Механизма теплообмена

С помощью уравнения (5), определяющего угол поворота реактора и тем самым деформацию упругих элементов, можно записать закон изменения момента, воспринимаемого механизмами свободного хода. Примем жесткости и и иг корпусного и выходного механизмов свободного хода равными. В этом случае деформации упругих элементов обоих механизмов будут одинаковыми. Минимальный угол поворота реактора (sin gi&t= — 1) соответствует наибольшей деформации корпусного механизма свободного хода и недеформированному выходному механизму свободного хода, максимальный угол поворота реактора (sin g± at = 1) — недеформированному корпусному механизму свободного хода и наибольшей деформации выходного механизма свободного хода. Поэтому момент, действующий на механизм свободного хода при заторможенном ведомом маховике, запишется в виде

Дальнейшая задача заключается в нахождении зависимости максимальных напряжений в упругих пластинах микрохрапового механизма свободного хода от жесткости и с целью нахождения

Рис. 2. Схема упругой пластины микрохрапового механизма свободного хода

оптимальной жесткости (и равняется моменту, который необходимо приложить к храповику механизма свободного хода, чтобы повернуть храповик относительно наружной обоймы на 1 рад). Для решения этой задачи проведем последовательно выкладки.

Ra — начальный радиус кривизны упругой пластины; Е — модуль упругости; / — момент инерции сечения; Ъ, h — ширина и толщина пластины; R — радиальный габарит механизма свободного хода (расстояние от оси храповика до точки В); г — радиус хра-

Подставляя (17) в (16), найдем зависимость максимального напряжения в упругой пластине от жесткости и микрохрапового механизма свободного хода, соответствующую режиму заторможенного ведомого маховика

где А — величина, не зависящая от жесткости и механизма свободного хода и равная

Из выражения (18) вытекает, что с целью снижения максимальных напряжений в упругих пластинах жесткость микрохрапового механизма свободного хода следует максимально увеличивать до уровня, допустимого по другим критериям работоспособности механизма.

Решается задача нахождения и исследования зависимости максимальных напряжений в основных элементах (упругих пластинах) микрохрапового механизма от жесткости механизма свободного хода.

Работа механизма свободного хода состоит из четырех периодов: заклинивания, заклиненного состояния, расклинивания и свободного хода. Работа различных агрегатов, имеющих механизмы свободного хода, в течение каждого из указанных периодов сопровождается сложными динамическими явлениями, которые в той или иной мере влияют на работу и выносливость рабочих элементов механизма. Вопросы влияния динамических явлений, возникающих при работе таких агрегатов, на выносливость рабочих элементов механизмов свободного хода недостаточно изучены.

Выше уже отмечалось, что ведущее и ведомое звенья роликового механизма свободного хода движутся циклически. Полный цикл движения механизма свободного хода можно разбить на четыре основных периода: процесс заклинивания, заклиненное состояние, процесс расклинивания и свободный ход. Процесс заклинивания начинается при условии, когда угловая скорость звездочки становится больше угловой скорости обоймы (ы1 >> со2) и сопровождается закатыванием ролика в более узкую часть пространства между обоймой и звездочкой. Этот период характеризуется появлением сил нормального давления и сил трения сцепления между обоймой и звездочкой, потерей энергии на трение качения ролика по рабочим поверхностям и накоплением потенциальной энергии деформации. При перекатывании между рабочими поверхностями в направлении заклинивания ролики деформируются и при движении нормальные давления смещаются на величину kv и &2 (рис. 37). Сам процесс заклинивания следует подразделить на две фазы: начальную, когда ролики закатываются и находятся в относительном движении, и конечную, когда ролики останавливаются относительно рабочих поверхностей и находятся в заклиненном состоянии между ними. В начальной фазе при а>г ]> ю2 ролики под действием ведущего звена затягиваются и движутся неравномерно. В этот период силы инерции действуют на ролики, поэтому они находятся в состоянии динамического заклинивания. В конечной фазе, когда % становится равной <й2, ролики останавливаются относительно рабочих поверхностей и находятся в заклиненном состоянии. В этом случае ролики не испытывают дополнительного действия относительных сил инерции и находятся под действием только сил инерции переносного движения. При равномерном вращении механизма ролики находятся в состоянии статического заклинивания.

