Определяющий размер, определяющая температура
В числа подобия (Nu, Re, Pe, Gr) входит линейный размер l0. Теория подобия не дает однозначного ответа на вопрос, какой размер должен быть принят за определяющий, т.е. за масштаб линейных размеров. Если в условия однозначности входит несколько размеров, за определяющий принимается тот, который в наибольшей мере влияет на процесс и удобен в расчетной практике (например, диаметр трубы, диаметр обтекаемого цилиндра, продольная координата и др.). В ряде случаев в качестве определяющего размера принимается не геометрическая характеристика теплообменной поверхности, а характерный параметр потока или составленный из разнородных физических величин комплекс, имеющий размерность длины.
Теория подобия не дает универсальных рекомендаций к выбору определяющей температуры — температуры, при которой выбираются физические свойства теплоносителя, входящие в числа подобия. Целесообразно в качестве определяющей использовать температуру, которая задается в условиях практических задач или наиболее полно отражает особенности состояния теплоносителя и процесса теплообмена и может быть легко вычислена.
Создание сайта Мегагрупп
Copyright © 2013 — 2024
Политика конфиденциальности
195009, Россия, Санкт-Петербург, ул. Ватутина д.19, офис 104
ИНН: 7804198321
ОГРН: 1157847123720
1.6.3. Определяющий размер, определяющая температура
подобия не дает однозначного ответа на вопрос, какой размер должен быть принят за определяющий, т.е. за масштаб линейных размеров.
Если в условия однозначности входит несколько размеров, за определяющий принимается тот, который в наибольшей мере влияет на процесс и удобен в расчетной практике (например, диаметр трубы, диаметр обтекаемого цилиндра, продольная координата и др.)
В ряде случаев применяется не геометрическая характеристика теплообменной поверхности, а характерный параметр потока, или комплекс, составленный из разнородных физических величин, имеющий размерность длины.
Теория подобия не дает универсальных рекомендаций к выбору определяющей температуры, т.е. температуры, при которой выбираются физические свойства теплоносителя, входящие в числа подобия. Целесообразно
в качестве определяющей использовать температуру, которая задается в условиях практических задач или наиболее полно отражает особенности состояния теплоносителя и процесса теплообмена и может быть легко вычислена.
1.6.4. Теплоотдача при течении жидкости (газа) в трубах
Ламинарный режим наблюдается при Re < Re кр .
Для изотермического потока в круглой трубе Re кр =2300 (рис. 1.8а). Режим развитого турбулентного течения устанавливается при Re кр ≥ 10 4 (рис. 1.8б).
Значение Re в интервале от Re кр до 10 4 соответствует переходному режиму.
В следствии теплообмена плотность текущей среды может быть неоднородной по сечению и по длине канала. При определенных значениях
в вынужденном потоке может
развиться свободная конвекция.
Ламинарное течение в отсутствие свободной конвекции принято называть
Чем больше вязкость жидкости, меньше диаметр трубы и температурный напор, тем вероятнее вязкостный режим. Если вязкость теплоносителя заметно изменяется с изменением температуры, то даже в отсутствие влияния свободной конвекции распределение скорости по сечению трубы может значительно отличаться от профиля скорости изотермического потока.
Рис. 1.8. Гидродинамическая стабилизация в трубе при ламинарном (а) и турбулентном (б) течениях
У капельных жидкостей с ростом температуры вязкость уменьшается. Поэтому при нагревании потока скорость вблизи стенки больше, чем при охлаждении и соответственно интенсивнее теплоотдача.
На рис. 1.8 видно, что на начальном участке канала профили скорости и температуры жидкости (газа) изменяется во входном сечении до полностью развитой по сечению потока формы. Эти участки канала, в пределах которых
формируется гидродинамический и тепловой пограничные слои, называется соответственно гидродинамическим и термическим начальным участком.
На участке гидродинамической и тепловой стабилизации потока теплоотдача по мере развития пограничных слоев падает по длине канала, а число Нуссельта уменьшается, асимптотически приближаясь к постоянному значению Nu ∞. Это значение Nu ∞, называемое предельным, характеризует интенсивность теплоотдачи полностью стабилизировавшегося потока. В трубах длиной l l Г , l l Т среднюю теплоотдачу можно считать равной
предельной: Nu =Nu ∞ (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Изменение локального
и среднего значения Nu по длине
1.6.5. Вязкостный режим
При ламинарном течении теплоносителя длины гидродинамического l Г и термического l Т начальных участков определяются по формулам:
где L Г, L Т – индивидуальные для каналов с разной формой поперечного
d э – эквивалентный диаметр сечения, d э =
f и П — площади и
периметр проходного сечения.
Постоянная L Г определяется по формуле:
Постоянная L Т определяется по формуле:
Для газов, у которых Pr≈1, расчетная длина начального теплового участка может достигать значений l Т ≈100 d Э . У очень вязких жидкостей (масел) Pr 1
и значение l Т изменяется в пределах (10 2 ÷10 4 ) d Э , т.е. практически весь канал может представлять собой участок тепловой стабилизации.
