5.5. ТЕПЛООБМЕН В СПЕЦИФИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Теплообмен в специфических условиях включает в себя расчет теплоотдачи в стационарных и не­стационарных условиях, в акустическом поле, в неньютоновских жидкостях, при высоких скоростях движения газов, контактный теплообмен в камерах орошения, при изменении агрегатного состояния (при кипении и конденсации пара).

Теплообмен в нестационарных условиях. Установлено, что коэффициенты теплообмена в нестацио­нарных ан и стационарных аст условиях отличаются. Выявлено, что коэффициент теплоотдачи в неста­ционарных процессах зависит от теплоемкости, плотности и толщины тела.

Установленные закономерности могут быть объяснены с помощью следующей модели механизма процесса: так как температуропроводность, например металлов, на три порядка больше температуро­проводности, например, такой среды, как вода, перестройка распределения температур вблизи границы раздела в этих средах будет проходить с существенно различной скоростью. Нестационарное распреде­ление температуры в капельной жидкости у поверхности тела в каждый момент времени будет иным, нежели стационарное (или квазистационарное) распределение для тех же значений температуры стенки и жидкости вдали от поверхности. Замечается иной наклон температурной кривой, а следовательно, и иное значение коэффициента теплоотдачи, чем в случае стационарного распределения температуры.

Вполне допустимо, что если бы удалось остановить процесс изменения температуры поверхности, то перестройка распределения температуры в жидкости продолжалась бы еще некоторое время. Это от­ставание тем больше, чем больше разница в коэффициентах температуропроводности сред. Поэтому рассматриваемый эффект труднее обнаружить в случае теплообмена металлических тел с воздухом и другими газами, коэффициенты температуропроводности которых отличаются всего на один порядок. Заметный эффект наблюдается при достаточно высокой скорости изменения температуры поверхности тела во времени. Так, при искусственно созданной скорости нагрева v = 200 К/с, прослеживается откло­нение интенсивности теплообмена потока воздуха с металлическим телом от стационарного значения до 60 %.

Кроме того, увеличение толщины тела, его теплоемкости и плотности приводят к замедлению ско­рости изменения температуры на поверхности тела в начальный период времени, что ведет к уменьше­нию расхождения ан и аст. С течением времени нестационарного процесса отношение этих коэффици­ентов также должно стремиться к единице.

В процессе нагрева должен наступить момент, соответствующий определенной скорости изменения температуры поверхности тела, после которого пограничный слой жидкости успевает перестраиваться. Тогда коэффициент теплоотдачи н остается постоянным, равным его квазистационарному значению или практически равным коэффициенту теплообмена  ст в стационарных условиях.

Теплообмен в неньютоновских жидкостях. В последнее время широкое распространение получили так называемые неньютоновские жидкости, обладающие рядом аномальных свойств. Типичными нень­ютоновскими жидкостями являются смолы, глинистые растворы для бурения, строительные материалы и растворы, смеси (тесто) в пищевой и кондитерской промышленности, коллоидные системы, растворы полимеров.

Для неньютоновских жидкостей характерны резкие изменения вязкости как функции градиента скорости. Структурные изменения, происходящие под действием градиента скорости, сказываются на коэффициенте теплопроводности, ибо макромолекулы и включения в чистом виде обладают одними коэффициентами переноса, а растворители - другими.

Эффекты, связанные с влиянием степени отклонения от температурного равновесия, оказываются еще более утонченными. Особо заметно влияние температурного градиента на свойства неньютонов­ских жидкостей, когда коллоиды обладают большим сродством к растворителю и, следовательно, большим эффективным размером дисперсных частиц. По мере роста градиента температуры оболочка коллоида начинает разрушаться. При этом увеличивается доля свободного растворителя, а значит меня­ется структура в целом и по объему.

Однозначное влияние градиентов на вязкость и теплопроводность справедливо лишь тогда, когда время релаксационных процессов деформирования, ориентации, перегруппировки и разрушения связей между структурными элементами много меньше времени наблюдения или внешнего воздействия. В противоположном случае инерционные запаздывания нужно учитывать.

Экспериментальные факты показывают, что в некоторых неньютоновских жидкостях релаксацион­ные процессы протекают чрезвычайно медленно. Время релаксации в концентрированных растворах и расплавах полимеров при комнатных температурах исчисляются часами и даже месяцами. Особенно хорошо явление релаксации наблюдается в материалах, обладающих гиксотропией - интенсивным об­ратимым разрушением структуры при отклонениях от механического равновесия и восстановлением ее при продолжительном отдыхе. С учетом времени релаксации тепловой поток возникает не мгновенно при появлении градиента температуры, а запаздывает на некоторое время. В силу тех же инерционных свойств носителей теплоты должна наблюдаться релаксация градиента температуры при мгновенном исчезновении теплового потока.

