ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ТЕОРИЯ И ЕЕ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ПРИМЕРЫ

Введение

За последние годы в русском переводе вышел ряд моногра­фий по различным вопросам теплообмена: Босфорта; Эккерта; Гребера, Эрка и Григулля; Шнейдера и др.[1].

Предлагаемая читателю монография А. Шака «Промышлен­ная теплопередача. Теория и ее практическое применение. Основные числовые примеры» переиздавалась пять раз. Послед­нее издание переведено на русский язык.

Судя по названию, книга имеет больше практическое, чем теоретическое направление. Однако это не совсем так. Действи­тельно, автор выбрал для рассмотрения вопросы теплбобмена, имеющие больший практический интерес. Но при изложении он не прибегает к упрощениям больше, чем это принято в совре­менном учении о темплообмен'е, и излагает материал строго науч­но, с необходимыми теоретическими обоснованиями, хотя для удобства практического использования книги математические выкладки и приводятся петитом. "

При изложении экспериментальных исследований автор опи­сывает некоторые опытные установки, анализируя возможные ошибки в измерениях; сопоставляет результаты, полученные различными исследователями, и после этого дает окончатель­ные расчетные рекомендации. При этом ^втор стремится к наи­более простым по форме расчетным зависимостям, часто в ви­де размерных рабочих формул, что очень удобно для их прак­тического использования.

Наряду с точными решениями приведены также и некоторые приближенные методы; обобщенные критериальные зависимости для расчетов автором не рекомендуются.

Монография содержит специальный раздел, посвященный примерам числовых расчетов, в которых используется теорети­ческий материал книги. В приложении к книге даны подробные сведения о теплофизических свойствах различных тел и ряд вспомогательных таблиц, необходимых для расчетов.

Главы книги различны по своему объему. В гл - «Передача тепла теплопроводностью», кроме общих законов и положе­ний, автор рассматривает теплопередачу через, плоскую и цилиндрическую стенки при различных условиях теплообмена и теплопроводность через газопроницаемую стенку при стацио­нарном тепловом режиме. При изложении процессов нестацио­нарной теплопроводности рассматриваются полуограниченное тело и неограниченная пластина при различных граничных усло­виях. Автор не стремится расширить круг вопросов этого раз­дела. Однако методы приближенного расчета процессов тепло­проводности целесообразнее было бы дать полнее. Дак, наряду с методом конечных разностей Шмидта получили распростране­ние приближенные методы, разработанные А. П. Ваничевым и П. П. Юшковым, которые, по существу, являются дальнейшим развитием метода Шмидта, обладают большей общностью и дают более точные результаты при меньшей затрате времени на расчеты. Представляет значительный интерес решение задач теплопроводности методом электро - и гидротепловых аналогий.

Аналогия с электрическими и гидравлическими явлениями, более управляемыми, чем тепловые, позволила создать счетно­решающие приборы, с помощью которых приближенно интегри­руются дифференциальные уравнения теплопроводности, а также другие уравнения математической физики с достаточной для технических целей точностью. Эти вопросы почти не освеще­ны в книге.

Глава, посвященная конвекции однофазной жидкости, наи­более обширна и составляет более 40% объема книги. Кроме общих сведений о конвекции, к общим вопросам относятся еще теория подобия и анализ размерностей. После их изложения автор рассматривает конкретные процессы конвективного тепло­обмена (теплоотдача труб и пластин при свободной конвекции в неограниченном объеме, теплоотдача при вынужденной кон­векции жидкости в трубах и при внешнем обтекании различных тел и др.). Теплообмен при конвекции сжимаемого газа не рас­сматривается.

Теория подобия и анализ размерностей используются лишь как методы, позволяющие получить безразмерные комплексы (критерии подобия) из дифференциальных уравнений, описы­вающих явление.

Автор показывает это на конкретном примере теплоотдачи при турбулентном движении жидкости внутри труб. Но При ' рассмотрении этого вопроса допускается ряд неточностей, кото­рые приводят автора к некоторым нечетким выводам (см. сно­ску на стр. 116—118).

А, втор не использует одну из сильнейших сторон теории по­добия, позволяющую получить важные обобщения на основе результатов выполненных экспериментов. Наоборот, автор пред­почитает большое количество частных уравнений, имеющих ограниченные области применения.

