23. . Основы теории подобия. (тп)

ТП возникла как наука относительно недавно, однако быстро нашла практическое применение, а её результаты стали необходимы для применения в большинства теплотехнологических устройств. Основное назначение ТП это обобщение результатов экспериментов по исследованию теплообмена и гидравлических сопротивлений различных (в том числе и сложных) случаях обтекания. Простейшие представление о подобии даёт геометрическое подобие. ТП обобщает это понятие на физические явления Ключевые понятия:

Одноимённые величины – это величины, имеющие одинаковую физическую размерность.

Сходственные точки – это такие точки в геометрически подобных системах, координаты которых связаны константой подобия. Сходственные моменты времени – это такие моменты времени, которые связаны временной константой подобия при общем начале отсчета.

Подобные явления – это явления одинаковой физической природы, происходящие в геометрически подобных системах когда отношение одноимённых величин в сходственных точках представляет собой постоянные числа в сходственные моменты времени. Подобные явления описывается одними и теми же уравнениями. Достоинства ТП – это то, что она отвечает на вопрос как провести эксперимент на модели.

Второе достоинство ТП в том, что она позволяет уменьшить количество независимых переменных путем объединения их в безразмерные комплексы и доказать, что именно эти величины определяют развитие явления (например скорость потока влияет на режим течения), но определяет режим число Ренольдса:

Безразмерные комплексы, определяющие явления, называются числами или критериями подобия. Термин «число подобия» часто употребляется в отношении искомых величин, а термин «критерий» применяют в отношении тех комплексов, которые определяют протекание явления.

24) Теплоотдача при вынужденном течении по трубам и каналам.

Течение теплоносителей в каналах в отличие от случаев наружного обтекания различных предметов принято рассматривать как внутренние задачи. Для внутр.задач характерным является течение в замкнутом пространстве, ограниченном стенками канала, что приводит к взаимному влиянию друг на друга пограничных слоев, формирующихся на стенках канала самым простым в смысле изометрии является канал круглого поперечного сечения. При ламинарном течении профиль скорости в круглом канале изменяется от равномерного на входе в канале до выпуклого с меридианальным сечением в виде параболы. W_x=W_max(1-(r/r₀)²) W_max=2 W. Формирование профиля скорости от равномерного до квадратичного происходит на нач. участке В пределах нач. участка толщины пограничных слоев растут и на заверш.этапе смыкаются в центре трубы. При высоких скоростях в трубе наблюдается турбулентный режим течения с прифилем скорости, показанном на рис. В этом профиле ярко просматривается турбулентное ядро. Местная теплоотдача для ламинарного режима может быть рассчитана: Nu_f,x=0,33× Re_f,x^0,5×Pr _f^0,43× ⁽Pr_f∕ Pr_w)^0,25(x∕d) ^0,1

(x∕d) ^0,1-поправка на нач.участок, d-диаметр трубы. Re=(ω× d) ∕ν

Re(ламин) <2300, Re(турбул) >10⁴, Re(перех)=2300…10⁴

Для турб режима местный коэффициент теплоотдачи:

Nu_{f, d} =0,022× Re _f,d ^0,8×Pr^0,43× ε_ℓ формула справедлива в диапазоне 10⁴ < Re <5×10⁶ ,0,6 < Pr<2,5×10³

Коэффициент ε_ℓ учитывает поправку для участка гидродинам.стабилизации потока

(x∕d) >=15, ε_ℓ=1, ε_ℓ=1,38(x∕d)^-0,12

27.кипение и конденсация. С увеличением температуры поверхности нагрева число центров парообразования резко возрастает, все большее количество оторвавшихся пузырьков всплывает в жидкости, вызывая ее интенсивное перемешивание. Это приводит к значительному росту теплового потока от поверхности нагрева к кипящей жидкости (росту коэффициента теплоотдачи a=q/DT, где q — плотность теплового потока на поверхности нагрева,). Соответственно возрастает и количество образующегося пара. При достижении максимального (критического) значения теплового потока (qmakc) начинается второй, переходный режим Кипение При этом режиме большая доля поверхности нагрева покрывается сухими пятнами из-за прогрессирующего слияния пузырьков пара. Теплоотдача и скорость парообразования резко снижаются, т.к. пар обладает меньшей теплопроводностью, чем жидкость, поэтому q и a резко снижаются. Наступает кризис Кипение Когда вся поверхность нагрева обволакивается тонкой паровой пленкой, возникает третий, пленочный, режим Кипение При нем теплота от раскаленной поверхности передается к жидкости через паровую пленку путем теплопроводности и излучения. Характер изменения q с переходом от одного режима Кипение к другому показан на. В том случае, когда жидкость не смачивает стенку (например, ртуть, легированную сталь), Кипение происходит только в плёночном режиме. Все три режима Кипение можно наблюдать в обратном порядке, когда массивное металлическое тело погружают в воду для его закалки: вода закипает, охлаждение тела идет сначала медленно (пленочное Кипение ), затем скорость охлаждения начинает быстро увеличиваться (переходное Кипение ) и достигает наибольших значений в конечной стадии охлаждения (пузырчатое Кипение ). Теплоотвод в режиме пузырчатого Кипение является одним из наиболее эффективных способов охлаждения; он находит применение в атомных реакторах и при охлаждении реактивных двигателей. Широко применяются процессы Кипение также в химической технологии, пищевой промышленности, при производстве и разделении сжиженных газов, для охлаждения элементов электронной аппаратуры и т.д. Наиболее широко режим пузырчатого Кипение воды используется в современных паровых котлах на тепловых электростанциях для получения пара с высокими значениями давления и температуры. Плёночное Кипение в паровых котлах недопустимо, оно может привести к перегреву стенок труб и взрыву котлов.

