τοπικούς συντελεστές αντίστασης εισόδου/εξόδου για εναλλάκτες θερμότητας με λείους και προφίλ σωλήνες, οι συντελεστές αντίστασης τριβής σε κανάλια με προφίλ, που ορίζονται ως ) mt × z ch,mt, μπορούν να βρεθούν από τα αποτελέσματα παρόμοιων πειραμάτων για εναλλάκτες θερμότητας με σχήμα σωλήνες. Έτσι, (z/z ch) mt = 14,9 και η πειραματική εξάρτηση για (z/z ch) mt = (z/z ch) mt (de mt), που φαίνεται στο Σχ. 3, βρέθηκε. 2b, καμπύλη 1. Μια προσέγγιση της τελευταίας φαίνεται επίσης στα Σχ. 2b, καμπύλη 3, το σχετικό σφάλμα προσέγγισης rms σε αυτήν την περίπτωση ήταν 0,5%.
Εκτός από τα πειράματα που περιγράφηκαν παραπάνω με εναλλάκτες θερμότητας 7 σωλήνων, πραγματοποιήθηκαν επίσης πειράματα με έναν εναλλάκτη θερμότητας 6 σωλήνων που ελήφθη με την αφαίρεση του κεντρικού σωλήνα από έναν εναλλάκτη θερμότητας 7 σωλήνων με Dmt = 0,032 m, και έτσι η διαμόρφωση του η δέσμη σωλήνων του εναλλάκτη θερμότητας μας ήταν παρόμοια με τη διαμόρφωση της δέσμης σωλήνων του εναλλάκτη θερμότητας TTAI.
Τα αποτελέσματα των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν με αυτόν τον εναλλάκτη θερμότητας φαίνονται στο σχ. 1-2, καμπύλες 2, με τη μορφή πειραματικών σημείων που απεικονίζονται πάνω τους. Σημειώστε ότι υπάρχει μια αρκετά καλή συμφωνία μεταξύ των αποτελεσμάτων τόσο ως προς τους συντελεστές μεταφοράς θερμότητας όσο και ως προς τους συντελεστές αντίστασης, βλ. 1-2. Έτσι, οι σχετικές αποκλίσεις στην απόλυτη τιμή είναι 0,3% για το ia tr (αποκλίσεις από τη μέση τιμή, Σχ. 1α, καμπύλη 4), 5,2% για το ia mt (αποκλίσεις από την προσεγγιστική καμπύλη, Σχ. 1β, καμπύλη 3), 4,6% για K (Εικ. 1c, καμπύλη 3), 0,5% για z mt,lok (Εικ. 2a, καμπύλη 3) και 5,1% για (z/z ch)tr (Εικ. 2b, καμπύλη 3).
Έτσι, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που βρέθηκαν στο πείραμα, είναι δυνατό να κατασκευαστεί μια συγκεκριμένη μέθοδος για τον υπολογισμό των εναλλάκτη θερμότητας με μια κλειστή δέσμη σωλήνων HP (τουλάχιστον 6 και 7 σωλήνες) και να συγκριθούν με έναν εναλλάκτη θερμότητας TTAI. Σε αυτούς τους υπολογισμούς, οι θερμοκρασίες εισόδου των φορέων θερμότητας και η αναλογία των ρυθμών ροής τους αντιστοιχούσαν στα δεδομένα διαβατηρίου για το TTAI και τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα των υπολογισμών του εναλλάκτη θερμότητας TTAI για την έκδοση μίας εισόδου.
Στον πίνακα. Το Σχήμα 2 δείχνει τα αποτελέσματα των υπολογισμών που ελήφθησαν για σωλήνες HP παρόμοιους με σωλήνες TTAI (υλικό, διάμετρος, τοίχωμα). Στην επιλογή 1 (Πίνακας 2), η αντικατάσταση των σωλήνων TTAI με σωλήνες HP οδηγεί σε αύξηση της ειδικής κατανάλωσης ενέργειας για άντληση φορέων θερμότητας w/w TTAI = 1,51 και αύξηση του συντελεστή απόδοσης k/k TTAI = 1,34. (με την έννοια του , εν προκειμένω κ/κ ΤΤΑΙ = Κ/Κ ΤΤΑΙ). Στην επιλογή 2, η μείωση του ρυθμού ροής σε G/G TTAI = 0,812 εξισορροπεί το συγκεκριμένο κόστος άντλησης, ενώ ο συντελεστής απόδοσης k/k TTAI = 1,16 παραμένει σχετικά υψηλός.
Πίνακας 2. Σύγκριση εναλλάκτη θερμότητας TTAI και σωλήνων HP.
| Αρ. p / p | Επιλογές | TTAI 1) | Εναλλάκτες θερμότητας με σωλήνες HP | |||
| Επιλογή 1 2) | Επιλογή 2 3) | Επιλογή 3 | Επιλογή 4 | |||
| 1 | n | 6 | 6 | 6 | 6 | 7 |
| 2 | 10 3 ρε mt | 26.4 | 26.4 | 26.4 | 25.4 | 27.2 |
| 3 | σολ 4) | |||||
| 4 | σολ tr / σολ tr,ttai | 1 | 1 | 0.812 | 0.788 | 0.911 |
| 5 | w/w TTAI | 1 | 1.51 | 1 | 1 | 1 |
| 6 | μεγάλο 5) | |||||
| 7 | μεγάλο/ρε | 183 | 136 | 128 | 123 | 121 |
| 8 | φά 5) | |||||
| 9 | F/V 5) | |||||
| 10 | φά/σολ tr 5) | |||||
| 11 | κ 5) | |||||
| 12 | iK | 1.51 | 1.61 | 1.63 | 1.52 | 1.52 |
| 13 | Q/φά | 429 | 577 | 497 | 502 | 506 |
| 14 | v 4) | |||||
| 15 | 10 -3 Re 4) | |||||
| 16 | α4) | |||||
| 17 | Εγώα4) | |||||
| 18 | κ/κ TTAI | 1 | 1.34 | 1.16 | 1.17 | 1.18 |
Σημειώσεις:
1) - αξιολόγηση σύμφωνα με το μοντέλο κριτηρίου με διόρθωση.
2) - αντικατάσταση σωλήνων TTAI με σωλήνες GP.
3) - το ίδιο για την περίπτωση της ισότητας του μοναδιαίου κόστους για την άντληση ψυκτικών με το κόστος για το ΤΤΑΙ.
4) - στον αριθμητή του κλάσματος, υποδεικνύεται η τιμή για το κανάλι σωλήνα, στον παρονομαστή - για τον δακτύλιο.
5) - στον αριθμητή του κλάσματος αναγράφεται η τιμή της ποσότητας, στον παρονομαστή - η σχέση της με την τιμή για το TTAI.
Στην επιλογή 3 (Πίνακας 2) φαίνεται ότι το Dmt = 0,0254 m μπορεί ακόμη και να μειωθεί ελαφρώς, και στην επιλογή 4 - ότι μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί δέσμη 7 σωλήνων, ενώ το k/k TTAI = 1,17-1,18 έστω και ελαφρώς αυξάνεται. Η επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας ανά μονάδα όγκου (F/V)/(F/V) TTAI = 1,08-1,10 αυξάνεται ελαφρά και η ειδική επιφάνεια μειώνεται (F/G)/(F/G) TTAI = 0,854-0,847. Ταυτόχρονα, σε όλες τις εξεταζόμενες παραλλαγές, το μήκος του εναλλάκτη θερμότητας δεν υπερβαίνει το L/L TTAI = 0,75 (βλ. Πίνακα 2).
Ομοίως, θα πραγματοποιήσουμε επίσης υπολογισμούς για εναλλάκτες θερμότητας με μια δέσμη 7 σωλήνων κλειστών σωλήνων HP με διαστάσεις 10/0,8, 12/1 και 16/1 από χαλκό, ορείχαλκο και χάλυβα. Οι συνθήκες που αναφέρθηκαν παραπάνω για τις θερμοκρασίες εισόδου των ψυκτικών και την αναλογία κόστους Gtr /Gmt = (Gtr /Gmt) TTAI, θα συμπληρώσουμε την απαίτηση ισότητας του ειδικού ενεργειακού κόστους για την άντληση ψυκτικών με TTAI = 1.
Οι παράμετροι των εναλλάκτη θερμότητας που βρίσκονται κάτω από αυτές τις συνθήκες είναι βέλτιστες για καθέναν από τους εξεταζόμενους σωλήνες, τα αποτελέσματα υπολογισμού παρουσιάζονται στον Πίνακα. 3.
Πίνακας 3. Παράμετροι εναλλάκτη θερμότητας με σωλήνες HP. ένας)
| Αρ. p / p | Σωλήνας 10/0,8 | Σωλήνας 12/1 | Σωλήνας 16/1 | |||||||
| 1 | Υλικό τοίχου 2) | χαλκός | ορείχαλκος | ατσάλι | χαλκός | ορείχαλκος | ατσάλι | χαλκός | ορείχαλκος | Ατσάλι |
| 2 | 10 3 ρε mt | 32.8 | 33 | 39 | 39.4 | 51.5 | 52.2 | |||
| 3 | σολ 3) | |||||||||
| 4 | σολ tr / σολ tr,ttai | 1.20 | 1.17 | 1.03 | 1.64 | 1.60 | 1.38 | 2.71 | 2.66 | 2.36 |
| 5 | μεγάλο 4) | |||||||||
| 6 | μεγάλο/ρε | 104 | 109 | 152 | 98.4 | 105 | 157 | 88.5 | 94.3 | 142 |
| 7 | φά 4) | |||||||||
| 8 | φά/V 4) | |||||||||
| 9 | Φ/Γ tr 4) | |||||||||
| 10 | κ 4) | |||||||||
| 11 | iK | 1.65 | 1.60 | 1.37 | 1.82 | 1.73 | 1.40 | 2.17 | 2.01 | 1.51 |
| 12 | Q/φά | 577 | 537 | 337 | 582 | 532 | 308 | 574 | 527 | 310 |
| 13 | v 3) | |||||||||
| 14 | 10 -3 Re 3) | |||||||||
| 15 | α 3) | |||||||||
| 16 | Εγώα 3) | |||||||||
| 17 | κ/κ TTAI | 1.31 | 1.22 | 0.77 | 1.32 | 1.21 | 0.70 | 1.31 | 1.20 | 0.71 |
Σημειώσεις:
1) - αποδεκτό εδώ σολ mt / σολ tr = ( σολ mt / σολ tr) ΤΤΑΙ, w = w TTAI;
2) - οι τιμές του l για χαλκό, ορείχαλκο και χάλυβα λαμβάνονται ίσες με 390, 110 και 15, αντίστοιχα.
3) - στον αριθμητή του κλάσματος, υποδεικνύεται η τιμή για το κανάλι σωλήνα, στον παρονομαστή - για τον δακτύλιο.
4) - στον αριθμητή του κλάσματος αναγράφεται η τιμή της ποσότητας, στον παρονομαστή - η σχέση της με την τιμή για το TTAI.
Για όλα τα υπολογιζόμενα μεγέθη ορειχάλκινων και χάλκινων σωλήνων, η απόδοση μεταφοράς θερμότητας είναι υψηλότερη από αυτή ενός εναλλάκτη θερμότητας TTAI - k/k TTAI = K/K TTAI = 1,2-1,3 και παραμένει περίπου η ίδια, λόγω αύξησης της θερμότητας μεταφορά στον δακτυλιοειδή χώρο a mt, κυρίως λόγω με αύξηση της εντατικότητάς του ia mt (Πίνακας 3). Ως αποτέλεσμα, η ειδική επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας F/G tr και το αδιάστατο μήκος των εναλλάκτη θερμότητας L/D μειώνονται, ωστόσο, λόγω των μεγάλων διαμέτρων των σωλήνων, η επιφάνεια F/V μειώνεται (Πίνακας 3). Μπορεί επίσης να σημειωθεί ότι από αυτά που δίνονται στον Πίνακα. Από τον Πίνακα 3 προκύπτει ότι καθώς αυξάνεται η διάμετρος του σωλήνα, ο λόγος των συντελεστών μεταφοράς θερμότητας a mt/a tr αυξάνεται, πλησιάζοντας τη μονάδα.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ
Έτσι, από τα πειραματικά και υπολογισμένα δεδομένα που παρουσιάζονται σε αυτή την εργασία προκύπτει ότι η χρήση σωλήνων με βαθύ προφίλ σε μια κλειστή δέσμη χωρίς διαφράγματα στον δακτυλιοειδές χώρο μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία πολύ αποδοτικών εναλλάκτη θερμότητας. Επιπλέον, η διάμετρος του σωλήνα ανταλλαγής θερμότητας έχει μικρή επίδραση στις θερμικές παραμέτρους, η αύξησή της μειώνει μόνο το περιεχόμενο της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας ανά μονάδα όγκου του εναλλάκτη θερμότητας.
Η αναζήτηση βέλτιστων παραμέτρων για βαθύ προφίλ σωλήνων ανταλλαγής θερμότητας σωληνοειδών εναλλάκτη θερμότητας, κατά τη γνώμη μας, είναι ένα σημαντικό έργο και πρέπει επίσης να συνεχιστεί.
ΣΗΜΕΙΟΓΡΑΦΙΑ
ρε- εσωτερική διάμετρος, χαρακτηριστικό μέγεθος, m;
de- ισοδύναμη διάμετρος, m;
φά- επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας, m 2;
σολ- ρυθμός ροής ψυκτικού, kg/s.
Εγώένα- Εγώ a = a/a ch = Nu/Nu ch, παράμετρος ενίσχυσης μεταφοράς θερμότητας.
Προς την- συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, kW / (m 2 K);
κ– συντελεστής απόδοσης·
μεγάλο- μήκος ανταλλαγής θερμότητας, m;
Ν- Απώλεια ισχύος για άντληση ψυκτικού, W;
Q- ροή θερμότητας, W;
μικρό- απόσταση μεταξύ των αξόνων των σωλήνων, m.
μικρό- περιοχή ροής, m 2;
t- θερμοκρασία, °С;
t d- βήμα προφίλ, m;
V- ο όγκος του εναλλάκτη θερμότητας, m 3;
v- ταχύτητα, m/s;
w - w = (Ν tr + Ν mt)/ σολ tr, συνολικό ειδικό κόστος άντλησης, J/kg;
a είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, kW / (m 2 K).
ρε Π– πτώση πίεσης, Pa;
r - πυκνότητα, kg / m 3;
l είναι ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, W/(m K);
z είναι ο συντελεστής υδροδυναμικής αντίστασης.
Nu - Κριτήριο Nusselt;
Κριτήριο Re - Reynolds.
μέσα – στην είσοδο του καναλιού.
έξω - στην έξοδο από το κανάλι.
km – μοντέλο κριτηρίου.
loc - τοπική τιμή.
mt - κανάλι interpipe?
n - εξωτερικό (διάμετρος);
cp – μέση τιμή.
tr - κανάλι σωλήνα.
Βιβλιογραφία
1. Dzyubenko B.V., Kuzma-Kichta Yu.A., Leontiev A.I. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας και μάζας σε μακρο-, μικρο- και νανοκλίμακες. Μ.: FSUE "TsNIATOMINFORM", 2008.
2 Kalinin E.K., Dreitser G.A., Kopp I.Z., Myakochin A.S. Αποτελεσματικές επιφάνειες ανταλλαγής θερμότητας. Μόσχα: Energoatomizdat, 1998.
3. Berlin Al.Al., Minsker K.S., Dyumaev K.M. Νέες ενοποιημένες τεχνολογίες υψηλής απόδοσης εξοικονόμησης πόρων και αυξημένης περιβαλλοντικής καθαριότητας βασισμένες σε σωληνωτούς τυρβώδεις αντιδραστήρες. Μόσχα: OAO NIITEKHIM, 1996.
4. Konoplev A.A., Aleksanyan G.G., Rytov B.L., Berlin Al.Al. Αποτελεσματική μέθοδος εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή. // Θεωρία. βασικά της χημ. τεχνολογία. 2004. V. 38. Αρ. 6. S. 634.
5. A. A. Konoplev, G. G. Aleksanyan, B. L. Rytov, Al. Al. Berlin. Συναγωγική μεταφορά θερμότητας σε κανάλια με βαθιά προφίλ. // Θεωρία. βασικά της χημ. τεχνολογία. 2007. V. 41. Αρ. 5. S. 549.
6. A. A. Konoplev, G. G. Aleksanyan, B. L. Rytov, Al. Al. Berlin Υπολογισμός τοπικών παραμέτρων εντατικής μεταφοράς θερμότητας. // Θεωρία. βασικά της χημ. τεχνολογία. 2007. V. 41. Αρ. 6. S. 692.
7. A. A. Konoplev, G. G. Aleksanyan, B. L. Rytov, Al. Al. Berlin. Σχετικά με την αποτελεσματικότητα της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με βαθύ προφίλ. // Θεωρία. βασικά της χημ. τεχνολογία. 2012. V. 46. Αρ. 1. S. 24.
8. Konoplev A.A., Aleksanyan G.G., Rytov B.L., Berlin Al.Al. On the compactness of tubular heat exchangers. // Θεωρία. βασικά της χημ. τεχνολογία. 2012. V. 46. Αρ. 6. S. 639.
9. A. A. Konoplev, G. G. Aleksanyan, B. L. Rytov, Al. Al. Berlin. Σε αποδοτικούς σωληνωτούς εναλλάκτες θερμότητας. // Θεωρία. βασικά της χημ. τεχνολογία. 2015. V. 49. Αρ. 1. S. 65.
Σελίδα 1
Η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας μέσω μεταφοράς μέσω της αύξησης του ρυθμού ροής του ψυκτικού συνδέεται με τη δαπάνη ενέργειας και την υπέρβαση της αντίστασης καθώς κινείται κατά μήκος της επιφάνειας του βελτιωμένου σώματος. Η γνώση αυτής της αντίστασης καθιστά δυνατή την επιλογή μιας οικονομικά συμφέρουσας ταχύτητας φορέα θερμότητας, στην οποία η απόδοση της εναλλαγής θερμότητας και η κατανάλωση ενέργειας για την υπέρβαση της αντίστασης δημιουργούν τις πιο ευνοϊκές οικονομικά συνθήκες λειτουργίας για τον εναλλάκτη θερμότητας.
Η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή υπό συνθήκες εσωτερικών (διαμήκης ροής) και εξωτερικών εργασιών (εγκάρσια ροή) είναι η κύρια κατεύθυνση για τη βελτίωση των συνολικών χαρακτηριστικών μάζας των εναλλάκτη θερμότητας ανάκτησης. Μέχρι σήμερα, έχουν προταθεί και αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας και έχουν διεξαχθεί μελέτες σε πολυάριθμους κατασκευαστικούς τύπους και σχήματα μεταφερόμενων επιφανειών που εφαρμόζουν τη μία ή την άλλη μέθοδο εντατικοποίησης στη ροή αερίων και υγρών.
Για να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή, είναι επιθυμητό το θερμικό οριακό στρώμα να είναι όσο το δυνατόν λεπτότερο. Με την ανάπτυξη των αναταράξεων της ροής, το οριακό στρώμα γίνεται τόσο λεπτό που η συναγωγή αρχίζει να έχει κυρίαρχη επίδραση στη μεταφορά θερμότητας.
Για να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή, είναι επιθυμητό το θερμικό οριακό στρώμα να είναι όσο το δυνατόν λεπτότερο. Με την ανάπτυξη των αναταράξεων της ροής, η οριακή γη γίνεται τόσο λεπτή που η συναγωγή αρχίζει να έχει κυρίαρχη επίδραση στη μεταφορά θερμότητας.
Για να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή, είναι επιθυμητό το θερμικό οριακό στρώμα να είναι όσο το δυνατόν λεπτότερο. Με την ανάπτυξη του στροβιλισμού ροής, το οριακό στρώμα γίνεται τόσο λεπτό που η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται αποκλειστικά με συναγωγή.
Για να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή, είναι επιθυμητό το θερμικό οριακό στρώμα να είναι όσο το δυνατόν λεπτότερο. Με την ανάπτυξη των αναταράξεων της ροής, το οριακό στρώμα γίνεται τόσο λεπτό που η συναγωγή αρχίζει να έχει κυρίαρχη επίδραση στη μεταφορά θερμότητας.
Ένας παρόμοιος μηχανισμός εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή, όπως φαίνεται από πειράματα που χρησιμοποιούν την οπτική ανομοιογένεια του μέσου, λαμβάνει χώρα και με ελεύθερη συναγωγή. Σε τραχείς σωλήνες, η γωνία διαχωρισμού f των στροβίλων από το πάνω μέρος του σωλήνα είναι μεγαλύτερη, η γωνία P στην οποία ανεβαίνουν προς τα πάνω είναι ευρύτερη και το πάχος b της στήλης θερμού αέρα πάνω από τον σωλήνα είναι μεγαλύτερο. Για το νερό (tfK i & 20 C), η μέγιστη εντατικοποίηση μεταφοράς θερμότητας από την τραχύτητα λαμβάνει επίσης χώρα και εμφανίζεται στο (Gr-Pr) md s 5 10e, που αντιστοιχεί σε διάμετρο 10 mm.
Προκειμένου να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή, είναι επιθυμητοί υψηλοί ρυθμοί ροής αερίου1. Ωστόσο, η αύξηση της ταχύτητας συνοδεύεται από αύξηση της αντίστασης στα αέρια και αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας για την αντιμετώπισή της.
Επί του παρόντος, η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή θεωρείται το πιο πολλά υποσχόμενο και πολύπλοκο πρόβλημα στη θεωρία της μεταφοράς. Παραδοσιακά πιστεύεται επίσης ότι αυτό το πρόβλημα είναι πιο σημαντικό για τα ψυκτικά μέσα, τα οποία χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές των αριθμών Reynolds.
Όπως είναι γνωστό, η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή πραγματοποιείται προς τις κατευθύνσεις επίτευξης του ελάχιστου πάχους και του μέγιστου βαθμού αναταράξεων του οριακού στρώματος. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούνται διακοπτόμενες ή διάτρητες νευρώσεις, νευρώσεις προφίλ, νευρώσεις με στροβιλιστές. Με σχετικά μικρές τιμές της παραμέτρου h / 2 / ol, αυτά τα μέτρα πρέπει να πραγματοποιούνται σε όλο το ύψος της πλευράς. Προφανώς, υπάρχει κάποιο όφελος στην αφαίρεση θερμότητας με ίσες υδραυλικές απώλειες.
