ГЛАВА ДЕВЯТАЯ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ УСТРОЙСТВ

9-1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Для расчета и проектирования теплообменных аппаратов необходимы численные значения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Но надежные формулы для определения этих коэффициентов далеко не охватывают всего многообразия случаев, встречающихся в практике. Применение в технических расчетах таких формул или произвольных комбинаций из них часто приводит к большим расхождениям с действительностью. Главной причиной этих расхождений является то, что условия движения жидкости и теплообмена в действительных тепловых устройствах отличны от условий, наблюдавшихся в экспериментах, на основе которых получены эти формулы.

Обычно экспериментальные установки строятся так, чтобы движение рабочей жидкости происходило полным сечением с равномерным распределением скоростей, чтобы не было искусственных завихрений потока и т. д. В действительных тепловых аппаратах условия движения и теплообмена в большой мере зависят от расположения поверхности нагрева, наличия поворотов и особенностей конфигурации каналов. Подробное исследование различных теплообменных устройств показало, что распределение скоростей по сечению каналов, как правило, неравномерно, а за поворотами всегда образуются застойные участки, следовательно, разные элементы поверхности нагрева работают в неодинаковых условиях.

Если условия движения рабочей жидкости в аппаратах сравнить с условиями движения жидкости в лабораторных условиях, то окажется, что между собой они не подобны. Поэтому законы теплообмена, полученные из опытов в таких идеализированных условиях, непосредственно переносить на промышленные тепловые установки нельзя. Механическое применение их приводит к неправильной оценке значений коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления. Изучение законов теплообмена, гидравлического сопротивления и нахождения эмпирических зависимостей, необходимых для расчета тепловых агрегатов, должно производиться на таких экспериментальных установках, в которых геометрические и тепловые условия были бы подобны таковым в действительных теплообменных аппаратах.

Итак, чтобы создать рациональную конструкцию какого-либо теплового устройства, в первую очередь необходимо иметь правильное представление о характере движения в нем рабочей жидкости, и для расчета сопротивления и теплообмена следует пользоваться такими зависимостями, в которых все особенности движения уже нашли свое отражение. Знание характера и закона движения позволяет конструктору создать более совершенную конструкцию, а производственнику — эксплуатировать устройство с наибольшей эффективностью. Поэтому должны быть использованы все методы, которые могут дать представление о движении жидкости и газов в аппаратах.

Чтобы выяснить влияние отдельных факторов на работу аппарата, можно произвести ряд подробных исследований его в эксплуатационных условиях. Такие исследования кропотливы, требуют большой затраты труда и средств и не всегда дают надежные результаты. Кроме того, вследствие ряда технических трудностей, возникающих при испытании, и невозможности непосредственных измерений многие стороны явления остаются совершенно неизученными. Описываемый ниже метод моделирования позволяет характер движения рабочей жидкости, гидравлическое сопротивление газоходов и теплообмен в них изучать на уменьшенных моделях. При этом вместо изучения в аппаратах движения горячих газов в модели можно изучать движение холодного воздуха или воды. Модель можно изготовить с прозрачными стенками; в этом случае характер движения рабочей жидкости можно наблюдать визуально и фотографировать. При выполнении определенных условий моделирования движение жидкости в модели оказывается подобным движению горячих газов в образце. Условия моделирования вытекают из теории подобия (см. § 2-3).

Впервые теория подобия к изучению тепловых аппаратов на моделях была применена акад. М. В. Кирпичевым еще в 1923 г. За последние десятилетия его школой была проведена большая работа по разработке теории моделирования [24, 37], ее экспериментальной проверке и практическому применению.

В настоящее время метод моделирования является надежным и мощным средством, при помощи которого можно изучать работу как существующих, так и вновь проектируемых тепловых аппаратов. В Советском Союзе метод моделирования получил широкое признание и с большим успехом применяется во многих научно-исследовательских институтах, проектных бюро и промышленных предприятиях.