В современных энергетических устройствах и технологической аппаратуре, применяющейся в авиации, металлургии, ракетной технике, энергетике, химической и пищевой технологии п других отраслях, все большую (в ряде случаев определяющую) роль играют нестационарные процессы. Знание механизма протекания этих процессов и умение, в частности, надежно рассчитывать теплообмен и гидравлические потери в них необходимо как для проектирования энергетических устройств и технологической аппаратуры, так и для разработки надежной системы автоматического управления. Поэтому исследование нестационарных теплообмена и гидродинамики, в частности, при течении одно- и двухфазных теплоносителей в каналах и разработка методики их расчета представляют чрезвычайно актуальную для инженерной практики задачу.
В общем случае цель таких расчетов — определение нестационарных полей температур и скоростей в потоке теплоносителей и полей температур и термических напряжений в материале конструкции, окружающей поток. Эти поля могут быть определены из решения так называемых сопряженных задач, когда математическая модель для описания теплообмена и гидродинамики в теплоносителе дополняется уравнением энергии для материала конструкции и условиями сопряжения на границе между теплоносителем и стенкой, а граничные условия задаются на внешней границе стенок каналов. Однако при теоретическом решении трехмерных нестационарных сопряженных задач для подавляющего большинства практически важных случаев встречаются пока непреодолимые трудности, которые в основном сводятся к следующему:
1. По сравнению со стационарной задачей значительно усложняется математическая формулировка из-за введения дополнительного переменного — времени. При численных расчетах увеличиваются требования к быстродействию и объему оперативной памяти вычислительных машин.
2. Для турбулентных нестационарных течений пока не удается получить замкнутую систему уравнений даже при использовании полуэмпирической теории турбулентности из-за отсутст-
ипя экспериментальных данных о возникновении турбулентности и о распределении турбулентных параметров по сечению потока.
3. Дли двухфазных течений при фазовых переходах нет общей математической модели процесса даже в случае ламинарного течения.
В этих условиях наиболее целесообразным представляется построение инженерных методов расчета на основе решения сопряженных задач, по при одномерном описании процессов в теплоносителе, а в случае двухфазных потоков — при одномерном описании отдельно паровой и жидкостной фаз е учетом их взаимодействия. При этом существенно упрощается математическая формулировка задачи, и она становится вполне разрешимой для численного расчета на современных вычислительных машинах. ^Построенные таким образом инженерные методы расчета неста-: цнонарпых процессов теплообмена и гидродинамики в каналах можно успешно использовать при проектировании новых энергетических устройств и технологических аппаратов п разработке систем автоматического управления ими.
При одномерном описании потока в каналах в основных уравнениях (движения и энергии) появляются новые переменные (коэффициенты теплоотдачи и гидравлического сопротивлении в однофазном потоке и шесть , коэффициентов в двухфазном). Они учитывают всю специфику реального трехмерного потока при его одномерном описании. Поэтому, чтобы замкнуть системы уравнений, необходимо располагать дополнительными уравнениями для новых переменных. Эти уравнения, как правило, могут быть получены только экспериментально, особенно для турбулентных течений.
Комплекс экспериментальных исследований должен включать как минимум:
1. Изучение теплоотдачи и гидравлического сопротивления жидкостей и газов в турбулентном и переходном режимах течения при различных типах нестаиионарностей и их сочетании (изменениях расхода, температуры стенки и теплоносителя на входе, теплового потока и его распределения по поверхности па-грена). Такие исследования должны быть проведены в трубах п каналах некруглой формы, в гибах и других типичных местных сопротивлениях.
2. Для двухфазных теплоносителей необходимо провести исследования для различных режимов кипения и конденсации, а также изучить условия и механизм смены одного режима кипения (конденсации) другим.
Следует учитывать большие экспериментальные трудности, возникающие при исследовании нестационарных теплоотдачи и гидродинамики. К ним относится необходимость создания п отработки попых методик эксперимента, методов измерения и фиксации параметров во времени.
Очевидно, что такой большой комплекс исследований может быть выполнен более эффективно и успешно (по степени обобщения и надежности эмпирических зависимостей), если фундаментально будет изучен механизм н физика нестационарных процессов. Лишь органическое сочетание фундаментальных и прикладных исследований является наиболее экономичным и эффективным путем получения практических результатов.
При написании книги использованы не только исследования ее авторов, но и известные им из литературы.
Введение п глава 1 написаны В. К. Кошкиным н Э. К. Калининым, глава 6 — В. К. Кошкиным, Э. К. Калининым и Г. А. Дрейцером, главы 2. 8, 9 — Э. К. Калининым, главы 3 и 4'— Э. К. Калининым н Г. Л. Дрейцером, главы 7 н 11 — Э. К- Калининым и С. Л. Ярхо, глава 5 — Г. А. Дрейцером и глава 10 — С. А. Ярхо.
