Физика. Примеры решения задач контрольной работы

Примеры решения задач по физике
Кинематика
Движение материальной точки
Основное уравнение динамики
Законы сохранения импульса и энергии
Динамика вращательного движения
Механические колебания
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
МОЛЕКУЛЯРНАЯ  ФИЗИКА
Механика
Молекулярная физика и термодинамика
Электричество
Электромагнетизм
Атомная и ядерная физика
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Термодинамические процессы
Описание теплопроводности
Теплоотдача в жидкостях и газах
Теплоотдача при фазовых переходах
Тепловое излучение
Теплообменные аппараты
  Кинематика поступательного движения
Электростатика

 

Теплоотдача в жидкостях и газах

 Теплоотдача при вынужденном течении в каналах. Интенсивность теплообмена в прямых гладких трубах зависит от режима течения потока, определяемого величиной . Если , то течение ламинарное. Для труб . Развитый турбулентный режим течения устанавливается при значениях ; значение  соответствует переходному режиму.

 При ламинарном течении наблюдается значительное изменение температуры по сечению и соответствующее изменение плотности текущей жидкости. Вследствие этого на вынужденное течение накладывается свободная конвекция. Для ориентировочных расчетов среднего коэффициента теплоотдачи можно рекомендовать следующее критериальное уравнение:

 , (141)

где  − Критерий Рэлея, характеризующий интенсивность свободной конвекции;  − коэффициент, учитывающий относительную длину трубы  (при ). Влияние направления теплового потока учитывает множитель . Индекс “с” означает, что физические свойства капельной жидкости берутся по значению средней температуры стенки. Для газа эта поправка лишена смысла и не должна учитываться.

 В этом уравнении геометрический размер − диаметр трубы (или эквивалентный диаметр канала), определяющая температура – средняя температура потока.

 При турбулентном течении жидкость в потоке весьма интенсивно перемешивается и естественная конвекция проявляется слабо. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном течении   обычно используется следующее критериальное уравнение:

 . (142)

 Это уравнение справедливо при . В качестве определяющего размера принят диаметр круглой трубы или эквивалентный диаметр, в качестве определяющей температуры – средняя температура потока.

 Пример 20. По трубе с диаметром  и длиной  движется вода со скоростью . Средняя температура поверхности трубы . Определить коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде и среднюю по длине трубы плотность теплового потока.

 Решение. При  свойства воды: , , .

 При  критерий .

 Критерий Рейнольдса

.

 Режим течения – турбулентный. Число Нуссельта теплоотдачи

.

 Коэффициент теплоотдачи

.

 Линейная плотность теплового потока

 .

 Теплоотдача при поперечном обтекании труб. Теплообмен имеет ряд особенностей, которые объясняются своеобразием течения вблизи поверхности трубы. Образующийся пограничный слой имеет наименьшую толщину в лобовой точке и далее постепенно нарастает до тех пор, пока не произойдет отрыв потока и образование вихревой зоны, охватывающей кормовую часть трубы. Это приводит к существенной интенсификации теплоотдачи. Для расчета среднего по поверхности трубы коэффициент теплоотдачи рекомендуется следующее критериальное уравнение

 , (143)

где ,  при  и ,  при . В качестве определяющего размера принят внешний диаметр трубы , определяющая температура – температура внешнего потока, определяющая скорость – скорость набегающего потока. Уравнение справедливо для поперечного обтекания: угол  между направлением потока и осью трубы составляет .

 В теплообменных системах с целью увеличения площади теплообмена трубы собирают в пучок с коридорным или шахматным расположением. Для расчета используют уравнение, аналогичное (141), в котором учитывается тип пучка, влияние относительных шагов , количество рядов труб в пучке, угол атаки набегающего потока и др.

 Теплоотдача при свободной конвекции. Значительную роль в технике имеют процессы теплообмена при свободной (термогравитационной) конвекции, возникающей вследствие разности плотностей нагретых и холодных макрообъемов жидкости (газа). Границы ламинарного и турбулентного режимов течения зависят в основном от температурного напора . Форма тела в развитии течения играет второстепенную роль. Основное значение

имеет протяженность поверхности, вдоль которой движется свободный поток жидкости (газа). Среднюю теплоотдачу при свободной конвекции в большом объеме можно рассчитать по следующему уравнению:

 , (144)

где ,  − критерий Грасгофа;  − коэффициент теплового расширения (для газа ).

 Для горизонтальных труб (определяющий размер − диаметр трубы: )

 ,  при ,

 ,  при .

 Для вертикальных труб и плит (определяющий размер − высота: )

 ,  при ,

 ,  при .

 В качестве определяющей температуры принята средняя температура в пограничном слое: .

 В узких каналах и щелях вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков условия свободного движения значительно изменяются. В данном случае применяют метод эквивалентной теплопроводности: средняя плотность теплового потока  рассчитывается по формуле теплопроводности (122), в которой коэффициент теплопроводности  заменен величиной . Коэффициент  учитывает перенос тепла конвекцией. Если критерий , то коэффициент . В области  коэффициент . В качестве определяющего размера принята толщина прослойки, определяющей температуры – средняя температура жидкости (газа) .

На главную