Теоретические основы теплотехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Теплопроводность, мощность теплового потока, плотность теплового потока, теплообмен, коэффициент теплоотдачи, конвекция, теплопередача, турбулентный и ламинарный потоки, плёночная конденсация, пузырьковое кипение.

Объектами исследования являются процессы нестационарной теплопроводности тел, передача теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки, пузырьковое кипение жидкости в трубе, плёночная конденсация пара в трубе.

Цель работы - углубление и закрепление знаний по разделу «Тепломассообмен» и приобретение практических навыков инженерных расчётов теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2002.

Введение

Совершенно очевидным является положение, что использование теплоты лежит в основе современных технологий в любой сфере человеческой деятельности. Теплота -- это великий дар природы и естественно желание научиться разумно его применять, понять основные закономерности, управляющие процессами получения, переноса и использования теплоты.

Тепломассообмен - это наука, изучающая процессы распространения тпла и передачи массы вещества в пространство, имеющее непосредственную физическую связь с теплообменом. Явление тепломассообмена распространено в природе и в технике. Например, расчёт и конструирование теплообменных установок в теплоэнергетике, расчёт тепловых двигателей, атомных реакторов, холодильных устройств. Тепломассообмен вместе с технической термодинамикой составляют теоретические основы теплотехники, являющиеся основой знаний инженеров теплоэнергетиков. При соприкосновении двух тел с разными температурами происходит обмен энергиями, в результате интенсивность движения частиц с меньшей температурой увеличивается, а с большей уменьшается. Значит для возникновения процесса теплообмена необходимо наличие разности температур. Если нет разности, нет и теплообмена.

В этой работе будут рассмотрены процессы нестационарной теплопроводности тел, передачи теплоты через оребрённую поверхность плоской стенки, пузырькового кипения жидкости в трубе, плёночной конденсации пара в трубе. Все эти процессы имеют практическое применение в технике, в котельных установках, поэтому знание и умение их рассчитывать необходимо каждому теплоэнергетику.

1. Нестационарная теплопроводность тел

Исследовать нагревание железобетонной плиты размерами в процессе ее термической обработки. Определить распределение температур и расход теплоты на единицу ее объема по истечении времени ф в зависимости от интенсивности теплообмена между греющей средой и поверхностью плиты. Железобетонная плита выполнена из материала с теплофизическими свойствами л, с, с.

В начале термической обработки температура во всех точках плиты была одинакова и равна t_Н. В процессе нагрева плиты температура греющей среды (водяного пара) поддерживалась постоянной и равна t₀. Обогрев плиты симметричный. Время нагрева (полное) определить исходя из условия, что температура на поверхности плиты равна t_с. Скорость движения пара относительно плиты w.

Таблица 1.1 - Исходные данные

Номер варианта	Размер плиты S-b-l, м	Начальная температура плиты tН, оС	Температура поверхности плиты tC,0С	Температура насыщенного пара t0, оС	Теплофизические свойства плиты	Скорость потока воздуха w, м/с
					Плотность с, кг/м3	Коэф. теплопроводности л, Вт/мК	Теплоёмкость С, Дж/кг с
8	0.4*1.4*6.0	20	95	120 150	2200	1.41	834	5 10 15 20 25

1.1 Определение критерия Био

Определим критерий Bi. Для этого найдем критерий Рейнольдса Re, критерий Нуссельта Nu и коэффициент теплоотдачи б.

Критерий Рейнольдса Re находим по формуле:

, (1.1)

где w - скорость потока воздуха, м/с;

l - высота плоской стенки, м;

м²/с - коэффициент кинематической вязкости при t=120°C

м²/с - коэффициент кинематической вязкости при t=150°C.

Средний критерий Нуссельта находим по формуле:

, (1.2)

где - критерий Рейнольдса;

=1,09 - критерий Прандтля при t=120°C;

=1,16 - критерий Прандтля при t=150°C;

=0,684 - критерий Прандтля.

Средний коэффициент теплоотдачи от потока пара к поверхности плоской стенки находим по формуле, Вт/(м²·К):

, (1.3)

где - средний критерий Нуссельта;

=2,593·10^-2 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности при t=120°C;

=2,884·10^-2 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности при t=150°C;

l - длина ребра, м.