Авторы будут благодарны всем читателям, которые пришлют свои замечания по адресу: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., д. 3, издательство «Машиностроение».
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ................ 3
Основные обозначения .............. 6
Глава I. Постановка задач исследований нестационарного теплообмена и гидродинамики однофазных жидкостей в каналах . . 11
§ 1.1. Общая постановка задачи исследования для потока вязкой
жидкости...............11
§ 1.2. Постановка задачи исследования при одномерном способе
описания . ............15
Глава 2. Гидродинамика потока при нестационарном течении жидкости
в каналах..............33
§ 2.1. Одномерная теория............ 33
§ 2.2. Квазистационарная теория и ее качественный анализ ... 35
§ 2.3. Ламинарные течения........... 44
§ 2.4. Турбулентные течения........... 46
Глава 3. Методика экспериментального определения коэффициента
теплоотдачи в нестационарных условиях......58
§ 3.1. Косвенное определение температуры стенки и теплового потока ................58
§ 3.2. Определение температуры стенки и теплового потока при малых значениях критерия Bi .......... 72
§ 3.3. Определение изменения среднекалориметрнческой температуры потока по длине канала .......... 77
Глава 4. Нестационарный теплообмен при течении газов в трубах . 80
§ 4.1. Теоретические методы расчета.........80
§ 4.2. Экспериментальное исследование теплообмена при изменении
теплового потока в условиях нагревания газа .... 99
§ 4.3. Экспериментальное исследование теплообмена при изменении
теплового потока в условиях охлаждения газа . . . . !20
§ 4.4. Экспериментальное исследование теплообмена при изменении
расхода газа..............128
Глава 5. Нестационарный теплообмен при течении жидкостей в трубах !40
§ 5.1. Теплообмен при течении в трубах жидкостей с различными
числами Прандтля............ НО
§ 5.2. Исследования сопряженных задач........ 146
Глава 6. Методы расчета теллообменных устройств в нестационарных
условиях для однофазных потоков.......153
§ 6.1. Температурные поля в конструкциях при переменных во времени коэффициентах теплоотдачи .......153
§ 6.2. Нестационарное поле температур стенки трубы и теплоносителя при малых значениях критерия Bi......160
§ 6.3. Расчет нестационарных режимов работы теплообменного аппарата ...............171
Глава 7. Нестационарный теплообмен при пленочном кипении криогенных жидкостей в трубах..........176
§ 7.1. Постановка задачи ........... 176
§ 7.2. Замкнутая система одномерных уравнений для двухфазного
потока в каналах............ 179
§ 7.3. Теоретический анализ стержневого режима..... 186
§ 7.4. Экспериментальные исследования стержневого режима . . 196
§ 7.5. Снарядный режим............ 208
§ 7.6. Теоретический анализ дисперсного режима..... 218
§ 7.7. Экспериментальные исследования дисперсного режима . . 227
Глава 8. Нестационарные аспекты пузырькового кипения .... 241
§ 8.1. Образование паровых пузырей ......... 243
§ 8.2. Рост пузырей в большом объеме чистой перегретой жидкости 245
§ 8.3. Рост пузырей на поверхности нагрева при кипении . . . 247
§ 8.4. Диаметр пузыря при отрыве от стенки...... 255
§ 8.5. Частота отрыва пузырей.......... 257
§ 8.6. Теплоотдача в большом объеме........ 257
§ 8.7. Режимы тсплосъема при парообразовании в условиях свободной конвекции............. 265
Глава 9. Кризисы кипения и переходное кипение криогенных жидкостей 271
§ 9.1. Кризис пузырькового кипения в большом объеме . . . 272 § 9.2. Кризис пузырькового кипения при вынужденном течении в каналах ................ 282
§ 9.3. Кризис пленочного кипения.......... 286
§ 9.4. Аналогия между температурой кризиса пленочного кипения
и температурой Лейденфроста ......... 298
§ 9.5. Переходное кипение........... 300
326
Глава 10. Интенсификация теплоотдачи при пленочном кипении криогенных жидкостей в трубах.........304
& 10 1 Интенсификация теплоотдачи путем искусственной турбулн-
104 зации потока .............
Глава П. Методы расчета нестационарного охлаждения прямых трубопроводов при пленочном кипении.......309
§ 11.1. Расчет трубопровода в стержневом режиме.....309
§ 11.2. Расчет трубопровода в дисперсном режиме.....314
117
Список литературы . .............
Цена: 150руб.
