8185

61

тенциальное течение искажается (изменяется распределение давления) и отрыв наступает раньше. Полный расчет для каждого сечения диффузора приводится в табл. 3.1. Если учесть влияние оттеснения линий тока, то толщина ламинар-

ного подслоя в точке отрыва достигает 5 – 6 мм. Согласно экспериментальным данным – около 4 мм.

Рассчитанные по изложенному методу характеристики пограничного слоя до точки его отрыва получены, кроме того, без учета влияния генерируемой в результате отрыва потока турбулентности. Необходимая для этого информация и формулы для расчета имеются в [38]. В частности, влияние турбулентности на коэффициент трения для пластины в безградиентном потоке воздуха реко-

мендуется учитывать следующей эмпирической зависимостью

где cf0 – коэффициент трения при степени турбулентности набегающего потока

Tu ≤ 0,1 %. Формула справедлива для Tu до 10 %. Здесь степень турбу-

лентности рассчитана по трем составляющим пульсаций скорости, т. е.

Таблица 3.1

Результаты расчета ламинарного пограничного слоя в диффузоре

Скорость в узком сечении (на входе в диффузор) u = 5 м/с; d0 = 0,047 м; γ = 12°; b = 0,12 м

63

3.8Обобщение опытных данных по сопротивлению и теплообмену

впрофилированных каналах

Наличие в модели участков безотрывного обтекания стенки в подслое и зон рециркуляции, существование которых подтверждено большим количе-

ством экспериментов при изучении течения в профилированных трубах и ка-

налах (см. в частности [15, 22]), позволило A.Л. Ефимову и O.K. Бережной предположить, что зависимости (3.31) и (3.37) могут быть использованы при обобщении опытных данных по теплообмену и сопротивлению профилиро-

ванных труб и каналов. Более того, именно зоны рециркуляции рассматри-

вались в качестве основной причины нарушения аналогии процессов переноса в таких каналах, поскольку многочисленные исследования обтекания уступов, за которыми образуются подобные зоны, показывают, что касательное напряже-

ние на стенке в этих зонах практически равно нулю, в то время как плотность

теплового потока имеет конечное значение.

В результате данные по теплообмену в диффузорно-конфузорных ка-

налах, в трубах с поперечной и винтовой накаткой, со спиральными вставками удалось обобщить зависимостями вида (3.37), в которых Reкp и показатели сте-

пени p при Re были представлены степенными функциями обобщенных гео-

метрических переменных – относительной длины продольного профиля, степе-

ни дросселирования сечения канала, закрутки профиля и др. Среднеквадратич-

ная погрешность при этом составила менее 20 % для Reкp и не более 3,7 % для

показателя степени p при Re [39].

В частности, для диффузорно-конфузорных асимметричных каналов:

d 4V / F;V – свободный объем, F – поверхность теплообмена; dmax, dmin – мак-

симальный и минимальный гидравлические диаметры канала; L – общая длина;

64

l0 – длина одного периода диффузорно-конфузорного канала; ld, lk – длины диффузорной и конфузорной частей канала; d = dmax – dmin; Xd = ld′ / dd′,

Xk = lk′ / dk′ – относительные длины диффузорного и конфузорного участков ка-

нала, рассчитываемые аналогично относительной длине периода Х1. Зависи-

мость (3.105) в графической форме представлена на рис. 3.3.

Однако при обобщении данных по сопротивлению в такой же форме по-

грешность оказалась существенно большей. И более приемлемый результат удалось получить при обработке данных на основе представления о течении в профилированных трубах и каналах, как в каналах с дискретно шероховатыми стенками. Для этого за основу была взята формула А.Д. Альтшуля для труб с песочной шероховатостью

которая после соответствующей модификации приняла следующий вид:

Рис. 3.3. Зависимость Reкp (X1, X2, X3, X4) для диффузорно-конфузорного канала.

где X1, X2,…, X5 – безразмерные геометрические переменные (симплексы), харак-

теризующие относительную длину периода канала, общее число периодов, сте-

65

пень его сжатия-расширения, кривизну и закрутку профиля и рассчитываемые

по общим для любых типов каналов правилам; Х6 = / (l + d) – относительная

высота профиля канала; l – длина периода и d = 4V / F – гидравлический диа-

метр канала; V, F – объем и площадь поверхности теплообмена периода канала;

А, В, С, п1, п2,..., п5 – эмпирические константы.

Результаты обобщения данных с использованием зависимостей (3.31) и (3.37) показали, что основной причиной изменения показателя степени при Re в

исходных эмпирических формулах вида Nu = A∙Reр и λ = В∙Req (от 0,7 до 0,87

для теплообмена и от –0,32 до 0 для сопротивления), с помощью которых были обработаны опытные данные для каждой исследованной поверхности, является проявление шероховатости, а не изменение показателя в степенных профилях

намическая скорость, имеют соответственно значения 15 и 50 (рис. 3.4). Таким образом, толщина подслоя в соответствии с предложенной моделью включает не только ламинарный подслой по Л. Прандтлю (y+ < 5), но и большую часть буферного слоя по Т. Карману (y+ ≈ 5…70) [34].

Рис. 3.4. Универсальный логарифмический закон распределения скоростей в гладкой трубе: 1 – действительная кривая перехода от ламинарного течения к турбулентному; 2 – профиль скоростей в ламинарном пограничном слое по решению Г. Блазиуса.

66

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ

САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Назовите цель и исходные данные проектного (конструктивного) теп-

лового расчета теплообменного аппарата.