Сведём расчеты в таблицу.

Таблица 1.2 - Расчёт Re, и

W	tП =120оС	tП=150оС
	Re · 106		, Вт/(м2·К)	Re 106	·104,	, Вт/(м2·К)
5	2.61	5878.10	25.403	5.50	1.113	53.418
10	5.23	10234.37	44.229	11.00	1.934	93.007
15	7.85	14155.79	61.176	16.51	2.676	128.644
20	10.47	17819.07	77.008	22.01	3.368	161.935
25	13.08	21301.64	92.058	27.52	4.027	193.583

Рассчитываем критерий Био по формуле:

(1.4)

где - средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К); S - толщина плиты, м; - коэффициент теплопроводности материала плиты, Вт/(м·К).

Таблица 1.3 - Расчёт критерия Био Bi

w	Bi
	tП =120оС	tП =150 оС
5	3.603	7.577
10	6.273	13.192
15	8.677	18.247
20	10.923	22.969
25	13.057	27.458

1.2 Расчёт времени нагрева ф и критерия Фурье Fo

Исходя из критерия Био, находим значения д_i из трансцендентального уравнения (1.5).

. (1.5)

Таблица 1.4 - Расчет д_i

tП, оС	Bi	д1	д2	д3	д4	д5
120	3,603	1,239479	3,888884	6,772161	9,777846	12,83996
	6,273	1,357677	4,130169	6,9924	9,985715	13,01553
	8,677	1,409744	4,256372	7,163847	10,13295	13,14965
	10,923	1,439737	4,334619	7,26694	10,24233	13,2556
	13,057	1,4289	4,3058	7,2281	10,2003	13,2142
150	7,577	1,389438	4,205651	7,101068	10,06985	13,09104
	13,192	1,460535	4,391077	7,345904	10,33119	13,34599
	18,247	1,489357	4,472041	7,465625	10,47449	13,5002
	22,969	1,505354	4,518169	7,536929	10,5645	13,60252
	27,458	1,515655	4,54823	7,584483	10,62633	13,6751

Из уравнения (1.6) находим время нагрева ф и критерий Фурье Fo:

, (1.6)

где - температура на поверхности плиты, , ^оС;

при t_П = 120 ^оС: ^оС,

при t_П = 150 ^оС: ^оС;

- начальный температурный напор, , ^оС;

при t_П = 120 ^оС: ^оС,

при t_П = 150 ^оС: ^оС;

Fo - критерий Фурье:

(1.7)

где - коэффициент температуропроводности:

(1.8)

Сведём расчёты в таблицу.

Таблица 1.5 - Расчет времени ф и критерия Фурье Fo

w, м/с	tП = 120 оС	tП = 150 оС
	Fo	ф, с	Fo	ф, с
5	0.307732	16196.42	0.017835	938.6708
10	0.106724	5617.052	0.004835	254.4644
15	0.055591	2925.818	0.000581	30.58334
20	0.035247	1855.117	-	-
25	0.041995	2210.239	-	-

1.3 Расчёт температурного поля

Рассчитываем температурное поле:

; (1.9)

. (1.10)

Таблица 1.6 - Расчет t_Х

tП, оС	w, м/с	tХ, оС
		х= 0 %	х=25%	х = 50%	х =75%	х = 100%
120	5	56,673	54,106	46,63	34,91	20
	10	81,744	77,743	65,688	45,9	20
	15	94,407	92,826	84,718	61,77	20
	20	95,02	94,974	94,13	80,619	20
	25	95,346	94,768	94,865	90,211	20
150	5	125	124,923	123,177	107,34	50
	10	125,491	124,665	124,838	122,787	50
	15	130,398	120,513	126,3	132,047	50
	20	-	-	-	-	-
	25	-	-	-	-	-

1.4 Расчёт количества тепла , подведённого к единице площади поверхности за время ф с обеих сторон плиты

Количество тепла , подведённое к единице площади поверхности за время ф с обеих сторон плиты, кДж/м²:

; (1.11)

где - количество тепла, подведённое через единицу площади поверхности при её нагреве от начальной температуры до температуры, равной температуре потока пара, кДж/м²:

, (1.12)

где с - плотность плиты, кг/м³;

с - теплоёмкость плиты, Дж/м·К;

, ^оС;

при t_П = 120 ^оС: ^оС;

при t_П = 150 ^оС: ^оС.

