Главная Процесс переноса теплоты



эти режимы могут сопровождаться значительными пульсациями давления, шумом.

Проведено большое количество экспериментальных и расчетио-тео-ретических исследований с целью получения расчетных зависимостей, позволяющих определить теплоотдачу при различных режимных условиях. В частности, показано, что в области околокритического состояния турбулентное течение и сопутствующий теплообмен могут существенно зависеть от числа Грасгофа, т. е. от тепловой гравитационной конвекции, обусловленной существенным изменением плотности в рассматриваемой, области состояний вещества.

Несмотря на наличие большого количества фактического материала значительного числа гипотез, выдвинутых для его объяснения, и ряда расчетных зависимостей, в настоящее время иет достаточно обобщенных формул, с помощью которых можно было бы надежно рассчитать теплоотдачу для всех случаев. Практическое определение коэффициентов теплоотдачи должно производиться по экспериментальным данным (формулам), в максимальнейшей степени соответствующим условиям работы промышленной установки.

Можно указать некоторые литературные источники, в которых приводятся сведения о теплоотдаче при сверхкритическом состоянии вещества [Л. 80, 81, 101, 145, 146, 203].

11-3. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ТЕЧЕНИИ ГАЗА С БОЛЬШОЙ СКОРОСТЬЮ

Теплоотдача при больших скоростях течения газов имеет ряд особенностей, иеучет которых может привести к существенным ошибкам.

В случае больших скоростей гидродинамические процессы и процессы теплообмена неразрывно связаны. Течение характеризуется взаимным преобразованием внутренней п кинетической энергии потока в расширением газа.

Согласно первому закону термодинамики, для струйки газа можно написать:

здесь i-удельная энтальпия, Дж/кг; ш - скорость газа, м/с; Q - тепловой поток иа участке струйки между поперечными сечениями / и 2, Вт; G - расход газа, кг/с. Индексы «1» и «2» относятся соответственно к начальному и конечному произвольно выбранным сечениям.

Уравнение (11-11) записано для 1 кг газа. Предполагается, что по поперечному сечению струйки параметры потока не изменяются.

При адиабатическом течении газа (Q==0) возрастание его кгщети-ческой энергии ги/2 может происходить только при понижении энтальпии. Наоборот, возрастанию энтальпии будет соответствовать уменьшение кинетической энергии и, следовательно, скорости. Изменение энтальпии в конечном счете приводит к изменению температуры газа.

Энтальпия ( при полном адиабатическом торможении газа называется энтальпией адиабат и ческогр торможения, она равна:

0 = +-. (11-12)

Температура То, которую принимает газ при полном адиабатическом торможении, называется температурой торможения. Подставив



в уравнение (И-12) значение энтальпии для термодинамически идеаль-аых газов i=cT и разделив левую и правую части на Ср, получим:

. 0 = 4- + . . (11-13)

Как известно из термодинамики, отношение кинетической энергии потока к его энтальпии равно;

w,2 1 m= k - \

(11-14)

здесь k=c[cii-отношение удельных теплоемкостей при постоянных давлении и объеме.

Величина ш/а представляет собой отношение скорости потока к скорости звука в этой же точке. Это отношение обозначают через М и называют числом Маха. Из последнего уравнения следует, что число Д1аха характеризует отношение кинетической энергии потока к его энтальпии. В общем случае число М может изменяться от нуля до бесконечности. Если М<1, то поток называется дозвуковым, если М=1- звуковым и если М> 1 - сверхзвуковым.

С учетом (11-14) уравнение (11-13) можно преобразовать в следующее:

-=1 + -2$-=1 + -М U-15)

Из урав1геиия (11-15) следует, например, что при Mi=0,25 г. =1,4 (воздух) температура торможения превышает термодинамическую тем-

пературу потока примерно па 1%. духе у земли равна примерно 340 м/с; в этом случае значению М = 0,25 соответствует скорость fw~85 м/с. Обычно принимают, что при М<0,25 Го = Г

На рис. II-6 показана зависимость температуры торможения от скорости воздушного потока. При М=1 Го=1,2 Т; при М=5 7с=6 Т. Здесь же приведены температуры плавления пе-.которых металлов.

Лри очень больших температурах газа его физические свой-

При 7"=288 К скорость звука в воз-

3683 Вольфрт

S903 тшбВеи

3000

гооа

s33 Алюмаиии

-""t г р

С 2 * S

в м

Рнс. 11-6 Заоиснмость температуры торможения от числа М (/г=1,4).

ства существенно изменяются. Происходит диссоциация молекул, т. е. распадение на две или несколько частей (атомы, радикалы или молекулы). При более высоких температурах происходит и ионизация газа, т. с. отщепление электронов от атомов или молекул, приводящее к образованию положительных ионов и свободных электронов. Эта эффекты проявляются в воздухе при температурах, превышающих тысячи градусов (см. рпс. 15-1, § 15-1).

Воздействие газа высокой температуры может привести к разрушению неохлаждаемой поверхности тела - ее плавлению, испарению (сублимации). Частицы разрушаемого тела могут дополнительно вступать в химические реакции между собой и газом внешнего потока. Процессы Испарения (или сублимации), плавления, сгорания и разру-



шения поверхностного слоя тела, сопровождающиеся уносом вещества потока газа большой скорости н высокой температуры, называются абляцией.

В этой главе будут рассмотрены процессы теплоотдачи при сравнительно небольших скоростях (примерно М<5) и невысоких температурах, когда диссоциация и ионизация газа и абляция не имеют места. Течения при 1<М<5 будем называть сверхзвуковыми, а при М>5- гиперзвуковыми.

При адиабатическом течении газа возрастание его кинетической энергии может происходить только при условии понижения энтальпии. Поэтому увеличение скорости при адиабатическом течении газа связано

с падением его температуры. Но


Рис 11-7. Изменение скорости и давления воздуха но длине трубы.

о-Еед„-1,В2. 10. «5,-0,42. ?-0, C-Re,!-. 10, М,5,=0.75. Сс-.85. Ю* Вг/м% е - Ке,!,,-. ГО". М„-2.4. «-1Л5.10 Вт/м».

так как давление падает быстрее, чем температура, то плотность газа с ростом скорости уменьшается. Таким образом, увеличение скорости приводит к расширению газа и дальнейшему росту скорости.

На рис. И-7 приведены полученные опытным путем графики изменения давления и скорости по длине трубы для адиабатического и недиабатического дозвукового и сверхзвукового газовых потоков. При небольших значениях М движение сжимаемого газа практически мало отличается от движения несжимаемой жидкости: скорость газа почти ие изменяется вдоль канала, а давление убывает по линейному закону.

В дозвуковых течениях скорость возрастает по длине трубы тем сильнее, а давление падает тем круче, чем больше число М.

Если наряду с работой сил треиия происходит подвод или отвод теплоты через стенки трубы, то в первом случае давление падает вдоль потока сильнее, чем при адиабатическом течении, а во втором случае - слабее. Проходя по трубе, сверхзвуковой поток тормозится, т. е. скорость вдоль потока падает, а давление возрастает.

При больших скоростях газа ранее выведенное уравнение энергии (4-10) оказывается непригодным. Следует учесть взаимные преобразования внутренней и кинетической энергии и сжимаемость газа.

Сообщенная определенной единице массы потока теплота dQ складывается из теплоты rfQi, подведенной извне теплопроводностью, и теплоты трения dQip. Согласно первому закону термодинамики теплота dQ идет на изменение внутренней энергии du и совершение работы расширения (деформации):

pdv=pd(\l9)=-df

dQ.+dQ„ = du-fdp.



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 [82] 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161


0.0139