Радиационный и сложный теплообмен в аппаратах высокотемпературной техники

• Автор: Тамонис, Матас Матович
• Шифр специальности: 05.14.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1982
• Место защиты: Каунас
• Количество страниц: 334 c. : ил

Актуальность работы. Исследование вопросов радиационного и сложного теплообмена в системах тел и в средах, обладающих существенно селективными радиационными характеристиками, и разработка инженерной методики расчетов, обеспечивающей применение результатов исследований при проектировании и эксплуатации мощных энергетических установок, высокотемпературных химических реакторов и других технологических аппаратов в отдельных областях народного хозяйства, входят в круг наиболее важных задач современной науки и техники. Если учесть, что в аппаратах новой техники используются рабочие среды при таких давлениях и температурах, когда конструкционные материалы работают в экстремальных условиях, а проведение высокотемпературных экспериментальных исследований становится дорогостоящим и трудоемким, то разработка надежных методов расчета подобных устройств является актуальной задачей. Методы расчета сложного теплообмена особенно актуальны при проектировании новых мощных технологических реакторов и аппаратов, например аппаратов для переработки углеводородного сырья газа, нефти, угля, каналов МГДгенераторов, силовых двигателей, плазмохимических реакторов и других устройств новой техники с высокоинтенсивным сложным теплообменом.


Моделирование процессов переноса в селективно излучающих средах конечной оптической толщины является практически нереальным, так как ввиду интегрального характера процессов теплообмена в таких средах трудно сохранить инвариантность большого числа чисел подобия. При моделировании сложных явлений, характеризуемых многими числами подобия, эффективность методов теории подобия резко падает. Более эффективны в этих случаях методы приближенной теории подобия. Например, метод относительного соответствия, сфорцулированный в работах В. П. Мотулевича , , нашел практическое применение при исследовании влияния различных факторов на теплообмен. Приближенная теория подобия может быть успешно использована и при решении задач сложного теплообмена. Ее применение позволяет найти ряд определяющих критериев, выраженных через тепловые потоки, определенные в условиях отсутствия взаимодействия между различными видами переноса энергии. Это открывает широкие возможности использования хорошо изученных зависимостей, например конвективного теплообмена, для расчета сложного теплообмена, а расчет радиационного теплообмена при этом существенно упрощается. Л.М. Биберманом с сотрудниками , при описании сложного теплообмена в критической точке плохообтекаемого тела. Автор впервые обосновал применимость такого приближенного моделирования сложного теплообмена при течении излучающих сред в каналах . Рассмотрим вопрос применения принципов теории подобия при сложном теплообмене более детально. При этом предполагается, что величина определена при тех же граничных условиях, но при ее расчетах не учитывалось влияние процессов излучения, а радиационный тепловой поток 1 , входящий в , определен по температурным полям, обусловленным только конвекцией, теплопроводностью и т. Таким образом, для определения можно воспользоваться известными зависимостями конвективного теплообмена, а определить в фундаментальной постановке задачи. Дк Дк Д1г 1 1. ДЬр изменение радиационной энтальпии, Дк изменение энтальпии среды, обусловленное ее термическим состоянием, кинетической энергией среды, энергией химических превращений и т. Согласно работе Л. М. Бибермана полный тепловой поток при сложном теплообмене можно разложить в ряд Тейлора по отношению теплового потока при отсутствии взаимодействия излучения с другими видами переноса энергии. Если учесть, что это взаимодействие будет исчезать при приближении Лк к Лк , то разложение в ряд можно записать в следующем виде

, 1. I ,. Дк

Ч . Поэтому реальную зависимость этих отношений от необходимо определять по теоретическим или экспериментальным результатам сложного теплообмена. Таким образом, параметр X 9 определенный через известные величины, может служить числом подобия в процессах сложного теплообмена. При определении параметра X отношение энтальпийных перепадов АкрД1г удобнее выразить через плотности тепловых потоков. Остальные члены в уравнении 1. В зависимости от преобладающей роли тех или других процессов баланс приращений тепловых потоков можно существенно упростить. Рассмотрим наиболее важные частные случаи. С учетом выражений для векторов тепловых потоков уравнение 1. Чм. Хт о ТГЬг С. ХАк 1. X К 1. Л.М. Бибермана . I о пи. Т т 1. ТТИ
9,7ТИ. С другой стороны, аналогичный анализ уравнения 1. ЦДк . Тогда из уравнений 1. XегР 1. Ни 1д0 ди
где параметр подобия сложного теплообмена при ламинарном стабилизированном течении выражен через числа Нуссельта. ТД iv iv 0. С учетом выражений для векторов тепловых потоков уравнение 1. I v . А,Ьр . В знаменателе выражения 1 опущена скорость света с0 как постоянная величина, но, несмотря на это, данное отношение может рассматриваться как некоторое число Стантона для радиационного теплообмена. Ни1 о X п 1. В общем случае производные в выражениях 1. Данная величина в общем случае учитывает темп роста теплоотдачи в зависимости от изменения полной энтальпии. Таким образом, при определении параметра X открывается широкая возможность использования достаточно хорошо изученных закономерностей конвективного теплообмена в неизлучающих средах. Для среды с внутренними источниками энергии можно получить различные выражения параметров подобия в зависимости от характера течения среды. Аналогичными преобразованиями уравнения 1.