Конвективті жылу алмасу

КОНВЕКТИВТІ ЖЫЛУАЛМАСУ  

 

 

            Табиғи конвекция кезіндегі жылу берудің есептеулері.    

 Табиғи конвекциялы жылу беру есептеулерінің қажеттілігі жиі кездеседі, мысалы жылу жүргізуші құбырлардың, булы және су жылытушы қазандардың, жылу жоғалуының есептеулерінде, жылытушы және қыздырушы аспаптарының есептеулерін жүргізуде және т.б кездеседі.    

 Табиғи конвекция кезіндегі, жылу беру жағдайының екі түрін  ажыратады: жылу берудің өте көп  көлемде және жылу берудің  шектелген (өлшемді) көлемдегі түрлері.     

 Өте көп  көлмдегі жылу берілу. Жылудың өте көп көлемде берілуі, тек қана бір құбылыспен сипатталады, мысалы сұйықты қыздырумен өтеді. Сұйықтың салқындауы, өте қашықта болғандық-тан процесстің өтуіне әсерін тигізбейді. Бұл процессті                              

tш.к = 0,5 (tс-tқ)   анықтайды,

мұндағы қабырғаның температурасы, °С; іс - жылытылған денеден өте қашықтағы сұйықтың температурасы, °С.    

 Құбырдың тік бетінің, пластинаның жэне басқаларының табиғи конвекцияларының ламинарлы режимнен, турбулентті қозғалысқа өтуін (Ог-Рг)кб-109, алмағайып кезеңі деп атайды. (Сг-Рг) Кб>109 мәні кезіндегі, жылу беру ламинарлы шекаралық қабаттың бастапқы бөлігіндегі hал. үшін, жылу беруінің есептеуі жеке жүргізіледі де, және h-hал. (һал - алмағайып - критический) турбулентті шекаралық қабатпен орналасқанына да, осылай есептеледі. hал  . мэнін мына шарт жағдайымен анықтайды:                

 

 

 

 

             Шектелген  кеңістіктегі жылу беруі.    

 Табиғи конвекция кезшде, осындай жылу беру сұйықтық қабатшаларында, әртүрлі орын алады, мысалы терезе рамаларының әйнектерінің арасында өтеді.     

 Табиғи конвекция, кезінде, сүйықтың көп көлемде салқындауы (жылытуы), бетінен қашықта өтеді де, конвекция процессіне әсерін тигізбейді. Егер, жылу беруші жэне жылу қабылдаушы бет жақын орналасса, онда, жоғары көтерілетін жэне төмен түсетін сұйық ағыны жылытушы қүрылғылармен бөлмелерді жылыту, сұйық құбырларының сууы және т.б құбырларымен өтеді. Табиғи конвекциямен пайда болуын қарастыралық, мысалы, сумен жылы-тылатын радиатордың айналасындағы конвекция (13.4 сурет).     

 Қыздырылған қабырғамен ауа, тікелей жұғысқаннан кейін, қызып, жеңіл болады да, Архимед заңына байланысты бетіне көтеріледі де, оның орнына суыңқыраған ауа келеді. Осылайша, қабырға бойымен тоқтаусыз ауа алмасуы жүреді. Радиатордың төменгі қабырға жағында, ауаның өте жұқа қабаты, аз жылдамдық-пен көтеріледі де, бұл жерде ламинарлы қозғалыста өтеді. Жылы ауа қабаты, жоғарлап көтерілген сайын, қабаты қалыңдай түседі, жылдамдығы артады. Қабырғаның жеткілікті биігінде өтпелі кезең шекарасынан кейін, ақырындап турбулентті қозғалысқа айналады. Сонымен, ламинарлы жэне турбулентті қозғалыстар, аралық айма-ғында өтпелі аймақ болады.        

 Барлық жазық беттер түрі үшін, өте көп көлемдегі табиғи конвекция кезіндегі, жазық беттің орташа жылу беру коэффи-циентін анықтаудың есепті формуласы жэне оның бейімделу іс бағыты (ориентация), сонымен қатар, қандай сүйық жэне газ болмасын жә не қандай да қысым мен температураны, мына формуламен анықтайды:                          

Nuш.к=С(Сг-Рг)nш.қ-έ,                       (13.11)

мүндағы, индекс ш.қ -- жылу жүргізгіштің, барлық физикалық қасиеті, шекаралық қабаттың (ш.қ) орташа температурасына жата-ды: бір бірімен жұғысады, сол кезде конвекция процессі қиындай-ды, сондықтан бүл күрделі процессті, бір тұтас ретінде қарастыру керек.     