Στον τομέα αυτό της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή, οι εργασίες των επιφανών επιστημόνων Γ.Α. Dreitser, E.K. Kalinin, V.K. Αναβοσβήνει, τα υλικά του οποίου χρησιμοποιούνται στην παρούσα παράγραφο.
Ο απώτερος στόχος της εφαρμογής της μεθόδου εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας είναι η κατασκευή μιας συσκευής με τη μικρότερη επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας ή με ελάχιστη διαφορά θερμοκρασίας στη χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος για άντληση υγρού. Δεδομένου ότι η χρήση οποιασδήποτε από τις γνωστές μεθόδους εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας συνοδεύεται, εκτός από την αύξηση της μεταφοράς θερμότητας, από αύξηση της υδραυλικής αντίστασης, η οποία αυξάνει την κατανάλωση ισχύος για την άντληση υγρού, ένας από τους κύριους δείκτες της συσκευής είναι την αποτελεσματικότητα των μετααγωγικών επιφανειών του.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται μέθοδοι για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας κατά τη διάρκεια του βρασμού σε μια περιστρεφόμενη επιφάνεια θέρμανσης.
Συνέπεια της εντατικοποίησης των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας είναι η αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, ο οποίος, με καθαρές επιφάνειες ανταλλαγής θερμότητας, καθορίζεται από τους συντελεστές μεταφοράς θερμότητας από την πλευρά της θέρμανσης και των θερμαινόμενων ψυκτικών. Σε πολλές περιπτώσεις, οι φυσικοχημικές ιδιότητες των φορέων θερμότητας που χρησιμοποιούνται διαφέρουν σημαντικά, η πίεση και η θερμοκρασία τους και οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας δεν είναι οι ίδιοι. Άρα, η τιμή του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας από την πλευρά του νερού α = 2000 ... 7000 W / (m 2 K), από την πλευρά του αερίου ψυκτικού α ≤ 200 W / (m 2 K), για παχύρρευστα υγρά α = 100 ... 600 W / (m 2 K). Είναι προφανές ότι η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας πρέπει να πραγματοποιείται από την πλευρά του ψυκτικού υγρού, το οποίο έχει μικρή τιμή του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Με την ίδια σειρά τιμών των συντελεστών μεταφοράς θερμότητας των φορέων θερμότητας, η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας μπορεί να πραγματοποιηθεί και στις δύο πλευρές της μεταφοράς θερμότητας, αλλά λαμβάνοντας υπόψη τις επιχειρησιακές και τεχνικές δυνατότητες.
Συνήθως, η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας συνδέεται με αύξηση του ενεργειακού κόστους για να ξεπεραστεί η αυξανόμενη υδραυλική αντίσταση. Επομένως, ένας από τους κύριους δείκτες που χαρακτηρίζει τη σκοπιμότητα της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας στους εναλλάκτες θερμότητας είναι η ενεργειακή του απόδοση. Η αύξηση της έντασης της μεταφοράς θερμότητας θα πρέπει να είναι ανάλογη με την αύξηση της υδραυλικής αντίστασης.
Χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες κύριες μέθοδοι εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας:
Σχεδιάζοντας τραχιές επιφάνειες και επιφάνειες πολύπλοκου σχήματος, συμβάλλοντας στον στροβιλισμό της ροής στο στρώμα κοντά στο τοίχωμα.
η χρήση τυρβωδών ενθέτων στα κανάλια.
αύξηση της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας μέσω πτερυγίων.
επιπτώσεις στη ροή του ψυκτικού από ηλεκτρικά, μαγνητικά και υπερηχητικά πεδία.
αναταράξεις του στρώματος πλησίον του τοιχώματος με την οργάνωση διακυμάνσεων στην ταχύτητα της επερχόμενης ροής και της στροβιλισμού της.
μηχανική κρούση στην επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας από την περιστροφή και τη δόνηση της.
η χρήση ενός κοκκώδους ακροφυσίου τόσο σε ακίνητη όσο και σε ψευδοκινητική κατάσταση.
προσθέτοντας στερεά σωματίδια ή φυσαλίδες αερίου στο ψυκτικό υγρό.
Η δυνατότητα και η σκοπιμότητα χρήσης μιας ή άλλης μεθόδου εντατικοποίησης για συγκεκριμένες συνθήκες καθορίζονται από τις τεχνικές δυνατότητες και την αποτελεσματικότητα αυτής της μεθόδου.
Μία από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες μεθόδους εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας (αύξηση της ροής θερμότητας) είναι το πτερύγιο της εξωτερικής επιφάνειας των σωλήνων, υπό την προϋπόθεση ότι ένα ψυκτικό με χαμηλή τιμή του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας κατευθύνεται στον δακτυλιοειδή χώρο.
Τα σχήματα ορισμένων συσκευών που χρησιμοποιούνται για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας σε σωλήνες δίνονται στον Πίνακα. 7.1.
7.1. Σχέδια συσκευών που χρησιμοποιούνται για εντατικοποίηση
μεταφορά θερμότητας
|
νευρώσεις |
νευρώσεις | ||
|
στριμμένα |
Σωλήνας με ελικοειδή ομαλά καθορισμένες προεξοχές |
|
|
|
Συνεχής κοχλιωτός αναδευτήρας |
Στριφτός σωλήνας | ||
|
Τύπος δακτυλιοειδούς καναλιού διαχύτης-μπερδευτής |
Εναλλασσόμενες ομαλά καθορισμένες δακτυλιοειδείς προεξοχές στην εσωτερική επιφάνεια ενός λείου σωλήνα |
Χρησιμοποιούνται στροβιλιστές πτερυγίων, διακοπτόμενοι κοχλιωτοί στροβιλιστές με διαφορετικό σχήμα του κεντρικού σώματος κ.λπ. Πρέπει να σημειωθεί ότι ταυτόχρονα με αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας κατά 30 ... 40%, υπάρχει αύξηση της υδραυλικής αντίστασης κατά 1,5-2,5 φορές. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι η διασπορά ενέργειας κατά την αποσύνθεση δομών στροβίλου μεγάλης κλίμακας (προκύπτουν όταν η ροή στροβιλίζεται) υπερβαίνει σημαντικά τη δημιουργία αναταράξεων - για την τροφοδοσία των εξασθενημένων στροβίλων, μια συνεχής παροχή ενέργειας από το εξωτερικό είναι απαιτείται.
Έχει διαπιστωθεί ότι σε καθεστώς τυρβώδους και μεταβατικής ροής είναι σκόπιμο να ενταθούν οι τυρβώδεις παλμοί όχι στον πυρήνα ροής, αλλά στο στρώμα κοντά στο τοίχωμα, όπου η τυρβώδης θερμική αγωγιμότητα είναι χαμηλή και η πυκνότητα ροής θερμότητας είναι μέγιστη, επειδή αυτό το στρώμα αντιπροσωπεύει το 60 ... 70% της διαθέσιμης διαφοράς θερμοκρασίας "τοίχο-υγρό". Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός R r, το λεπτότερο στρώμα είναι σκόπιμο να επηρεαστεί.
Οι παραπάνω συστάσεις μπορούν να εφαρμοστούν δημιουργώντας με κάποιο τρόπο, για παράδειγμα, με ραβδώσεις, εναλλασσόμενες ομαλά καθορισμένες δακτυλιοειδείς προεξοχές στην εσωτερική επιφάνεια ενός λείου σωλήνα. Για ρίψη υγρών με P r= 2 ... 80 τα καλύτερα αποτελέσματα λήφθηκαν σε t sun /d int = 0,25 ... 0,5 και d sun / d int = 0,94 ... 0,98. Έτσι, στο R e = 10 5, η μεταφορά θερμότητας αυξάνεται κατά 2,0-2,6 φορές με αύξηση της υδραυλικής αντίστασης κατά 2,7-5,0 φορές σε σύγκριση με τη μεταφορά θερμότητας ενός λείου σωλήνα. Για τον αέρα, επιτεύχθηκαν καλά αποτελέσματα σε t ήλιο / d σε = 0,5 ... 1,0 και d ήλιο / d σε = 0,9 ... 0,92: στην περιοχή μετάβασης της ροής (R e = 2000 ... 5000) αύξηση της μεταφοράς θερμότητας 2,8 ... 3,5 φορές με αύξηση της αντίστασης κατά 2,8-4,5 φορές (σε σύγκριση με έναν λείο σωλήνα).
Οι μέθοδοι μηχανικής επιρροής στην επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας και επίδρασης στη ροή των ηλεκτρικών, υπερηχητικών και μαγνητικών πεδίων δεν έχουν ακόμη μελετηθεί αρκετά.
Copyright JSC "Central Design Bureau "BIBCOM" & LLC "Agency Book-Service" Κρατικό Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας με το όνομα N.E. Bauman V.N. Afanasiev, V.L. Trifonov ΕΝΤΑΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΥΠΟ ΑΝΑΓΚΑΣΜΕΝΗ ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ Οδηγίες για το μάθημα ερευνητική εργασία στο μάθημα "Μέθοδοι εντατικοποίησης μεταφοράς θερμότητας" Εκδοτικός οίκος Μόσχας του MSTU im. Ν.Ε. Bauman 2007 Πνευματικά δικαιώματα OJSC Central Design Bureau BIBCOM & LLC Agency Book-Service UDC 536.24(076) LBC 31.31 A94 Reviewer N.L. Schegolev A94 Afanasiev V.N., Trifonov V.L. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας υπό εξαναγκασμένη συναγωγή: Μέθοδος. οδηγίες για ερευνητική εργασία μαθημάτων στο μάθημα «Μέθοδοι εντατικοποίησης μεταφοράς θερμότητας». - Μ .: Εκδοτικός οίκος MSTU im. Ν.Ε. Bauman, 2007. - 68 σελ.: ill. Περιγράφονται οι κύριες διατάξεις της θεωρίας της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή και οι μέθοδοι για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας. Διατυπώνονται οι απαιτήσεις για την υλοποίηση πειραματικής έρευνας και το σχεδιασμό μιας ερευνητικής εργασίας μαθήματος. Για φοιτητές του MSTU με το όνομα Ν.Ε. Bauman, σπουδάζοντας στην ειδικότητα «Θερμοφυσική». Il. 14. Βιβλιογραφία. 24 τίτλοι UDC 536.24(076) BBK 31.31 Μεθοδική έκδοση Valery Nikanorovich Afanasyev Valery Lvovich Trifonov ΕΝΤΑΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ UNDER FORCED CONVECTION Editor A.V. Sakharova Proofreader R.V. Tsareva Διάταξη υπολογιστή A.Yu. Uralova Υπέγραψε για δημοσίευση στις 10.05.2007. Μορφή 60×84/16. Χαρτί όφσετ. Pech. μεγάλο. 4.25. Μετατρ. φούρνος μεγάλο. 3,95. Uch.-ed. μεγάλο. 3,45. Κυκλοφορία 300 αντίτυπα. Εκδ. Αρ. 168. Εκδοτικός οίκος Παραγγελίας του Κρατικού Τεχνικού Πανεπιστημίου της Μόσχας. Ν.Ε. Μπάουμαν. 105005, Μόσχα, 2nd Baumanskaya st., 5. MSTU im. Ν.Ε. Bauman, 2007 Copyright OJSC "TsKB "BIBCOM" & LLC "Agency Kniga-Service" ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι σύγχρονες μέθοδοι υπολογισμού της υδροδυναμικής και της μεταφοράς θερμότητας κατά την κίνηση διαφόρων συσκευών σε ένα παχύρρευστο μη ισοθερμικό μέσο είναι αδύνατες. Η αδυναμία χρήσης των εξισώσεων απευθείας για την απόκτηση ακριβών λύσεων των διαδικασιών μεταφοράς στο οριακό στρώμα έχει οδηγήσει στη δημιουργία διαφόρων μεθόδων για την πειραματική τους μελέτη, συμπεριλαμβανομένων των στατιστικών μεθόδων. Τα ζητήματα της αύξησης της ποσότητας της θερμότητας που απομακρύνεται σε διάφορες τεχνολογικές διεργασίες, δηλαδή η εντατικοποίηση των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας, ήταν και παραμένουν τα πιο δύσκολα. Μια σημαντική αύξηση στον αριθμό των δημοσιεύσεων σχετικά με αυτό το θέμα δείχνει την εξαιρετική συνάφειά του. Η βάση αυτής της ερευνητικής εργασίας του μαθήματος (KRW) βασίζεται στα αποτελέσματα της θεμελιώδους έρευνας σχετικά με τις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας και μάζας που διεξήχθη στο Κρατικό Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Μόσχας. Ν.Ε. Bauman στο Τμήμα Θερμικής Φυσικής για αρκετές δεκαετίες, καθώς και υλικά από κορυφαία ερευνητικά ιδρύματα και τα τελευταία επιτεύγματα της εγχώριας και ξένης επιστήμης στον τομέα της μεταφοράς θερμότητας και μάζας. Οι υπάρχουσες και αναπτυγμένες ημι-εμπειρικές μέθοδοι για τον υπολογισμό του οριακού στρώματος απαιτούν μια βαθύτερη πειραματική μελέτη της δομής του. Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις: η κλασική (χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους διάγνωσης ενός οριακού στρώματος με μέσα χαρακτηριστικά) και η στατιστική (μελέτη των κυμαινόμενων χαρακτηριστικών ενός τυρβώδους οριακού στρώματος). Το CRW παρέχει πειραματικές και θεωρητικές μελέτες δυναμικών και θερμικών οριακών στρωμάτων με παραδοσιακές μεθόδους (σύμφωνα με τα μέσα χαρακτηριστικά). Η εργασία για τη μελέτη του οριακού στρώματος με κλασικές μεθόδους έχει σχεδιαστεί για φοιτητές του έκτου έτους που έχουν κατακτήσει τη μελέτη της υπολογιστικής μεταφοράς θερμότητας και της υδροδυναμικής, της συναγωγής μεταφοράς θερμότητας και της θεωρίας του οριακού στρώματος. Κατά την εκτέλεση εργασιών, ο μαθητής πρέπει να κατακτήσει σύγχρονες μεθόδους πειραματικής μελέτης υδροδυναμικής και μεταφοράς θερμότητας σε στρώσεις και τυρβώδεις συνθήκες ροής ρευστού, καθώς και μεθόδους αξιολόγησης της αξιοπιστίας των ληφθέντων αποτελεσμάτων. Το KRW βασίζεται στην πειραματική μελέτη μιας συγκεκριμένης διαδικασίας - τη μελέτη της υδροδυναμικής και της μεταφοράς θερμότητας σε μια εξαναγκασμένη ροή χωρίς κλίση γύρω από μια επίπεδη πλάκα. Η πειραματική μελέτη πολλών πολύπλοκων διεργασιών, που περιλαμβάνουν μεταφορά θερμότητας με συναγωγή, ανάλογα με μεγάλο αριθμό επιμέρους παραγόντων, είναι εξαιρετικά δύσκολη. Ένα από τα μέσα επίλυσης τέτοιων προβλημάτων είναι η εφαρμογή της θεωρίας της ομοιότητας, η οποία καθιστά δυνατή την επεξεργασία και τη γενίκευση των αποτελεσμάτων των πειραμάτων. Το τελικό αποτέλεσμα πρέπει να παρουσιάζεται σε μορφή κριτηρίου και για αυτό ο μαθητής πρέπει να κατακτήσει καλά τη θεωρία της ομοιότητας. 4 Copyright OJSC "Central Design Bureau "BIBCOM" & LLC "Agency Kniga-Service" ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Οι κύριες μέθοδοι μεταφοράς θερμότητας σώματος και περιβάλλοντος. Επομένως, για πρακτικούς υπολογισμούς μιας σταθερής (σταθερής στο χρόνο) ροής θερμότητας που παρέχεται (αφαιρείται) στην επιφάνεια ενός σώματος που ρέει από ένα υγρό ή αέριο, χρησιμοποιείται συνήθως ο νόμος Newton–Richmann: Q = αΔTA, (1) όπου Q είναι η ροή θερμότητας που ανταλλάσσει το σώμα με το περιβάλλον του περιβάλλοντος, W; A είναι η επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας, m2. ΔT είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του σώματος και του περιβάλλοντος, βαθμ. α είναι ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας, W/(m2 deg), που υποδεικνύει την ένταση της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας μεταξύ της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας και του περιβάλλοντος. Στην πραγματικότητα, ο τύπος (1) δεν αντικατοπτρίζει την πραγματική εξάρτηση της ποσότητας θερμότητας από τη θερμοκρασία, τις φυσικές ιδιότητες και τις διαστάσεις των σωμάτων στη θερμική αλληλεπίδραση. Στην ουσία, η εφαρμογή αυτού του τύπου είναι κάποια επίσημη τεχνική που μεταφέρει όλες τις δυσκολίες του υπολογισμού της μεταφοράς θερμότητας στον προσδιορισμό του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας α, ο οποίος συνήθως εξαρτάται σε μικρότερο βαθμό από το μέγεθος της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας και από τη διαφορά θερμοκρασίας από η ροή θερμότητας Q. Κατά τον υπολογισμό της μεταφοράς θερμότητας από το ένα υγρό μέσο στο άλλο μέσω του τοιχώματος που τα χωρίζει, στην πρακτική υπολογισμού, χρησιμοποιείται μια έκφραση παρόμοια με τον τύπο (1): Q = kΔTA, (2) deg), η οποία υποδεικνύει την ένταση της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας από το ένα υγρό στο άλλο μέσω του τοιχώματος που τα χωρίζει. ΔT είναι η διαφορά μεταξύ των μέσων θερμοκρασιών των υγρών, βαθμ. Οι εξαρτήσεις (1) και (2) δείχνουν ότι σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της υπό εξέταση διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας. Από τη γενική πορεία της θεωρίας της μεταφοράς θερμότητας και μάζας, είναι γνωστό ότι υπάρχουν τρεις βασικές μέθοδοι μεταφοράς θερμότητας: η θερμική αγωγιμότητα, η συναγωγή και η ακτινοβολία. Θερμική αγωγιμότητα είναι η μεταφορά θερμότητας σε ένα συνεχές υλικό μέσο. Ο κύριος νόμος της θερμικής αγωγιμότητας είναι ο νόμος Biot-Fourier, σύμφωνα με τον οποίο η πυκνότητα της θερμικής ροής είναι ευθέως ανάλογη με τη βαθμίδα θερμοκρασίας και κατευθύνεται αντιστρόφως σε αυτήν: q = – λ(∂t/∂n), (3) όπου ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας είναι λ, W/(m deg) , είναι μια θερμοφυσική παράμετρος που δείχνει την ικανότητα ενός σώματος να μεταφέρει τη θερμότητα. Η ποσότητα θερμότητας ανά μονάδα χρόνου σε θερμική αγωγιμότητα Q = q A. Κατά το σχεδιασμό μηχανών και συσκευών, συχνά καθίσταται απαραίτητο να ενισχυθεί ή να αποδυναμωθεί η μεταφορά θερμότητας μέσω του τοίχου. Η μείωση της έντασης της μεταφοράς θερμότητας παρέχει μείωση των απωλειών θερμότητας μέσω του τοίχου ή θερμική προστασία τμημάτων μηχανών και συσκευών που βρίσκονται δίπλα σε θερμές επιφάνειες. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με θερμομόνωση θερμών επιφανειών. Η μείωση του μεγέθους και του βάρους των εναλλάκτη θερμότητας συνδέεται με την ανάγκη εντατικοποίησης των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας, οι οποίες μπορούν να πραγματοποιηθούν με διάφορους τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της αύξησης της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας με τη βοήθεια πτερυγίων. Η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή είναι η μεταφορά θερμότητας σε ένα κινούμενο μέσο. Συνήθως, ο νόμος Newton-Richmann (1) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ποσότητας θερμότητας που μεταφέρεται κατά τη μεταφορά. Το έργο της αύξησης της ποσότητας θερμότητας που απομακρύνεται από την επιφάνεια του σώματος, δηλ. ε. εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή. . Η διατύπωση του προβλήματος της μεταφοράς θερμότητας σε ένα κινούμενο μέσο αποκτά ιδιαίτερο νόημα αν ληφθεί υπόψη σε συνδυασμό με το πρόβλημα της κατανάλωσης ενέργειας για την κίνηση του ψυκτικού. Υπό κανονικές, πρακτικές συνθήκες, ο στόχος είναι να επιτευχθεί ο υψηλότερος δυνατός ρυθμός μεταφοράς θερμότητας με τη χαμηλότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας. Η κατάσταση, στην οποία δικαιολογείται η επιθυμία να αυξηθεί η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με οποιοδήποτε κόστος, θα πρέπει να θεωρηθεί ως εντελώς εξαιρετική. Επιπλέον, είναι προφανές ότι ορισμένες ιδιότητες του συστήματος ανταλλαγής θερμότητας μπορούν να οδηγήσουν σε εντατικοποίηση, για παράδειγμα, τραχύτητα επιφάνειας που επιτυγχάνεται κατά τη συμβατική κατεργασία, επιφανειακή δόνηση λόγω περιστροφής εξαρτημάτων μηχανής ή παλμούς ροής, ηλεκτρικό πεδίο που υπάρχει στον ηλεκτρικό εξοπλισμό, κλπ. Η ακτινοβολία είναι μια μεταφορά θερμότητας με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Στη μηχανική πρακτική, για τον υπολογισμό της ροής θερμότητας στις διαδικασίες ακτινοβολίας, χρησιμοποιείται συνήθως ο νόμος Stefan–Boltzmann: Q = εσ0T 4A, (4) όπου σ0 είναι η σταθερά Stefan–Boltzmann, σ0 = 5,67 10–8 W/(m2 K4 ) ε είναι ο βαθμός εκπομπής του σώματος που ακτινοβολεί. Από τον τύπο (4) φαίνεται ότι οι κύριες μέθοδοι εντατικοποίησης της ακτινοβολίας στοχεύουν στην αύξηση των παραμέτρων Τ, Α και ε. Όλα τα παραπάνω δείχνουν ότι η ποσότητα της θερμότητας που ανταλλάσσει ένα σώμα με το περιβάλλον εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Αυτοί οι παράγοντες πρέπει να είναι γνωστοί για να ληφθούν υπόψη κατά τη χρήση ορισμένων διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας σε διάφορους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και προκειμένου να ελεγχθούν, δηλαδή να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας ή να μειωθεί η απομάκρυνση θερμότητας. Έτσι, η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας είναι μια αύξηση της ποσότητας θερμότητας που απομακρύνεται στις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας. Κατά την εξέταση μεθόδων εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας υπό συνθήκες θερμικής αγωγιμότητας, μεταφοράς και ακτινοβολίας, πρέπει να θυμόμαστε ότι σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση, κατά κανόνα, χρησιμοποιούνται συνδυασμένες μέθοδοι εντατικοποίησης, λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της υπό εξέταση διαδικασίας. 