1.6.6. Вязкостно-гравитационный режим
В потоке среды с неоднородной по сечению плотностью на основное (вынужденное) течение накладывается свободноконвективное движение.
При взаимно противоположном направлении вынужденного движения и подъемных сил в вертикальных каналах (течение сверху вниз при нагревании и снизу вверх при охлаждении потока) течение у стенки тормозится и ускоряется
в ядре потока. С ростом числа Рэлея Ra = Gr Pr профиль скорости все больше деформируется, вплоть до образования точек перегиба. Такое течение крайне неустойчиво и становится турбулентным, а процесс теплообмена интенсифицируется.
В горизонтальных трубах, в результате взаимодействия вынужденного течения вдоль оси канала и поперечной свободной конвекции температурное поле и поле скорости не являются осесимметричными. На верхней внутренней образующей трубы при нагревании и на нижней при охлаждении потока теплоотдача наименьшая.
Средняя по сечению теплоотдача в этих условиях может быть выше, чем при чисто вязком течение.
Средняя по длине канала теплоотдача при вязко-гравитационном течении теплоносителя определяется по формуле:
Nu =0,17( RePr) 0,33 ( Gr Pr) 0,1 (Pr Pж ) 0,25 ε l
В (8.78) физические свойства определяются при средней температуре теплоносителя в канале:
Т Ж = ( Т вх + Т вых )/2,
а Pr C при температуре стенки. За определяющий размер принят
эквивалентный диаметр. Для труб с l / d 0 ≥ 50 коэффициент ε l =1. Для коротких труб значение ε l следующие:
Определяющий размер и температура системы, в которой совершается теплообмен
При проведении расчетов, связанных с конвективным теплообменом, необходимо выбрать геометрическую величину системы, которая называется определяющим (характерным) размером. То же самое относится и к выбору температуры (определяющая температура).
Определяющий размер. При поперечном обтекании одиночной трубы и пучка труб в качестве определяющего размера обычно берется диаметр трубы, а при обтекании плиты — ее длина по направлению движения.
Для каналов неправильного и сложного сечения следует брать эквивалентный диаметр, равный учетверенной площади поперечного сечения, деленной на полный (смоченный) периметр сечения, независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене:
.
Определяющая температура. Очень часто в качестве определяющей температуры принимается средняя температура пограничного слоя
.
Обычно при обработке опытных данных по теплообмену и гидравлическому сопротивлению за определяющую температуру следует брать такую, которая в технических расчетах бывает задана или легко может быть определена.
В соответствии с этим при вынужденном движении жидкости в трубах и каналах, а также при вынужденном продольном и поперечном омывании пучков труб в качестве определяющей целесообразно принимать среднюю температуру жидкости. При внешнем поперечном или продольном обтекании одиночной трубы, а также при движении жидкости вдоль плиты в качестве определяющей температуры следует брать температуру набегающего потока, а при свободном движении — температуру окружающей среды. При кипении жидкости и при конденсации пара за определяющую естественно принять температуру кипения.
Методы и критерии подобия
Решение уравнений конвективного теплообмена позволяет определить температурное поле потоке, а заем вычислить искомые значения .
Точное решение уравнений движения и энергии, составляющих систему нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, возможно лишь в ограниченном числе случаев.
В теории подобия исходные уравнения и их решение, а также результаты экспериментального изучения конвективного теплообмена принято представлять в виде зависимостей между безразмерными комплексами-критериями (или числами) подобия. Приведение математического описания процесса и расчетных отношений к безразмерному виду позволяет сократить число переменных и постоянных величин, определяющих процесс; в случае экспериментального исследования позволяет свести к минимуму число величин, которое необходимо варьировать в опытах.
Для приведения функциональной зависимости к безразмерному виду пользуются, в частности, методом масштабных преобразований, состоящим из следующих этапов:
1) для каждой группы однородных величин (имеющих одинаковый физический смысл, одинаковую размерность), в составе которых имеются постоянные, выбирают одну из них в качестве масштаба и приводят эти величины к безразмерному виду
2) в исходные уравнения вместо размерных параметров представляют их выражения в виде произведения безмерной величины и соответствующего масштаба;
3) оставшиеся в уравнениях размерные величины и появившиеся в них масштабы группируют в безмерные комплексы.
Таким образом, мы получаем совокупность безразмерных критериев, характерных для данного процесса. Эти критерии в общем случае являются мерой относительного влияния действующих сил и процессов переноса (потоков импульса, энергии, массы) на течение жидкости и теплообмен. Критерии подобия позволяют результаты экспериментов проведенных в одних условиях распространить и на другие условия.
Для стационарных процессов конвективного теплообмена в однофазной несжимаемой жидкости с постоянными (кроме плотности) физическими свойствами характерны следующие критерии подобия.
Критерий Гросгофа характеризует эффективность подъемной силы, вызывающей свободноконвективное движение вязкой жидкости. Этот критерий играет большую роль при свободной конвекции. Он равен
,
где g — ускорение свободного падения.
Число Нуссельта выражает интенсивность теплоотдачи (безразмерный коэффициент теплоотдачи).