В обзоре экспериментальных работ по теплоотдаче в трубах достаточно полно освещены основные результаты этих работ; приведен анализ влияния отдельных факторов на теплоотдачу (скорости, диаметра трубы, температуры, гидродинамического состояния потока и др.)* Влияние теплофизических свойств на­глядно показано путем сравнения расчетных значений коэффи­циентов теплоотдачи, полученных применительно к различным газам.

Весьма обстоятельно рассмотрен вопрос о теплопередаче в начальном участке трубы, представляющий большой интерес и для научных работников. Автор дает обзор значительного числа проведенных исследований и полученных результатов. Особенно большое внимание уделено анализу влияния на теп­лоотдачу различных геометрических форм входа.

Теплоотдача при внешнем обтекании различных тел рас­сматривается также по результатам экспериментальных иссле­дований в зависимости от различных факторов. Влияние компо­новки трубных пучков учитывается так называемым фактором компоновки, для определения которого приведены расчетные формулы и графики.

В книге, по существу, не описана теплоотдача при кипении, если не считать одной-двух страниц, посвященных теплообмену при кипении жидких металлов.

В главе о теплоотдаче при конденсации пара приведены ограниченные сведения по теории пленочной конденсации Нус - сельта, а также некоторые расчетные данные.

Глава о тепловом излучении достаточно полна и составлена примерно в том плане, как обычно принято излагать этот во­прос. Однако здесь автор дает несколько неожиданную трак­товку теплового излучения как процесса, не связанного с ма­терией (комментарии редактора по этому вопросу см. на стр. 242).

Лучистый теплообмен между твердыми телами, разделенны­ми прозрачной средой, описан довольно сжато, лишь с некото­рыми расчетными данными, применительно к простейшим системам тел и без выводов.

Наоборот, тепловому излучению газов уделено значительное внимание. В книге дается подробное описание наиболее инте­ресных экспериментов и методик, подробный анализ результа­тов, полученных различными исследователями, и сопоставление их с расчетными данными - Приведены опытные данные о ши­рине полос излучения, коэффициентах поглощения, а также ин­тересные выводы об особенностях излучения углекислого газа и водяных паров.

По излучению светящегося пламени (факела) автор ограни­чивается лишь качественным описанием физического содержа­ния явления. Рекомендаций по расчетным данным автор не делает.

Раздел теплопередачи в теплообменных аппаратах разрабо­тан обстоятельно. В нем даны основы теплового расчета при­менительно к различным схемам движения жидкости для слу­чаев постоянного и переменного коэффициентов теплопередачи и др.

Наибольшее внимание уделено рассмотрению регенератив­ных теплообменников. Они получили полное и всестороннее освещение.

Вопросу гидродинамических расчетов посвящена глава, в ко­торой рассматривается определение потерь давления в трубе и трубном пучке в их связи с теплоотдачей и экономическими факторами.

Практически важной и сравнительно большой по объему является глава, посвященная численным примерам расчетов. Примеры расчетов даются в той же последовательности, в ка­кой изложена теоретическая часть книги, и ко всем ее разделам. В примерах приведен анализ полученных решений и попутно указаны необходимые рекомендации. Эти примеры удачно до­полняют теоретическую часть книги.

В книге затрагивается много различных вопросов, касающих­ся теплообмена, дотя не все они освещены одинаково подробно и глубоко. При написании монографии использованы многочислен­ные литературные источники. Но в книге не нашли никакого от­ражения исследования русских и советских ученых, хотя исполь­зование этих работ могло бы улучшить книгу. Оно позволило бы автору более четко сформулировать постановку задачи о конвек­тивной теплоотдаче с системой основных исходных дифференци­альных уравнений и условий однозначности; помогло бы более систематически и строго изложить вопросы теории подобия, а также дало бы возможность использовать обобщенные данные о конвективной теплоотдаче, более полно изложить теплоотдачу при кипении жидкости и конденсации пара и др.

При научном редактировании отклонения от буквального пе­ревода текста книги по возможности не допускались.

Редактором сделаны некоторые комментарии и замечания. Они приведены в сносках к большинству разделов книги, где, кроме то­го, даны списки дополнительной литературы на русском языке. Некоторые опечатки, замеченные в оригинале, были исправлены при редактировании.

Книга представляет интерес для научных работников, инже­неров, а та'кже студентов старших курсов соответствующих спе­циальностей высших учебных заведений.