7 Πνευματικά δικαιώματα OJSC Central Design Bureau BIBCOM & LLC Agency Kniga-Service Με την αύξηση των ενεργειακών δυνατοτήτων και του όγκου παραγωγής, οι διαστάσεις των εναλλάκτη θερμότητας (TOA) που χρησιμοποιούνται αυξάνονται σημαντικά, γεγονός που αυξάνει τις απαιτήσεις για την απόδοση και την αξιοπιστία της εργασίας τους. Προφανώς, αυξάνοντας την ενεργειακή απόδοση των θερμοηλεκτρικών σταθμών κατά ένα μόνο τοις εκατό δημιουργώντας πιο συμπαγείς εναλλάκτες θερμότητας, σε εθνική κλίμακα, μπορείτε να εξοικονομήσετε σημαντικά υλικά σε πόρους: καύσιμα, υλικά και μέταλλα, κόστος εργασίας κ.λπ. Έτσι, η ανάπτυξη και η δημιουργία εξαιρετικά αποδοτικών συμπαγών συστημάτων ψύξης είναι ένα εξαιρετικά επείγον πρόβλημα που σχετίζεται στενά με την εντατικοποίηση των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας και μάζας, το οποίο καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τα χαρακτηριστικά της ροής γύρω και την υδραυλική αντίσταση των επιφανειών ανταλλαγής θερμότητας. Από την εφεύρεση των πρώτων TOA, οι επιφάνειες απελευθέρωσης θερμότητας σε αυτά έχουν κατασκευαστεί από σωλήνες μικρής διαμέτρου. Τέτοιοι σωλήνες εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε μεγάλες ποσότητες στην κατασκευή TOA. Ωστόσο, ένα τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας από σωλήνες είναι αρκετές φορές πιο ακριβό από μια επιφάνεια της ίδιας περιοχής από λεπτό φύλλο. Από τη δεκαετία του 1960 έως σήμερα, ο αριθμός των εργασιών που δημοσιεύονται για διάφορες πτυχές της βελτίωσης της μεταφοράς θερμότητας, συμπεριλαμβανομένων εκθέσεων, άρθρων, διατριβών και διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, αυξάνεται σταθερά. Αυτό δείχνει ότι η βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας είναι επί του παρόντος ένας σημαντικός ειδικός τομέας για τη μελέτη και την ανάπτυξη της μεταφοράς θερμότητας. 2. Εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή Η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή είναι σήμερα ίσως το πιο περίπλοκο και, σε κάθε περίπτωση, το πιο επείγον πρόβλημα στη θεωρία των διαδικασιών μεταφοράς σε ένα κινούμενο μέσο. Ιδιαίτερη σημασία αποκτά υπό τις συνθήκες αερίου ψυκτικού, το οποίο χαρακτηρίζεται από μειωμένη ένταση διεργασιών ανταλλαγής (στην συνέχεια εννοείται κυρίως η συγκεκριμένη περίπτωση). Η ιδιαιτερότητα αυτού του προβλήματος έγκειται στο γεγονός ότι, θεωρούμενο ξεχωριστά με βάση τη μελέτη της μεταφοράς θερμότητας ως ανεξάρτητη μεμονωμένη διαδικασία, είναι ουσιαστικά χωρίς νόημα. λαμβάνει πραγματικό περιεχόμενο μόνο σε συνδυασμό με το πρόβλημα της κατανάλωσης ενέργειας για την προώθηση του ψυκτικού. Σε αυτή την περίπτωση, υπό κανονικές, πρακτικές συνθήκες, ο στόχος είναι να επιτευχθεί η υψηλότερη δυνατή ένταση μεταφοράς θερμότητας με τη μικρότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας. Είναι σαφές ότι μόνο μια κοινή ανάλυση των ποσοτήτων που εισάγονται ως ποσοτικό μέτρο της έντασης της μεταφοράς θερμότητας και της κατανάλωσης ενέργειας μπορεί να παράσχει λογικές βάσεις για την αξιολόγηση των επιτευχθέντων αποτελεσμάτων. Ωστόσο, θα ήταν λάθος να πιστεύουμε ότι το θέμα περιορίζεται έτσι στη μελέτη δύο διαφορετικών αυτόνομων και ανεξάρτητα διατυπωμένων προβλημάτων, ακολουθούμενη από σύγκριση των λύσεών τους. Είναι εξαιρετικά σημαντικό αυτά τα προβλήματα να συνδέονται στενά μεταξύ τους, καθώς χαρακτηρίζουν διαφορετικές πτυχές της ίδιας διαδικασίας και οι λύσεις τους καθορίζουν ποσοτικά αποτελέσματα που είναι εξωτερικά πολύ ετερογενή, αλλά οφείλονται σε έναν ενιαίο φυσικό μηχανισμό. Η βαθιά ομοιότητα και των δύο προβλημάτων εκδηλώνεται στο γεγονός ότι υπό τις απλούστερες συνθήκες, λειτουργεί ένα ειδικό είδος σχέσης - η αναλογία Reynolds, η οποία καθιερώνει μια άμεση, ρητά εκφρασμένη σχέση μεταξύ της έντασης της μεταφοράς θερμότητας, αφενός, και της ένταση των επιδράσεων διάχυσης (υπεύθυνος για την κατανάλωση ενέργειας) - από την άλλη. Με την περιπλοκή του φυσικού περιβάλλοντος της διαδικασίας, η αναλογία Reynolds χάνει τη δύναμή της και πρέπει να αντικατασταθεί από εξαρτήσεις που είναι πιο διαμεσολαβημένες στη φύση και πιο πολύπλοκες στη δομή. Δυστυχώς, δεν υπάρχει ακόμη θεωρία που θα επέτρεπε τη διατύπωση αυτών των εξαρτήσεων για διάφορες ειδικές συνθήκες και θα επέτρεπε την εξεύρεση μιας γενικής λύσης, της οποίας θα αποτελούσαν ειδική περίπτωση. Ωστόσο, η εξέταση ενός εξαιρετικά εκτεταμένου και διαφορετικού πειραματικού υλικού που έχει συσσωρευτεί κατά τη λειτουργία διαφόρων συσκευών ανταλλαγής θερμότητας έχει ήδη σχετικά καιρό οδηγήσει στο συμπέρασμα ότι υπάρχει η ακόλουθη τάση: όταν η διαδικασία γίνεται πιο περίπλοκη (δηλαδή, όταν οι συνθήκες για τις οποίες ο Reynolds ισχύει η αναλογία) παραβιάζονται, η αναλογία μεταξύ της καταναλισκόμενης ισχύος και της επιτευχθείσας έντασης μεταφοράς θερμότητας γίνεται λιγότερο ευνοϊκή. Έτσι, η αναλογία Reynolds έχει αποκτήσει την έννοια ενός ειδικού είδους περιορισμού, που καθορίζει το κατώτερο, φυσικά δυνατό όριο της ισχύος που δαπανάται σε μια δεδομένη ένταση μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή. Έτσι, πιστεύεται ότι κάτω από αυτές τις απλούστερες συνθήκες, όταν ισχύει η αναλογία Reynolds, επιτυγχάνεται η πιο πλεονεκτική σχέση μεταξύ της έντασης της μεταφοράς θερμότητας και της ισχύος που καταναλώνεται. Μια πιο λεπτομερής και βαθιά μελέτη του μηχανισμού των διαδικασιών μεταφοράς έδειξε ότι μια τέτοια κατανόηση της αναλογίας Reynolds δεν είναι ικανοποιητική. Σε ορισμένες περιπτώσεις, χαρακτηρίζει σωστά ορισμένες πτυχές της υπό εξέταση διαδικασίας, αλλά δεν αντικατοπτρίζει πλήρως την επίδραση του συνόλου των φυσικών συνθηκών της διαδικασίας σε όλη την πραγματική πολυπλοκότητά τους και δεν μπορεί να γίνει αποδεκτή ως σύνολο. Σε πολλές περιπτώσεις, που σε καμία περίπτωση δεν στερούνται πρακτικού ενδιαφέροντος, εάν παραβιαστούν οι συνθήκες διεργασίας που ικανοποιούν την αναλογία Reynolds, η σχέση μεταξύ μεταφοράς θερμότητας και υδροδυναμικής αντίστασης στην πραγματικότητα επιδεινώνεται. Αυτό σημαίνει ότι σε ένα αλλαγμένο φυσικό περιβάλλον, αρχίζει να λειτουργεί ένας τέτοιος μηχανισμός διάχυσης ενέργειας, ο οποίος δεν συνδέεται με τόσο απλό και προφανή τρόπο με τη μεταφορά θερμότητας προς την κάθετη προς την επιφάνεια κατεύθυνση. Ωστόσο, δεν προκύπτει καθόλου από αυτό ότι μια κατάσταση που οδηγεί στο αντίθετο αποτέλεσμα, δηλαδή μια σημαντική αύξηση στη μεταφορά θερμότητας με μια σχετικά ασήμαντη αύξηση (ή ακόμη και μείωση) στην ένταση της διασποράς ενέργειας, είναι θεμελιωδώς αδύνατη. Υπό αυτή την έννοια, είναι πολύ διδακτικό ότι τις τελευταίες δεκαετίες, υπό συνθήκες μέτριας πίεσης των επιφανειών θέρμανσης, έχουν επιτευχθεί ευνοϊκότερες σχέσεις μεταξύ της έντασης μεταφοράς θερμότητας και της αντίστασης. Έτσι, στην αναλογία Reynolds δεν μπορεί να αποδοθεί η έννοια της συνθήκης που καθορίζει το κατώτερο όριο της απαιτούμενης ισχύος. Ακόμη πιο ευνοϊκές αναλογίες είναι πραγματικά εφικτές, στις οποίες δεν υπάρχουν εσωτερικές αντιφάσεις. Το γεγονός ότι οι διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας και ορμής πραγματοποιούνται από τους ίδιους φορείς δεν καθορίζει ακόμη τον τύπο σχέσης μεταξύ της έντασης της μεταφοράς θερμότητας και της υδροδυναμικής αντίστασης. Προφανώς, οι κατανομές θερμοκρασίας και ταχύτητας που σχηματίζονται εντός της περιοχής μεταφοράς θα πρέπει να έχουν σημαντική επίδραση. Η σχέση που εκφράζεται με τη μορφή της αναλογίας Reynolds (ο αδιάστατος συντελεστής μεταφοράς θερμότητας St είναι ίσος με την αδιάστατη τάση τριβής στην επιφάνεια) ισχύει μόνο εάν το πεδίο θερμοκρασίας είναι παρόμοιο με το πεδίο ταχύτητας. Αυτή η απαίτηση μπορεί να ικανοποιηθεί με επαρκή ακρίβεια για την απλούστερη μορφή της διαδικασίας - ροή ψυκτικού κατά μήκος μιας επιφάνειας που δεν έχει διαμήκη καμπυλότητα (για παράδειγμα, ροή εντός ευθύγραμμων σωλήνων και καναλιών σταθερής διατομής, διαμήκης ροή γύρω από επίπεδες και σωληνοειδείς επιφάνειες σε Рr = 1). Εάν παραβιαστεί η ομοιότητα των πεδίων, η αναλογία καθίσταται άκυρη και αρχίζουν να λειτουργούν άλλες σχέσεις. Είναι πολύ πιο εύκολο να προκαλέσεις επιδείνωση στις συνθήκες της διαδικασίας παρά να τις βελτιώσεις. Οποιεσδήποτε αλλαγές στο φυσικό περιβάλλον, που οφείλονται σε τυχαίες αιτίες και οδηγούν σε παραβίαση της ομοιότητας των κατανομών θερμοκρασίας και ταχύτητας, προκαλούν σχεδόν πάντα αλλαγές στην υπό εξέταση αναλογία σε δυσμενή κατεύθυνση. Μόνο ορισμένες, ειδικά δημιουργημένες επιρροές οδηγούν στο επιθυμητό αποτέλεσμα. Όλα τα παραπάνω υποδεικνύουν τη μεγάλη πολυπλοκότητα του προβλήματος της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας και μας πείθει ότι θα ήταν παράλογο να εναποθέσουμε ελπίδες σε εμπειρικές αναζητήσεις για τη λύση του. Είναι, φυσικά, δυνατό να ανακαλύψουμε κατά λάθος το ένα ή το άλλο ενισχυτικό αποτέλεσμα, και αυτό έχει συμβεί πολλές φορές. Ωστόσο, χωρίς την κατάλληλη κατανόηση της φυσικής φύσης του ανιχνευόμενου αποτελέσματος, είναι δύσκολο να βρεθούν τρόποι να το χρησιμοποιήσουμε κατάλληλα και να προσφέρουμε τέτοια μέσα αναπαραγωγής του σε μια ρύθμιση ροής εργασίας που δεν θα χρησίμευε ως πηγή αρνητικών παρενεργειών. Προκειμένου να διακριθεί ένα εντεινόμενο φυσικό αποτέλεσμα από μια ποικιλία ετερογενών φαινομένων, να προσδιοριστούν οι συνθήκες και οι δυνατότητες για την ορθολογική χρήση του, είναι απαραίτητο να έχουμε ένα επαρκώς λεπτομερές φυσικό μοντέλο της διαδικασίας, που να υποστηρίζεται σε κάποιο βαθμό από στοιχεία της ποσοτικής θεωρίας. . Μόνο την τελευταία περίοδο, όταν το πρόβλημα της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας αποδείχθηκε ότι συνδέεται οργανικά με την αναπτυσσόμενη θεωρία των διαδικασιών μεταφοράς, σημειώθηκε σημαντική πρόοδος. Ωστόσο, οι διαθέσιμες πληροφορίες σχετικά με τις διαδικασίες μεταφοράς εξακολουθούν να είναι ανεπαρκώς πλήρεις και δεν μπορούν να χρησιμεύσουν ως αξιόπιστη φυσική βάση για την ανάπτυξη μιας τόσο περίπλοκης θεωρίας προς τη συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, έχει συσσωρευτεί σημαντικός όγκος δεδομένων σχετικά με τις εντατικές επιπτώσεις, η χρήση των οποίων είναι αρκετά κατάλληλη. Αυτά τα αποτελέσματα έχουν μελετηθεί προσεκτικά όχι μόνο ποιοτικά, αλλά και ποσοτικά και κατανοήθηκαν σε ένα ορισμένο σύστημα φυσικών αναπαραστάσεων. Μέθοδοι για την πρακτική εφαρμογή τους προτείνονται και δοκιμάζονται πειραματικά. Δεν είναι ακόμη δυνατό να δημιουργηθεί μια καθολική θεωρία που να εξηγεί το σύνολο των δεδομένων που έχουν ληφθεί μέχρι στιγμής, αλλά παρόλα αυτά μπορούν να γίνουν ορισμένες γενικές εκτιμήσεις που μας επιτρέπουν να εξετάσουμε τα αποτελέσματα των μελετών, τουλάχιστον από ποιοτική άποψη. Η κύρια ιδέα είναι ότι οι εντεινόμενες επιρροές στην περιοχή κοντά στον τοίχο προκαλούν μια ενισχυμένη ανανέωση του μέσου, μια ενεργητική αντικατάσταση ορισμένων στοιχείων του από άλλα, τα οποία, λόγω της διαφορετικής φύσης της κατανομής της θερμοκρασίας και της ταχύτητας, εκτελούν τη λειτουργία των φορέων θερμότητας πιο αποτελεσματικά από τη λειτουργία των φορέων ορμής. Όσο πιο σημαντική είναι αυτή η διαφορά, τόσο πιο ευνοϊκή ή, αντίθετα, χειρότερη είναι η αναλογία μεταξύ της έντασης μεταφοράς θερμότητας και της υδροδυναμικής αντίστασης. Είναι εύκολο να γίνει κατανοητό ότι το φυσικό περιβάλλον που αντιστοιχεί σε ένα τέτοιο σχήμα της διαδικασίας είναι πολύ περίπλοκο και πολύ ασυνήθιστο. Με την εμβάθυνση της γνώσης σχετικά με τη δομή του τυρβώδους οριακού στρώματος και τον μηχανισμό των διαδικασιών μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα σε αυτό, αναμφίβολα θα ανοίξουν νέες δυνατότητες για τη δημιουργία πιο λεπτών και αποτελεσματικών μεθόδων για τον επηρεασμό των ιδιοτήτων της διαδικασίας. Συνθήκες που καθορίζουν τη βέλτιστη επιλογή μεθόδων για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας. Ένα από τα κύρια καθήκοντα στη δημιουργία των πιο σύγχρονων συστημάτων ανταλλαγής θερμότητας είναι η εξασφάλιση των ελάχιστων διαστάσεων και βάρους του TOA σε δεδομένες υδραυλικές αντιστάσεις, ρυθμούς ροής και θερμοκρασίες ψυκτικού. Επομένως, μια πολύ σημαντική στιγμή στο σχεδιασμό του TOA είναι η επιλογή του τύπου επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας. Προφανώς, η καλύτερη επιφάνεια θα είναι αυτή που, υπό άλλες ίδιες συνθήκες, παρέχει τον μέγιστο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, δηλαδή τη μεγαλύτερη ειδική ροή θερμότητας. Επομένως, η εντατικοποίηση των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας, ειδικά στα κανάλια, είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση του μεγέθους και του βάρους των συσκευών ανταλλαγής θερμότητας. Μια σημαντική βελτίωση στα χαρακτηριστικά των συσκευών ανταλλαγής θερμότητας, όπως οι παράμετροι βάρους και μεγέθους, κατανάλωση μετάλλου, θερμοκρασία επιφάνειας, αξιοπιστία και διάρκεια ζωής, μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας που είναι βέλτιστες για μια συγκεκριμένη περίπτωση. Ωστόσο, η επιλογή της βέλτιστης μεθόδου εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας είναι ένα δύσκολο έργο, καθορίζεται από πολλές συνθήκες, οι σημαντικότερες από τις οποίες είναι οι ακόλουθες. 12 Copyright JSC "Central Design Bureau "BIBCOM" & OOO "Agency Kniga-Service" 1. Στόχοι και στόχοι βελτίωσης της μεταφοράς θερμότητας για τη συγκεκριμένη κατηγορία TOA. 2. Επιτρεπόμενο ενεργειακό κόστος για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας και το είδος της διαθέσιμης ενέργειας. 3. Υδροδυναμική δομή της ροής στην οποία απαιτείται να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας. τη φύση της κατανομής της πυκνότητας των ροών θερμότητας ή του πεδίου θερμοκρασίας στο ψυκτικό υγρό· έγκυρους τρόπους ελέγχου της δομής ροής. 4. Δυνατότητα κατασκευής TOA με βελτίωση μεταφοράς θερμότητας, ευκολία και αξιοπιστία στη λειτουργία. Ας εξετάσουμε αυτές τις συνθήκες με περισσότερες λεπτομέρειες. 1. Στόχοι και στόχοι βελτίωσης της μεταφοράς θερμότητας στη συγκεκριμένη κατηγορία TOA. Τα καθήκοντα της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας συνήθως καταλήγουν στη μείωση των παραμέτρων βάρους και μεγέθους του TOA ή στη μείωση της διαφοράς θερμοκρασίας σε αυτό σε σύγκριση με τις τιμές τους, οι οποίες επιτυγχάνονται υπό δεδομένες συνθήκες με τους συνήθεις τρόπους (με αλλαγή του ρυθμού ροής και του καναλιού μεγέθη κ.λπ., ανάλογα με τις συγκεκριμένες συνθήκες). 2. Επιτρεπόμενο ενεργειακό κόστος για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας και το είδος της ενέργειας που διατίθεται για αυτό. Οι μελέτες ανάλυσης και σχεδιασμού του αντικειμένου στο σύνολό τους καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό του επιτρεπόμενου ενεργειακού κόστους για την άντληση φορέων θερμότητας μέσω της συσκευής ανταλλαγής θερμότητας. Ο τύπος ενέργειας είναι επίσης συνήθως γνωστός: κατά κανόνα, αυτή είναι (σε δεδομένη πτώση πίεσης) η απαιτούμενη ισχύς στις αντλίες για την άντληση του ψυκτικού. Υπάρχει ανάγκη για μεθόδους βελτίωσης της μεταφοράς θερμότητας που θα διασφαλίζουν μείωση των συνολικών διαστάσεων των συσκευών ανταλλαγής θερμότητας με σταθερές ολικές απώλειες πίεσης για την άντληση του ψυκτικού μέσω του TOA. Κάθε τύπος συσκευών ανταλλαγής θερμότητας έχει τα δικά του κριτήρια για την αξιολόγηση της επιλεγμένης μεθόδου βελτίωσης της μεταφοράς θερμότητας. Η πιο κοινή αξιολόγηση της μεθόδου εντατικοποίησης είναι με σύγκριση των αναλογιών μεταξύ της αύξησης της μεταφοράς θερμότητας St/St0 και των συντελεστών αντίστασης Сf /Сf 0: (St/St0) > (Сf /Сf0), όπου St και Сf είναι το Stanton αριθμός και ο συντελεστής αντίστασης για δεδομένες συνθήκες, και St0 και Сf0 – για τυπικές συνθήκες, αντίστοιχα. 13 Πνευματικά δικαιώματα OJSC Central Design Bureau BIBCOM & OOO Agency Kniga-Service Intensification μέθοδοι που διασφαλίζουν την εκπλήρωση της ανισότητας (St/St0) > (Сf /Сf0) είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές, αλλά η εφαρμογή τους είναι γεμάτη δυσκολίες. Η ανάπτυξη τέτοιων μεθόδων θεωρούνταν γενικά αδύνατη για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η τελική επιλογή της μεθόδου εντατικοποίησης θα πρέπει να βασίζεται σε έναν πλήρη συγκριτικό υπολογισμό των TOA, τη μελέτη σχεδιασμού τους, τις λειτουργικές απαιτήσεις, την αξιοπιστία και τους οικονομικούς υπολογισμούς, δηλαδή όλα όσα συζητήθηκαν παραπάνω. 3. Υδροδυναμική δομή της ροής στην οποία απαιτείται να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας. τη φύση της κατανομής της πυκνότητας των ροών θερμότητας ή του πεδίου θερμοκρασίας στο ψυκτικό υγρό· έγκυρους τρόπους ελέγχου της δομής ροής. Συνήθως, για να αυξηθεί η μεταφορά θερμότητας, χρησιμοποιείται το τυρβώδες καθεστώς της ροής του ψυκτικού υγρού, επομένως, η γνώση της υδροδυναμικής δομής της τυρβώδους ροής και των χαρακτηριστικών της μεταφοράς θερμότητας σε αυτήν καθιστά δυνατό τον καθορισμό περιοχών στις οποίες αυξάνεται η ένταση της Οι τυρβώδεις παλμοί θα έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση στην εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας και, ως εκ τούτου, θα βοηθήσουν στην επιλογή των τόπων και των μεθόδων επηρεασμού της ροής. Κατά κανόνα, πρόκειται για περιοχές που βρίσκονται αρκετά κοντά στους τοίχους. Η τυρβώδης θερμική αγωγιμότητα σε αυτά είναι μικρότερη από ό,τι στον πυρήνα της ροής και η πυκνότητα ροής θερμότητας είναι κοντά στο μέγιστο (για ανταλλαγή θερμότητας με τον τοίχο). Σε μη κυκλικά κανάλια με στενές γωνίες, για παράδειγμα, σε σφιχτές δέσμες σωλήνων ή ράβδων με τη διαμήκη ροή τους, σε τριγωνικά κανάλια κ.