Кипение возможно не только при нагревании жидкости в условиях постоянного давления. Снижением внешнего давления при постоянной температуре можно также вызвать перегрев жидкости и её вскипание (за счёт уменьшения температуры насыщения). Этим объясняется, в частности, явление кавитации — образование паровых полостей в местах пониженного давления жидкости (например, в вихревой зоне за гребным винтом теплохода). Кипение при пониженном давлении применяют в холодильной технике, в физическом эксперименте

И зменение плотности теплового потока q и коэффициента теплоотдачи ( при кипении воды под атмосферным давлением в зависимости от температурного напора DT=Т-Ткип: А — область слабого образования пузырей; Б — пузырчатое кипение; В — переходный режим кипения; Г — стабильное плёночное кипение.

Теплоотдача при конденсации пара (27).

Теплоотдача при конденсации пара имеет большое практическое значение при проектировании и эксплуатации конденсаторов, установок для тепловлажностной обработки железобетонных и -силикатных изделий. Пар при соприкосновении с холодными поверхностями конденсируется. Образовавшиеся на поверхности капли конденсата, растекаясь, образуют пленку. Такая конденсация называется пленочной в отличие от капельной, при которой на поверхности сохраняются капли конденсата, если, например, поверхность покрыта маслом.

Коэффициент теплоотдачи при капельной конденсации значительно выше, чем при пленочной, так как пленка препятствует передаче теплоты к стенке. Теплоотдача от пара к стенке при пленочной конденсации происходит последовательно теплопроводностью через слой пленки и затем конвекцией от движущейся ламн-нарно по стенке пленки. Температура поверхности пленки, обращенной к пару, равна температуре насыщения г„, а соприкасающейся со стенкой — температуре стенки tCT- Если температура поверхности выше температуры насыщения, то конденсации не происходит.

Теплоотдача к бетонным изделиям в установках для тепловлажностной обработки происходит при пленочной конденсации.

В паровоздушной среде теплоотдача замедляется, так как при конденсации пара на стенке оседают пузырьки воздуха, препятствующие стеканию конденсата. Это следует учитывать при проектировании установок для тепловлажностной обработки железобетонных изделий, в которых изделия пропариваются как в среде чистого пара, так и в паровоздушной смеси.

Для определения коэффициента теплоотдачи в чисто паровой среде рекомендуют следующие эмпирические формулы как наиболее простые: при вертикальном расположении изделий.

28) лучистый теплообмен Тепловое излучение - результат превращения внутренней энергии тел в энергию электромагнитных колебаний. При попадании тепловых лучей (волн) на другое тело их энергия частично по­глощается им, снова превращаясь во внутреннюю. Так осуществляется лу­чистый теплообмен между телами.Тепловое излучение как процесс рас­пространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны X н часто­той колебаний v = c/)., где с — скорость света (в вакууме с = 3-10* м/с).Все виды электромагнитного излуче­ния имеют одинаковую природу. Тепловой поток, излучаемый на всех длинах волн с единицы поверхности тела по всем направлениям, называется поверхностной плотностью потока интегрального излучения. Это собственное излучение тела. Лучистый теплообмен — радиационный теплообмен, осуществляется в результате процессов превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения, переноса энергии излучения и её поглощения веществом. Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называют абсолютно черным, А - коэффициент поглощения, А=1-абс. черный, А<1- серые, R-коффиөиент отраңения, R=1-Fабс. белый,для абс. прозрачного D(коэф. пропускания)=1 A+R+D=1-урав. теплового баланса. Суммарный процесс взаимного испускания, поглащения, отражения и пропускания энергии излучения в системах тел – лучистый теплообмен