Одной из основных характеристик механизма теплообмена при кипении жидкости является скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева.

Переход от пузырькового к пленочному режиму кипения носит черты кризисного явления, так как в момент смены режимов кипения наблюдаются внезапное резкое снижение интенсивности теплоотдачи и соответствующее увеличение температуры теплоотдающей поверхности (рис. 13-4). Повышение температуры поверхности в ряде случаев так велико, что кризис кипения сопровождается разрушением (расплавлением или пережогом) поверхности теплообмена. После' <7макс даже при малом увеличении тепловой нагрузки слой паровых пузырей превращается в сплошную паровую пленку, которая оттесняет жидкость от поверхности теплообмена. В результате этого происходит коренное изменение механизма теплообмена, т. е. возникает кризис.

Кризисы кипения, связанные с резким изменением теплоотдачи при переходе пузырькового кипения в пленочное и наоборот — пленочного в пузырьковое (рис. 13-4), называются кризисами'первого рода. В этом случае при смене режимов кипения имеет место коренное изменение механизма теплообмена я его интенсивности. Характерными для кризисов кипения первого рода являются критические плотности теплового потока. •

На рис. 4.4 показаны профили коэффициентов теплоотдачи по длине испарителя и экономайзера, которые также нелинейно изменяются вдоль теплообменных аппаратов. В прямоточном испарителе (рис. 4.4, а) в месте граничного паросодержания Хгр наблюдается резкий скачок коэффициента теплоотдачи по холодной стороне, обусловленный переходом от одного механизма теплообмена к другому. При Х<Хгр в испарителе происходит кипение теплоносителя, а при Х^ХГ9 основной вклад в коэффициент теплоотдачи вносит конвективная составляющая газовой фазы. Кроме того, из рис. 4.4, а можно проследить характерную взаимосвязь теплообмена по горячей и холодной сторонам в аппарате с химически реагирующим теплоносителем. В месте резкого скачка коэффициента теплоотдачи по холодной стороне наблюдается своеобразный перелом кривой коэффициента теплоотдачи по горячей стороне.

Теплоотдача между двумя параллельными пластинами, расположенными вертикально, зависит от числа Ra, расстояния между пластинами В и высоты пластин Я. При Я/В < 3 теплоотдачу в условиях естественной конвекции для ламинарного пограничного слоя рекомендуется считать по формулам для одиночных пластин, расположенных в неограниченном пространстве. Восходящий на горячей и нисходящий на холодной пластинах потоки не оказывают влияния друг на друга. При отношении Я/В > 3 между пластинами возможно возникновение циркуляционных контуров, которые влияют на теплоотдачу. При смыкании пограничных слоев тепло передается теплопроводностью. ..,..-'• В условиях пульсирующего течения (периодического изме- нения градиента скорости, давления, температуры, теплового потока и других параметров) процесс теплообмена является не-\ стационарным. Степень отличия интенсивности теплообмена в ус-j ловиях пульсирующего течения от стационарного при естественной конвекции будет зависеть от параметров колебаний (частоты, амплитуды колебания скорости и давления и т. п.). Изучение механизма теплообмена в условиях нестационарной свободной конвекции основано на изучении механизма воздействия колебаний на пограничный слой. При анализе теплового взаимодействия колеблющегося потока с поверхностью рассматриваемого тела следует выделить две области частот: низкочастотные и высокочастотные колебания. Практический интерес при исследовании высокочастотных колебаний представляет определение среднего по времени и локального по поверхности коэффициента теплоот-/ дачи. Как правило, задачи теплообмена в условиях свободной / конвекции для низкочастотных и высокочастотных колебаний \решаются раздельно.