Таблица 1.7 - Расчёт количество тепла

w	, МДж/м2
	tП =120оС	tП =150 оС
5	76,6	17,04
10	4,5	7,2
15	3,2	1,1
20	2,5	-
25	2,8	-

Рисунок 1.3 температурное поле при 120 С

Рисунок 1.4 температурное поле при 150 С

В ходе решения этой задачи я выяснил, что чем больше температура насыщенного пара, тем меньше время процесса нагрева и меньше критерий Фурье. Из графиков зависимости распределения температуры от скорости движения пара видно, что с увеличением скорости движения пара равномерность прогрева уменьшается, а коэффициент теплоотдачи увеличивается, то есть успевают прогреваться поверхностные слои плиты. В этой задаче мы показали, что изменение температуры по сечению плиты зависит от критерия Био; также мы определили расход теплоты на единицу объема плиты и выяснили, что чем больше скорость потока воздуха, тем больше расход теплоты.

2. Передача теплоты через оребренную поверхность плоской стенки

Задание. Исследовать эффективность оребрения поверхности плоской стенки в зависимости от высоты ребра h и теплопроводных свойств его материала при граничных условиях третьего ряда.

Плоская стенка с размерами по высоте 800 мм и ширине 1000 мм оребрена продольными ребрами прямоугольного сечения. По ширине стенки размещено 50 ребер. Для оптимального размера ребра выполнить расчеты распределения температуры, определить плотность теплового потока, передаваемого ребром, оценить вклад отвода теплоты к окружающему воздуху оребренной поверхностью стенки по сравнению с неоребренной. Данные к заданию приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Вариант	Размеры ребра, мм	Температура, оС	Скорость движения воздуха, w, м/с
	высота h	толщина д	окружающего воздуха tв	у основания ребра t0
8	10, 20, 30, 40, 50	3,0	30	110	2, 6, 12, 20

В условиях стационарной теплопроводности ребра третьего рода распределение температуры в нем для одномерной задачи описывается дифференциальным уравнением: теплообмен конвективный пар

,(2.1)

где И = t - t_ж - разность между текущей температурой на поверхности ребра и температурой на поверхности ребра и температурой окружающей среды;

m - параметр ребра, 1/м

, (2.2)

где u =2(д+l) - периметр ребра;

л - коэффициент теплопроводности материала ребра, Вт/м•К;

f - площадь сечения ребра, м²;

б - коэффициент теплообмена между поверхностью ребра и воздухом, Вт/м²•К.

Для данной задачи имеем:

л = 370 Вт/м·К - коэффициент теплопроводности для меди;

л = 100 Вт/м·К - коэффициент теплопроводности для латуни;

л = 46 Вт/м·К - коэффициент теплопроводности для стали.

Параметр б рассчитаем по следующей формуле:

,(2.3)

где =2,67·10^-2 Вт/(м·К) - коэффициент теплопроводности воздуха при заданной температуре.

Для нахождения коэффициента теплоотдачи воздуха нам нужно вычислить :

1) критерий Рейнольдса

, (2.4)

где l - высота плиты, т.к. нагретый воздух поднимается снизу вверх вдоль рёбер

н - коэффициент кинематической вязкости, равный 15,06•10^-6 м²/с.

2) критерий Нуссельта для вынужденной конвекции

, (2.5)

где =0,703 - критерий Прандтля;

=0,684 - критерий Прандтля.