Ввиду особых физических свойств неньютоновские жидкости часто называют аномальными: они не подчиняются общеизвестным классическим законам трения, теплопроводности, теплоотдачи. Поэтому естественно возникает вопрос, как учесть релаксационные явления в математической формулировке процессов реологии и переноса теплоты? Простейшая реологическая модель была предложена еще Максвеллом. Позднее она была уточнена, а в настоящее время для напряжения трения и теплового по­тока предлагаются соотношения

где а - напряжение трения; п - аномальная вязкость; тр - время релаксации; G - модуль сдвига; q -удельный тепловой поток.

Аналитическое использование этих соотношений связано с большими трудностями, так как диффе­ренциальные уравнения на такой основе получаются чрезвычайно сложными. По этой причине они иногда заменяются приближениями несколько простого вида:

где k; n; p; m - эмпирические коэффициенты.

Все это заставляет пока отдавать предпочтение экспериментальным методам исследования.

Теплообмен в акустическом поле. Установлено, что наименьшие значения коэффициента теплоот­дачи наблюдаются при теплообмене между твердой поверхностью и газообразной средой (воздухом). Доказано, что в условиях свободной конвекции акустическое поле заметно интенсифицирует процесс теплоотдачи. При вынужденной конвекции положительный результат менее значителен даже при больших интенсивностях звукового поля и с повышением скорости потока эффект звукового поля бы­стро падает.

В то же время экспериментально установлена значительная интенсификация процессов теплоотда­чи в акустическом поле между газообразной средой и цилиндрической поверхностью, имеющей ореб-рение.

Кроме того, наблюдаемый эффект оребрения поверхности превосходит воздействие звуковых волн на теплоотдачу гладкой поверхности (цилиндра) в аналогичных условиях, если звук распространяется перпендикулярно ребрам поверхности твердой стенки.

Например, у цилиндра с ребрами со степенью развития поверхности s = Fn/Fo = 3 (F0 - поверхность, очерченная по вершинам выступов), диаметром d0 = 29 мм, при скорости воздушного потока со = 0,3 м/с, интенсивности звука I = 3500 Вт/м2 и частоте звуковых волн f = 4000 Гц, направленных перпендикуляр­но продольным ребрам, наблюдалось трехкратное (300 %) увеличение теплоотдачи, а у гладкого цилин­дра теплоотдача возрастает только на 50 %. При увеличении скорости воздушного потока до с = 18 м/с и наложении акустического поля коэффициент теплоотдачи у гладкого цилиндра не изменялся, а ореб-ренный цилиндр показывал увеличение теплоотдачи на 40 %.

Количество теплоты, отдаваемое поверхностью газовому потоку под воздействием звука и без него, выразится через соответствующие коэффициенты теплоотдачи и температурные напоры:

Q = а зв Fп ЛТ зв =а 0 FAT0, а оценкой влияния акустических волн на теплоотдачу служит

а0       ЛТзв '

где азв и а0 - коэффициенты теплоотдачи поверхности при наложении поперечного звукового поля и при его отсутствии в тех же условиях; Fti - полная поверхность с учетом оребрения; AT = (Тп - Тв) -температурный напор между горячей поверхностью и холодным воздухом при наложении поперечного звукового поля ЛТзв и при его отсутствии ЛТ0.

Критерий х может быть получен экспериментально путем измерения температурных напоров меж­ду поверхностью и воздухом до (Л 70) и после (ЛТзв) наложения звуковых колебаний. Интенсификация теплоотдачи оребренного цилиндра диаметром 0,02 < do < 0,04 м со степенью развития поверхности s и газовой средой, движущейся со скоростью 0,3 < со0 <1,8 м/с, частотой звуковых волн 3 • 103 < f < 12 • 103 Гц, определяется уравнением

х=1+5,5 • ю-4 вy[сC^ГfvгRеown,

где В - отношение амплитуды колебаний и скорости набегающего потока газа; с - скорость звука; v -кинематическая вязкость; Rew - число Рейнольдса по диаметру цилиндра d0.

Контактный теплообмен в камерах орошения. Теплообмен между жидкостью и газами наблюдает­ся во многих тепловых установках, кондиционерах, контактных теплообменниках и служит для интен­сификации процессов теплопередачи.