λπ., η δομή ροής κατά τη μεταβατική και τυρβώδη ροή αλλάζει όχι μόνο κατά μήκος της κανονικής προς τον τοίχο, αλλά επίσης κατά μήκος της περιμέτρου του καναλιού. Μαζί με την τυρβώδη ροή στον πυρήνα της ροής και κοντά στον τοίχο στα φαρδιά τμήματα του καναλιού και στις γωνίες, μπορεί να υπάρχουν ζώνες με ασθενή αναταράξεις ή ακόμα και με καθεστώς στρωτή ροής. Αυτές οι ζώνες αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό μέρος της επιφάνειας του καναλιού. Επομένως, κατά την ανάπτυξη μεθόδων για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας σε τέτοια κανάλια, είναι απαραίτητο όχι μόνο να αναζητηθούν τρόποι πρόσθετου στροβιλισμού της περιοχής κοντά στο τοίχωμα σε μεγάλα τμήματα του καναλιού, αλλά και συγκεκριμένοι τρόποι για αναταράξεις ροής στις γωνιακές ζώνες. 4. Δυνατότητα κατασκευής TOA με βελτίωση μεταφοράς θερμότητας, ευκολία και αξιοπιστία στη λειτουργία. Οι πιο σημαντικές προϋποθέσεις για την τελική επιλογή της μεθόδου εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας, ειδικά για HEA και εναλλάκτες θερμότητας μαζικής παραγωγής, είναι η κατασκευαστικότητα και οι λειτουργικές ιδιότητες: δυνατότητα κατασκευής παραγωγής των ίδιων επιφανειών ανταλλαγής θερμότητας, δυνατότητα κατασκευής συναρμολόγησης από αυτές TOA, αξιοπιστία και εξυπηρέτηση διάρκεια ζωής, πρόσκρουση στη ρύπανση και απολέπιση σε σύγκριση με τις συμβατικές επιφάνειες βάσης αυτών των εναλλάκτη θερμότητας. Αυτό, φυσικά, λαμβάνει υπόψη το οικονομικό αποτέλεσμα που δίνει η χρήση αυτής της μεθόδου εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας: μείωση της κατανάλωσης μετάλλου, του βάρους, των συνολικών διαστάσεων του TOA κ.λπ. λειτουργία της συσκευής ανταλλαγής θερμότητας σε πραγματικές συνθήκες. Αυτό ακριβώς εξηγεί το γεγονός ότι συνήθως χρειάζεται πολύς χρόνος από την ανάπτυξη μιας μεθόδου βελτίωσης μεταφοράς θερμότητας έως την ευρεία χρήση της στο TOA. Αλλά από την άλλη πλευρά, μόνο μερικές από τις αναπτυγμένες και δημοσιευμένες μεθόδους εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας μπορούν να ικανοποιήσουν τις συνθήκες που περιγράφονται παραπάνω και να βρουν ευρεία εφαρμογή, αν και σε ορισμένες ειδικές περιπτώσεις, η χρήση ορισμένων από αυτές μπορεί να είναι κατάλληλη. Από αυτή την άποψη, το μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν έργα που όχι μόνο προσφέρουν πλήρως αιτιολογημένες μεθόδους για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας, αλλά αναπτύσσουν επίσης μια τεχνολογία για την κατασκευή επιφανειών που εντείνουν αυτή τη διαδικασία, καθώς και μια τεχνολογία για τη συναρμολόγηση εναλλάκτη θερμότητας με τέτοιες επιφάνειες. Οι κύριες μέθοδοι εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή. Δεδομένου ότι σε επίγειες συνθήκες η πιο κοινή μέθοδος μεταφοράς θερμότητας είναι η μεταφορά θερμότητας με συναγωγή, η εντατικοποίηση μεταφοράς θερμότητας ορίζεται ως η αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας χρησιμοποιώντας διάφορους τύπους επιρροής στη ροή. Ωστόσο, ανεξάρτητα από τη μέθοδο εντατικοποίησης, το κύριο καθήκον του είναι να μειώσει την αντίστοιχη θερμική αντίσταση. Με τη θερμική αγωγιμότητα επιτυγχάνεται μείωση της θερμικής αντίστασης επηρεάζοντας τους συντελεστές μεταφοράς θερμότητας (υπό οριακές συνθήκες τρίτου είδους) και στην εσωτερική θερμική αντίσταση του τοίχου εισάγοντας πτερύγια, χρησιμοποιώντας ψυκτικό αποτέλεσμα κ.λπ. Η ένταση της θερμότητας Η αγωγιμότητα επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις θερμοφυσικές ιδιότητες των υλικών του τοίχου, τα μονωτικά υλικά, τις συνθήκες επαφής μεταξύ των επιμέρους στρωμάτων του τοίχου, τις γεωμετρικές διαστάσεις και το σχήμα της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας. Όταν εξετάζονται οι διαδικασίες εντατικοποίησης για ακτινοβολία, οι μέθοδοι εντατικοποίησης χρησιμοποιούνται συχνότερα αυξάνοντας την επιφάνεια και τη θερμοκρασία ανταλλαγής θερμότητας, καθώς και επηρεάζοντας τον βαθμό εκπομπής της επιφάνειας. Ο μεγαλύτερος αριθμός μεθόδων εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας προτείνεται για τη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή. Το κύριο καθήκον σε αυτή την περίπτωση είναι ο προσδιορισμός του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, ο οποίος, προφανώς, εξηγεί τον ορισμό της εντατικοποίησης που δόθηκε παραπάνω. Κανένα πρόβλημα σχεδιασμού δεν έχει έτοιμη απάντηση. Ένας μηχανικός που συμμετέχει στο σχεδιασμό και τη δημιουργία δειγμάτων νέας τεχνολογίας πρέπει να κατανοήσει ξεκάθαρα ότι μια θεωρία, όσο προηγμένη κι αν είναι, δεν αρκεί και ότι πρέπει να υποστηρίζεται από την εμπειρία, την κοινή λογική και, εάν είναι απαραίτητο, την ευελιξία ενός συμβιβαστική λύση, ειδικά όταν εξετάζονται οι βασικοί νόμοι, που βασίζονται σε απλές, αξιόπιστες και πρακτικά πρόσφορες μεθόδους εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας. Η ποικιλία της σύγχρονης τεχνολογίας, και σε πολλές περιπτώσεις το υψηλό κόστος της, καθιστά τη μελέτη αυτών των κανονικοτήτων διπλά σημαντική. Είναι γνωστές παθητικές και ενεργητικές μέθοδοι εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας υπό συνθήκες ελεύθερης και εξαναγκασμένης μεταφοράς τόσο σε μονοφασικά και διφασικά μέσα, όσο και στις διαδικασίες αγωγιμότητας θερμότητας και μεταφοράς θερμότητας ακτινοβολίας. Οι παθητικές μέθοδοι (που δεν απαιτούν άμεση εισροή ενέργειας από το εξωτερικό) περιλαμβάνουν ειδική φυσική και χημική επεξεργασία επιφάνειας, χρήση τραχιών και ανεπτυγμένων επιφανειών, συσκευές που παρέχουν ανάμειξη και στροβιλισμό της ροής, μεθόδους επηρεασμού της επιφανειακής τάσης και προσθήκη ακαθαρσιών σε το ψυκτικό. Οι ενεργές μέθοδοι (που απαιτούν άμεση κατανάλωση ενέργειας από εξωτερική πηγή) περιλαμβάνουν μηχανικές επιδράσεις, κραδασμούς επιφανειών ανταλλαγής θερμότητας, παλμούς ροής ρευστού, χρήση ηλεκτροστατικών πεδίων, έγχυση και αναρρόφηση ψυκτικού και χρήση ροών διάσπαρτων ουσιών. Δεδομένου ότι οι περισσότεροι εναλλάκτες θερμότητας χρησιμοποιούν ένα υγρό ή αέριο ψυκτικό που έρχεται σε επαφή με μια στερεά επιφάνεια κατά τη ροή, η μελέτη της επίδρασης του τελευταίου στη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή έχει μεγάλο πρακτικό ενδιαφέρον. Οι εργασίες που είναι αφιερωμένες σε διάφορες μεθόδους εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας δείχνουν ότι οι κύριες μέθοδοι στοχεύουν στην καταστροφή ή την τεχνητή αναταραχή του οριακού στρώματος, καθώς όταν μια επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας αλληλεπιδρά με μια ροή αερίου ή υγρού που την πλένει, είναι το οριακό στρώμα που αναπτύσσεται στο αυτή η επιφάνεια που ασκεί την κύρια αντίσταση στη μεταφορά θερμότητας. Το κύριο καθήκον της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή είναι μια τέτοια πρόσκρουση στο οριακό στρώμα, που θα το καθιστούσε λεπτότερο ή θα το καταστρέψει μερικώς. Η αύξηση της ταχύτητας της επερχόμενης ροής μειώνει το πάχος του οριακού στρώματος, αλλά συνδέεται με μια ταχεία αύξηση της υδροδυναμικής αντίστασης. Η χρήση αυτής της απλούστερης μεθόδου εντατικοποίησης περιορίζεται από την αύξηση του ενεργειακού κόστους. Όταν ρέουν γύρω από λεία τοιχώματα που δεν έχουν στροβιλιστές κοντά στην επιφάνεια, λειτουργεί η αναλογία Reynolds, όπως ήδη σημειώθηκε, η οποία καθιερώνει μια άμεση σχέση μεταξύ της έντασης της μεταφοράς θερμότητας και της επιφανειακής τριβής. Όταν ρέετε γύρω από επιφάνειες ανταλλαγής θερμότητας με πιο σύνθετες διαμορφώσεις από έναν λείο τοίχο, η σχέση μεταξύ της ισχύος που καταναλώνεται και της έντασης μεταφοράς θερμότητας που επιτυγχάνεται γίνεται πιο περίπλοκη. Είναι πιθανές καταστάσεις που οδηγούν σε σημαντική αύξηση της μεταφοράς θερμότητας με ελαφρά αύξηση της επιφανειακής τριβής. Υπό αυτή την έννοια, η σχέση μεταξύ της έντασης της μεταφοράς θερμότητας και της υδροδυναμικής αντίστασης για επιφάνειες που λειτουργούν με την αρχή μιας εξωτερικής εργασίας ή εγκάρσιας ροής αποδεικνύεται πιο ευνοϊκή. Ένα συγκεκριμένο σύστημα φυσικών εννοιών και η κατανόηση της φυσικής φύσης της εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας καθιστούν δυνατή την ορθολογική χρήση εντατικοποιημένων επιδράσεων σε σχέδια εναλλάκτη θερμότητας. Οι εντεινόμενες επιρροές είναι ευνοϊκές όταν προκαλούν ενισχυμένη ανανέωση του περιβάλλοντος στο οριακό στρώμα, ενεργητική αντικατάσταση ορισμένων όγκων του περιβάλλοντος με άλλους. Όσο πιο σημαντική είναι η διαφορά στην κατανομή της θερμοκρασίας και της ταχύτητας των σωματιδίων του μέσου εργασίας κοντά στον τοίχο, τόσο πιο ευνοϊκή (ή όχι πιο ευνοϊκή) είναι η αναλογία μεταξύ της έντασης μεταφοράς θερμότητας και της υδροδυναμικής αντίστασης. Μέχρι σήμερα, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας κοντά στον τοίχο, οι οποίες έχουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι άλλων: έχουν υψηλή ενεργειακή απόδοση λόγω του στροβιλισμού μόνο της περιοχής ροής κοντά στον τοίχο. Η ροή είναι τυρβώδης όπου εμφανίζεται η μέγιστη κλίση θερμοκρασίας. Ως αποτέλεσμα, το ενεργειακό κόστος για την άντληση του ψυκτικού μέσω της διαδρομής μειώνεται σημαντικά σε σύγκριση με το κόστος στροβιλισμού ολόκληρης της ροής. Η ένταση και η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας εξαρτώνται από το σχήμα της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας, την ισοδύναμη διάμετρο των καναλιών, την τραχύτητα της επιφάνειας, τη διάταξη των καναλιών, η οποία εξασφαλίζει τη βέλτιστη ταχύτητα των μέσων εργασίας, τη διαφορά θερμοκρασίας, η παρουσία τυρβωδών στοιχείων στα κανάλια, τα πτερύγια και ορισμένα άλλα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά. Οι κύριες επί του παρόντος γνωστές μέθοδοι εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας είναι οι ακόλουθες: α) η επίδραση στη ροή του μέσου εργασίας από το σχήμα της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας. β) επιπτώσεις στη ροή πρόσθετων αναταράξεων από στοιχεία τραχύτητας. γ) αύξηση της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας από την πλευρά του μέσου εργασίας με χαμηλό συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. δ) μηχανική επίδραση στην επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας (επιφανειακή δόνηση, παλμός πίεσης στη ροή, ανάμειξη του μέσου εργασίας). ε) επιπτώσεις στη ροή από ένα πεδίο (ηλεκτρομαγνητικό, ακουστικό). στ) έγχυση ή αναρρόφηση του μέσου εργασίας μέσω μιας διαπερατής επιφάνειας απελευθέρωσης θερμότητας. ζ) προσθήκη στερεών σωματιδίων ή φυσαλίδων αερίου στη ροή. Η δυνατότητα πρακτικής χρήσης μιας ή άλλης μεθόδου εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας καθορίζεται από την τεχνική της διαθεσιμότητα και την τεχνική και οικονομική αποτελεσματικότητά της. Μια ανάλυση πολυάριθμων πειραματικών εργασιών αφιερωμένων στην εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας μάς επιτρέπει να συμπεράνουμε ότι η επιλογή του τύπου, του μεγέθους και του σχήματος των στροβιλιστών πραγματοποιήθηκε (με σπάνιες εξαιρέσεις) χωρίς επαρκώς βαρυσήμαντες δικαιολογίες και, κυρίως, χωρίς να ληφθούν υπόψη εκείνες τις ειδικές συνθήκες λειτουργίας στις οποίες έπρεπε να χρησιμοποιήσει έναν ή άλλο τύπο.επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας. Όσον αφορά τις προσπάθειες ανάλυσης του μηχανισμού τυρβώδους ανταλλαγής υπό συνθήκες τεχνητής αναταράξεων ροής, παρουσιάστε ένα φυσικό μοντέλο ενός τέτοιου φαινομένου και περιγράψτε το με ακρίβεια αναλυτικά, από όσο είναι γνωστό, μέχρι στιγμής παραμένουν αναποτελεσματικές. Ο λόγος για αυτό έγκειται, εκτός από αντικειμενικές δυσκολίες (μεταφορά θερμότητας υπό συνθήκες δίνης, διαχωρισμένες ροές), κυρίως στο γεγονός ότι οι περισσότεροι συγγραφείς χρησιμοποιούν τη μέθοδο της υδροδυναμικής αναλογίας για την ανάλυση θερμικών διεργασιών, η οποία είναι προφανώς εντελώς απαράδεκτη υπό συνθήκες διαχωρισμένων ροών. . Οι πιο αποτελεσματικές μέθοδοι εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας είναι αυτές που λαμβάνουν πλήρως υπόψη τα χαρακτηριστικά της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή και για αυτό είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τη δομή της ροής στην οποία πρέπει να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας. 3. Αναλυτική και πειραματική μελέτη της δομής του οριακού στρώματος Βασικές αρχές της θεωρίας της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή. Η μεταφορά θερμότητας μεταξύ ενός κινούμενου μέσου και της διεπαφής του με ένα άλλο μέσο (στερεό, υγρό ή αέριο), όπως ήδη αναφέρθηκε, ονομάζεται μεταφορά θερμότητας. Η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας ονομάζεται ακίνητη εάν το πεδίο θερμοκρασίας στο υγρό δεν εξαρτάται από το χρόνο και μη στάσιμη εάν η κατανομή θερμοκρασίας στη ροή εξαρτάται από το χρόνο. Ανάλογα με την αιτία της κίνησης ενός ρευστού, διακρίνονται η ελεύθερη (φυσική) συναγωγή και η εξαναγκασμένη μεταφορά. Η ελεύθερη (φυσική) συναγωγή είναι μια μεταφορά θερμότητας κατά τη διάρκεια της κίνησης ενός ρευστού υπό την επίδραση ενός ανομοιογενούς πεδίου δυνάμεων του σώματος (βαρυτική, μαγνητική, ηλεκτρική). Η εξαναγκασμένη συναγωγή είναι μια μεταφορά θερμότητας κατά τη διάρκεια της κίνησης ενός ρευστού υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων που ασκούνται στο ρευστό μέσα στο σύστημα ή λόγω της κινητικής ενέργειας που προσδίδεται στο ρευστό έξω από το σύστημα (αντλία, ανεμιστήρας, αεροσκάφος). Είναι γνωστό από την υδροδυναμική ότι υπάρχουν δύο τρόποι ροής ρευστού: η στρωτή και η τυρβώδης. Σε μια στρωτή ροή, τα σωματίδια ρευστού ακολουθούν καλά καθορισμένες τροχιές στη ροή, διατηρώντας συνεχώς την κίνηση προς την κατεύθυνση του διανύσματος μέσης ταχύτητας ροής και οι τυχαίες διαταραχές που προκύπτουν στη ροή εξαφανίζονται γρήγορα. Σε μια τυρβώδη ροή, εμφανίζονται παλμοί ταχύτητας στη ροή, μεμονωμένοι όγκοι υγρού αρχίζουν να κινούνται κατά μήκος της ροής, προκαλώντας έντονη ανάμειξη του υγρού και, ως αποτέλεσμα, αυτό οδηγεί σε σημαντική εντατικοποίηση των μεταβολικών διεργασιών (μεταφορά θερμότητας - θερμότητας, ουσίες - μεταφορά μάζας). Το κύριο καθήκον της θεωρίας της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή είναι να δημιουργήσει μια σχέση μεταξύ της πυκνότητας ροής θερμότητας στην επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας, της θερμοκρασίας αυτής της επιφάνειας και της θερμοκρασίας του υγρού, με άλλα λόγια, ο προσδιορισμός του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας, και η εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή ορίζεται ως οποιαδήποτε επίδραση στη ροή, που οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Για την απόκτηση ποσοτικών προτύπων των υπό μελέτη διαδικασιών, χρησιμοποιούνται δύο μέθοδοι έρευνας. Η πρώτη μέθοδος βασίζεται στην πειραματική μελέτη μιας συγκεκριμένης διαδικασίας. Η πειραματική μελέτη πολλών πολύπλοκων φαινομένων, που εξαρτώνται από μεγάλο αριθμό επιμέρους παραγόντων, είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο εγχείρημα. Επομένως, κατά τη δημιουργία ενός πειράματος, εκτός από μια λεπτομερή μελέτη της υπό εξέταση διαδικασίας, το καθήκον είναι πάντα η λήψη δεδομένων για τον υπολογισμό άλλων διαδικασιών που σχετίζονται με την υπό μελέτη διαδικασία. Ένα από τα μέσα επίλυσης ενός τέτοιου προβλήματος είναι η θεωρία της ομοιότητας, η οποία καθιστά δυνατή την επεξεργασία και τη γενίκευση των αποτελεσμάτων των πειραμάτων έτσι ώστε να μπορούν να μεταφερθούν από ένα μοντέλο σε ένα δείγμα πλήρους κλίμακας, σε άλλες αρχικές περιπτώσεις. Η θεωρία της ομοιότητας καθορίζει τις προϋποθέσεις για την ομοιότητα των φυσικών φαινομένων και δίνει τους κανόνες για την ορθολογική συσχέτιση φυσικών μεγεθών σε αδιάστατα σύμπλοκα (κριτήρια ομοιότητας), ο αριθμός των οποίων είναι σημαντικά μικρότερος από τον αριθμό των ποσοτήτων από τις οποίες αποτελούνται. Αυτά τα συμπλέγματα αντανακλούν την κοινή επίδραση του συνόλου των φυσικών μεγεθών στο φαινόμενο και μπορούν να θεωρηθούν ως νέες γενικευμένες μεταβλητές. Η μείωση του αριθμού των μεταβλητών και η χρήση τους σε σύνθετη μορφή απλοποιεί πολύ το πείραμα και τη γενίκευση των αποτελεσμάτων του. Τέτοιες διεργασίες έχουν την ίδια φυσική φύση και περιγράφονται από τις ίδιες βασικές εξισώσεις και παρόμοιες συνθήκες μοναδικότητας και έχουν επίσης αριθμητικά ίσα καθοριστικά κριτήρια ομοιότητας με το ίδιο όνομα. Τα κριτήρια ομοιότητας, που περιλαμβάνουν τις επιθυμητές τιμές, ονομάζονται προσδιορισμένα. Τα κριτήρια ομοιότητας, τα οποία αποτελούνται από τιμές που περιλαμβάνονται στη συνθήκη μοναδικότητας, ονομάζονται καθοριστικά. Μπορούν να υπολογιστούν όταν διατυπωθεί το πρόβλημα, χωρίς τη λύση του ή την πειραματική μελέτη. Τα κριτήρια ομοιότητας έχουν μια ορισμένη φυσική σημασία και εκφράζουν την αναλογία των κλιμάκων δύο συγκεκριμένων επιδράσεων που είναι απαραίτητα για το φαινόμενο. Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιούνται τα ακόλουθα κριτήρια ομοιότητας. 1. Αριθμός Stanton St = α ρu∞ C p ή St = qst, ρu∞ C p (T∞ − Tst) όπου C p είναι η θερμοχωρητικότητα του υγρού στο P = const, J/(kg ⋅ K); ρ είναι η πυκνότητα του υγρού, kg/m3. u∞ είναι η ταχύτητα του ρευστού στο εξωτερικό όριο του οριακού στρώματος, m/s. T∞ είναι η θερμοκρασία του υγρού στο εξωτερικό όριο του οριακού στρώματος, K; Tst είναι η θερμοκρασία τοιχώματος, K. Ο αριθμός Stanton είναι ο λόγος της ροής θερμότητας στο τοίχωμα qst προς τη ροή μεταφοράς που μπορεί να μεταφερθεί από τη ροή του ρευστού όταν η θερμοκρασία του μειωθεί από T∞ σε Tst. 2. Αριθμός Prandtl Pr = ν , α όπου ν είναι το κινηματικό ιξώδες του υγρού, m2/s. α είναι ο συντελεστής θερμικής διάχυσης, m2/s. Ο αριθμός Prandtl χαρακτηρίζει την αναλογία μεταξύ του ρυθμού ανταλλαγής μηχανικής ενέργειας σε μια ροή ρευστού και του ρυθμού ανταλλαγής θερμικής ενέργειας ή την ικανότητα ενός ρευστού να μεταφέρει θερμότητα. Ο αριθμός Prandtl περιέχει μόνο τις φυσικές παραμέτρους του μέσου, επομένως είναι μια αδιάστατη φυσική παράμετρος. 