3) критерий Грасгофа для случая естественной конвекции

, (2.6)

где в=1/273 - температурный коэффициент объёмного расширения воздуха

h - высота стенки

4) критерий Нуссельта для случая естественной конвекции

(2.7)

при

Таблица 2.2 Полученные значения коэффициентов

w	Re	Nu	б
0	0	230,9254237	7,707136017
2	106241,6999	336,0495578	11,21565399
6	318725,0996	809,2828406	27,00981481
12	637450,1992	1409,043266	47,02681899
20	1062416,999	2120,329366	70,7659926

Таблица 2.3 Значения параметра m

w	m стали	m меди	m латуни
0	18,316979	6,458503691	12,4231799
2	22,096305	7,79108068	14,98644291
6	34,290052	12,09055407	23,2566451
12	45,245996	15,95358174	30,68732719
20	55,503408	19,57030985	37,64424261

Теперь можно найти температурный напор по высоте ребра по формуле:

(2.8)

где и₀ - температурный напор у основания ребра

Преобразовав полученные значения температурного напора в изменение температуры по высоте ребра, получим значения, представленные в таблице.

Таблица 2.4 - Значение температуры ребра 0,01 м

X	t, C, при w=0 м/с	t, C, при w=2 м/с	t, C, при w=6 м/с	t, C, при w=12 м/с	t, C, при w=20 м/с
Сталь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,0025	109,203	108,846	107,288	105,419	103,339
0,005	108,634	108,024	105,365	102,187	98,671
0,0075	108,294	107,532	104,217	100,265	95,905
0,01	108,180	107,368	103,835	99,627	94,989
Медь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,0025	109,900	109,854	109,650	109,393	109,091
0,005	109,828	109,750	109,400	108,961	108,444
0,0075	109,785	109,688	109,251	108,701	108,056
0,01	108,892	108,609	107,575	106,491	105,350
Латунь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,0025	109,631	109,464	108,724	107,810	106,759
0,005	109,367	109,082	107,816	106,255	104,465
0,0075	109,209	108,853	107,272	105,326	103,096
0,01	109,157	108,776	107,091	105,016	102,641

Таблица 2.5 - Значение температуры ребра 0,02 м

X	t, C, при w=0 м/с	t, C, при w=2 м/с	t, C, при w=6 м/с	t, C, при w=12 м/с	t, C, при w=20 м/с
Сталь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,005	106,923	105,615	100,339	94,789	89,401
0,01	104,743	102,521	93,635	84,451	75,731
0,015	103,442	100,680	89,689	78,453	67,931
0,02	103,010	100,068	88,387	76,487	65,396
Медь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,005	109,601	109,421	108,623	107,639	106,510
0,01	109,316	109,008	107,643	105,963	104,041
0,015	109,146	108,760	107,056	104,962	102,569
0,02	109,089	108,678	106,861	104,629	102,080
Латунь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,005	108,548	107,908	105,177	102,033	98,690
0,01	107,514	106,421	101,778	96,473	90,887
0,015	106,896	105,533	99,757	93,188	86,314
0,02	106,690	105,237	99,087	92,102	84,807

Таблица 2.6 - значение температуры ребра 0,03 м

X	t, C, при w=0 м/с	t, C, при w=2 м/с	t, C, при w=6 м/с	t, C, при w=12 м/с	t, C, при w=20 м/с
Сталь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,0075	106,923	105,615	100,339	94,789	89,401
0,015	104,743	102,521	93,635	84,451	75,731
0,0225	103,442	100,680	89,689	78,453	67,931
0,03	103,010	100,068	88,387	76,487	65,396
Медь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,0075	109,109	108,711	106,981	104,916	102,635
0,015	105,662	104,379	99,482	94,280	88,931
0,0225	108,094	108,094	103,565	99,207	94,438
0,03	107,967	107,062	103,141	98,501	93,430
Латунь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,0075	106,820	105,472	100,051	94,379	88,897
0,015	104,569	102,279	93,154	83,779	74,928
0,0225	103,225	100,379	89,098	77,636	66,971
0,03	102,779	99,748	87,759	75,624	64,387