оборот, Можно было бы ожидать близости значений а частицы и стенки. Здесь могут возразить, что в случае теплообмена частицы размер ее соизмерим с размерами других частиц слоя, и это, может быть, приводит к качественному изменению механизма обмена и резкому количественному уменьшению ,а. Однако из литературы по теплообмену тел, например горизонтальных цилиндров, с псевдоожиженным слоем известно [Л. 141], что с уменьшением размера тела, погруженного в псевдо-ожиженный слой, а его имеет тенденцию не к уменьшению, а к монотонному возрастанию. Достаточно упомянуть приведенные в [Л. 141] опыты Джэкоба и Осберга, получивших ю~1600 вт/(м2-град) для проволок диаметром 0,13 мм в псевдоожиженном воздухом слое стеклянных шариков, причем диаметр частиц (0,153 мм) был примерно равен диаметру проволоки. Таким образом, изменение механизма теплообмена вследствие соизмеримости диаметров нагревателя и частиц вовсе не приводит к уменьшению а.

В области больших абсолютных значений показателя переход от одного материала к другому может сказаться на величине коэффициента теплообмена аст- Важно, как от этого перехода меняется весь комллекс СмУм^н (1—т), а не отдельные сомножители. Некоторые из сомножителей могут при замене материала изменяться обратно, и эти изменения взаимно компенсируются. Например, при переходе от стеклянных шариков к стальным смум увеличивается с 0,16 -2 500 = 400 до 0,11-7900 = 870, но зато при прочих равных условиях (в частности, при прежней скорости фильтрации газа) скорость частицы (ws) уменьшается: более тяжелые стальные частицы перемешиваются менее интенсивно. В подобных случаях даже в отдалении от максимума коэффициент теплообмена может мало зависеть от рода материала. Предложенная модель механизма теплообмена и выведенная формула (10-9) показывают, что для сред с различными величинами коэффициента теплопроводности Яс следует ожидать различной эффективности влияния псевдоожижения слоя на коэффициент теплообмена со стенкой.

Р. Эрнст [Л. 972] провел экспериментальное исследование теплообмена поверхностей с движущимся плотным и псевдоожиженным слоями, главным образом с целью проверки характера влияния различных факторов и уточнения механизма теплообмена. Материал (в основной части опытов узкие фракции кварца 100 — 200, 300 — 500' и 500 — 700 мк) псевдоожижался в трубах диаметром 150 мм. Сквозь прозрачное окно в стенках трубы довольно примитивно с помощью масштабной линейки и секундомера определялась скорость вертикального движения частиц. Поверхностью теплообмена служили невысокие нагреваемые участки (пояса) стенки трубы, а в большинстве опытов с псевдоожиженным слоем — погруженный

К кризису теплообмена относят явления резкого снижения теплоотвода от теплоотдающей поверхности вследствие изменения механизма теплообмена. По современным представлениям при этом происходит уменьшение количества жидкости, находящейся в контакте со стенкой, и стенка начинает перегреваться. 144

Кинетика химических реакций определяется уравнениями скоростей реакций. Для двухфазной смеси рассматриваемый вопрос более сложен, так как структура уравнения зависит не только от механизма теплообмена, но и от формы поверхности, т. е. от того, является ли она сферой, цилиндром, пластиной и т. д. Выражение для начального паросодержания Tg должно также зависеть от режима течения.

В некоторых аппаратах, например в испарителях холодильников и прямоточных котлах, паросодержание изменяется от нуля до единицы. В системах такого рода реализуются отмеченные выше механизмы теплообмена. Поэтому конструктору, проектирующему подобные системы, необходимо иметь надежные сведения о характере теплообмена и знать, в какой части системы он происходит. Настоящая работа была предпринята с целью решения этой проблемы. Необходимо было найти закономерности изменения механизма теплообмена в зависимости от паросодержания в сочетании с изменением режимов течения. За режимами тече-