3. Αριθμός Reynolds Re = u∞ l , ν όπου l είναι το χαρακτηριστικό μήκος, m. Ο αριθμός Reynolds εκφράζει την αναλογία μεταξύ της αδρανειακής δύναμης και της εσωτερικής δύναμης τριβής. Σε μια ορισμένη κρίσιμη τιμή του αριθμού Reynolds, η στρωτή ροή του υγρού μετατρέπεται σε τυρβώδη, η οποία επηρεάζει σημαντικά την ένταση της μεταφοράς θερμότητας και την αντίσταση. Επομένως, ο αριθμός Reynolds είναι ένα από τα κύρια κριτήρια καθορισμού στη θεωρία της μεταφοράς θερμότητας. 4. Συντελεστής έλξης Cf /2 = τ st ρ∞ u∞2 . Ο συντελεστής οπισθέλκουσας είναι ο λόγος της τάσης τριβής στον τοίχο τst προς την κεφαλή ταχύτητας. Η δεύτερη μέθοδος για τη λήψη ποσοτικών προτύπων στις υπό μελέτη διεργασίες είναι μια μέθοδος που βασίζεται στην επίλυση ενός συστήματος εξισώσεων που περιγράφουν το υπό μελέτη φαινόμενο. Στην περίπτωση μιας επίπεδης σταθερής ροής ενός συμπιεστού ρευστού, μπορούν να γραφούν οι ακόλουθες διαφορικές εξισώσεις της θεωρίας της συναγωγής μεταφοράς θερμότητας: η εξίσωση συνέχειας ∂ ∂ (ρ u) + (ρv) = 0; ∂x ∂y (5) εξίσωση κίνησης ⎥ + ⎢μ ⎥ ; 6 ∂u ⎞ ⎤ ∂ ⎡ ⎛ ∂u ∂v ⎞ ⎤ +v ⎟ =− + − + ρ⎜u ⎢μ 2 ⎥ + ⎢μ ⎥ ; (7) ∂y ⎠ ∂y 3 ∂y ⎣ ⎜⎝ ∂y ∂x ⎟⎠ ⎦ ∂x ⎣ ⎜⎝ ∂ y ∂x ⎟⎠ ⎜ ⎈ ⎫ ⎢ ⎫ ∂ ∂ P ∂ ⎛ ∂T ⎞ ∂ ⎛ ∂ T ⎞ C T) + v (C T) ⎥ − u − v = ⎜ λ ⎟ + ⎜ λ ⎟ − ⎪ ⎜ ⎟ − ⎪ ( . ⎜ + 3 ⎝ ∂ x ∂y ⎠ ∂x ⎠ αι ∂ ⎠ ∂y ∂x ⎠ 2 ⎣ 2⎤ ⎦ 2 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ όπου u και v είναι οι διαμήκεις και κατακόρυφες συνιστώσες του διανύσματος ταχύτητας, αντίστοιχα. Το σύστημα των εξισώσεων (5)–(8) επιλύεται από κοινού με την εξίσωση της κατάστασης, τις εξαρτήσεις των φυσικών παραμέτρων από τις παραμέτρους κατάστασης και την συνθήκες μοναδικότητας. Για να ξεχωρίσουμε μια συγκεκριμένη διαδικασία από έναν άπειρο αριθμό διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή, είναι απαραίτητο να διατυπωθούν συνθήκες μοναδικότητας που περιέχουν γεωμετρικές, φυσικές, αρχικές και οριακές συνθήκες. Οι γεωμετρικές συνθήκες καθορίζουν το σχήμα και τις διαστάσεις ενός στερεού σώματος, η επιφάνεια της οποίας θα πρέπει να προσδιοριστούν οι παράμετροι q ή T. Ορισμένες συνθήκες καθορίζουν τις αριθμητικές τιμές των φυσικών παραμέτρων του υγρού μ, ρ, Σρ, λ, καθώς και τις εσωτερικές πηγές θερμότητας στη ροή του υγρού. Οι αρχικές συνθήκες δίνονται με τη μορφή της αρχικής κατανομής θερμοκρασιών και ταχυτήτων. Οι οριακές συνθήκες καθορίζουν τις συνθήκες στις επιφάνειες ανταλλαγής θερμότητας και στα όρια ροής. Η οριζόντια συνιστώσα της ταχύτητας στην επιφάνεια θέρμανσης λαμβάνεται ίση με μηδέν (η κατάσταση του υγρού που κολλάει στον τοίχο). Το στοιχείο κατακόρυφης ταχύτητας στην επιφάνεια θέρμανσης στη γενική περίπτωση μπορεί να είναι μια μη μηδενική καθορισμένη τιμή. Οι θερμικές οριακές συνθήκες περιλαμβάνουν συνήθως τη ρύθμιση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια θέρμανσης ή τις ροές θερμότητας. Υπάρχουν τρεις τρόποι για τον καθορισμό των θερμικών οριακών συνθηκών. Κάτω από την οριακή συνθήκη του πρώτου είδους, δίνεται η κατανομή θερμοκρασίας στην επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας. Κάτω από την οριακή συνθήκη του δεύτερου είδους, η κατανομή της ειδικής ροής θερμότητας στην επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας είναι γνωστή. 23 Πνευματικά δικαιώματα OJSC Central Design Bureau BIBCOM & LLC Agency Kniga-Service Boundary condition τύπου III συνδέει τη θερμοκρασία της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος μέσω μιας δεδομένης τιμής του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας από τον τοίχο σε αυτό το μέσο. Η αναλυτική λύση του πλήρους συστήματος των διαφορικών εξισώσεων (5) - (8) συνδέεται με εξαιρετικά μεγάλες μαθηματικές δυσκολίες και είναι δυνατή μόνο για ορισμένες ειδικές περιπτώσεις. Επομένως, το 1904, ο L. Prandtl πρότεινε να απλοποιηθεί το πλήρες σύστημα των διαφορικών εξισώσεων (5) - (8). Όταν ένα παχύρρευστο ρευστό με υψηλούς αριθμούς Reynolds κινείται, η επίδραση του ιξώδους εκδηλώνεται διαφορετικά στην άμεση γειτνίαση της βελτιωμένης επιφάνειας και μακριά από αυτήν. Κοντά στην επιφάνεια, λόγω της πρόσφυσης του υγρού στο στερεό τοίχωμα, προκύπτουν σημαντικές διαβαθμίσεις εγκάρσιας ταχύτητας. Με την απόσταση από τον τοίχο, η αλλαγή της διαμήκους ταχύτητας κατά μήκος της κανονικής προς την επιφάνεια του σώματος μειώνεται: η δράση των ιξωδών δυνάμεων γίνεται εξαφανιστικά μικρή ήδη σε σχετικά μικρή απόσταση από τον τοίχο. Επομένως, όταν ένα ρευστό κινείται με μεγάλους αριθμούς Reynolds, ολόκληρη η ροή μπορεί να χωριστεί σε δύο περιοχές: την περιοχή του οριακού στρώματος, όπου η επίδραση του ιξώδους είναι σημαντική και την εξωτερική περιοχή της δυνητικής ροής, όπου η επίδραση του ιξώδους είναι πολύ μικρή. . Μια τέτοια διαίρεση της ροής στο οριακό στρώμα και στην εξωτερική ροή απλοποιεί σημαντικά το πρόβλημα, καθώς επιτρέπει την εξέταση καθεμιάς από τις περιοχές ροής ξεχωριστά με επακόλουθη συγχώνευση των λυμάτων που λαμβάνονται. Επιπλέον, υπό αυτές τις συνθήκες, οι αδρανειακές δυνάμεις στην εξωτερική ροή υπερισχύουν των δυνάμεων της ιξώδους τριβής και επομένως οι εξισώσεις ενός ιδανικού ρευστού μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την περιγραφή της κίνησης. Η μαθηματική περιγραφή της κίνησης του ρευστού στο οριακό στρώμα είναι επίσης απλοποιημένη. Το στρώμα ρευστού δίπλα στον τοίχο, στο οποίο η ταχύτητα κυμαίνεται από μηδέν στον τοίχο έως κάποια σταθερή τιμή στην ελεύθερη ροή, ονομάζεται δυναμικό οριακό στρώμα. Εάν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ της ροής του ρευστού και της επιφάνειας του σώματος, τότε σχηματίζεται ένα θερμικό οριακό στρώμα κοντά στην επιφάνεια του εξορθολογισμένου σώματος, δηλαδή μια περιοχή σε άμεση γειτνίαση με τον τοίχο στην οποία η θερμοκρασία αλλάζει από τις τιμές στον τοίχο στην αντίστοιχη τιμή στην εξωτερική ροή. Στο οριακό στρώμα, η ταχύτητα ή η θερμοκρασία προσεγγίζουν ασυμπτωτικά τις αντίστοιχες τιμές στη δυναμική ροή, επομένως, ως πάχος του οριακού στρώματος, λαμβάνεται η απόσταση κατά μήκος της κανονικής προς την επιφάνεια στην οποία η ταχύτητα ή η διαφορά θερμοκρασιών ροής και οι θερμοκρασίες του τοίχου διαφέρουν κατά 1% από τις αντίστοιχες τιμές στην εξωτερική ροή (Εικ. ένας). Παρά το ασήμαντο πάχος του σε σύγκριση με τις χαρακτηριστικές εξωτερικές διαστάσεις ενός εξορθολογισμένου σώματος, το όριο Εικ. 1. Το οριακό στρώμα παίζει τον κύριο ρόλο στις διαδικασίες δυναμικής και θερμικής αλληλεπίδρασης της ροής του ρευστού με την επιφάνεια. Όλες οι υδροδυναμικές και θερμικές αντιστάσεις συγκεντρώνονται στο οριακό στρώμα. Ως εκ τούτου, προκειμένου να ενταθεί η μεταφορά θερμότητας, που οδηγεί σε μια υπερβολική αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας σε σύγκριση με τον συντελεστή αντίστασης, είναι απαραίτητο να έχουμε καλή κατανόηση της δομής του οριακού στρώματος. Αν κάνουμε μια συγκριτική εκτίμηση των όρων του συστήματος των διαφορικών εξισώσεων (5) - (8) σύμφωνα με τις παραδοχές του L. Prandtl (ότι οι εγκάρσιες διαστάσεις και οι ταχύτητες στο οριακό στρώμα είναι μικρές σε σύγκριση με τις διαμήκεις) και απορρίψτε τους όρους της δεύτερης τάξης της μικρότητας, μπορούμε να λάβουμε κατά προσέγγιση διαφορικές εξισώσεις δυναμικό και θερμικό οριακό στρώμα. Για την περίπτωση ενός επίπεδου σταθερού οριακού στρώματος, το σύστημα των διαφορικών εξισώσεων παίρνει την ακόλουθη μορφή: η εξίσωση συνέχειας ∂ ∂ (ρu) + (ρv) = 0; ∂x ∂y (9) y ⎠ ∂x ∂y ⎜⎝ ∂y ⎟⎠ ⎝ ∂x (10) ∂P = 0; ∂y (11) εξίσωση ενέργειας 2 ⎡ ∂ ⎤ ⎛ ∂u ⎞ ∂ ∂P ∂ ⎛ ∂T ⎞ ρ ⎢u C pT + v C pT ⎥ − u = ⎜ μ ⎜ ⎜ ⎜. ∂y ∂x ∂y ⎝ ∂y ⎠ ⎝ ∂y ⎠ ⎣ ∂x ⎦ ( ) ( ) κλειστά. Μια ανάλυση των εξισώσεων (9) - (12) καθιστά δυνατή την ανίχνευση της ομοιότητας μεταξύ των κατανομών ταχύτητας και θερμοκρασίας στο οριακό στρώμα όταν μια ασυμπίεστη ροή ρευστού με σταθερές φυσικές ιδιότητες ρέει γύρω από μια επίπεδη αδιαπέραστη πλάκα εάν ο αριθμός Prandtl είναι ίσος με ένας. Στην περίπτωση αυτή, οι εξισώσεις του δυναμικού και του θερμικού οριακού στρώματος θα συμπίπτουν και, κατά συνέπεια, οι κατανομές των ταχυτήτων και των θερμοκρασιών στο οριακό στρώμα θα συμπίπτουν επίσης: Т − Т st u = . u∞ T ∞ − T st Αυτό το αποτέλεσμα έχει μεγάλη πρακτική σημασία, αφού για τα περισσότερα αέρια οι αριθμοί Prandtl είναι κοντά στη μονάδα. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί κανείς να καταλήξει σε ένα σημαντικό συμπέρασμα σχετικά με την αναλογία στις διαδικασίες ορμής και μεταφοράς θερμότητας (αναλογία Reynolds): Сƒ /2 = St. (13) Αυτή η αναλογία διατηρείται επίσης για το Pr ≠ 1. Στην περίπτωση μιας ασυμπίεστης ροής ρευστού με σταθερές φυσικές ιδιότητες, οι εξισώσεις δυναμικού οριακού στρώματος επιλύονται ανεξάρτητα από τις εξισώσεις του θερμικού οριακού στρώματος. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι το σύστημα διαφορικών εξισώσεων του οριακού στρώματος (9) - (12) είναι απλούστερο από το αντίστοιχο σύστημα πλήρων διαφορικών εξισώσεων (5) - (8), η ακριβής λύση των εξισώσεων (9) - ( 12) είναι δυνατή μόνο για έναν πολύ περιορισμένο αριθμό νόμων εκχώρησης ταχύτητας εξωτερικής ροής, όταν οι μερικές διαφορικές εξισώσεις του οριακού στρώματος μπορούν να αναχθούν σε συνηθισμένες διαφορικές εξισώσεις. Από αυτή την άποψη, μεγάλη σημασία αποκτούν κατά προσέγγιση μέθοδοι επίλυσης διαφορικών εξισώσεων του οριακού στρώματος, που βασίζονται στη χρήση ολοκληρωτικών σχέσεων μεταξύ ροπής και ενέργειας. Η προσέγγιση αυτών των μεθόδων έγκειται στην άρνηση να ικανοποιηθούν οι διαφορικές εξισώσεις για κάθε τιμή της εγκάρσιας συντεταγμένης του οριακού στρώματος. Στις ολοκληρωμένες μεθόδους για την επίλυση των εξισώσεων του οριακού στρώματος, ισχύουν μόνο κατά μέσο όρο για το πάχος του οριακού στρώματος όταν ικανοποιούνται οι οριακές συνθήκες τόσο στον τοίχο όσο και στο εξωτερικό όριο. Ολοκληρωμένες εξισώσεις ορμής και ενέργειας λαμβάνονται από διαφορικές εξισώσεις κίνησης, συνέχειας και ενέργειας (9) - (12) με την ολοκλήρωσή τους στο πάχος του οριακού στρώματος και εκφράζουν το νόμο διατήρησης της ορμής και της ενέργειας για ολόκληρο το τμήμα του οριακό στρώμα. Για την περίπτωση ενός επίπεδου σταθερού οριακού στρώματος, οι ολοκληρωτικές σχέσεις ροπής και ενέργειας έχουν τη μορφή ∗ + 1 − M ∞2 ⎥ = St, t ⎢ dx u∞ dx ⎣ ΔT∞ dx ⎦ (15) όπου η παράμετρος μορφή του το οριακό στρώμα είναι H = δ*/δ**; πάχος απώλειας ορμής ∞ ρu ⎛ u ⎞ 1− ⎜ ⎟⎠ dy; ρ u u ⎝ ∞ ∞ ∞ 0 δ∗∗ = ∫ (16) ⎝ u∞ ⎠ 0 (17) παράμετρος σχήματος που χαρακτηρίζει την αεροδυναμική καμπυλότητα ροής, f = δ∗∗ du∞ ; u∞ dx Αριθμός Mach M = u∞ /а; πάχος απώλειας ενέργειας δ∗∗ t ∞ T − T st ⎞ ρu ⎛ 1− dy; ⎜ ρ u ⎝ Т ∞ − Т st ⎟⎠ 0 ∞ ∞ =∫ (18) διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ροής και τοίχου ΔΤ = Т – Тst. Το ανώτερο όριο ολοκλήρωσης στις παραστάσεις για τις παραμέτρους δ και δ∗∗ (16) - (17) και στην έκφραση για δ∗∗ t (18) μπορεί να αντικατασταθεί από το πάχος του δυναμικού και του θερμικού οριακού στρώματος, αντίστοιχα , και δεν θα εισαχθούν σημαντικά σφάλματα στον υπολογισμό. Οι ποσότητες δ∗ , δ∗∗ και δ∗∗ t είναι σημαντικά υπολογισμένα χαρακτηριστικά του οριακού στρώματος. Το πάχος μετατόπισης, όπως προκύπτει από το στρώμα ισότητας λόγω της επίδρασης πέδησης των δυνάμεων τριβής κατά τη ροή ενός πραγματικού ρευστού. Όπως φαίνεται στο σχ. 2, το πάχος μετατόπισης δ∗, σε αντίθεση με το πάχος του οριακού στρώματος δ, είναι μια αρκετά καθορισμένη τιμή. Η έκφραση για το πάχος απώλειας ορμής δ∗∗ (16) μπορεί να γραφτεί ως ∞ ρ∞ u∞2 δ∗∗ = ∫ ρ u (u∞ − u)dy. 0 Κατ' αναλογία με το πάχος μετατόπισης, είναι δυνατός ο προσδιορισμός του πάχους απώλειας ορμής δ∗∗ ως τμήμα μέσω του οποίου, κατά τη διάρκεια της ροής 2. Προσδιορίζοντας το πάχος μετατόπισης δ* ενός ιδανικού ρευστού, θα περνούσε μια δεύτερη ορμή, ίση με την απώλεια ορμής στο τμήμα της οριακής στρώσης λόγω της επίδρασης πέδησης των δυνάμεων τριβής. Για να προσδιορίσουμε το πάχος της απώλειας ενέργειας, ξαναγράφουμε την έκφραση (18) με την ακόλουθη μορφή (Εικ. 3): = ∫ ρu (T − Tst) dy. 0 Τότε το πάχος της απώλειας ενέργειας μπορεί να οριστεί ως ένα τμήμα από το οποίο θα περνούσε μια δεύτερη ποσότητα ενέργειας κατά τη ροή ενός ιδανικού ρευστού με διαφορά θερμοκρασίας (T∞ − Tst), Εικ. 3. Προσδιορισμός του πάχους απώλειας ενέργειας δ∗∗ t ίσο με την απώλεια ενέργειας στη διατομή του οριακού στρώματος κατά τη ροή ενός πραγματικού ρευστού. Η ευκολία χρήσης των παραμέτρων δ∗ , δ∗∗ και δ∗∗ t ως κλίμακες έγκειται στο γεγονός ότι, σε αντίθεση με τα πάχη του οριακού στρώματος δ και δt, τα ακέραια πάχη δεν σχετίζονται με αναπαραστάσεις του οριακού στρώματος του πεπερασμένου πάχος. Σε αυτή την περίπτωση, η δομή της εξίσωσης ενέργειας και ορμής (13) και (14) δείχνει ότι οι ποσότητες δ∗∗ και δ∗∗ t έχουν τη μεγαλύτερη σημασία. Επομένως, είναι βολικό να κατασκευαστούν οι χαρακτηριστικοί αριθμοί Reynolds του τα δυναμικά και θερμικά οριακά στρώματα από τα προαναφερθέντα πάχη: Re∗∗ = u∞ δ∗∗ ; ν∞ Re∗∗ t = u∞ δ∗∗ t. ν∞ Εισάγοντας τις στις ολοκληρωτικές εξισώσεις (14) και (15) αντί για απώλεια ορμής και ενέργειας μετά από απλούς μετασχηματισμούς, παίρνουμε: Book-Service» ⎛ Cf dRe∗ ∗ + f (1 + H) Re L = ⎜ dX ⎝ 2 ⎞ ⎟⎠ Re L ; (19) Re∗∗ dΔT∞ dRe∗∗ t + t = StRe L . ΔT∞ dX dX u∞ L – ν ο αριθμός Reynolds που κατασκευάζεται από την τοπική τιμή της ταχύτητας στο εξωτερικό όριο του οριακού στρώματος και το χαρακτηριστικό μέγεθος L της βελτιωμένης επιφάνειας. ΔT∞ = T∞ - Tst - διαφορά θερμοκρασίας. Οι εξισώσεις (14) και (15) ελήφθησαν χωρίς υποθέσεις σχετικά με τη φύση της ροής ρευστού στο οριακό στρώμα. Επομένως, ισχύουν τόσο για στρωτά όσο και για τυρβώδη οριακά στρώματα. Οι ολοκληρωτικές σχέσεις (14) και (15) μπορούν να λυθούν εάν είναι γνωστοί οι λεγόμενοι νόμοι της τριβής και της μεταφοράς θερμότητας, οι οποίοι στη γενική περίπτωση μπορούν να αναπαρασταθούν ως Εδώ X = x/L είναι η αδιάστατη διαμήκης συντεταγμένη. Re L = () ~ f = f Re∗∗ ; φά; M0; Tst /T ∞ ; . ..; () St = f Re** st; 1/ ∆T∞ ; dΔT∞ / dx; M0; Tst /T ∞ ; .... Η μορφή αυτών των συναρτήσεων εξαρτάται κυρίως από το καθεστώς ροής ρευστού στο οριακό στρώμα. Για τη στρωτή ροή, οι νόμοι της τριβής και της μεταφοράς θερμότητας μπορούν να ληφθούν αναλυτικά υπό ορισμένες οριακές συνθήκες. Για ένα καθεστώς τυρβώδους ροής, οι νόμοι της τριβής και της μεταφοράς θερμότητας λαμβάνονται με βάση ημι-εμπειρικές θεωρίες αναταράξεων με τη συμμετοχή πειραματικών δεδομένων. Όπως φαίνεται από πολλά πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν από διαφορετικούς συγγραφείς, οι νόμοι της τριβής και της μεταφοράς θερμότητας είναι συντηρητικοί όταν αλλάζουν οι οριακές συνθήκες. Ως εκ τούτου, οι εξαρτήσεις που προκύπτουν για «τυποποιημένες» συνθήκες, δηλαδή για την περίπτωση μιας ροής ασυμπίεστου ρευστού χωρίς κλίση γύρω από μια πλάκα με σταθερή θερμοκρασία στον τοίχο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάτω από πιο περίπλοκες συνθήκες. 31 Πνευματικά δικαιώματα OJSC Central Design Bureau BIBCOM & OOO Agency Kniga-Service Όλη η ποικιλία των οριακών συνθηκών λαμβάνεται πλήρως υπόψη κατά την ενσωμάτωση των εξισώσεων ορμής και ενέργειας. Μεταφορά θερμότητας και τριβή σε στρωτή οριακή στρώση. Για μια επίπεδη αδιαπέραστη πλάκα που ρέει από μια σταθερή ασυμπίεστη ροή ρευστού με σταθερές φυσικές ιδιότητες σε σταθερή θερμοκρασία της επιφάνειας της πλάκας, η ολοκληρωτική ορμή και οι σχέσεις ενέργειας (14) και (15) παίρνουν τη μορφή dδ∗∗/dx = Сƒ0/2 ; dRe∗∗/ dRex = Cƒ0/2; (20) dδt∗∗/dx = St0; (21) dRet∗∗/ dRex = St0. Για πρώτη φορά τη λύση του δυναμικού προβλήματος για αυτή την περίπτωση βρήκε ο Blasius. Ως αποτέλεσμα της ακριβούς λύσης των εξισώσεων (5) - (8), έλαβε μια έκφραση για την κατανομή της τοπικής τιμής του συντελεστή τριβής κατά μήκος της πλάκας στη γραμμή μορφής 1 στο σχήμα 4) με τη μορφή C f0 = 0,44 Re∗∗ (23) . Μια παρόμοια λύση της εξίσωσης ενέργειας δίνει την εξάρτηση του αριθμού Stanton από τον αριθμό Reynolds, χτισμένο κατά μήκος της διαμήκους συντεταγμένης, με τη μορφή St 0 = 0,332 Re x 3 Pr 2 . (24) Αντικαθιστώντας το (24) στο (20) και υποθέτοντας ότι το οριακό στρώμα αναπτύσσεται από το πρόσθιο άκρο της πλάκας, μετά την ολοκλήρωση λαμβάνουμε Re∗∗ t = 32 0,664 Pr 2/3 Re x . (25) Copyright JSC "Central Design Bureau "BIBCOM" & LLC "Agency Book-Service" Εικ. Εικ. 4. Νόμοι της τριβής στο οριακό στρώμα σε μια επίπεδη πλάκα. Εικ. 5. Νόμοι της μεταφοράς θερμότητας στο οριακό στρώμα σε μια επίπεδη πλάκα 33 Copyright JSC "Central Design Bureau "BIBCOM" & LLC "Agency Kniga-Service" Αντικαθιστώντας το (25) στο (24), λαμβάνουμε το νόμο της μεταφοράς θερμότητας σε μια επίπεδη πλάκα (γραμμή 1 στο Σχ. 5) St 0 = 0,22. 1/3 Re∗∗ t Pr (26) Επιπλέον, όταν τα προφίλ ταχύτητας και θερμοκρασίας αντιπροσωπεύονται ως εκθετική συνάρτηση, έχουν τη μορφή u/u∞ = (y/δ)n, ΔT/ΔT∞ = (y /δт)n , όπου n = 1/2 για ένα στρωτό οριακό στρώμα. Μεταφορά θερμότητας και τριβή σε ένα τυρβώδες οριακό στρώμα και η δομή του. Όπως είναι γνωστό, η μετάβαση από ένα καθεστώς στρωτής ροής σε ένα τυρβώδες συμβαίνει σε μια ορισμένη τιμή του αριθμού Reynolds, που ονομάζεται κρίσιμη. Σε αριθμούς Reynolds που υπερβαίνουν τις κρίσιμες τιμές, η στρωτή ροή γίνεται ασταθής σε μικρές διαταραχές και περνά σε τυρβώδη ροή. Η στρωτή ή σαν πίδακας δομή της ροής εξαφανίζεται εντελώς, οι τυρβώδεις δίνες σχηματίζονται και αποσυντίθενται, και η ταχύτητα σε οποιοδήποτε σημείο της ροής αλλάζει χρονικά τόσο σε μέγεθος όσο και σε κατεύθυνση. Από την άποψη της ροής των διεργασιών ανταλλαγής, η πιο σημαντική περίσταση είναι ότι σε αυτή την περίπτωση η μεταφορά ορμής, θερμότητας και ύλης κατά μήκος της κύριας ροής εντείνεται σημαντικά. Με βάση πολυάριθμα πειράματα, έχει διαπιστωθεί ότι στο οριακό στρώμα ο κρίσιμος αριθμός Reynolds εξαρτάται από πολλούς παράγοντες: από την αλλαγή της πίεσης στο εξωτερικό όριο του οριακού στρώματος, τον βαθμό αναταράξεων της εξωτερικής ροής, την κατάσταση του Η επιφάνεια, η θέρμανσή της, κ.