Таблица 2.7 - Значение температуры ребра 0,04 м

X	t, C, при w=0 м/с	t, C, при w=2 м/с	t, C, при w=6 м/с	t, C, при w=12 м/с	t, C, при w=20 м/с
Сталь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,01	106,923	105,615	100,339	94,789	89,401
0,02	104,743	102,521	93,635	84,451	75,731
0,03	103,442	100,680	89,689	78,453	67,931
0,04	103,010	100,068	88,387	76,487	65,396
Медь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,01	108,433	107,744	104,817	101,470	97,937
0,02	107,318	106,142	101,168	95,527	89,638
0,03	106,651	106,651	99,000	92,021	84,782
0,04	106,429	104,866	98,281	90,863	83,184
Латунь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,01	104,552	102,357	94,126	86,355	79,470
0,02	100,719	97,018	83,366	70,905	60,335
0,03	98,443	93,862	77,135	62,186	49,852
0,04	97,688	92,818	75,095	59,368	46,517

Таблица 2.8 - Значение температуры ребра 0,05 м

X	t, C, при w=0 м/с	t, C, при w=2 м/с	t, C, при w=6 м/с	t, C, при w=12 м/с	t, C, при w=20 м/с
Сталь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,0125	106,923	105,615	100,339	94,789	89,401
0,025	104,743	102,521	93,635	84,451	75,731
0,0375	103,442	100,680	89,689	78,453	67,931
0,05	103,010	100,068	88,387	76,487	65,396
Медь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,013	107,584	106,542	102,243	97,560	92,858
0,025	105,869	104,095	96,825	89,013	81,301
0,038	104,844	104,844	93,624	84,017	74,634
0,05	104,504	102,151	92,565	82,374	72,455
Латунь
0	110,000	110,000	110,000	110,000	110,000
0,013	101,863	98,779	88,025	78,796	71,145
0,025	96,187	91,035	73,541	59,329	48,336
0,038	92,836	86,495	65,316	48,699	36,428
0,05	91,728	84,999	62,650	45,324	32,737

Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, определяется по выражению:

(2.9)

Таблица 2.9 - Тепловой поток, передаваемый через основание ребра

w, м/с	Q, Вт при h=0,01м	Q, Вт при h=0,02м	Q, Вт при h=0,03м	Q, Вт при h=0,04м	Q, Вт при h=0,05м
сталь
0	13,431634	26,0097649	37,084867	46,3198405	53,677167
2	19,448725	37,1414645	51,903893	63,3584166	71,755422
6	45,814963	82,6282018	107,35087	122,018474	130,08878
12	77,643218	131,631324	160,4049	173,597909	179,22789
20	113,30133	180,660377	209,15282	219,440431	222,9383
медь
0	108,03706	209,208979	298,29133	372,57263	431,75113
2	156,4354	298,746562	417,48783	509,622047	577,16318
6	368,51166	664,618145	863,47436	981,452946	1046,3663
12	624,52153	1058,77369	1290,2134	1396,33101	1441,6157
20	911,33682	1453,13782	1682,3162	1765,06434	1793,1994
латунь
0	29,199205	56,5429672	80,619277	100,695305	116,68949
2	42,279837	80,7423141	112,83455	137,735688	155,99005
6	99,597745	179,626526	233,37145	265,257553	282,8017
12	168,7896	286,155052	348,70631	377,38676	389,62586
20	246,30725	392,73995	454,68005	477,044415	484,64848

Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, при абсолютной теплопроводности материала ребра (л= ) и при температуре по всей поверхности ребра, равной температуре в его основании, определяется по формуле:

(2.10)

Таблица 2.10 - Максимальный тепловой поток, передаваемый ребром при абсолютной теплопроводимости материала ребра

w, м/с	Q, Вт при h=0,01м	Q, Вт при h=0,02м	Q, Вт при h=0,03м	Q, Вт при h=0,04м	Q, Вт при h=0,05м
0	13,581515	27,1630302	40,744545	54,3260604	67,907575
2	19,764225	39,5284509	59,292676	79,0569019	98,821127
6	47,596696	95,1933913	142,79009	190,386783	237,98348
12	82,87066	165,741321	248,61198	331,482642	414,3533
20	124,70383	249,407664	374,1115	498,815329	623,51916

Тогда отношение действительного теплового потока к максимальному оценивается коэффициентом эффективности продольного ребра прямоугольного сечения:

(2.11)