2. Назовите цель и исходные данные поверочного теплового расчета теп-

лообменного аппарата.

3.Для каких схем относительного движения теплоносителей средний температурный напор рассчитывают как среднелогарифмический?

4.В каких случаях необходимо вводить поправку на схему движения теп-

лоносителей?

5. Когда можно использовать среднеарифметический температурный на-

пор?

6. Чем метод среднего температурного напора отличается от метода эф-

фективности?

7.Дайте определение эффективности теплообменника?

8.Что такое число единиц переноса и как его рассчитывают?

9.От чего зависит величина поправки ε t?

10.Запишите формулы для расчета конечных значений температур теп-

лоносителей, используя величину эффективности?

11. Как рассчитать тепловую мощность теплообменника по методу сред-

него температурного напора и по методу эффективности?

12.Чему равен температурный напор в паропреобразователе?

13.Перечислите наиболее распространенные методы интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах.

14.В какой из областей потока относительно стенки (в ламинарном под-

слое, буферной области или турбулентном ядре потока) сосредоточено основ-

ное термическое сопротивление при турбулентном течении в трубе газа и в ка-

ких при течении жидкости?

15. Во сколько примерно раз можно интенсифицировать теплообмен в

67

теплообменнике при вынужденном течении, чтобы рост гидравлического со-

противления не опережал рост интенсивности теплообмена?

16.Чем можно объяснить интенсификацию теплообмена при течении в профилированных трубах и каналах?

17.Какова длина начального участка профилированного канала?

18.Назовите основные признаки модели турбулентного течения с лами-

нарным прерывистым подслоем?

19.Напишите выражение для толщины ламинарного пограничного слоя на пластине.

20.В какой из областей наиболее эффективно применять профилирован-

ные каналы, с точки зрения интенсификации теплообмена? В ламинарной, пе-

реходной, при развитом турбулентном течении?

21.Напишите формулы для расчета локального и среднего теплообмена при ламинарном продольном обтекании гладкой пластины.

22.Напишите формулы для расчета локального и среднего трения при турбулентном продольном обтекании гладкой пластины.

23.Напишите выражение для степенного профиля скоростей.

24.Объясните физический смысл критического числа Рейнольдса для ла-

минарного прерывистого подслоя.

25. Какие из известных вам способов интенсификации теплообмена заре-

комендовали себя как наиболее эффективные и почему?

26. Какие из геометрических размеров поверхностей теплообмена прини-

мают в качестве характерных при расчете конвективного теплообмена в трубах и каналах для ламинарного, переходного и турбулентного режимов, при попе-

речном обтекании пучков труб, при конденсации пара на вертикальной стенке и на пучке горизонтальных труб?

27. Укажите правила выбора определяющих значений скоростей теплоно-

сителей для труб и каналов, пучков труб.

28. Какова особенность выбора определяющего значения температуры теплоносителя при расчете (выборе табличных значений) теплофизических

68

свойств теплоносителей при вынужденном течении в трубах и каналах, попе-

речном обтекании пучков труб, при естественной конвекции, при конденсации пара и кипении жидкостей?

29.Как учитывают влияние начального участка на средний теплообмен в трубах или каналах?

30.С какого ряда пучка труб по потоку теплоносителя, коэффициенты теплоотдачи практически остаются постоянными?

31.При каком значении числа рядов труб средний коэффициент теплоот-

дачи пучка в поперечном потоке перестает изменяться?

32. Какие факторы влияют на интенсивность теплообмена и гидравличе-

ское сопротивление при течении теплоносителей на начальных участках труб и каналов, поперечно обтекаемых пучков труб?

69

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Антуфьев, В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. М.-Л.: Энергия, 1966.

2.Бажан П.И., Мунябин К.Л. Обобщенное уравнение для расчета теплоотдачи и трения в каналах // Тр. Третьей Рос. нац. конф. по теплообмену. В 8-ми т. Т. 2. Вынужденная конвекция однофазной жидкости. М.: Издательство МЭИ, 2002. С. 49-51.

3.Бережная O.K., Ефимов А.Л. Расчет развитого турбулентного течения и теплообмена на основе модели прерывистого подслоя // Тр. Третьей Рос. нац. конф. по теплообмену. В 8-ми т. Т. 2. Вынужденная конвекция однофазной жидкости. М.: Издательство МЭИ, 2002. С. 56-57.

4.Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники. М.: Машиностроение, 1973.

5.Бурков В.В. Алюминиевые теплообменники сельскохозяйственных и транспортных машин. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд.), 1985.

6.Величко В.И., Пронин В.А. Интенсификация теплоотдачи и повышение энергетической эффективности конвективных поверхностей теплообмена. М.: Издательство МЭИ, 1999.

7.Величко В. И., Пронин В. А. Расчет теплоотдачи в плоском канале с отрывом и присоединением воздушного потока // Науч. тр. Межвуз. тематический сборник № 54 Интенсификация тепломассообмена в энергетических установках. М.: МЭИ, 1985. С. 84-91.

8.Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань.: Изд-во Казанского ГТУ, 1999.

9.Гухман А.А. Интенсификация конвективного теплообмена и проблема сравнительной оценки теплообменных поверхностей // Теплоэнергетика. 1977. № 4. С. 5-8.

10.Дрейцер Г.А., Дзюбенко Б.В., Якименко Р.И. Интенсификация теплообмена и анализ методов сравнения теплогидравлической эффективности