 Осы жағдайда, жылу беруді кемітудегі, жылу жүргізгіштіктің - эквивалентті коэффициент ұғымын енгізеді (λ э,к). Мысалы, жайпақ қабатшадағы, жылу ағынының тығыздығын, мына формуламен анықтайды:        

 

Мұндағы, δ- қабатшаның қалындығы ,м; tk -жылу беруші беттің

температурасы, oC; tk - жылу қабылдаушы беттің температурасы,С.

 

Жылу өткізгіштік коэффиценті, мына формуламен анықтайды:

Мұндағы έк-тәжірбие жолымен анықтайтын конвекция коэффиценті          

  

Амалсыз конвекция кезіндегі жылу беруді           есептеу.     

 Амалсыз конвекция  кезіндегі интенсивті жылу беру, барлық қозғалыс сипатымен анықталады.     

 Құбырдағы амалсыз қозгапыс кезіндегі жылу беру. Жылу алмастырушы аспаптарды есептеуде қабылданған, Rе<2300 болған кезде, ламинарлы деп, ал толық өрістеген турбулентті кезінде Rе<104 екеуінің мэн арасында өтпелі кезең Rе<2300<Rе<104 орналасқан.     

 Резервуардан, құбырға  құйындамай ағатын, сұйық ағысын  қаралық (сурет 13.7а). Құбыр қабырғасының  аузынан төмен қарай, ағынмен  шекаралық қабат дамиды да, ол белгілі бір қашықтықга, құбырға кірерде қабысады да, барлық құбыр қимасымен толып ағады. Сол қимадан бастап, жылдамдық профилі өзінің пішінін сақ-тайды. Құбырдың, сол участогынан жылдамдық профилін - гидро-динамикалық ұурақталган участогы немесе бастапқы участогы деп атайды. Құбыр қимасына кірердегі, шекаралық қабатының

турбулентті режимдегі ағуы, ламинарлы түрінде болып, ал одан кейін, турбулентті ағынға айналады (сурет 13.7 б). Егер, құбырдың қабырғасы мен сұйық ағыны, әртүрлі мәнді температурада болса, олардың арасында жылу алмасуы өтеді және жылудың шекаралық қабаты пайда болады. Қабат қалыңдығы, қүбыр аузынан кашық-таған сайын артады. Сонымен бірге, құбыр қимасындағы шекара-лық қабат, толық орналасқаннан кейін, жылу беру коэффициенті кемиді. Жылу беру коэффициенті кемігеннен кейінгі, участоктың жылу беру коэффициентін түрақталған участогы деп атайды. Осы аралық участок шегінен кейін, жылу беру тұрақты болады.

   

13.7 сурет. Құбырдағы сұйық  ағынының тұрақтандырылуы. аламинарлы  режим; б - турбулентті режим; 1 - ағын  өзегі; 2 - ламинарлы шекаралық қабат; 3 - турбулентті шекаралық қабат. 

 

 

       Ламинарлы  режим кезіндегі жылу беруінің  есептеулері. Ламинарлы режим кезіндегі жылу беруге, табиғи конвекция едәуір әсерін тигізеді. Жылу беру коэффициенттерінің орташа мәні үшін, толып жатқан ғылыми тәжірибе мәліметтерінің негізінде алынған, ұқсастық теңдеуі есептеулерінің түрі:                  

                       

 Мұнда, анықтаушы ретінде, сұйықтың орташа температурасы Іс қабылданды, өзіне тән ұзындық өлшеміне - құбырдың диаметрі <і алынды. Бұл тендеу, әртүрлі көлденең қималы тік сызықты канал-

дарға да колданады. Бұл жағдайда, өзіне тән, геометриялық өлшемі-не эквивалентті диаметрі қабылданылды:                                               

 

мұндағы S - қимыл қима ауданы, м2; П - ылғалданған периметр, м;

Pr=const газ үшін және  έ - қысқа кұбырлар үшін l\d<50 кезінде есепке алынып, бастапқы участокқа әсерін тигізетін түзету коэффициенті.        

 Ламинарлы режим кезіндегі ее мэндері:         

 l\d.............1.       2.       5.     10.    15.    20.    30.     40.50.         