λπ. Έτσι, σε μια πλάκα με μια αιχμηρή πρόσθια ακμή , που φουσκώνεται από τη ροή του αέρα, η μετάβαση της στρωτής μορφής της ροής στην τυρβώδη συμβαίνει σε απόσταση x από την πρόσθια ακμή, που καθορίζεται από το Η θεωρία κίνησης ρευστού ισότητας της τυρβώδους ροής εξακολουθεί να είναι σε μη ικανοποιητική κατάσταση. Ωστόσο, παρόλα αυτά, με τη στατιστική προσέγγιση, η κίνηση ενός ρευστού δεν στερείται κάποιου βαθμού τάξης. Στη στατιστική ανάλυση, εγκαταλείπονται οι προσπάθειες παρακολούθησης της κίνησης μεμονωμένων σωματιδίων ρευστού και, κατά συνέπεια, οι προσπάθειες προσδιορισμού της τυρβώδους εφαπτομένης από τις εξισώσεις κίνησης των μεμονωμένων σωματιδίων και η εστίαση στη συσχέτιση των σειρών πειραματικών τιμών που χαρακτηρίζουν την τυρβώδη ροή. . Μόνο μερικά χαρακτηριστικά μιας τυρβώδους ροής μπορούν να προσδιοριστούν αναλυτικά (για παράδειγμα, το πάχος ενός τυρβώδους οριακού στρώματος στην εξωτερική επιφάνεια ενός σώματος). Όλα τα συμπεράσματά μας σχετικά με τις τυρβώδεις ροές θα είναι περιορισμένα λόγω των συνθηκών πειραματικών παρατηρήσεων και μετρήσεων. Αρχικά, θα προσπαθήσουμε να περιγράψουμε μια τυρβώδη ροή (ή ένα τυρβώδες οριακό στρώμα) ποιοτικά και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα απλό μοντέλο ανταλλαγής τυρβώδους ορμής και πειραματικά δεδομένα, θα προχωρήσουμε στα ποσοτικά χαρακτηριστικά. Στο σχ. Το 6 δείχνει μερικά από τα φαινόμενα που παρατηρούνται σε ένα τυρβώδες οριακό στρώμα. Στην περιοχή αμέσως δίπλα στο 6. Τυρβώδης ροή κοντά στον τοίχο, που ρέει προς τον τοίχο, η κίνηση του ρευστού είναι κυρίως στρωτή και η ταχύτητα αυξάνεται απότομα. Κάπως πιο μακριά από τον τοίχο, η ροή γίνεται ασταθής και τελικά φτάνει σε μια περιοχή όπου ολόκληρη η ροή εμπλέκεται σε τυρβώδη κίνηση. Μέσα από πειραματικές μελέτες, διαπιστώθηκε ότι η στρωτή περιοχή δεν είναι εντελώς αδιατάρακτη. Τα σχετικά μεγάλα ρευστά στοιχεία δίπλα στον τοίχο, με χαμηλή ταχύτητα, αποσπώνται περιοδικά από την επιφάνεια και κινούνται περίπου κατά μήκος της τροχιάς που φαίνεται στο Σχ. 6. Μπαίνοντας σε μια ανεπτυγμένη ταραγμένη περιοχή, καταστρέφονται, γεγονός που οδηγεί σε ένα χαρακτηριστικό πρότυπο διάχυσης των στροβιλισμών. Ο μηχανισμός αυτού του φαινομένου δεν είναι ακόμη εντελώς ξεκάθαρος, αλλά πιθανότατα είναι συνέπεια της αστάθειας του ρευστού στην στρωτή περιοχή. Είναι επίσης σαφές ότι το στοιχείο του ρευστού που αποσπάται από την επιφάνεια αντικαθίσταται από ένα ρευστό με υψηλότερη ενέργεια που ρέει από μια περιοχή απομακρυσμένη από την επιφάνεια. Προφανώς, είναι αυτό το υγρό που φέρνει την απαραίτητη ενέργεια για να διαχωριστεί το υγρό στοιχείο από την επιφάνεια. Σε κάθε περίπτωση, στον πυρήνα της ροής δημιουργούνται και διατηρούνται αναταράξεις από ρευστά στοιχεία που προέρχονται από τον τοίχο. Εμφανίζεται στο σχ. 6 φαινόμενα συμβαίνουν σχετικά κοντά στον τοίχο. Είναι πολύ πιθανό ότι η μέση χρονική τοπική ταχύτητα σε αυτή την περιοχή εξαρτάται κυρίως από τις συνθήκες σε ένα δεδομένο σημείο και την άμεση γειτνίασή του και δεν εξαρτάται σημαντικά, για παράδειγμα, από την απόσταση από το απέναντι τοίχωμα του καναλιού ή από το σχήμα της διατομής του. Επομένως, τα μεγέθη από τα οποία μπορεί να εξαρτάται η μέση χρονική ταχύτητα και τα οποία μπορούν να μετρηθούν στο πείραμα είναι η απόσταση από το τοίχωμα y, η διατμητική τάση στον τοίχο τ0, το κινηματικό ιξώδες ν και η πυκνότητα ρ: u = f(y, τ0, ν, ρ) . Με τη βοήθεια της ανάλυσης διαστάσεων, αυτή η εξίσωση ανάγεται στην ακόλουθη σχέση μεταξύ αδιάστατων ομάδων: u/(τ0/ρ)0,5 = f . (27) Για να συντομεύσουμε τον συμβολισμό, οι αδιάστατες ομάδες στην εξίσωση (27) συμβολίζονται ως u+ και у+ (αυτές είναι αδιάστατη ταχύτητα και αδιάστατη απόσταση από τον τοίχο, αντίστοιχα): u+ = u/uτ και y+ = y uτ/ν, όπου η παράμετρος uτ = (τ0 /ρ)0,5 ονομάζεται μερικές φορές δυναμική ταχύτητα, αφού έχει τη διάσταση της ταχύτητας. Τότε η εξίσωση (27) παίρνει τη μορφή u+ = f (y+). (28) Εάν ληφθούν υπόψη όλες οι σημαντικές μεταβλητές, τότε η εξίσωση (27) θα δείξει ότι κατά τη μέτρηση του προφίλ ταχύτητας σε μια τυρβώδη ροή σε ένα ευρύ φάσμα αριθμών Reynolds, τα πειραματικά δεδομένα στις συντεταγμένες u+, y+ θα πρέπει να πέφτουν σε μία κοινή καμπύλη. 36 Πνευματικά δικαιώματα OJSC Central Design Bureau BIBCOM & OOO Agency Kniga-Service Για μια καθαρά στρωτή ροή, μπορεί εύκολα να αποδειχθεί ότι η εξίσωση (27) είναι πράγματι έγκυρη. Πράγματι, σε αυτή την περίπτωση, η διατμητική τάση σε οποιοδήποτε σημείο της ροής προσδιορίζεται από την εξίσωση του Newton: τ = μ (du/dy) = ρν (du/dy), ή τ/ρ = ν (du/dy). (29) Είναι γνωστό ότι στην περίπτωση σταθεροποιημένης ροής χωρίς κλίση, οι εφαπτομενικές τάσεις αλλάζουν γραμμικά από μια ορισμένη τιμή στον τοίχο σε μηδέν στην αδιατάρακτη ροή. Ωστόσο, στην περιοχή κοντά στο τοίχωμα, η διατμητική τάση διαφέρει ελαφρώς από την τάση τ0. Επομένως, σε αυτή την περιοχή τ0 ≈ ρν (du/dy). Ενσωματώνουμε αυτήν την εξάρτηση και την ανάγουμε σε μια αδιάστατη μορφή: du = (τ0/ρν) dy; u = (τ0/ρν) y + С; u/(τ0/ρ)0,5 = + С. Αν u = 0 για y = 0, τότε C = 0 και παίρνουμε μια απλή εξάρτηση u+ = y+. (30) Για μια τυρβώδη ροή αλλάζει μόνο η μορφή της συνάρτησης u+(y+). Σε μια τυρβώδη ροή, η κύρια κίνηση υπερτίθεται από μια χαοτική παλμική κίνηση μεμονωμένων τμημάτων του ρευστού. Επομένως, για να δημιουργηθεί ένα μαθηματικό μοντέλο τυρβώδους κίνησης, συνήθως αναπαρίσταται ως το άθροισμα του μέσου όρου και των κυμαινόμενων κινήσεων: ui = u + ui′, (31) όπου u είναι η μέση ταχύτητα στο χρόνο για ένα σταθερό σημείο στο χώρο. ui′ είναι η κυμαινόμενη συνιστώσα της ταχύτητας. Το χρονικό διάστημα επιλέγεται τόσο μεγάλο ώστε η μέση χρονική τιμή της συνιστώσας παλμικής ταχύτητας θα είναι μηδέν ui′ = 0. Οι παλμοί ταχύτητας προκαλούν παλμούς στη ροή της πίεσης, της πυκνότητας, της θερμοκρασίας, της συγκέντρωσης κ.λπ. Η σχέση μεταξύ των συνιστωσών παλμών και οι μέσες τιμές αυτών των ποσοτήτων καθορίζονται από τύπους παρόμοιους με την έκφραση (31). Αντικαθιστώντας στις εξισώσεις του συστήματος (9) - (12) τις στιγμιαίες τιμές των παραμέτρων που ορίζονται από την ισότητα (31) και λαμβάνοντας τον μέσο όρο τους, λαμβάνουμε ένα σύστημα διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη μέση σταθερή τυρβώδη ροή ενός ρευστού. Πραγματοποιώντας μια συγκριτική αξιολόγηση των τιμών των όρων που περιλαμβάνονται στο προκύπτον σύστημα διαφορικών εξισώσεων και διατηρώντας τους μεγαλύτερους όρους της ίδιας σειράς σε αυτούς, λαμβάνουμε, όπως στην περίπτωση ενός στρωτού οριακού στρώματος, το ακόλουθο σύστημα εξισώσεις για ένα επίπεδο σταθερό τυρβώδες οριακό στρώμα: η εξίσωση συνέχειας ∂ ∂ (ρu ) + (ρv) = 0; ∂x ∂y (32) εξισώσεις κίνησης ρu ∂u ∂u ∂P ∂ ∂u + ρv =− + (μ − ρu"v"), ∂x ∂y ∂x ∂y ∂y (33) ∂P ∂ y=0; εξίσωση ενέργειας ρu ∂x ∂y ∂x ∂y ⎝ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ⎠ (34) ότι οι πρόσθετες τυρβώδεις τάσεις τριβής προκύπτουν στο τυρβώδες οριακό στρώμα τ t = − ρu ′ v ′ (35) qt v"− ρ" , (36) και η ροή θερμότητας που ονομάζεται Reynolds. Αυτά τα στοιχεία τυρβώδους μεταφοράς δεν μπορούν να προσδιοριστούν με την επίλυση του συστήματος των εξισώσεων (32) - (34) και των οριακών συνθηκών που έχουν καθοριστεί για τις μέσες τιμές των ποσοτήτων. Οι ολοκληρωτικές εξισώσεις κίνησης και ενέργειας ενός τυρβώδους οριακού στρώματος προέρχονται από τις εξισώσεις (32) - (34) με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως στην περίπτωση ενός στρωτού οριακού στρώματος και έχουν την ίδια μορφή (14) - (15) . Ωστόσο, για ένα τυρβώδες οριακό στρώμα, οι νόμοι της τριβής και της μεταφοράς θερμότητας δεν μπορούν να ληφθούν αναλυτικά με την επίλυση του συστήματος των διαφορικών εξισώσεων (32) - (34), καθώς αυτό το σύστημα δεν είναι κλειστό. Επομένως, για την επίλυση των ολοκληρωτικών εξισώσεων (14) και (15), είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν είτε οι εμπειρικοί νόμοι της τριβής και της μεταφοράς θερμότητας που λαμβάνονται με βάση την ανάλυση των διαθέσιμων πειραματικών δεδομένων, είτε οι νόμοι που λαμβάνονται με τη χρήση ημι-εμπειρικών θεωρίες αναταράξεων. Οι ημι-εμπειρικές θεωρίες αναταράξεων περιλαμβάνουν τη χρήση υποθέσεων που συσχετίζουν την τυρβώδη τάση τριβής και τη ροή θερμότητας με τις παραμέτρους της μέσης ροής, γεγονός που καθιστά δυνατό το κλείσιμο του συστήματος εξισώσεων του τυρβώδους οριακού στρώματος (32) - (34). Η υπόθεση που προτάθηκε από τον Prandtl αποδείχθηκε ότι ήταν η πιο αποτελεσματική στον υπολογισμό των τυρβωδών ροών στο οριακό στρώμα. Πρότεινε ότι ο παλμός ταχύτητας κάθετος στις γραμμές ροής της μέσης κίνησης είναι της ίδιας τάξης με τον παλμό της διαμήκους ταχύτητας και είναι ανάλογος της διαφοράς ταχυτήτων μεταξύ των στρωμάτων του υγρού: u" ≈ v" ≈ l ∂u. ∂y (37) Θα πρέπει να αναμένεται ότι στην περιοχή ακριβώς δίπλα στον τοίχο, η εξίσωση (30) ισχύει επίσης για τυρβώδη ροή. Η γενική φύση του τυρβώδους προφίλ ταχύτητας στην περιοχή μακριά από τον τοίχο μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τη θεωρία της διαδρομής ανάμειξης Prandtl. Παρά το γεγονός ότι αυτή η θεωρία βασίζεται σε ένα μάλλον ακατέργαστο μοντέλο ανταλλαγής τυρβώδους ορμής, εξακολουθεί να ρίχνει φως στην πραγματική φύση της μεταφοράς σε τυρβώδεις ροές. Υπάρχουν και άλλες θεωρίες τυρβώδους μεταφοράς, αλλά θα χρησιμοποιήσουμε τη θεωρία Prandtl, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τον πιο αναλυτικό τρόπο για να ληφθεί το λογαριθμικό προφίλ ταχύτητας που παρατηρήθηκε πειραματικά σε όλα σχεδόν τα τυρβώδη οριακά στρώματα. Ας υποθέσουμε ότι ένα υγρό σωματίδιο δm που κινείται προς την κατεύθυνση x με μέση ταχύτητα u, λόγω της συνιστώσας παλμών της ταχύτητας v" έχει διανύσει απόσταση l προς την κατεύθυνση y (Εικ. 7). Εφόσον υπάρχει μια κλίση ταχύτητας στην κατεύθυνση y, η μέση ταχύτητα 7. Το μοντέλο της διαδικασίας τυρβώδους ανταλλαγής ορμής στη νέα θέση είναι ίσο με u + δu Τώρα ας υποθέσουμε ότι στη διαδρομή l το σωματίδιο δm δεν αποκτά ούτε χάνει ορμή, και μετά από αυτό έχει διανύσει ολόκληρη την απόσταση l, υπάρχει πλήρης ανταλλαγή ορμής από ιξώδη σωματίδια αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον υγρό. Θα ονομάσουμε την απόσταση l διαδρομή ανάμιξης. Για να ικανοποιηθεί η εξίσωση συνέχειας, το άλλο στοιχείο του υγρού πρέπει προφανώς να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση Είναι αυτή η κίνηση των στοιχείων του υγρού προς την κατεύθυνση εγκάρσια προς την κύρια ροή που καθορίζει τον μηχανισμό τυρβώδους μεταφοράς ορμής, θερμότητας και ύλης. Η ορμή που μεταφέρεται από ένα υγρό σωματίδιο μάζας δm στο x κατεύθυνση είναι ίση με δmδu.Αν η διαδικασία η σφήκα ρέει σε χρόνο δθ, ο ρυθμός μεταφοράς ορμής είναι δmδu / δθ. Επομένως, σύμφωνα με το θεώρημα της ορμής, η εφαπτομενική δύναμη τριβής που ενεργεί μεταξύ των ρευστών στρωμάτων είναι F= δm δu. δθ Αν η περιοχή στην οποία δρα αυτή η δύναμη είναι ίση με Α, τότε η τυρβώδης διατμητική τάση είναι τ= F 1 δm = δu. A A δθ Αν το l είναι μικρό, τότε δu ≈ l (du dy). Η παράμετρος (δm/δθ) είναι ο ρυθμός ροής μάζας του υγρού. Σύμφωνα με την εξίσωση συνέχειας (1/Α)(δm/δθ) = |v′| ρ, όπου |v′| είναι η αντίστοιχη συνιστώσα μέσης παλμικής ταχύτητας στη θετική κατεύθυνση του άξονα y. Αντικαθιστώντας αυτή την εξάρτηση με την εξίσωση τ, μετά από μετασχηματισμούς λαμβάνουμε τ/ρ = |v′| δu = (l |v′|)du/dy. (38) Σημειώστε ότι αυτή η εξίσωση είναι γραμμένη με την ίδια μορφή με την εξίσωση (29) για διατμητική τάση σε στρωτή ροή. Ας προσδιορίσουμε το κινηματικό τυρβώδες ιξώδες ντ σύμφωνα με τη σχέση τ/ρ = ντ (du/dy). (39) Η μεταφορά κινηματικής τυρβώδους ορμής νт είναι ένα τυρβώδες ανάλογο κινηματικού ιξώδους ν που χαρακτηρίζει τη μεταφορά μοριακής ορμής. Και οι δύο ποσότητες έχουν την ίδια διάσταση. Ωστόσο, μια σημαντική διαφορά μεταξύ αυτών των μεγεθών είναι ότι το νt δεν είναι μια φυσική σταθερά του ρευστού, αλλά εξαρτάται από τη συνιστώσα της κυμαινόμενης ταχύτητας και το μήκος της διαδρομής ανάμειξης, δηλαδή από το βαθμό και την κλίμακα των αναταράξεων. Εάν συμβαίνει μόνο μεταφορά μοριακής ορμής στην περιοχή κοντά στο τοίχωμα, η εξίσωση (29) θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της διατμητικής τάσης. Αλλά για όλα τα σημεία ροής αρκετά απομακρυσμένα από τον τοίχο, σύμφωνα με το εξεταζόμενο μοντέλο ανταλλαγής τυρβώδους ορμής, ισχύει η εξίσωση (39). Προφανώς, πρέπει επίσης να υπάρχει μια ενδιάμεση περιοχή στην οποία η μεταφορά της μοριακής και της τυρβώδους ορμής λαμβάνει χώρα ταυτόχρονα. Στην περίπτωση αυτή, η συνολική διατμητική τάση θα πρέπει να είναι ίση με το άθροισμα των τάσεων που προσδιορίζονται από τις εξισώσεις (29) και (39): τ/ρ = (ν + νt) (du/dy). (40) Το προφίλ ταχύτητας σε μια τυρβώδη ροή μπορεί να προσδιοριστεί εάν γίνουν ορισμένες υποθέσεις σχετικά με το μήκος της διαδρομής ανάμιξης l και το μέτρο της συνιστώσας κυμαινόμενης ταχύτητας |v′|. Χρησιμοποιώντας την υπόθεσή του (37), ο Prandtl έγραψε την εγκάρσια διακύμανση της ταχύτητας ως |v′| = K1 |u′| και, βάσει εκτιμήσεων ομοιότητας, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι |u′| = K2 δu = K2ldu/dy. Αφού συμπεριέλαβε όλες τις σταθερές στο άγνωστο l, έλαβε την έκφραση τ/ρ = (l 2du/dy) (du/dy). (41) Τότε ο Prandtl υπέθεσε ότι το μήκος της διαδρομής ανάμειξης l είναι ευθέως ανάλογο με την απόσταση από τον τοίχο: l = k y. Τότε η εξίσωση (41) παίρνει τη μορφή 2 ⎛ du ⎞ τ = k 2 y2 ⎜ ⎟ . ρ ⎝ dy ⎠ Σε αυτή την εξίσωση, η διατμητική τάση τ αλλάζει από τη μέγιστη τιμή στον τοίχο σε μηδέν στον πυρήνα ροής (σε σταθεροποιημένη ροή σε στρογγυλό σωλήνα, κοντά στον άξονα του σωλήνα). Στην περιοχή όχι πολύ μακριά από τον τοίχο, όπου συμβαίνει η κύρια αλλαγή στην ταχύτητα, η τιμή του τ διαφέρει ελάχιστα από την τιμή στον τοίχο τ0. Τότε περίπου είναι δυνατό να σημειωθεί 42 Copyright OJSC “Central Design Bureau “BIBCOM” & LLC “Agency Kniga-Service” 2 ⎛ du ⎞ τ0 = k 2 y2 ⎜ ⎟ ; ρ ⎝ dy ⎠ du 1 τ0 = . dy ky ρ Εισάγοντας u+ και y+ , έχουμε du + 1 = +. + dy ky Ενσωματώνοντας αυτήν την εξίσωση, λαμβάνουμε την ακόλουθη έκφραση για την κατανομή της ταχύτητας: u+ = 1 ln y + + C. k (42) Η λογαριθμική εξάρτηση του u+ από το y+ (42) λήφθηκε επίσης από άλλους ερευνητές, αλλά βασίστηκαν σε κάπως διαφορετικές υποθέσεις. Έτσι, εάν οι κύριες παραδοχές του εξεταζόμενου μοντέλου μεταφοράς τυρβώδους ορμής είναι έγκυρες, μπορεί να αναμένεται ότι τα μετρούμενα προφίλ τυρβώδους ταχύτητας στις συντεταγμένες u+, y+ σχηματίζουν μια ενιαία καθολική καμπύλη, η οποία είναι λογαριθμική στο μεγαλύτερο μέρος της διατομής ροής και προσεγγίζει γραμμικά στην περιοχή κοντά στον τοίχο. Παρόμοιες εξαρτήσεις έχουν πράγματι διαπιστωθεί πειραματικά. Στο σχ. Το σχήμα 8 δείχνει ένα σχήμα τριών επιπέδων που προσεγγίζει πολυάριθμα πειραματικά δεδομένα (τα οποία δεν φαίνονται στο σχήμα). Τα πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν για ροές σε στρογγυλούς σωλήνες και σε τυρβώδη οριακά στρώματα στις εξωτερικές επιφάνειες των σωμάτων δίνουν παρόμοια αποτελέσματα. Σε πολύ μικρές τιμές του y+, η εξάρτηση u+(y+) αντιστοιχεί στην εξίσωση (30), ενώ σε y+ > 25...30 προσεγγίζεται καλά από την εξίσωση (42). Θυμηθείτε ότι η εξίσωση (42) προέκυψε με την υπόθεση μιας σταθερής διατμητικής τάσης και δεν μπορεί να αναμένεται ότι θα ισχύει για την περιοχή κοντά στον άξονα του σωλήνα (ή στην εξωτερική περιοχή του τυρβώδους ορίου Σχ. 8. Προφίλ λογαριθμικής ταχύτητας σε ένα τυρβώδες οριακό στρώμα με εξωτερική ροή γύρω), όπου η διατμητική τάση τείνει στο μηδέν. Επομένως, κάπως απροσδόκητη είναι η καλή συμφωνία μεταξύ των μετρούμενων προφίλ ταχύτητας και του λογαριθμικού σε ολόκληρη τη διατομή μέχρι τον άξονα του σωλήνα. Οι σύγχρονες ιδέες για τη δομή ενός τυρβώδους οριακού στρώματος βασίζονται στη διαίρεση του σε περιοχές που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη φύση της ροής του ρευστού. Σε άμεση γειτνίαση με το τοίχωμα, υπάρχει μια περιοχή μιας παχύρρευστης υποστιβάδας με πάχος περίπου 1% του συνολικού πάχους του οριακού στρώματος, στην οποία οι διαδικασίες μοριακής μεταφοράς παίζουν τον κύριο ρόλο. Η παχύρρευστη υποστιβάδα διαχωρίζεται από το πλήρως ανεπτυγμένο τμήμα του τυρβώδους οριακού στρώματος με μια μεταβατική περιοχή, η οποία καταλαμβάνει το 2-3% του πάχους ολόκληρου του στρώματος. Στην περιοχή μετάβασης της ροής, η στρωτή τάση τριβής είναι ανάλογη με την τυρβώδη. Σε μια πλήρως ανεπτυγμένη περιοχή ενός τυρβώδους οριακού στρώματος, η τυρβώδης τριβή είναι κρίσιμη. Οι ερευνητές πρότειναν καθολικά προφίλ τυρβώδους ταχύτητας κοντά στον τοίχο με τη μορφή μιας, δύο ή τριών αλγεβρικών εξισώσεων. Το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μοντέλο περιγράφεται με τρεις εξισώσεις. Στο σχήμα τριών επιπέδων στο y+< 5 опытные данные хорошо соответствуют уравнению (30). Эту область, где νт = 0, назвали ламинарным подслоем. При у+ >30 πειραματικά δεδομένα συμφωνούν καλά με τη λογαριθμική καμπύλη, δηλαδή την εξίσωση (42), αν υποθέσουμε ότι νt >> ν. Αυτή η περιοχή έχει ονομαστεί ταραχώδης πυρήνας. Η περιοχή στην οποία η επίδραση τόσο του νt όσο και του ν είναι σημαντική ονομάστηκε ενδιάμεσο (ρυθμιστικό) στρώμα. Το πλήρες καθολικό προφίλ ταχύτητας περιγράφεται από το ακόλουθο σύστημα εξισώσεων: y+< 5, u+ = у +; (43) 5 < у + < 30, u + = – 3,05 + 5,00 ln у +; (44) у + >30, u + = 5,2 + 2,5 ln y +. (45) Σύμφωνα με το σχήμα των τριών επιπέδων, η συνάρτηση νт δεν είναι συνεχής και το προφίλ ταχύτητας u+ έχει διακοπές. Ωστόσο, αυτό το μοντέλο δείχνει ξεκάθαρα τη διαφορά μεταξύ των μηχανισμών μεταφοράς ορμής σε κάθε ζώνη. Εάν η κατανομή της διατμητικής τάσης είναι γνωστή ή υποτίθεται, τότε χρησιμοποιώντας την εξίσωση (40) είναι εύκολο να προσδιοριστούν οι τιμές του νt σε οποιαδήποτε ζώνη. Κατά την ανάπτυξη διαφόρων μεθόδων για την ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας, είναι πολύ σημαντικό να γνωρίζουμε σε ποιο τμήμα του οριακού στρώματος συγκεντρώνονται οι κύριες υδροδυναμικές και θερμικές αντιστάσεις. Σύμφωνα με τον V.K. Αναβοσβήνει, το κλάσμα της θερμικής αντίστασης μεμονωμένων στρωμάτων σε ένα σχήμα τριών στρωμάτων με καθεστώς τυρβώδους ροής σε σωλήνα στο Re ≥ 104 είναι: για ένα παχύρρευστο υποστρώμα (y+ = y uτ/ ν< 5) – 32,3 %; для переходного слоя (y+ = 5...30) – 52 %, для ядра потока – 15,7 %. При турбулентном течении даже в гладких каналах основная часть гидравлических потерь расходуется на порождение турбулентности, которая происходит как раз около стенки в зоне y+ < 50...60. Изучение структуры турбулентного потока и механизма переноса теплоты в нем показали, что в переносе теплоты существенную роль играют крупномасштабные пульсации, направленные из ядра потока к стенке как результат нелинейного взаимодействия ядра потока со стенкой. При этом происходит перенос крупных масс теплоносителя из ядра потока к стенке и об45 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ратно, возрастает количество выбросов от стенки, стимулирующих порождение турбулентности. Однако крупные турбулентные пульсации возникают в зоне, где y+ >60 λόγω εκπομπών ψυκτικού από τον τοίχο στον πυρήνα ροής. Περαιτέρω, παλμοί μεγάλης ταχύτητας, που εναλλάσσονται με παλμούς πίεσης, διασπώνται σε μικρότερους και μεταφέρουν την ενέργειά τους σε αυτούς, η οποία τελικά διαχέεται στη θερμική ενέργεια της ροής. Δεδομένου ότι οποιοσδήποτε πρόσθετος στροβιλισμός ροής συνδέεται με πρόσθετο ενεργειακό κόστος, η επιλογή του τόπου και της μεθόδου πρόσθετων αναταράξεων ροής είναι καθοριστική για την ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων για την εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας. Επομένως, είναι προφανές ότι μια τέτοια μέθοδος εντατικοποίησης θα ήταν η πιο αποτελεσματική, η οποία θα παρείχε πρόσθετο στροβιλισμό μόνο στρώσεων ρευστού κοντά στο τοίχωμα υπό την προϋπόθεση y+ ≤ 30...60, χωρίς να στροβιλίζεται ο πυρήνας ροής. Αναμένεται ότι ακριβώς μια τέτοια μέθοδος εντατικοποίησης της μεταφοράς θερμότητας θα προσφέρει σημαντική αύξηση του αριθμού St με μέτρια αύξηση της τιμής του Cf, δηλαδή θα εξασφαλίσει την εκπλήρωση της ανισότητας (St/St0) > Cf / Πρβλ. 0). Νόμοι της τριβής και της μεταφοράς θερμότητας. Σε πρακτικούς υπολογισμούς, χρησιμοποιείται συχνά η εξάρτηση από την ισχύ της κατανομής των ταχυτήτων και των θερμοκρασιών στο οριακό στρώμα: u/u∞ = (y/δ)n, ΔT/ΔT∞ = (y/δт)n (Εικ. 9) ο επαρκώς ακριβής νόμος ισχύος της τριβής (C f0 = B Re∗∗) −m (47) . Στο εύρος των αριθμών Reynolds 5 ⋅ 105< Reх < 107 экспериментальные данные дают значение n, равное 1/7, и закон трения в виде выражения (см. рис. 4, линия 2) (С f0 = B Re∗∗) −m = 0,0252 Re∗∗0,25 . (48) Подставляя (48) в уравнение (19) и интегрируя его, получим для рассматриваемых условий распределение коэффициента трения вдоль обтекаемой пластины С f0 = 0,0576 Re −x 0,2 . 