Канд. техн. наук В. А. ОСИПОВА

В предисловии к первому изданию 1929 г* было отмечено, что эта книга, отличающаяся строго научным изложением материала по сравнению с другими книгами по теплопередаче, опублико­ванными до настоящего времени, представляет для инженеров - практиков наибольший интерес. Это справедливо и для второго издания. Дело в том, что в ней были помещены выведенные ав­тором простые формулы без снижения их точности. При этом име­лось в виду, что инженеру не следует предлагать для работы об - ЩИ£ формулы теории подобия, в которых много физических ве­личин с дробными, показателями степени, поскольку они могут быть решены лишь с помощью справочников и логарифмических таблиц. Сообразно с этим из общих формул были выведены на основе интерполирования совершенно простые формулы. Это ока­залось возможным, так как в технике большую роль играФт лищъ некоторые газы, различающиеся только по коэффициентам теп­лоотдачи. Пользуясь простыми формулами, инженер-проектиров­щик или студент может лешо и быстро вычислить нужные ему коэффициенты теплоотдачи, температуры и другие величины.

Допущенные упрощения тем не менее не исключают необхо­димости широкого применения математики, что объясняется тре­бованием точного расчета сложных процессов. Но обычно выве­денные формулы всегда так просты, что для расчетов достаточ­но воспользоваться кривыми и логарифмической линейкой. Вьь воды уравнений в книге даны мелким шрифтом и могут быть пропущены теми, кого они не интересуют.

В отдельной главе приведены числовые примеры по важней­шим вопросам теплопередачи. Это дает возможность и начинаю­щему пользоваться книгой для практических целей.

Исследование тепловых процессов за последние 11 лет не при­вело к существенным изменениям этих формул. Это обстоятель­ство свидетельствует о высоком уровне развития науки в то время. !

Значительным изменениям подверглись разделы, посвящен­ные теплопередаче в пучке труб и инфракрасному излучению то­почных газов. В обеих областях особенно успешными были рабо­ты американских исследователей. Для теплопередачи этих видов и для определения потерь давления в трубном пучке также уда­лось вывести простые формулы. В главе о теплоотдаче в трубе

Освещены все современные работы и выведены новые формулы. При этом указывается, что на основе проведенных измерений в вопрос о влиянии температуры на коэффициент теплоотдачи все еще не удалось внести исчерпывающую ясность и поэтому тре­буются новые измерения, касающиеся рассматриваемых в кни­ге газов. Очень хорошие формулы по теплоотдаче воды, по-ви­димому, могут быть оставлены без изменения. Небольшой раз­дел по теплоотдаче масел был написан заново. В этой области также еще много неясного.

Автор учел пожелания читателей и дополнил книгу ссылками на соответствующие числовые примеры, приведенные в конце каждой главы.

Дюссельдорф, сентябрь 1940 г.

А. ШАК

Настоящее, третье издание книги улучшено и переработано в соответствии с успехами, достигнутыми наукой в изучении теплопередачи. Однако, как и во втором издании, изменения ока­зались незначительными. Совершенно заново была написана глава о регенераторах. Применение нового метода вычисления коэффициентов теплопроводности важнейших газов внесло суще­ственные изменения в значения коэффициентов и в формулы гла­вы, посвященной теплоотдаче в трубе. Правда, точность новых коэффициентов еще недостаточна, так. как при их расчете приме­нялась экстраполяция констант Клаузиуса, которые на самом деле являются переменными. И все же новые коэффициенты теп­лопроводности можно считать наиболее вероятными для настоя­щего времени. В связи с этим настоятельно необходимо точное экспериментальное определение коэффициентов теплопроводно­сти газов по крайней мере в интервале от 0 до 400°.

В прошлых изданиях размерность вязкости «выражалась в кг/м-чао, так как число Рейнольдса при этой размерности запи­сывается проще, чем при размерности, выраженной в кг-сек/м2. Но поскольку никто не применяет эту размерность, автор ра­ди единства написания применил здесь общепринятую размер­ность вязкости в технической системе единиц (кг-сек/м2). Вслед­ствие того что вязкость многих - газов измерена в недостаточно щирокой области температур, отсутствующие значения вычисле­ны по формуле Сутерланда.

