ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ТЕОРИЯ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ПРИМЕРЫ

Состояние потока и теплоотдача

Как только что отмечалось, турбулентный поток возникает при появлении радиальных составляющих скорости отдельных движущихся частиц, т. е. при поперечном движении частиц от ори потока к стенке, которое наблюдается наряду с главным на­правлением потока. Это поперечное движение означает конвек­тивный поток, исходящий из осевой части потока жидкости к стенке и, как следствие, значительное повышение теплоотдачи от стенки или к стенке. При стабилизированном, чисто ламинар­ном потоке, напротив, радиального движения частиц нет и, сле­довательно, нет конвективного потока. Значит, в этом случае теплоотдача внутри потока осуществляется только путем теп­лопроводности. Но тепло, передаваемое теплопроводностью, по уравнению (2а) пропорционально коэффициенту теплопровод­ности X и обратно пропорционально расстоянию. Поэтому необ­ходимо считать, что количество тепла, передаваемое при раз­ности температур стенки и жидкости, составляющей 1°С, т. е. коэффициент теплоотдачи, при ламинарном потоке пропорцио­нален X и обратно пропорционален й. Но он не зависит от ско­рости потока. Эти предварительные, ни к чему не обязывающие соображения были подтверждены опытом.

В турбулентном потоке условия иные. Здесь теплообмен осу­ществляется в основном через конвективные потоки, направлен­
ные к стенке или от нее. Количество переносимого тепла, оче­видно, пропорционально досу, где до— составляющая скоро­сти, направленная перпендикулярно к стенке, и с — удельная теплоемкость единицы веса. Если эта составляющая скорости однозначно зависит от средней направленной по оси трубы ско­рости доср, которая поддается измерениям, то количество пе­реносимого тепла должно зависеть от шср в той же самой фор­ме. Тогда коэффициент теплоотдачи, вследствие только что установленной зависимости с у, должен быть функцией сово­купной величины (с у). Это положение развивается и подтверж­дается теорией подобия и опытами. Сообразно с этим коэффици­ент теплоотдачи зависит, наряду с другими переменными, от произведения с у. Ясно, что вследствие возмущений потока и вызванных этим завихрений составляющая скорости до, направ­ленная к поверхности нагрева, будет возрастать (вынужденная конвекция). Поэтому коэффициент теплоотдачи будет тем боль­ше, чем сильнее завихрен поток. Следовательно, стабилизиро­ванные потоки не выгодны для теплоотдачи. Естественно, состав­ляющая скорости до будет максимальной, если весь поток на­править к поверхности нагрева. Действительна, опытами Г. Рей - ера было установлено, что в случае прямого обдува поверхности нагрева коэффициент теплоотдачи увеличивается приблизитель­но в 7 раз по сравнению с коэффициентом теплоотдачи при тур­булентном, но направленном параллельно поверхности нагрева движении. Значит при теплоотдаче конвекцией нормальная со­ставляющая скорости газа или’ жидкости должна быть по воз­можности большей. Так как в турбулентном потоке всегда про­исходит такое движение частиц к поверхности нагрева или от нее (чего нет при чисто ламинарном потоке), то он должен ха­рактеризоваться более высоким коэффициентом теплоотдачи по сравнению с ламинарным при прочих одинаковых условиях. Это положение подтверждается опытом.

Каждое возмущение потока, как только что было установле­но, ведет к повышению коэффициента теплоотдачи и одновре­менно к повышению сопротивления движению потока. Следо­вательно, завихрения вызывают затрату энергии и частицы потока, приходящие к поверхности нагрева или охлаждения, быстро теряют свою кинетическую энергию. Поэтому сущест­вует связь между потерей давления вследствие образования вихрей и теплоотдачей. Кроме того, обычное внутреннее трение отличается определенным сходством с теплопроводно­стью, так что сопротивление движению потока и теплоотдача тесно связаны между собой. Более подробно по этому вопросу см. стр. 416.

Необходимо учесть, что очаги завихрений должны находить­ся в такой близости к поверхности нагрева, чтобы полученные
вихри приходили в полное соприкосновение с ней. Так, напри­мер, при резких, под прямым углом поворотах, наряду с высоки­ми потерями давления, получаются высокие коэффициенты теп­лоотдачи. Но если эти повороты образованы не поверхностью нагрева, а стенками, не участвующими в теплообмене, как на­пример, в котлах некоторых типов, то главная зонд^ вихреобра - зования не будет использована в целях повышения теплоотдачи; следовательно, потеря давления в этом случае не будет доста­точно экономично компенсирована полученным повышением теплоотдачи и производительности поверхности нагрева.

Очевидно, что, применяя внешние турбулизаторы, например мешалку, т. е. подводя извне энергию, можно сильно повысить коэффициент теплоотдачи за счет возникающего конвективного движения. При этом коэффициенты теплоотдачи возрастают с увеличением затраты энергии.