46 (49) Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рис. 9. Степенной профиль скорости в турбулентном пограничном слое Экспериментальные исследования показывают, что для многоатомных газов (где Pr ≈ 1) в рассматриваемых условиях хорошо выполняется аналогия Рейнольдса (13). Тогда, интегрируя уравнение (20) с учетом соотношений (13) и (49) и считая, что пограничный слой нарастает с переднего края пластины, получим закон теплообмена в виде 0,25 St 0 = 0,0126 Re∗∗− . т (50) Вводя поправочный множитель на число Прандтля согласно экспериментальным данным, окончательно получим (см. рис. 5, линия 2) −0,25 St 0 = 0,0126 Re** Pr −0,75 . т (51) ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1. Основные требования к выполнению курсовой научно-исследовательской работы Одним из основных требований к курсовой научно-исследовательской работе (КНИР) является комплексность, т. е. взаимосвязанность расчетно-теоретической, исследовательской и экспериментальной задач. 47 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» В основу данной КНИР положены результаты фундаментальных исследований структуры пограничных слоев, включая средние, пульсационные и корреляционные характеристики как динамического, так и теплового пограничных слоев при различных граничных условиях. Эти исследования способствовали более глубокому пониманию механизма обменных процессов, происходящих в пограничном слое. Объектом данной КНИР является структура пограничного слоя, развивающегося на плоской пластине при различных гидродинамических и тепловых граничных условиях при ламинарном и турбулентном режимах течения потока, а целью является углубленная проработка различных методов интенсификации конвективного теплообмена. Основные исходные данные для выполнения КНИР и объем работы указываются в задании к КНИР, в котором четко формулируется название темы КНИР, исходные данные и параметры, подлежащие численному и экспериментальному определению. Задание, оформленное на специальном бланке, подписывается и выдается руководителем курсовой работы. Студент, получивший задание, расписывается в получении и указывает дату получения задания. Подписанное задание вставляется в расчетно-пояснительную записку. Образец задания к КНИР приведен в приложении 1. Организационно работа состоит из следующих частей: а) теоретическое исследование методов интенсификации конвективного теплообмена; б) экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в пограничном слое при безградиентном обтекании пластины; в) экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в пограничном слое при наличии заданного метода интенсификации теплообмена; г) обработка полученных результатов с использованием вычислительной техники и вручную; д) анализ полученных результатов и оформление расчетнопояснительной записки. Каждый студент получает в индивидуальном задании скорость внешнего потока uω и тепловой поток Q. В задании к экспериментальной части указано, в каких сечениях и какие параметры измеряются, каковы используемые методы определения отдельных параметров. 48 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» В качестве дополнительных указаний по выполнению КНИР может быть задана специальная часть по углубленной проработке какого-либо метода интенсификации конвективного теплообмена. Данная КНИР имеет следующие задачи: 1. Освоить классические методы экспериментальной диагностики динамических и тепловых пограничных слоев, что позволит определить области воздействия на поток с целью интенсификации обменных процессов в пограничном слое. 2. Получить навыки проведения научно-исследовательской работы (НИР): постановки задачи НИР, планирования и выполнения НИР. 3. Провести теоретическое и экспериментальное исследование структуры пограничного слоя как в стандартных условиях, так и при использовании какого-либо метода интенсификации процесса теплообмена. Таким образом, основной целью курсовой работы является подготовка выпускников кафедры «Теплофизика» к самостоятельному планированию, проведению, анализу научных исследований и составлению научной документации. 2. Экспериментальное исследование и обработка эксперимента Каждый студент под наблюдением преподавателя проводит экспериментальное исследование, но перед этим он должен изучить установку, порядок работы на ней, технику безопасности и ознакомиться с классическими методами диагностики пограничного слоя (измерение скорости, температуры, плотности теплового потока, поверхностного трения и т. п.) . Экспериментальная установка. Экспериментальная часть исследования проводится на малой дозвуковой низкотурбулентной аэродинамической трубе открытого типа, работающей по принципу всасывания (рис. 10). Сопло прямоугольного сечения спрофилировано по формуле Витошинского и имеет семикратное поджатие, обеспечивающее пространственно-равномерное поле скоростей и низкую степень турбулентности (ε = 0,002) в ядре потока на входе в рабочий участок. Для разрушения крупномасштабной вихревой структуры всасываемого воздуха и формирования равномерного поля скорости на входе в сопло, в коллекторе устанавливается хонейкомб, представ49 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ляющий собой сотовую конструкцию с размером ячейки 10×10 мм и длиной 100 мм. Низкая степень турбулентности в ядре потока обеспечивается также при помощи ряда сеток, установленных между хонейкомбом Рис. 10. Аэродинамическая труба: 1 – обтекатель; 2 – фильтр; 3 – хонейкомб; 4 – сетки; 5 – нагреваемая пластина; 6 – ЛАТР; 7 – ваттметр; 8 – манометр; 9 – ампервольтомметр; 10 – сопло; 11 – измерительный зонд; 12 – микровинт; 13 – крышка; 14 – диффузор; 15 – эластичное соединение; 16 – вентилятор; 17 – электродвигатель и соплом. Сетки изготовлены со стороной ячейки 2×2 мм из проволоки диаметром 0,35 мм. На входе в аэродинамическую трубу установлен пылезадерживающий фильтр со стороной ячейки 0,05×0,05 мм, изготовленный из медной проволоки диаметром 0,05 мм. Рабочая часть аэродинамической трубы представляет собой параллелепипед размером 80 × 300 × 1100 мм. Такая форма рабочего участка обеспечивает получение двумерного пограничного слоя на исследуемой поверхности нагреваемой пластины, которая является нижней съемной стенкой рабочего участка. Кроме того, в нижней стенке рабочей части размещена нагревательная панель, позволяющая нагревать исследуемый образец по законам qст = = const и Tст = const. Схема рабочей части экспериментального стенда показана на рис. 11. 50 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Пластина изготовлена из стеклопластика толщиной 15 мм. По всей поверхности пластины 5, обращенной к потоку, методом го- Рис. 11. Сечение пластины: 1 – электроизоляция; 2 – медная пластина; 3 – электроизоляция; 4 – нагревательный элемент; 5 – стеклопластик рячего прессования нанесен токопроводящий слой 4, представляющий собой стеклоткань, пропитанную порошком графита и прокатанную на валках до толщины 0,4 мм. На нагреватель через тонкий слой электроизоляции 3 уложена медная пластина 2 толщиной 2 мм, которая обеспечивает подвод тепла по закону Тст = = const. Поверхность медной пластины покрыта тонким слоем электроизоляционного лака 1. Подводимая к электронагревателю пластины мощность регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора и контролируется ваттметром. Конструкция аэродинамической трубы позволяет получить на входе в рабочую часть аэродинамической трубы плоский профиль скорости (с неоднородностью менее 5 %), формирующий низкотурбулентный изотропный поток, а используемый вентилятор позволяет получать скорость в ядре потока до 20 м/с. Регулирование скорости достигается установкой дополнительного гидравлического сопротивления на выходе из вентилятора. Расположенные на верхней стенке аэродинамической трубы три окна позволяют проводить диагностику течения датчиками различных типов в сечениях пограничного слоя на расстояниях примерно 250, 600 и 900 мм от начала исследуемого образца (пластины). К рабочему участку жестко крепится диффузор. Небольшой угол раскрытия диффузора (около 5о) обеспечивает безотрывное 51 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» торможение потока перед входом в вентилятор. Эластичное соединение диффузора с переходником вентилятора исключает передачу вибраций от вентилятора к рабочей части. О среднем течении в пограничном слое можно судить по распределению скоростей, а о теплопереносе – по профилям температуры. Совместное измерение распределения скоростей и температур в потоке жидкости или газа дает возможность количественно проанализировать и сопоставить теплообмен в различных областях пограничного слоя, включая вязкий подслой при турбулентном течении. С этой целью необходимо очень тщательно провести измерения профилей скорости и температуры вблизи стенки. Такие измерения профилей дают основу для количественного анализа. Распределение средних скоростей и температур в сечениях пограничного слоя фиксируются с помощью специально сконструированного пневмозонда типа Пито–Прандтля (рис. 12), совмещен- Рис. 12. Конструкция измерительного зонда: 1 – микронасадок Пито–Прандтля; 2 – микровинт; 3 – измерительный комплекс ИКД-0,016Дф; 4 – датчики температуры; 5 – рабочий элемент 52 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» ного с микротермопарой. Используемый микронасадок позволяет измерять осредненные значения скорости и температуры, начиная с расстояния 0,2 мм от поверхности. Система перемещения микрозонда, представляющая собой прецизионный микровинт, обеспечивает точность фиксации микронасадка над обтекаемой поверхностью около 0,05 мм. Показания ЭДС термопары регистрируются цифровым ампервольтомметром Ф-30, а перепад давлений (полного и статического) в трубке Пито измеряется интегральным комплексом давлений (ИКД-0,016Дф) и регистрируется цифровым ампервольтомметром Ф-30. Методика проведения эксперимента. Перед началом работы необходимо ознакомиться с руководством к работе, в том числе с правилами техники безопасности (приложение 2), теорией ошибок и методикой теплотехнических измерений . Эксперимент проводится при заданном скоростном режиме. Требуется исследовать динамические и тепловые характеристики пограничного слоя при ламинарном и турбулентном режимах течения. При проведении опытов необходимо соблюдать определенную последовательность операций. 1. Провести тарировку датчика давлений ИКД-0,016Дф с использованием микроманометра МКВ-250 (микроманометр жидкостной компенсационный с микрометрическим винтом, класс точности 0,02) и построить тарировочную зависимость скорости потока от электрического сигнала u = f(e), предварительно определив скорость по перепаду давлений, определенному с использованием микроманометра МКВ-250: u= 2Δhg ρж 2ΔP = = 4,03 2Δ h, ρ ρ где ΔР – разность полного и статического давлений в точке замера, Н/м2; ρ – плотность воздуха, кг/м3; ρж – плотность жидкости в манометре, кг/м3 ; g – ускорение свободного падения, м/с2; Δh – разность уровней жидкости в манометре, м; 2. Установить координатное устройство в первое окно (х = = 0,255 м) на верхней стенке рабочего участка. 3. Включить электродвигатель вентилятора и установить с помощью сеток, расположенных на выходе вентилятора, нужный режим работы аэродинамической трубы (заданную скорость потока). 53 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 4. Нагреть тепловую пластину. Для этого через автотрансформатор на нагревательный элемент подается электропитание заданной мощности, контроль осуществляется по показанию ваттметра. Стационарный режим работы устанавливается примерно через час, что фиксируется по постоянству температуры нагреваемой поверхности во времени. 5. После выхода установки на стационарный режим работы производятся замеры всех параметров динамического и теплового пограничных слоев за один проход микрозонда (перепада давлений на трубке Пито и термоЭДС на термопаре насадка). Для этого с помощью микрозонда подвести микронасадок к поверхности рабочей пластины до касания с ней. В этом положении микронасадка центр приемного отверстия трубки полного напора и термопара находятся на расстоянии y = 0,2 мм от поверхности пластины. В этом положении необходимо записать показания на шкале микровинта и дальнейший отсчет расстояния вести от этого значения. В журнале наблюдений (готовится заранее или выдается на кафедре) указываются рекомендуемые значения расстояний, на которых производятся замеры перепада давлений и ЭДС термопары. Замеры давления в каждой точке необходимо производить через 20…30 с после установки микрозонда, так как он обладает определенной инерционностью из-за малости диаметров приемных отверстий микронасадка и значительной длины трубок, соединяющих его с манометром. Результаты замеров заносят в журнал наблюдений. Аналогичным образом производят измерения в двух других сечениях аэродинамической трубы (во втором и третьем сечениях). Обработка результатов эксперимента. В результате обработки опытных данных определяются основные характеристики динамического и теплового пограничного слоя и проверяется справедливость законов трения (23) и (48) и теплообмена (26) и (51) в «стандартных» условиях при обтекании плоской пластины. Обработка результатов опыта производится в следующем порядке: 1. Определить скорость потока в точках замера по тарировочной зависимости. 2. Построить график u = f(y) изменения профиля скорости в пограничном слое. 3. Определить графически толщину динамического пограничного слоя δ как расстояние, на котором скорость потока u = 0,99 u∞. 4. Построить график u/u∞ = f(y/δ). 54 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 5. Определить показатель степени n в зависимости u/u∞ = (y/δ)n и дать заключение по режиму течения. 6. Определить графически толщину вытеснения в случае ρ = const: δ∗ = ∞ ⎛ u ⎞ ∫ ⎜⎝1 − u∞ ⎟⎠ dy. 0 Для этого построить на миллиметровой бумаге график функции (1 – u/u∞) от y и подсчитать площадь под кривой. Толщина вытеснения δ∗ равна произведению величины этой площади на масштабы по осям абсцисс и ординат (см. рис. 2). Сравнить подсчитанную графически величину δ∗ = S My Mu с толщиной вытеснения, рассчитанной аналитически. 7. Определить графически толщину потери импульса δ∗∗ = ∞ ⎛ u ⎞ u ∫ ⎜⎝1 − u∞ ⎟⎠ u∞ dy. 0 Для этого построить на миллиметровой бумаге график функции (1 – u/u∞) (u/u∞) от y и подсчитать площадь под кривой. Толщина потери импульса δ∗∗ равна произведению этой площади на масштабы по осям абсцисс и ординат. Сравнить подсчитанную графически величину δ∗∗ с толщиной потери импульса, рассчитанной аналитически. 8. Определить формпараметр H = δ*/δ** и дать заключение по режиму течения. 9. Вычислить число Рейнольдса, построенное по толщине потери импульса: Re** = (u∞ δ∗∗)/ ν. 10. Определить напряжение трения на стенке τ0 двумя способами: – по наклону профиля скорости у стенки τ0 = μ (du/dy)y = 0; для этого на миллиметровой бумаге для области, характеризуемой значениями y = 0...0,50 мм, в крупном масштабе вычертить график 55 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» u = u(y); тогда (du/dy)y = 0 = Δu/Δy есть тангенс угла между кривой u(y) и осью y; – по методу Клаузера, который часто используется при исследовании турбулентного пограничного слоя . Используя выражение универсального закона для плоской стенки u+ = 5,75 lg y+ + 5,2, найти распределение скорости в логарифмической области турбулентного пограничного слоя: u = 5,75 uτ lg y + 5,75 uτ lg (uτ /ν) + 5,2 uτ. В полулогарифмических координатах u – lg y надо построить сетку кривых по данному уравнению для различных uτ (рис. 13). Рис. 13. Номограмма для определения динамической скорости На этот график наносят экспериментальный профиль скорости, определяют размеры логарифмической области и значения uτ в этой области. Затем определяют напряжение трения на стенке в исследуемом сечении по формуле τ0 = ρuτ2 . 