изучение задач термодинамики.

 
Введение

В рамках данной работы проведено изучение термодинамических процессов, протекающих в идеальных газах, а также процессов теплообмена при обтекании жидкостями пучков труб.
Цель работы: изучение задач термодинамики.
Задачи работы:
- изучение особенностей теплообмена при обтекании жидкостями пучков труб;
- изучение динамики термодинамических процессов в идеальных газах.
Объект исследования: термодинамические системы.
Предмет исследования: динамика идеальных газов, теплообмен при обтекании жидкостями пучков труб.


 
1.Термодинамические характеристики при движении обтекании труб

Вопрос 1. Какой критерий подобия определяет режим обтекания одиночной трубы или пучка труб?
Критерий Рейнольдса.
В рамках данной работы проведено изучение процессов, возникающих при течении жидкостей при обтекании труб. При течении жидкостей вдоль плоских стенок труб возникает ряд особенностей в сравнении течением их в каналах.
Если омывание стенки производится потоком, который имеет скорость ωто, то в сечении потока она остается постоянной. Резкое её изменение возможно непосредственно у самой поверхности стенки в пограничном слое. Здесь вследствие наличия трения возможно образование пограничного слоя, внутри которого скорость изменяется от начального значения ωто до нулевого у стенки. На рисунке 1 показана диаграмма профиля скоростей при обтекании жидкости при течении в трубах.


Рисунок 1 – Профиль скоростей при обтекании в трубах

Установлено, что у стенок труб при течении жидкости наблюдается ламинарный режим течения, толщина которого увеличивается по направлению течения жидкости.

υ- кинематическая вязкость
ω0- скорость вне пограничного слоя (в ядре потока)

Вопрос 2. Какой критерий подобия определяет режим обтекания одиночной трубы или пучка труб?
Когда достигается критическое значение критерия Рейнольдса ламинарное течение в пограничном слое переходит в турбулентное с наличием тонкого ламинарного подслоя. Изменение толщины турбулентного пограничного слоя производится в соответствии с законом:

При известном критическом значении параметра Рейнольдса возможно вычисление подсчитать длины участка xкр, в котором находится ламинарный пограничный слой и его максимальной толщины δкр.
;
Таким образом, показано, что на определенных участках плиты тип движения жидкости в пограничном слое различается, а значит различается и теплоотдача. Данное различие связано с типом жидкости, скоростью её течения и температурой.
Экспериментально показано, что для воздуха были характерны следующие критериальные зависимости [12]:
 Для течения в турбулентном режиме
 Для течения в ламинарном режиме
Недостатком указанных соотношений связан с тем, что в них не учитывается влияние начальной турбулентности потоков, зависящих от внешних условий. Также, при малых значениях скоростей потока течения необходимо рассматривать влияние и свободного движения жидкости (разность tж и tст ). В данных случаях необходимо проводить проверку расчетов по формулам для свободного движения жидкости и выбирать параметр α как средний для 2 – х расчетов.
Дальше рассмотрим процессы теплоотдачи при поперечном обтекании труб (рисунок 2).

Рисунок 2 – Схема поперечного обтекания труб

Проведем решение двух задач по поперечному набеганию потоков жидкостей (газов) на одиночные трубы и пучки труб. Экспериментально установлено, что интенсивность теплоотдачи в данном случае существенно выше, чем при продольном обтекании трубы или пучка труб.
Причиной этого является большая эффективность работы поверхности теплообмена (в случае продольного обтекания по мере движения вдоль трубы градиент температуры и интенсивность теплообмена снижается и, в случае поперечного обтекания поверхность отдает тепло равномерно). Также это обусловлено структурой потока в случае поперечного обтекания трубы, отличной от процессов продольного обтекания. Проведем решение данной задачи на примере одиночной трубы.
Из-за большей интенсивности теплоотдачи поперечное обтекание труб нашло широкое практическое использование при конструировании аппаратов теплообмена (радиаторов автомобилей, котлов и т. д.) .
Вопрос 3. Какой критерий подобия определяет режим обтекания одиночной трубы или пучка труб?
При расчетах коэффициентов теплоотдачи “α” в случае поперечного обтекания труб построены математические модели в виде уравнений подобия. При их использовании необходимо рассчитывать две основные задачи: обтекание одиночной трубы и ωто.
Процесс теплоотдачи еще более усложняется, если в поперечном потоке жидкости имеется не одна, а целый пучок (пакет) труб. По такому принципу построены большинство теплообменных аппаратов (радиаторы автомобиля). Применение пакетов труб позволяет создавать больше поверхности теплообмена при малых габаритах аппарата.
Характер движения жидкостей, а, следовательно, и процесс теплоотдачи во многом определяется их компоновкой. По типу расположения труб пучки классифицируются на коридорные и шахматные (рисунок 3).