В контактных теплообменниках наружная поверхность насадки (пучка труб) омывается дымовыми газами и орошающей водой. Теплота дымовых газов передается воде, циркулирующей по трубам насад­ки двумя путями: за счет непосредственной передачи теплоты топочных газов и орошающей воды и за счет конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах, на поверхности насадки.

Кондиционирование воздуха или создание искусственных климатических условий основано на теп-ловлажностной обработке воздуха, подаваемого в обслуживаемые помещения, для создания требуемой температуры и влажности. Обработка воздуха может производиться в различных аппаратах, но наибо­лее широкое распространение получили форсуночные или оросительные камеры. Их достоинствами яв­ляются теплотехническая универсальность, хорошая очистка воздуха от пыли, малое аэродинамическое сопротивление и простота конструкции.

Камеры орошения относятся к теплообменным аппаратам смесительного типа, в которых исполь­зуют центробежные форсунки с тангенциальным подводом жидкости, а теплообмен происходит при не­посредственном соприкосновении потока воздуха с поверхностью капель воды и одновременно сопро­вождается переносом массы. Кондиционеры воздуха снабжаются обычно форсунками одностороннего или двухстороннего распыления.

Для определения коэффициента теплоотдачи между воздухом и жидкостью, а также оценки эффек­тивности обработки воздуха целесообразно использовать число единиц переноса теплоты

G '

где а - коэффициент теплоотдачи от воздуха и жидкости; F - общая площадь поверхности всех капель, распыленных форсункой; - расход воздуха в единицу времени; ср - удельная массовая теплоем­кость влажного воздуха.

Для определения числа единиц переноса теплоты рекомендуется критериальное соотношение, по­лученное на основе опытов с форсунками одностороннего и двухстороннего распыления

(NTU) = m • 103 • К-0,5 Re-м (Ар1 Д)-0,3,

где m = 2 для форсунок одностороннего и m = 2,7 для двухстороннего распылений; Кэ - энергетический критерий, учитывающий эффективность расхода воды (от 5 до 1200); Ар1 - геометрическая характери­стика форсунки (одностороннего распыления от 0,46 до 3,9); Д - отношение диаметра форсунки к длине сопла (Д = 3.. .5,4); Ref - критерий Рейнольдса для воздуха (от 115 • 103 до 261 • 103).

Энергетический критерий, учитывающий эффективность расхода воды, характеризует отношение количества теплоты, переданного от воздуха к воде в дождевом объеме V форсуночной камеры при дав­лении H, к мощности, затраченной на распыление воды:

К                CрGвозЛТвоз

э=   (vh )воды '

где ЛТвоз - изменение температуры воздуха в теплообменнике.

Из критериального уравнения видно, что с увеличением геометрической характеристики Ар1 число единиц переноса теплоты (NTU) уменьшается. Следовательно, с теплотехнической точки зрения целе­сообразно применять форсунки с малыми значениями Ар1, но такие форсунки более подвержены засо­рению, т.е. требования технической и эксплуатационной эффективности противоречат друг другу. По­этому более целесообразно использование форсунок двухстороннего распыления, которые менее под­вержены засорению и в то же время позволяют повысить теплотехническую эффективность камеры на

35 %.

Вместе с тем анализ гидродинамических условий в камере орошения показывает, что при установке форсунок двухстороннего распыления вдоль потока воздуха неэффективно используется факел капель, направленный по потоку. Доля этого факела в теплотехническом отношении значительно меньше, чем встречного, вследствие сокращения времени пребывания капель в дождевом объеме камеры, а также меньшего перепада температуры и относительной скорости. С целью более эффективного использова­ния попутного факела капель весьма целесообразно устанавливать на его пути отбойное кольцо, и в этом случае энергетические затраты на обработку воздуха значительно уменьшаются. Такой эффект объясняется вторичным дроблением капель, увеличением времени их пребывания в дождевом объеме камеры, изменением гидродинамических условий обтекания воздухом. При установке каплеотбойного кольца на пути встречного факела эффективность камеры орошения также возрастает, хотя и в меньшей степени.

В теплоэнергетике широко распространены процессы конденсации и парообразования. На теплооб­мен при изменении агрегатного состояния влияют физико-химические особенности среды и поверхно­сти:

состояние поверхности - чистая, загрязненная, шероховатая;

капиллярность и поверхностное натяжение;

адсорбция - поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсор­бента);


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я