Значения вязкости, приведенные в приложении к книге, надо считать для настоящего времени наиболее правильными. Прини­мая во внимание пожелания читателей, автор написал несколь­ко подробнее раздел «Числовые примеры», пользующийся осо­бой популярностью.

Автор особенно благодарен итальянскому переводчику книги инж. Л. Томмасини за замеченные им опечатки и арифметиче­ские ошибки, за все его предложения по улучшению издания, а также работникам некоторых заводов, ранее принадлежащих фирме И. Г. Фарбениндустри, и отдельным немецким читателям, приславшим свои замечания по книге. Устранение указанных не­достатков повысит ценность книги.

Дюссельдорф, апрель 1947 г.

А. ШАХ

После окончания работы над третьим изданием в январе 1947 г. в печати появился целый ряд важных сообщений по воп­росам теплопередачи, особенно в Америке и Англии. Они каса­лись главным образом основных положений всех процессов тец - лопередачи, особенно теплоотдачи в трубе. Многочисленные исследовательские работы были проведены не только в обычной области турбулентного движения, но, что особенно важно и ново, также и в переходной области и собственно ламинарной. Была исследована и теплоотдача в жидких металлах, которые, вероят­но, сыграют большую ‘ роль в вопросе использования атомной энергии. Выполнены измерения, требовавшиеся для определения коэффициентов теплопроводности газов при более высоких тем­пературах, о необходимости которых говорилось в третьем изда­нии; однако полученные результаты оставляют желать лучшего.

( В этом издании полностью освещены все новые работы, так что книга соответствует уровню развития теплотехники к 1952 г. Приятно отметить, что выведенные автором основные формулы, описывающие теплоотдачу в трубе при турбулентном движении (уравнение 260 третьего и четвертого изданий), соответствуют новейшим измерениям.

Основываясь на принятых международных обозначениях, ав­тор в этом издании широко использовал безразмерные критери­альные величины, что особенно удобно при оценке работ, в кото­рых принята английская система единиц, Так как это приводит к равенству констант. Но из-за недостоверности коэффициентов теплопроводности в книге все же указываются границы примене­ния констант. Поскольку для практических расчетов предпочи­тают пользоваться простыми удобными формулами, в которых необходимые данные выражены в виде функции от температуры, в книге сохранено большинство таких формул. Благодаря этому инженер может сэкономить много времени, так как отпадает не­обходимость отыскивать в справочниках значения вязкости, коэф­фициентов теплопроводности и других величин и решать состав­ленные аатем критериальные уравнения с дробными показате­лями.

Выражаю сердечную благодарность читателям за предложе­ния по улучшению книги.

Дюссельдорф, декабрь 1952 г.

Л. ШАК

2 А. Шак

За четыре года, прошедшие после выхода в свет четвертого издания настоящей книги, в печати появился еще целый ряд работ по теплопередаче, которые необходимо было отразить в новом издании. В данном случае речь идет не об изменении ос­новных формул, а главным образом о важных частных проблемах. В качестве таких проблем можно назвать, например, определение коэффициента теплоотдачи при обтекании шара для шара, на­ходящегося в водяной ванне, для стального цилиндра в свин­цовой ванне, для водяной пленки, стекающей по наклонной по­верхности, а также определение коэффициента теплоотдачи от кипящего металла'и коэффициента излучения БОг. Особенно ва­жен окончательный вывод, касающийся теплопередачи в началь­ном участке; в получении этого вывода сыграли роль работы аме­риканского национального совещательного комитета и ряд не­мецких работ. Противоречия, о которых упоминалось в четвертом издании, были таким образом устранены. Благодаря новым не­мецким работам была разрешена также проблема излучения светящихся пламен. Ё пятом издании введена новая глава, каса­ющаяся определения критериев подобия методом анализа раз­мерностей.

При выборе коцстант веществ, приведенных в приложении, использованы новейшие данные. Однако следует заметить, что значения коэффициентов теплопроводности газов при высоких температурах (т. е. выше 300°) по-прежнему неточны. Поэтому формулы теории подобия не всегда применимы для расчетов, ка­сающихся области высоких температур, и в исследовательских работах трудно гарантировать правильность выбранного коэффи­циента теплопроводности. Автор примет меры к тому, чтобы в следующем издании этот недостаток был устранен.

Дюссельдорф, декабрь 1956 г.

А. ШАК