Таблица 2.11 - Коэффициент эффективности ребра

w,м/с	E, при h=0,01	E, при h=0,02	E, при h=0,03	E, при h=0,04	E, при h=0,05
сталь
0	0,9889644	0,95754283	0,9101799	0,85262653	0,7904445
2	0,9840368	0,93961346	0,8753845	0,80142802	0,7261142
6	0,962566	0,86800355	0,751809	0,64089782	0,5466295
12	0,9369205	0,79419739	0,6452018	0,52370136	0,4325485
20	0,9085634	0,72435776	0,5590655	0,43992319	0,3575484
медь
0	0,9986119	0,99447523	0,9876714	0,97833173	0,966631
2	0,9979815	0,99198438	0,982179	0,96883628	0,9523087
6	0,9951556	0,98095447	0,9583367	0,92869976	0,8936953
12	0,9916016	0,96739169	0,9300475	0,88324053	0,8308319
20	0,987426	0,95188034	0,8990036	0,83585542	0,7689429
латунь
0	0,994887	0,97991771	0,956135	0,92507943	0,8885559
2	0,9925802	0,97109255	0,9376577	0,89524843	0,8470914
6	0,9823526	0,93362223	0,8641336	0,78549356	0,706861
12	0,9697486	0,89085473	0,7888061	0,68582922	0,5938405
20	0,955296	0,84590208	0,7179397	0,60180879	0,5072162

Эффективность оребрения стенки можно оценить, вычислив вклад отвода теплоты к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой.

Для этого надо сначала найти тепловой поток ребристой стенки:

(2.12)

После подстановки известных значений можно упростить:

(2.13)

Тепловой поток, отводимый от неоребрённой стенки можно вычислить по формуле:

(2.14)

После упрощения получим:

(2.15)

Тогда коэффициент, учитывающий отношение теплоты, отведённой к окружающему воздуху оребрённой поверхности стенки по сравнению с неоребрённой, вычисляется по формуле:

(2.16)

Таблица 2.12 - Коэффициент эффективности оребрения плоской стенки

w,м/с	K, при h=0,01	K, при h=0,02	K, при h=0,03	K, при h=0,04	K, при h=0,05
Сталь
0	2,4375025	3,83000338	5,0561069	6,07849309	6,8930087
2	2,4300936	3,77608675	4,8991535	5,77056813	6,4093789
6	2,3978105	3,56074379	4,3417349	4,80508581	5,0600275
12	2,3592502	3,33879631	3,8608566	4,10022707	4,202376
20	2,316613	3,12877687	3,472317	3,59635716	3,6385318
Медь
0	2,4520084	3,94106528	5,4056516	6,83452617	8,2175645
2	2,4510606	3,93357488	5,3808769	6,77741736	8,1098908
6	2,4468116	3,90040608	5,2733302	6,53602291	7,6692397
12	2,4414679	3,85962053	5,1457246	6,26261592	7,1966383
20	2,4351895	3,81297532	5,0056934	5,97762603	6,7313618
латунь
0	2,4464078	3,89728837	5,2633985	6,51424907	7,6306022
2	2,4429393	3,87074964	5,1800524	6,33483542	7,3188761
6	2,4275613	3,75807012	4,8484032	5,67473294	6,2646349
12	2,4086101	3,62946109	4,5086196	5,07531829	5,4149559
20	2,3868793	3,49428096	4,1889591	4,56999132	4,7637217

При обтекании плоской стенки потоком воздуха у поверхности стенки образуется гидродинамический пограничный слой. Скорость потока воздуха в этом слое изменяется от 0 до скорости невозмущённого потока. Течение жидкости в пограничном слое может быть как ламинарным, так и турбулентным. При ламинарном течении воздух движется «слоями», не смешивающимися между собой, струйками. При турбулентном же режиме возникают завихрения в потоке, что приводит к перемешиванию слоёв жидкости. Таким образом, в гидродинамическом слое у поверхности плиты вначале развивается ламинарный режим, впоследствии переходящий в турбулентный. Этот переход происходит на интервале определённой длины, а не в какой-то точке слоя. Однако даже при развитом турбулентном режиме у самой поверхности плиты образуется тонкий подслой, движение жидкости в котором подчиняется ламинарному режиму.