,
где α — коэффициент теплообмена между жидкостью и твердым телом, λ — коэффициент теплопроводности твердого тела.
Величина l/λ называется термическим сопротивлением. Величина 1/α называется конвективным сопротивлением теплообмена.
Коэффициент Нуссельта определяет часть теплопроводности в общем теплообмене вместе с конвекцией.
Критерий Маха определяет значение скорости жидкости или газа, при котором их можно считать несжимаемыми.
,
где — скорость жидкости, c — скорость звука.
Число Пекле характеризует соотношение конвективных и молекулярных потоков на границе жидкости и твердого тела и в самом твердом теле. Оно равно
.
Критерий Рейнольдса характеризует соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости.
Выделим в жидкости кубический объем с длиной ребра l, который движется с ускорением ax. Тогда сила инерции будет равна
.
Сила вязкого трения действующая на данный объем равна
.
Отношение этих двух сил
Из последнего соотношения видно, что критерий Рейнольдса равен
.
При превышении некоторого критического значения числа Рейнольдса ламинарное течение жидкости становится неустойчивым и превращается в турбулентное. При больших значениях Рейнольдса силы вязкого трения не играют роли.
Число Прантдля — физический параметр, характеризующий отношение молекулярных свойств переноса количества движения и теплоты. Иначе говоря, характеризует связь между вязкостными свойствами жидкости и ее теплопроводностью.
.
Критерий Релея является критерием возникновения конвекции в слое жидкости. Характеризует отношение потока тепла в жидкости или газе за счёт подъёмной (архимедовой) силы, возникающей вследствие неравномерности поля температуры у поверхности тела, к теплопроводности среды:
.
Критерий Стантона также выражает интенсивность теплоотдачи (безразмерный коэффициент теплоотдачи)
.
В числителе этого выражения лежит плотность потока тепла в системе, в знаменателе — количество теплоты, которое переносится единицей объема вещества в результате конвекции.
определяющая температура
Температура, при которой выбираются значения физических свойств жидкости в безразмерных уравнениях для теплоотдачи, сопротивления и т. д. и которая отвечает условию, чтобы при переменных физических свойствах жидкости эти уравнения сохраняли тот же вид, что и при постоянных.
Политехнический терминологический толковый словарь . Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц . 2014 .
- определяемый критерий подобия
- определяющее число подобия
Смотреть что такое «определяющая температура» в других словарях:
- термодинамическая температура — [thcrrno dynamic temperature] температура, определяющая отношение изменения энергии тела к соответствующим изменением его энтропии; Смотри также: Температура яркостная температура теоретическая … Энциклопедический словарь по металлургии
- РАДИАЦИОННАЯ ТЕМПЕРАТУРА — (Тr), физ. параметр, определяющий суммарную (по всему спектру) энергетич. яркость Вэ излучающего тела; Р. т. равна такой темп ре абсолютно чёрного тела, при к рой его суммарная энергетич. яркость В0э=Вэ. Законы теплового излучения (см. СТЕФАНА… … Физическая энциклопедия
- средняя температура поверхности панели — 3.17 средняя температура поверхности панели : Осредненная по площади теплоотдающей поверхности панели температура, определяющая суммарную теплоотдачу панели. Источник: Р НП АВОК 4.1.6 2009: Системы отопления с потолочными подвесными излучающими… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
- система — 4.48 система (system): Комбинация взаимодействующих элементов, организованных для достижения одной или нескольких поставленных целей. Примечание 1 Система может рассматриваться как продукт или предоставляемые им услуги. Примечание 2 На практике… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
- класс — 3.7 класс : Совокупность подобных предметов, построенная в соответствии с определенными правилами. Источник: ГОСТ Р 51079 2006: Технические средства реабилитации людей с ограничениями жизнедеятельности. Классификация … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
- схема — 2.59 схема (schema): Описание содержания, структуры и ограничений, используемых для создания и поддержки базы данных. Источник: ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 10032 2007: Эталонная модель управления данными 3.1.17 схема : Документ, на котором показаны в виде… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
- определение — 2.7 определение: Процесс выполнения серии операций, регламентированных в документе на метод испытаний, в результате выполнения которых получают единичное значение. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
- Почва* — П. называется поверхностный горизонт земной коры, измененный совокупной деятельностью агентов выветривания (см.) при одновременном процессе накопления органических веществ. П. есть самостоятельное естественно историческое тело продукт окружающей… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
- Почва — П. называется поверхностный горизонт земной коры, измененный совокупной деятельностью агентов выветривания (см.) при одновременном процессе накопления органических веществ. П. есть самостоятельное естественно историческое тело продукт окружающей… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
- СТО Газпром 2-2.3-141-2007: Энергохозяйство ОАО «Газпром». Термины и определения — Терминология СТО Газпром 2 2.3 141 2007: Энергохозяйство ОАО «Газпром». Термины и определения: 3.1.31 абонент энергоснабжающей организации : Потребитель электрической энергии (тепла), энергоустановки которого присоединены к сетям… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации