Прочие теории теплоотдачи
На стр. 91 и далее уже говорилось подробно об аналогии физических процессов теплопроводности с внутренним трением и конвекции — с молярными «техническими» вихрями. Эти мысли впервые были высказаны Л. Прандтлем в работе «Соотношение между теплообменом и состоянием потока жидкостей» [56]. Прандтль доказывает, что дифференциальные уравнения движения и теплопроводности в текущих жидкостях характеризуются
Одинаковой формой, если -------- =1, температура пропорциональ-
Ср ’ 8 * *1
На составляющей скорости и, наконец, притоки и отводы тепла пропорциональны падению давления. Эти условия выполнимы до
Определенной степени. Для газрв величина ----------- лежит около
Единицы. Как скорость, так и температура изменяются по мере приближения к стенке таким образом, что скорость очень быстро уменьшается и температура также сильно уменьшается или. возрастает. Все-таки непосредственный перенос учения о потоках на теорию теплопередачи является не вполне обоснованным, потому что отклонения второго предположения (и> = &д) от действительности довольно значительно. Но следует обратить внимание, что при этих предположениях дифференциальные уравнения движения и теплопроводности совпадают. Сообразно с этим скорость хю в уравнении движения означает то же самое, что и температура О в уравнении теплопроводности. Впрочем, Прандтль применил несколько иную форму уравнения теплопроводности, чем НуссельтмБлагодаря этому соответствию уравнений выясняется также математически аналогия законов теплоотдачи и движения и становятся известными предпосылки этой аналогии.
Прандтль для плоских бесконечно тонких пластин установил следующее уравнение:
<э = X Ь (» — &да) I к кал/час. (217)
V
Здесь, кроме известных обозначений,
Ь — ширина пластины, м;
Ь — длина пластины, м;
Я> — скорость движения пластины относительно жидкости, м/час
$—температура жидкости, °С;
— температура пластины, °С.
Можно установить аналогию критерия -—- с числом Рейнольдса [57]. 4
Для ламинарного потока с малым трением Прандтль дает уравнение:
Ф = X Ь (& — &_,)С 1 / ккал/час, (218)
А для более высоких скоростей корень характеризуется показателем степени от 0,8 до 1. Таким образом, Прандтль приходи! к формулам того же самого 'вида, что и Нуссельт.
Г. Лоренц [58] объясняет связь мёжду теплоотдачей и сопротивлением, возникающим при движении потока, следующим об'
Разом: сопротивление движению потока возникает вследствие то - ^го, что определенная часть протекающего по трубе количества ^жидкости теряет всю свою энергию движения. Это возможно лишь в том случае, если определенный объем жидкости перемещается из центральной области потока в слои, прилегающие к стенке; здесь он частично попадает в завихрения, а частично совершенно затормаживается. Следовательно, должно произойти смешение с пограничным слоем, причем новая порция жидкости, поступающая в пограничный слой, принимает его температуру. Непосредственно от этого процесса зависит теплопередача, которая, естественно, пропорциональна количеству жидкости, заторможенному у стенки. Это количество жидкости должно принять среднюю температуру пограничного слоя, которую Лоренц считает равной среднеарифметическому значению между средними температурами потока и стенки. Если даже его формулы вследствие этого предположения требуют экспериментальных подтверждений, то они все же особенно четко раскрывают связь между потерей давления и теплоотдачей. Лоренц дает следующую формулу для определения коэффициента теплоотдачи:
А =(219)
Где е — коэффициент. сопротивления в уравнении, определяющем падение давления в гладких прямых трубах:
------- = _е1т_ _
(Иг 2§ '
Е — функция числа Рейнольдса; г —радиус. Если е из уравнения (220) подставить, в уравнение (219) и свести все коэффициенты в постоянную 1, то получим
К'Ср’а'м~
— ккал/м2-час‘°С. (221)
Ш
Опыты, проведенные Нуссельтом по измерению падения давления и теплоотдачи, подтверждают постоянство коэффициента к. Получилось, примерно, что
£ = 6800. (222)
В уравнении (221):
Ср—удельная теплоемкость жидкости в условиях опыта* ккал/м3 • град; гг» — скорость жидкости в тех же условиях, м! сек й — диаметр трубы в свету, м
Йр
— перепад давления, мм вод. ст/м.
Лоренц доказывает, что вследствие пропорциональности коэффициента теплопроводности и вязкости, согласно кинетической теории газов, уравнение (221) должно быть справедливым и для ламинарного потока.
Соотношение между теплоотдачей и диффузией было найдено и экспериментально исследовано Г. Тома[59]. Сущность такого соотношения становится ясной из анализа этого опыта. Тома обкладывал отдельные трубы исследуемого пучка труб фильтровальной бумагой, пропитанной соляной кислотой. Затем эти трубы обдували потоком воздуха, теплоотдачу от которого необходимо было исследовать. Но воздушный поток не подогревался, а смешивался с парами аммиака. Эти пары ЫН3 попадали на покрытые соляной кислотой трубы и около них мгновенно образовывался белый туман твердого хлористого аммония (ЫН4С1). При этом должно образоваться тем больше ЫН4С1, чем больше частиц ЫН3 достигнет трубы. Но трубы будет достигать в единицу времени тем большее количество частиц ЫНз^чем больше будет концентрация паров ИН3 в воздухе и чем больше составляющая скорости воздушного потока, направленная к трубе. Поток воздуха доставляет к трубе все новые и новые частички ЫН3. Ясно, что этот материальный перенос частиц ЫН3 по своей сущности подобен передаче тепла конвекцией и, следовательно, должен подчиняться тем же законам, если пренебречь влиянием подъемной силы. При этом концентрация аммиака в воздухе соответствует температуре при теплоотдаче. Но аналогия процессов идет еще дальше. Если частички аммиака проходят вблизи трубы, они встречают пограничный слой*, который препятствует их дальнейшему приближению к трубе. Так же, как и при теплопередаче, в этот - момент наступает молярная теплопроводность, т. е. конвективный теплообмен сменяется молекулярным процессом-диффузией. Вследствие беспорядочного теплового движения молекулы соседних слоев очень быстро перемешиваются и занимают пространство, которое до этого было свободным. Процесс, как видим, аналогичен процессу теплопроводности, при котором более быстрые (более горячие) молекулы смешиваются с менее быстрыми (более холодными) молекулами и проникают по* степенно в пространство, не заполненное ими до этого момента. Это явление сопровождается многочисленными столкновениями, влияющими на перенос энергии от рассматриваемых быстро движущихся молекул к движущимся медленно.
Следовательно, можно сказать, что явления теплоотдачи и диффузии обнаруживают большую аналогию. Г. Тома доказал это также с помощью дифференциальных уравнений для обоих
Процессов. Эту аналогию можно, как сделал это Г. Тома, использовать для вывода формул для теплоотдачи. Но так как по диффузии существует меньше опытных данных, чем по внутреннему трению и перепаду давления, то дифференциальные уравйеиия диффузии не имеют преимуществ перед названными выше методами. Однако анализ процесса и опыты, проведенные Г. Тома, позволяют ознакомиться с физикой процессов движения, с теми положениями, которые лежат в основе теплопередачи, так как белый туман не только наблюдался, но и фотографировался. Г. Тома сделал ряд снимков, которые дают ясное представление
О процессах движения, следовательно, и о процессах теплопередачи, например, отрыв вихрей позади трубы и вообще вихреоб - разование, имеющее большое значение для теплоотдачи *.