Шектік қабаттың негізгі теориялары

Жұмыс мақсаты: –құбырда әртүрлі жылдамдықпен қозғалған ауаның мәжбүрлі қозғалуы кезіндегі құбыр ұзындығы бойынша жылу берілісі коэффициенттерінің жергілікті және орташа мәндерін эксперименттік анықтау және белгілі критериалық тәуелділіктермен тәжірибелердің нәтижелері салыстыру.

Жұмыс орындалу тәртібі:

1. Конвекциялық жылу алмасу процесінің теориялық негіздерімен танысу.

2. Эксперименттік қондырғымен танысу.

3. Эксперименттік зерттеулерді өткізу.

4. Тәжірибе нәтижелерін өңдеу және зертханалық жұмыс бойынша есептеу нәтижесін біріктіру.

Теориялық негіздер. әртүрлі жылу алмасу құрылғыларында жұмыс процестері, ереже сай, қатты дене бетімен және оның қоршаған сұйықтықтың (соның ішінде және газбен) арасында конвекциялық жылу алмасу негізі салынған, ал оның қарқыны ең алдымен сұйықтық және беттің температураларының айырымынан тәуелді болады(температуралық арынға), сонымен қатар беттің және сұйықтық айнала ағудың гидродинамикалық шарттарымен және жылу физикалық қасиеттерімен анықталады.

Жылу ағысын есептеу үшін әдетте Ньютон формуласын пайдаланады, оған сәйкес жылу ағысының тығыздығы q температуралық арынға пропорционал:

(18)

мұнда [ q ] = 1 Вт/м²; – жылу берілісінің коэффициенті, [ ] = ;
– қабырғадан алыс жатқан сұйық температурасы; – жылу алмасу бетінің (қабырғаның) температурасы. Мәжбүрлік ағыста конвекциялық жылу алмасуды есептеудің қазіргі әдістері шекаралық қабат теориясына негізделеді.

Қабырғаға тікелей жақын жерде жылу тек қана жылу өткізгіштікпен беріледі.онда Фурье гипотезасымен сәйкес [3]

(19)

мұнда – сұйықтың жылуөткізгіштігі; – нормальдан изотермиялық бетке есептелетін координата.

Егер бірінші жуықтауда қабылдайтын болсақ

,

мұнда – жылулық шекаралық қабат қалыңдығы, олай болса (1) және (2) теңдеулерінен шығады:

.

Осылайша, жылу берілісін қарқындату үшін жылуөткізгіштігі жоғары сұйықты пайдаланады және шекаралық қабат қалыңдығын кішірейту шараларын қолдану керек.

конвекциямен жылу берілісін қарқындату шекаралық қабатта сұйықтың ағу сипатына тәуелді болады.

ламинарлы ағу режимінде, тоқ түзбектері араласпаған уақытта, жылу берілісінің қарқыны кіші, ағыс жылдамдығынан тәуелділігі әлсіз және жылу тасығыштардың жылу физикалық қасиеттері өзгергенде қатты өзгереді.

турбуленттік ағу режимінде ағыстың әрбір нүктесінде жылдамдық уақыт бойынша қандайда бір орташа мәнде соғады. Осының салдарынан сұйықтың көлденең қарқынды қозғалысы пайда болады, бұл жылдамдығы әртүрлі қабаттар арасында қозғалыс сандарымен қарқынды алмасуды туғызады. Құбыр аузынан алыстағанда, құбырдағы сұйықтық мәжбүрлі ағысын кезінде шекаралық қабат қалыңдығы құбыр радиусымен бірдей болғанда, бастапқы шарттарқа тәуелсіз, қима бойынша жылдамдық пен температураның тұрақты таралуы (тұрақтанған ағыс) қалыптасады.

тұрақсыз ағыс орын алатын бастапқы учаскеде, жылу берілісінің процесі күрделі болады және жылу берілісінің коэффициенті ұзындық бойынша күрт өзгереді.

физикалық қасиеттері тұрақты сығылмайтын сұйық үшін температура мен сұйықтық таралу жылдамдығы дифференциалды теңдеулер жүйесімен сипатталады, олар тұрақты екі өлшемді шекаралық қабатқа жуықтап алғанда мына түрге ие болады [3]:

энергия теңдеуі , (3)

қозғалыс теңдеуі ,(4)

тұтастық теңдеуі , (5)

мұнда – сұйықтық тығыздығы; – тұрақты қысымдағы жылу сыйымдылық; – жылу өткізгіштік; – еркін құлаудың үдеуі; – динамикалық тұтқырлық; x, y –ортогональды бойлық және көлденең сәйкес мұнда – жылулық шекаралық қабат қалыңдығы, олай болса (1) және (2) теңдеулерінен шығады:

.