В гидродинамическом слое, образующемся у поверхности плиты, изменяется не только скорость потока, но и температура от значения на стенке до значения воздуха вдали от поверхности плиты. Надо сказать, что при ламинарном режиме течения температура в пограничном слое по мере отдаления от плиты уменьшается, теплообмен осуществляется за счёт теплопроводности от слоя к слою и к стенке. Турбулентный же режим отличается тем, что при смешении слоёв их температура уравновешивается и теплообмен происходит конвекцией.

Наличие рёбер на плите вносит свои коррективы в процесс теплообмена.

Рассмотрим распределение температуры по высоте ребра.

По мере отдаления от основания ребра к вершине температура начинает снижаться. Тепло в ребре передаётся теплопроводностью. При скоростях 0 и 2 м/с развивается ламинарный режим течения потока воздуха, а при скоростях в 6,12 и 20 м/с ламинарный режим переходит в турбулентный. Этот переход заметен на графиках, так как при турбулентном режиме на теплообмен значительное влияние оказывает скорость потока. В этом режиме слой воздуха, нагреваемый у поверхности стенки и рёбер, перемешивается и сносится холодным набегающим потоком. Интенсивность теплообмена при этом прямопропорциональна скорости потока.

Увеличение высоты ребра приводит к увеличению перепада температур у основания ребра и на вершине. Это можно объяснить тем, что увеличивая высоту ребра, увеличивается и площадь поверхности теплообмена, то есть большее количество тепла отводится от поверхности ребра набегающим потоком.

Материал ребра также влияет на процесс теплообмена. Так как тепло в ребре распространяется теплопроводностью, то вещество, имеющее больший коэффициент теплопроводности, будет лучше проводить тепло от основания ребра к вершине ,и как следствие, перепад температур будет меньше, чем для веществ с большим л. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладает медь л=370 Вт/м*К, у латуни л=100 Вт/м*К, а у стали л=46 Вт/м*К. Из полученных графиков видно, что перепад температур при высоте ребра 50 мм и скорости потока 20 м/с в меди составляет 20 градусов, у латуни 40, а у стали 50.

Рисунок 2.1 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,01 м

Рисунок 2.2 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,01 м

Рисунок 2.3 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,01 м

Рисунок 2.4 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,02 м

Рисунок 2.5 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,02 м

Рисунок 2.6 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,02 м

Рисунок 2.7 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,03м

Рисунок 2.8 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,03 м

Рисунок 2.9 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,03 м

Рисунок 2.10 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,04 м

Рисунок 2.11 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,04 м

Рисунок 2.12 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,04 м

Рисунок 2.13 - Распределение температуры в ребре, выполненного из стали, высотой 0,05 м

Рисунок 2.14 - Распределение температуры в ребре, выполненного из меди, высотой 0,05 м

Рисунок 2.15 - Распределение температуры в ребре, выполненного из латуни, высотой 0,05 м

Тепловой поток, передаваемый через основание ребра, зависит от коэффициента теплопроводности материала ребра, то есть чем выше этот коэффициент, тем лучше материал проводит подведённое тепло. Однако при различных режимах течения потока воздуха, на количество подводимого тепла влияет скорость потока и высота ребра. При ламинарном режиме прогретый слой теплопроводностью передаёт тепло другому слою и так происходит нагрев воздушного потока, при турбулентном же режиме, тепло прогретого нижнего слоя вихревыми потоками смешивается с другими слоями и отвод тепла идёт интенсивно. Увеличение высоты ребра лишь улучшает отвод тепла за счёт увеличения общей теплообменной поверхности.

Увеличение высоты ребра приводит к тому, что влияние скорости потока на максимальный тепловой поток, передаваемый ребром, уменьшается.

Эффективность оребрения с увеличением высоты ребра уменьшается, аналогично влияние скорости теплового потока. Однако для материалов с большим коэффициентом теплопроводности эффективность оребрения уменьшается не так значительно. Поэтому для оребрения плоской стенки эффективнее использовать медные рёбра, однако с экономической точки зрения это не выгодно, так как медь до...