Теплообмен в жидких металлах

Билеты к экзамену по курсу «Тепломассообмен в энергетическом оборудовании»

(заочный факультет)

Билет №1

Теплообмен. Определение, 3 механизма и 3 закона переноса тепла. Особенности теплообмена в жидких металлах.

Самопроизвольный необратимый процесс передачи теплоты внутри термодинамических систем или между термодинамическими системами, обусловленный неоднородным распределением температуры, называется теплообменом. Процессы передачи теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами термодинамической системы или термодинамическими системами в форме теплоты

Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучение и конвекция.

Явление теплопроводности состоит в том, что перенос теплоты происходит путем непосредственного соприкосновения между микрочастицами (молекулами, атомами, электронами) – от частиц с большей энергией к частицам с меньшей энергией, то есть процесс переноса теплоты теплопроводностью протекает по молекулярному механизму. В подвижных средах (жидкость, газ) при турбулентном режиме движения потока молекулярный механизм переноса теплоты, то есть теплопроводность, имеет существенное значение в тонких, пограничных с твердой стенкой слоях. При ламинарном движении потока или в неподвижной жидкости теплопроводность может быть основным видом переноса теплоты. Поскольку теплопроводность – явление молекулярное, то на скорость процесса переноса теплоты теплопроводностью существенное влияние оказывают структура и свойства вещества (например, для подвижных сред – вязкость, плотность и др.). В твердых телах, например в диэлектриках, перенос энергии осуществляется фотонами, в металлах электронами.

Основной закон теплопроводности — закон Фурье – является феноменологическим описанием процесса и имеет вид:

q = – λ grad Т,

где q – удельный тепловой поток, Вт/м 2 ; λ – коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м • К); grad Т – градиент температуры, К/м.

Явление теплового излучения – это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний. Источником этих колебаний являются заряженные частицы – электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. Твердые тела и жидкости излучают волны всех длин, то есть дают сплошной спектр излучения. При переносе теплоты излучением тепловая энергия вначале превращается в лучистую, а затем обратно: встречая на своем пути какое-либо тело, лучистая превращается в тепловую.

Тепловой поток при излучении определяется законом Стефана Больцмана Q=s(T⁴ _пов-T⁴_ос)×F, Вт, где Т_п и Т_о.с.,– температура поверхности и окружающей среды, ^оК;

Явление конвекции состоит в том, что перенос теплоты осуществляется вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. При этом очень большое значение имеют состояние и характер движения жидкости или газа. Наряду с этим в движущейся жидкости из-за наличия градиента температур происходит перенос теплоты перемещающимися частицами жидкости из зоны с большой температурой в зону с меньшей, то есть за счет теплопроводности. Таким образом, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Если массовое перемещение жидкости вызвано разностью плотностей в различных точках жидкости или газа (вследствие разности температур в этих точках), такую конвекцию называют естественной. Если перемещение жидкости или газа возникает вследствие затраты на это механической энергии (насос, мешалка и т.д.), такую конвекцию называют принудительной. Конвекция – явление макроскопическое.

Конвективный теплообмен между жидкостью или газом и поверхностью твёрдого тела называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей. : Тепловой поток при конвекции определяется законом Ньютона-Рихмана, основным законом теплоотдачи или Q= a(t_ж-t_ст.)×F, Вт,

где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К; F – поверхность теплообмена, м²; t_ж и t_ст - температура жидкости вдали от стенки и поверхности стенки, ^оС.

Теплообмен в жидких металлах.

В тех случаях, когда необходимо обеспечить интенсивный отвод теплоты от поверхности нагрева или когда при низком давлении требуется иметь высокую температуру рабочего тела, в качестве теплоносителя применяются расплавленные металлы.

По своим физическим свойствам большинство расплавленных металлов отличаются от обычных теплоносителей — воды, масел и др. Главной особенностью металлических теплоносителей является высокая теплопроводность и соответственно низкие значения числа Прандтля.

Один из существенных недостатков – высокая химическая активность по отношению к окружающей среде.

Коррозионно не активны, но у натрия есть избирательная способность к переносу массы.

2. Гидродинамические режимы течения (турбулентный, переходной, ламинарный поток). Гидродинамический пограничный слой.

В общем случае различают два вида потока: ламинарный и турбулентный.

Ламинарным называют слоистое течение без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давлений. При ламинарном движении жидкости в прямой трубе постоянного сечения все линии тока направлены параллельно оси трубы, то есть поперечные перемещения жидкости отсутствуют. Такое движение является вполне упорядоченным и при постоянном давлении строго установившимся.

На практике ламинарный режим встречается

1) при движении очень вязких жидкостей,

2) при движении жидкости в тонких ( капилярных ) трубах,

3) при движении воды в грунтах.

Турбулентным называют течение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием жидкости и пульсациями скоростей и давлений. При таком движении векторы скоростей имеют не только осевые, но и нормальные к оси трубы составляющие, поэтому вместе с основным продольным движением жидкости вдоль трубы происходят поперечные перемещения (перемешивание) и вращение отдельных объемов жидкости. Этим объясняются пульсации скоростей и давлений.

Характер потока жидкости или газа — ламинарный или турбулентный — определяется безразмерным числом, зависящим от скорости потока, вязкости и плотности жидкости и характерной длины элемента потока. Это число, которое теперь называют числом Рейнольдса и обозначают Re, характеризует поток и равно:

Re = vLρ/η

где ρ — плотность жидкости, v — скорость потока, а L — характерная длина элемента потока.

При значении этого числа 2000–3000 поток становится полностью турбулентным, а при значении Re меньше нескольких сотен — поток полностью ламинарный (то есть не содержит завихрений). Между двумя этими значениями поток носит промежуточный характер – переходной поток.

Гидродинамический пограничный слой.

Для простоты рассмотрим продольное обтекание плоской поверхности тела безграничным пото­ком жидкости (Рис. 2.1). Скорость и температура набегаю­щего потока постоянны и равны соответственно w₀ и t₀. При соприкосновении частиц жидкости с поверхностью тела они «прилипают» к ней. В результате в области около пластины вследствие действия сил вязкости образуется тонкий слой заторможенной жидкости, в пределах которого скорость изменяется от нуля на поверхно­сти тела до скорости невозмущенного потока (вдали от тела).

Этот слой заторможенной жидкости получил название гидродинамического пограничного слоя.

Таким образом, при обтекании тела поток жидкости как бы разде­ляется на две части: на пограничный слой и на внешний по­ток. Во внешнем потоке преобладают силы инерции, вязкостные силы здесь не проявляются. Напротив, в пограничном слое силы вязкости и инерционные силы соизмеримы.

Рис. 2.1. Изменение скорости жидкости в гидродинамическом пограничном слое

Билет №2