56 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 11. Определить локальное значение коэффициента трения по соотношению Сf = 2 τ0 / ρu∞2 . 12. Определить локальное значение коэффициента трения по приближенной формуле Сf = 2 δ**/ x. 13. Используя градуировочную таблицу (приложение 3), построить тарировочный график и определить значения ΔТ = Тст – Т в точках замера. 14. Построить график ΔТ = f (y) изменения температурного напора в пограничном слое. 15. Определить графически толщину теплового пограничного слоя δт как расстояние, на котором температурный напор ΔТ = = 0,99 ΔТ∞. 16. Построить график ΔT/ΔT∞ = f(y/δт). 17. Определить показатель степени n в зависимости ΔT/ΔT∞ = = (y/δт)n. 18. Определить температуру стенки Тст = Т∞ + ΔТ∞, где значение Т∞ определяется по показаниям термометра, расположенного в помещении лаборатории. 19. Определить графически толщину потери энергии ∞ δт** = u ⎛ T − Tст ⎞ ∫ u∞ ⎜⎝1 − T∞ − Tст ⎟⎠ dy. 0 Для этого построить на миллиметровой бумаге график функции (1 – ΔТ/ΔТ∞) (u/u∞) от y и подсчитать площадь под кривой (см. рис. 3). Толщина потери энергии δт** равна произведению этой площади на масштабы по осям абсцисс и ординат. Сравнить подсчитанную графически величину δт** с толщиной потери энергии, рассчитанной аналитически. 20. Вычислить число Рейнольдса, построенное по толщине потери энергии: Reт** = (u∞ δт**)/ ν. 57 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 21. Определить плотность теплового потока на стенке: а) по наклону профиля температуры вблизи стенки (как в п. 10): qст = ⎮λ (dТ/dy)y = 0⎮ = λ (ΔT/Δy)ст; б) при qст = const по соотношению qст = k Qп/ A, где Qп – подведенная к пластине мощность, Вт; A = 0,3 м2 – площадь поверхности нагреваемой пластины, обращенной к потоку; k = 0,7 – коэффициент, учитывающий потери тепла на элементы конструкции аэродинамической трубы. 22. Определить в турбулентном пограничном слое плотность теплового потока на стенке, используя косвенный метод его определения по логарифмической части профиля температуры. 24. Вычислить число Стантона St = qст / (Cp ρ ΔТ∞ u∞). 25. По экспериментально полученным данным построить графики (см. рис. 8): u+ = f(y+). Все экспериментально полученные результаты сравнить с определенными численно и известными законами гидродинамики и теплообмена (рис. 14): Сf = f(Re**); St = f(Reт**). 26. Провести анализ исследований, дать оценку полученных результатов и сделать выводы. Теплофизические свойства воздуха даны в приложении 4. В заключительной части работы проводится сравнение и анализ экспериментально полученных локальных коэффициентов трения и чисел Стантона с известными законами трения и теплообмена при безградиентном обтекании гладкой поверхности неизотермичным потоком. Результаты обработки экспериментальных данных и расчета свести в таблицы, желательно по гидродинамике и теплообмену раздельно. 58 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Рис. 14. Законы трения и теплообмена в пограничном слое на плоской пластине Расчетно-пояснительная записка. Она должна содержать: – титульный лист (оформляется на бланке установленного в МГТУ им. Н.Э. Баумана образца); – задание; – введение; – результаты обработки экспериментальных исследований и сравнение их с результатами расчета; – описание графического метода определения интегральных характеристик пограничного слоя (исполняется на одном листе формата А4); – графическое сравнение рассчитанных и экспериментально определенных профилей скорости, температуры, коэффициентов трения и плотностей теплового потока, а также сравнение их с известными законами гидродинамики и теплообмена. Графики должны быть предельно четки, ясны и компактны; – спецчасть (например, анализ одного из методов интенсификации конвективного теплообмена); – заключение; – список использованной литературы; – оглавление. 59 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Объем записки – 20–25 листов формата А4. Записка должна быть вшита в обложку или в скоросшиватель. Графики выполняют на миллиметровой бумаге стандартного формата и вшивают в записку. В расчетно-пояснительной записке помещают все материалы, связанные с теоретическим и экспериментальным исследованием гидродинамики и теплообмена при внешнем обтекании потоком пластины. Она должна включать краткое описание аэродинамической трубы, описание метода интенсификации теплоотдачи, исследовательскую теоретическую и исследовательскую экспериментальную части. Во введении должны быть оговорены актуальность работы, цель и задачи исследования. Материал в записке целесообразно излагать кратко и логически последовательно. Общеизвестные формулы, по которым производится расчет той или иной зависимости или параметра, должны приводиться в пояснительной записке без выводов. Формулы же, полученные самим студентом, даются с последовательными выводами и рассуждениями. Изложение материала в пояснительной записке должно сопровождаться необходимыми схемами и графиками. В заключении должны быть даны выводы по работе и оценка результатов теоретического и экспериментального исследований. Во всех случаях, когда используются какие-либо справочные данные, например по теплофизическим свойствам, используемым при расчете критериев подобия, необходимо в тексте давать ссылку на литературу, из которой они взяты. В квадратных скобках указывается порядковый номер источника по списку литературы и номер страницы. Пояснительную записку нужно писать лаконично, применяя четкие и ясные формулировки, не допускающие нескольких толкований. Результаты однотипных расчетов следует сводить в таблицу. Параметры гидродинамического и теплового пограничных слоев (профили скоростей и температур, интегральные характеристики, коэффициенты трения и плотности тепловых потоков), полученные при аналитическом расчете, необходимо сравнить с экспериментально полученными данными и с известными законами и данными, проанализировать полученные результаты и сделать выводы по ним. 60 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» При проведении аналитических расчетов можно пользоваться работами , при обработке экспериментальных данных – работами . КНИР перед сдачей должна быть подписана студентом. Если КНИР удовлетворяет предъявляемым требованиям, студент допускается к защите. Защита КНИР является завершающим этапом ее выполнения. Защита призвана научить студента всестороннему обоснованию предложенных им решений научных и инженерных задач. Готовясь к защите КНИР, студент должен продумать и написать доклад на 8…10 мин. Защита состоит из короткого доклада студента и ответов на вопросы преподавателей – членов комиссии. Студент должен дать все объяснения по существу работы. Для составления доклада могут быть использованы целиком или частично введение и заключение расчетно-пояснительной записки. В основной части доклада следует описать исследование, проведенное студентом, выводы по нему, кратко изложить суть разработанной (используемой) расчетной модели, а также методику и результаты экспериментального исследования. Весь доклад иллюстрируется чертежами, схемами, графиками, таблицами и ссылками на результаты расчета. По результатам защиты комиссия рекомендует лучшие КНИР к участию в конкурсе. 61 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Приложение 1 Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Факультет Э Кафедра Э-6 ЗАДАНИЕ на курсовую научно-исследовательскую работу (КНИР) по курсу «Методы интенсификации теплообмена» Студент Иванов М.С. (фамилия, инициалы) Э6 – 111 (индекс группы) Руководитель Петров В.Н. (фамилия, инициалы) Срок выполнения курсовой работы по графику: 20 % – к 8-й нед., 40 % – к 10-й нед., 60 % – к 12-й нед., 80 % – к 14-й нед., 100 % – к 16-й нед. Защита КНИР 17-я неделя. I. Тема КНИР. Интенсификация теплообмена при вынужденной конвекции – экспериментальное исследование структуры турбулентного пограничного слоя. II. Техническое задание. 1. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в турбулентном пограничном слое на плоской пластине при: u∞ = … м/с; Q = … Вт. 2. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в турбулентном пограничном слое на плоской пластине при наличии турбулизатора (d = … мм): u∞ = … м/с; Q = … Вт. III. Объем и содержание КНИР (проведение эксперимента, обработка полученных результатов, определение средних и инте62 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» гральных характеристик исследуемого пограничного слоя и их графическое представление (сечение 3), расчетно-пояснительная записка 20 – 25 листов формата А4): 1. Обзор существующих МИТ (вынужденной конвекции) ....10 %. 2. Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в турбулентном пограничном слое при безградиентном обтекании пластины и при наличии турбулизатора: u∞ = … м/с; Q = =… Вт; турбулизатор: d = … мм, α = … ................................... 25 %. 3. Обработка результатов и определение средних и интегральных характеристик исследуемого пограничного слоя и графическое их представление................................................................. 55 %. 4. Расчетно-пояснительная записка...................................... 10 %. 63 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Приложение 2 ПАМЯТКА ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ Эксперименты должны проводиться лишь после ознакомления студентов с устройством стенда, усвоения ими методики выполнения экспериментальных исследований и изучения настоящей памятки. Перед началом работы студенты должны пройти инструктаж по технике безопасности и расписаться в журнале. Электропитание экспериментальной установки осуществляется от сети переменного тока напряжением 380 В через электрораспределительный щит типа ЩЭ. Включение стенда осуществляется установкой вилки в розетку и включением рубильника. Все металлические конструктивные части установки, которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции, должны быть заземлены, электроаппаратура и токоведущие части – изолированы и укрыты в корпусе установки. Категорически запрещается открывать панель щита и защитный корпус магнитного пускателя электродвигателя вентилятора при подключенной к электросети установке. Включение электропитания стенда, электродвигателя вентилятора, а также цифровых электроизмерительных приборов осуществляет учебный мастер или преподаватель. В процессе проведения эксперимента необходимо постоянно следить за работой установки и при обнаружении неисправностей немедленно ставить в известность об этом преподавателя или учебного мастера. 64 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Приложение 3 Градуировочная таблица хромель-алюмелевой термопары ТемпеТемпеТемпеТемпеТемпеЭДС, ЭДС, ЭДС, ЭДС, ЭДС, ратура, ратура, ратура, ратура, ратура, мВ мВ мВ мВ мВ °C °C °C °C °C 0 0 15 0,60 30 1,20 45 1,82 60 2,43 1 0,04 16 0,64 31 1,24 46 1,86 61 2,47 2 0,08 17 0,68 32 1,28 47 1,90 62 2,51 3 0,12 18 0,72 33 1,32 48 1,94 63 2,56 4 0,16 19 0,76 34 1,36 49 1,98 64 2,60 5 0,20 20 0,80 35 1,41 50 2,02 65 2,64 6 0,24 21 0,84 36 1,45 51 2,06 66 2,68 7 0,28 22 0,88 37 1,49 52 2,10 67 2,72 8 0,32 23 0,92 38 1,53 53 2,14 68 2,77 9 0,36 24 0,96 39 1,57 54 2,18 69 2,81 10 0,40 25 1,00 40 1,61 55 2,23 70 2,85 11 0,44 26 1,04 41 1,65 56 2,27 71 2,89 12 0,48 27 1,08 42 1,69 57 2,31 72 2,93 13 0,52 28 1,12 43 1,73 58 2,35 73 2,97 14 0,56 29 1,16 44 1,77 59 2,39 74 3,01 65 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» Приложение 4 Теплофизические параметры воздуха 250 ρ, кг/м3 1,390 Ср, кДж/(кг⋅K) 1,006 λ⋅103, Вт/(м⋅K) 22,1 α⋅106, м2/c 15,80 μ⋅107, Н⋅с/м2 159,6 ν⋅106, м2/с 11,40 0,72 260 1,340 1,006 22,9 16,98 164,6 12,28 0,72 270 1,290 1,006 23,8 18,36 169,6 13,10 0,71 280 1,240 1,006 24,6 19,72 174,6 14,00 0,71 290 1,200 1,006 25,4 21,04 . 179,6 14,95 0,71 300 1,160 1,007 26,2 22,43 184,6 15,90 0,70 310 1,120 1,007 26,9 23,85 189,6 16,87 0,70 320 1,090 1,007 27,7 25,24 194,5 17,90 0,70 330 1,060 1,008 28,5 26,67 199,2 18,90 0,70 340 1,020 1,009 29,2 28,37 203,8 19,90 0,70 350 0,995 1,009 30,0 29,88 208,2 2С,90 0,70 375 0,928 1,012 31,9 33,95 219,2 23,60 0,69 400 0,870 1,014 33,3 38,31 230,1 26,40 0,69 425 0,820 1,017 35,5 42,57 240,4 29,30 0,69 450 0,770 1,021 37,3 47,45 250,7 32,40 0,68 475 0,730 1,025 39,1 52,25 261,1 35,60 0,68 Т, К 66 Рr Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 684 с. 2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Пер с нем. М.: Наука, 1974. 712 с. 3. Коваленко Л.М., Глушков В.К. Теплообмен с интенсификацией теплоотдачи. М.; Л.: Энергия. 1996. 184 с. 4. Берглс А. Интенсификация теплообмена: Пер. с англ. //Теплообмен. Достижения. Проблемы. Перспективы. М.: Мир, 1981. С. 145–192. 5. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.: Машиностроение, 1990. 206 с. 6. Интенсификация теплообмена: Темат. сб. / Под ред. А.А. Жукаускаса, Э.К. Калинина. Вильнюс: Мокслас, 1988. 188 с. (Успехи теплопередачи. 2). 7. Мигай В.К. Повышение эффективности теплообменников. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. 144 с. 8. Гухман А.А. Интенсификация конвективного теплообмена и проблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей // Теплотехника. 1977. № 4. С. 5–8. 9. Мигай В.К. Моделирование теплообменного оборудования. Л.: Энергия. Ленинград. отд-ние, 1987. 264 с. 10. Мигай В.К., Быстров П.Г. Интенсификация теплообмена в волнистых трубах // Теплоэнергетика. 1976. № 11. С. 74–76. 11. Интенсификация теплообмена в круглых трубах / В.К. Мигай, Л.П. Сафонов, В.А. Зайцев и др. // Теплообмен: Минский международ. форум. 24–27 мая 1988 г. Секция «Конвективный, радиационный и комбинированный теплообмен»: Проблем. докл. Минск, 1988. С. 142–152. 12. Афанасьев В.Н., Леонтьев А.И., Чудновский Я.П. Теплообмен и трение на поверхностях, профилированных сферическими углублениями. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1990. 118 с. (Препр. МГТУ им. Н.Э. Баумана № 1-90). 13. Гидродинамика и теплообмен при обтекании одиночных углублений на исходно гладкой поверхности / В.Н. Афанасьев, А.И. Леонтьев, Я.П. Чудновский и др. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. 140 с. (Препр. МГТУ им. Н.Э. Баумана № 2-91). 14. Афанасьев В.Н., Чудновский Я.П. Теплообмен и трение при безотрывном обтекании сферических углублений турбулентным потоком воздуха // Вестн. МГТУ им Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 1991. № 64. С. 15–25. 67 Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис» 15. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. М. Л.: Энергия, 1966. 184 с. 16. Шишов Е.В. Методы пограничного слоя в проблемах конвективного теплообмена. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1973. 160 с. 17. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М.: Наука, 1964. 720 с. 18. Эстеркин Р.И., Иссерлин А.С., Певзнер М.И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива. Л.: Недра. 1981. 424 с. 19. Шенк Х. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. 381 с. 20. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоиздат, 1985. 248 с. 21. Экспериментальное исследование турбулентного пограничного слоя на плоской пластине с нулевым градиентом давления и постоянным тепловым потоком / Е.В. Шишов, В.П. Югов, В.Н. Афанасьев и др. // Тр. МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1976. №. 222. С. 121–129. 22. Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Теория теплообмена» / В.Н. Афанасьев, В.М. Белов, А.И. Кожинов, П.С. Роганов. М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана. 1982. 40 с. 23. Клаузер Ф. Турбулентный пограничный слой: Пер с нем. // Проблемы механики. 1959. № 2. С. 297–340. 24. Репик Е.У., Тарасова В.Н. Измерение силы трения в пограничном слое при малых и умеренных числах Рейнольдса // Тр. ЦАГИ. Вып. 1218. 1970. 35 с. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение........................................................................................................ Теоретическая часть..................................................................................... 1. Основные способы передачи теплоты............................................ 2. Интенсификация конвективного теплообмена.............................. 3. Аналитическое и экспериментальное исследование структуры пограничного слоя.............................................................................. Экспериментальная часть............................................................................ 1. Основные требования к выполнению курсовой научно-исследовательской работы......................................................................... 2. Экспериментальное исследование и обработка эксперимента......... Приложение 1 ............................................................................................... Приложение 2 ............................................................................................... Приложение 3 ............................................................................................... Приложение 4 ............................................................................................... Список литературы...................................................................................... 68 3 5 5 8 19 47 47 49 62 64 65 66 67
Πώς να ξεκινήσετε ως δάσκαλος;
Εκμάθηση αγγλικών εξ αποστάσεως
Κανονικά και ανώμαλα αγγλικά ρήματα