 έl...............1,90 1,70 1,44 ι\d >50 кезіндегі эсері болғанда Ее=1.         

 Турбулентті' режим кезіндегі жылу берудің  есептеулері.        

 Турбулентті режим, құбырдың ағын қимасындағы температу-расы тұрақты болып сипатталады. Ол, жұқа қабырға аймағында тез өзгереді. Бұл жағдайда табиғи конвекцияның әсерін елемеуге бола-ды. Жылу берудің, орташа мәнінің коэффициенті үшін, ұқсастық теңдеуінің есептеуін, мына формуламен анықтайды:                   

      

 Бұл теңдеудегі, негізгі  анықтаушысы, сұйықтың температурасы, өзіне тән өлшеміне - эквивалентті диаметрі Ш<50 болған кезде түзету ескеріледі.    

 Турбулентті режимде, ес мәнін жуық формуламен анықгауға  болады:                                                                

     

  Өтпелі режгш кезіндегі, жылу берудің есептеулері.   

  Құбырдағы   өтпелі   ағын   режимі   кезінде,   Рейнольдс   саны 2300<Ке<104шегінде өзгеруі байкалады. Бұл кездегі, режим кезінде,

жылу беруі ете көп факторларға байланысты болады да, оны есепке алу өте қиын. Шамамен жылу беру коэффициентін, мына формуламен анықтайды:                     

   

мұндағы Ко(Rес) - Рейнольдс санының функциясы.                    

  К0 = ƒ(Rес) функция мэндері:                     

 Rес*103.......2,22,32,53,03,54,0     5      6   7    8    9   10                     

 Ко................2,2   3,6 4,9 7,5 10 12,2 16,5 20 24 27 30 33                   

 Жалгыз цубырдан көлденең агу кезіндегі жылу беруі.                  

 Қазіргі замандағы  жылу алмастырушы аппараттарды, көбінесе құбырдан жасайды. Жалғыз құбырдың жылу беруін қарастыралық.       

                            

4.8-сурет. Жалғыз құбырдан көлденең айнала ағуы.  

 

 

      4.8 суретте, құбыр маңайындағы, сұйық қозғалысының сүлбесі берілген, онда, түрақты жылдамдықпен wo бірқалыпты көлденең ағын айнала ағуы көрсетілген. Құбыр бетінде, шекаралық ағын қабаты пайда болады да, оның жылдамдығы кдбырғада нөлден ауытқымай ағуына wo  дейін болады. Бұл нүктесінде (φ =0°) қуалау ағыны екіге бөліне ағады да, оның ағын кдбаты өте аз. Беттің бойындағы қозғалысында, сұйықтың көп көлемі үйкеліс есебінен тежеледі, ал сонымен қатар, шекаралык қабаты көбірек калыңдай түседі. Экваториялы қима маңында (φ = 90°) шекаралық қабат бетінен ажырап кетіп, ағынмен бірге кетеді. Құйындатып бөліну кезінде, қабырғасыньщ түмсық аймағы ұласады. Маңдай нүктесінде

(φ =0°) жылу беру коэффициенті  ең жоғары мәнінде болып, ондағы шекаралық қабат қалыңдығы ең төменгі мәнінде болады. Шекара-лық қабат қалыңдаған сайын, жылу беру коэффициенті азаяды. φ  өсуінен жылу беру коэффициенті кеміген сайын, шекаралық қабаттың ажырауы ары қарай жүреді. Құбырды айналып ағу түрі жэне қарқынды жылу беруі, ең алдымен Рейнольдс санына байланысты. Орташа дөңгелек кұбырдың жылу беру коэффицие-нтінің мәнін Rес= 5...103 кезіндегісін, мына теңдеумен анықтайды:                       

 

Rес= 103 ....2*105 кезіндегісін мына теңдеумен табады:                     

      

 Бұл теңдеулердегі  анықтаушы, температураның ағып  жеткен сұйық температурасын  қабылдайды, өзіне тән өлшемдері - құбыр-дың диаметрі; жылдамдығын  каналдың ең тар қимасында  орналас-қан қүбырды алады. Ргк мәнін таңдап алу - құбыр бетінің орташа температурасынан алады.   

 Егер φ  < 90° кем болса жоғарыдағы теңдеулерге түзетуші έ φ енгізіледі:

έ φ =1 - 0,54соs2 φ .