Осылайша, жылу берілісін қарқындату үшін жылуөткізгіштігі жоғары сұйықты пайдаланады және шекаралық қабат қалыңдығын кішірейту шараларын қолдану керек.

T – термодинамикалық температура; – температуралық арын. (3) – (5) теңдеу жүйесі конвекциялық жылуалмасудың сансыз көп процестерін сипаттайды. жылуалмасу процестерінің жеке ерекшеліктері бір

T – термодинамикалық температура; – температуралық арын.

(3) – (5) теңдеу жүйесі конвекциялық жылуалмасудың сансыз көп процестерін сипаттайды. жылуалмасу процестерінің жеке ерекшеліктері бір мәнділік шарттарымен сипатталады, олар геометриялық, физикалық, уақытша және шекаралық шарттардан тұрады. Жылу берілісінің коэффициенті, дифференциалдық теңдеулер жүйесін және бір мәнділік шарттарын талдаудан, факторлардың үлкен санына тәуелді болатын күрделі функция болып табылады. Мысалға, ішкі есеп жағдайында (сұйықтың құбыр ішінде ағысында)

, (6)

мұнда x – құбыр аузынан саналатын арақашықтық; – сұйық ағысының орташа массалық жылдамдық; d – құбыр диаметрі; l – құбыр ұзындығы.

Есепті аналитикалық шешуде анықталатын шама (a жылу берілісінің коэффициенті, T температура және т.с.с.) тәуелсіз айнымалылар функциясының аргументінде өрнектеледі (t уақыт, x, y, z координаталар) және жүйе параметрлері .

Бірақ жылу көптеген жағайларда, алмасу процестерінің математикалық сипаттамасы есептеу аналитикалық шешілмейтіндей, күрделі болады.Бұл қиындықтар жалпыланған айнымалылар немесе физикалық шамалардың өлшемсіз кешендерін білдіретін ұқсастық критериясымен шешіледі.

физикалық шамалардан тұратын, бір мәнділік шартымен берілген ұқсастық критериясы, анықтаушы деп аталады. Белгісіз шамалардан тұратын критерия, анықталушы деп аталады.

ұқсастық критериялары арасындағы тәуелділіктер критериалық теңдеулер деп аталады, жоғарыда айтылғандай олар эксперименттер немесе сандық есептер көмегімен табылады.

конвекциялық жылуалмасу процестері үшін сандық ұқастық және ұқсастықтың критериалық теңдеулері бұдан бұрын қарастырылған болатын.

Мәжбүрлі конвекцияда жылу берілісі бойынша эксперименттік мәліметтер әдетте дәрежелік тәуелділік түрінде жалпыланады

, (7)

құбырдың негізгі участігінде сұйықтың (тұрақтанған ағыс участігінде) турбуленттік ағысында мәжбүрлі квазиизотермиялықта α жылу берілісінің коэффициентін анықтау үшін критериялық теңдеулер [3] түрге ие болады

, (8)

санның кіші мәндерінде, онда ағыстың өтпелі аймағында жылу берілісі төмендегі теңдеумен есептелуі мүмкін

санның кіші мәндерінде, онда ағыстың өтпелі аймағында жылу берілісі төмендегі теңдеумен есептелуі мүмкін

, (16)

мұнда тәуелді функция;

											104
	3,6	4,9	7,5		12,2	16,5					0,021

Құбырдың бастапқы учаскесінде сұйықтық ағысында динамикалық және жылулық шекаралық қабаттар жабылмаған, яғни жылдамдық пен температураның қалыптасуы жүреді. Бұл кезде жылу берілісі мен гидравликалық кедергінің коэффициенттері канал аузының қимасынан арақашықтық функциясы болып табылады.

құбыр ұзындығы тұрақты болғанда жылулық ағыс тығыздығы және ламинарлық ағыста шекаралық қабаттың қалыңдауынан бастапқы учаскеде жылу берілісінің коэффициенті төмендейді.

қозғалыс пен жылуалмасудың тұрақтануы процесі турбуленттік ағыста, ламинарлымен салыстырғанда тезірек жүреді. газ ағысының гидродинамикалық тұрақтануы жағдайында жылулық тұрақтану участігінің ұзындығы сәйкес l / d = 20…30.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: