что такое определяющая температура
Определяющие размер и температура
Основные числа подобия. Формулы и физический смысл.
Критерии (числа) подобия
В теории конвективного теплообмена используются следующие числа подобия:
Nu представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи и показывает отношение действительной плотности теплового потока к плотности теплового потока при чистой теплопроводности, т.е. Nu характеризует увеличение теплообмена конвекцией по сравнению с чистой теплопроводностью.
 |
Re представляет собой безразмерную скорость потока, характеризует гидродинамический режим потока. Re выражает отношение сил инерции (скоростного напора) к силам вязкого трения.
При малых числах Re преобладают силы вязкости, наблюдается упорядоченный спокойный ламинарный режим течения жидкости. При больших числах Re в потоке преобладают силы инерции, наблюдается вихревое турбулентное течение жидкости.
При течении жидкости в трубах:
Число Прандтля:
Pr состоит из величин, характеризующих теплофизические свойства вещества и является теплофизической константой вещества.
Pr является мерой подобия скоростных и температурных полей в потоке. Для вязких жидкостей Pr > 1 и сильно зависит от температуры. Для газов величина Pr определяется атомностью:
— для одноатомных газов Pr = 0,67;
— для двухатомных газов Pr = 0,72;
— для трехатомных газов Pr = 0,80;
— для четырехатомных газов Pr = 1,0.
 |
Gr характеризует подъемную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей. Этот критерий показывает влияние естественной конвекции на теплообмен.
Fo представляет собой безразмерное время и характеризует нестационарность процесса теплообмена.
Определяющие размер и температура
В числа подобия входит характерный линейный размер ℓ, называемый определяющим размером. За определяющий размер принимают тот, который входит в условия однозначности.
· для потока в круглой трубе: внутренний диаметр dвн ;
· при поперечном омывании трубы: наружный диаметр трубы dн:;
· при естественной конвекции: ширина b, длина ℓ, или высота h поверхности;
· при конвекции в ограниченном пространстве: ширина щели.
Определяющая температура – это температура, при которой определяются физические свойства жидкости в числах подобия.
При обработке опытных данных по теплообмену и гидравлическому сопротивлению за определяющую температуру целесообразно принимать такую, которая в технических расчетах бывает, задана или легко может быть определена.
· при конвекции в неограниченном пространстве: температура половинного слоя tm = 0,5 (tж + tc);
· при течении жидкости в трубе: температура стенки tc или средняя температура жидкости tж.
Средняя температура. Определяющая температура. Эквивалентный диаметр
Средняя температура. Определяющая температура. Эквивалентный диаметр
жидкости понимается средняя температура потока, которая определяется следующим образом: Поток жидкости передает тепло через базовый узел dF в единицу времени dQ = CpptwdF. Количество тепла за единицу времени, проходящее через этот раздел, определяется по формуле Q = f cpptwdF. F Разделите полученное
выражение на J Cj, pwdFy, чтобы получить среднее значение F (среднее значение энтальпии жидкости) f r CpwtdF F (27-1) J pcpwdF F Во многих случаях температурная зависимость cP и p пренебрежимо мала, и уравнение (27-1) принимает вид: \ iwdF © = • F F Где F — поперечное сечение
Значение температуры раздела Людмила Фирмаль
канала, м2. ‘t — температура каждого элемента секции, град. V — объемный расход жидкости, м9 / с, а w — скорость жидкости dF каждого элемента. Если скорость жидкости вдоль поперечного сечения канала постоянна или равна нулю, уравнение (27-2) принимает вид: Измерение температуры жидкости в отдельных
точках канала вдоль посева можно проводить с помощью термопары. Если температура потока жидкости изменяется по длине канала, а не только по сечению, она должна быть усреднена по потоку жидкости. Учитывая среднюю температуру стенки / среднюю температуру жидкости на входе и выходе t в St-канал, среднюю температуру
определенной температуры, из которой получают значение физической величины, принимается средняя температура потока или стенки или средняя температура пограничного слоя. ■ ‘p.sl = 0,5 (/ „+ U. При решении задачи определения коэффициента теплопередачи всегда необходимо обращать внимание на тот факт, что температура этого уравнения подобия была принята в качестве определителя. Некоторые числа подобия включают линейный размер и принимают
размер, который определяет развитие процесса. Для круглых труб линейный размер, который определяет это, является внутренним диаметром трубы. так называемый эквивалентный диаметр d.0HB = 4F / S. Где площадь поперечного сечения канала. 5- Полный (мокрый) ■ Вокруг поперечного сечения, независимо от того,
Для каналов с некруглым поперечным сечением вместо диаметра принимается Людмила Фирмаль
насколько эта окружность i участвует в теплообмене. I. При боковом обтекании трубы и пучка труб наружный диаметр трубы принимается за определяющий размер. При обтекании пластины — длина в направлении потока. В общем, при использовании уравнений подобия всегда следует обращать внимание на то, что автор ввел размер выражения в число сходств в виде определителя. •
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
Определяющий размер и определяющая температура
В числа подобия входит определяющий (или характерный) размер. Теория подобия не определяет однозначно, какой размер должен быть принят за определяющий. Обычно за определяющий принимают тот размер, который в большей степени отвечает физическому существу процесса. При движении жидкости по трубам круглого сечения таким определяющим линейным размером является внутренний диаметр трубы. Тогда числа подобия запишутся так:
, 
, 
Для каналов некруглого сечения вместо диаметра берется так называемый эквивалентный диаметр:
При поперечном обтекании трубы или пучка труб за определяющий берется наружный диаметр трубы. При обтекании плиты ее длина по направлению потока и т.д.
В числа подобия входят физические параметры жидкости, которые зависят от температуры. В процессе теплообмена температура жидкости меняется следовательно, меняются и значения ее физических параметров. Поэтому важным является также вопрос выбора так называемой определяющей температуры, по которой определяются значения физических параметров, входящих в числа подобия. Экспериментальные и теоретические работы показывают, что нет такой универсальной определяющей температуры, в результате выбора которой автоматически учитывалась бы зависимость теплоотдачи в связи с изменением физических параметров. Поэтому в настоящее время преобладает точка зрения, в соответствии с которой за определяющую следует принимать такую температуру, которая в технических расчетах бывает задана или легко может быть вычислена.
В соответствии с этим при вынужденном движений жидкости в трубах и каналах, а также при вынужденном продольном и поперечном омывании пучков труб в качестве определяющей целесообразно принимать среднюю температуру потока жидкости.
При таком выборе определяющей температуры влияние резкого изменения значений физических параметров, в прилегающем к стенке пограничном слое, учитывается рассмотренным нами ранее сомножителем (Prж/Prст) 0.25
Следует помнить, что все числа подобия, входящие в уравнение подобия, должны быть взяты при одной определяющей температуре. Исключение составляет указанный выше сомножитель.
1.6.3. Определяющий размер, определяющая температура
подобия не дает однозначного ответа на вопрос, какой размер должен быть принят за определяющий, т.е. за масштаб линейных размеров.
Если в условия однозначности входит несколько размеров, за определяющий принимается тот, который в наибольшей мере влияет на процесс и удобен в расчетной практике (например, диаметр трубы, диаметр обтекаемого цилиндра, продольная координата и др.)
В ряде случаев применяется не геометрическая характеристика теплообменной поверхности, а характерный параметр потока, или комплекс, составленный из разнородных физических величин, имеющий размерность длины.
Теория подобия не дает универсальных рекомендаций к выбору определяющей температуры, т.е. температуры, при которой выбираются физические свойства теплоносителя, входящие в числа подобия. Целесообразно
в качестве определяющей использовать температуру, которая задается в условиях практических задач или наиболее полно отражает особенности состояния теплоносителя и процесса теплообмена и может быть легко вычислена.
1.6.4. Теплоотдача при течении жидкости (газа) в трубах
Для изотермического потока в круглой трубе Re кр =2300 (рис. 1.8а). Режим развитого турбулентного течения устанавливается при Re кр ≥ 10 4 (рис. 1.8б).
Значение Re в интервале от Re кр до 10 4 соответствует переходному режиму.
В следствии теплообмена плотность текущей среды может быть неоднородной по сечению и по длине канала. При определенных значениях
в вынужденном потоке может
развиться свободная конвекция.
Ламинарное течение в отсутствие свободной конвекции принято называть
Чем больше вязкость жидкости, меньше диаметр трубы и температурный напор, тем вероятнее вязкостный режим. Если вязкость теплоносителя заметно изменяется с изменением температуры, то даже в отсутствие влияния свободной конвекции распределение скорости по сечению трубы может значительно отличаться от профиля скорости изотермического потока.
Рис. 1.8. Гидродинамическая стабилизация в трубе при ламинарном (а) и турбулентном (б) течениях
У капельных жидкостей с ростом температуры вязкость уменьшается. Поэтому при нагревании потока скорость вблизи стенки больше, чем при охлаждении и соответственно интенсивнее теплоотдача.
На рис. 1.8 видно, что на начальном участке канала профили скорости и температуры жидкости (газа) изменяется во входном сечении до полностью развитой по сечению потока формы. Эти участки канала, в пределах которых
формируется гидродинамический и тепловой пограничные слои, называется соответственно гидродинамическим и термическим начальным участком.
предельной: Nu =Nu ∞ (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Изменение локального
и среднего значения Nu по длине
1.6.5. Вязкостный режим
При ламинарном течении теплоносителя длины гидродинамического l Г и термического l Т начальных участков определяются по формулам:
где L Г, L Т – индивидуальные для каналов с разной формой поперечного
d э – эквивалентный диаметр сечения, d э =
периметр проходного сечения.
Постоянная L Г определяется по формуле:
Постоянная L Т определяется по формуле:
1.6.6. Вязкостно-гравитационный режим
В потоке среды с неоднородной по сечению плотностью на основное (вынужденное) течение накладывается свободноконвективное движение.
При взаимно противоположном направлении вынужденного движения и подъемных сил в вертикальных каналах (течение сверху вниз при нагревании и снизу вверх при охлаждении потока) течение у стенки тормозится и ускоряется
в ядре потока. С ростом числа Рэлея Ra = Gr Pr профиль скорости все больше деформируется, вплоть до образования точек перегиба. Такое течение крайне неустойчиво и становится турбулентным, а процесс теплообмена интенсифицируется.
При малых числах Рэлея ( Ra Ra вследствие уменьшения скорости вблизи стенки.
В горизонтальных трубах, в результате взаимодействия вынужденного течения вдоль оси канала и поперечной свободной конвекции температурное поле и поле скорости не являются осесимметричными. На верхней внутренней образующей трубы при нагревании и на нижней при охлаждении потока теплоотдача наименьшая.
Средняя по сечению теплоотдача в этих условиях может быть выше, чем при чисто вязком течение.
Средняя по длине канала теплоотдача при вязко-гравитационном течении теплоносителя определяется по формуле:
Nu =0,17( RePr) 0,33 ( Gr Pr) 0,1 (Pr Pж ) 0,25 ε l
В (8.78) физические свойства определяются при средней температуре теплоносителя в канале:
Т Ж = ( Т вх + Т вых )/2,
а Pr C при температуре стенки. За определяющий размер принят
эквивалентный диаметр. Для труб с l / d 0 ≥ 50 коэффициент ε l =1. Для коротких труб значение ε l следующие:
Молекулярная физика. Температура и ее измерение.
Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.
В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий», Для количественной оценки этого состояния и служит температура.
Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике, тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела.
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами. К ним относятся объем, давление, температура, концентрация частиц, масса, плотность, намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа, в частности).
Температура — характеристика теплового равновесия системы.
Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех нор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.
Тепловым, или термодинамическим, равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура.
Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.
Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.
Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством).
Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.
Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры.
Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).
А. Цельсий (1701-1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусом — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны.
Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур, основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от температуры.