Внутрипорового теплообмена

Nu = /iv(j3/a)2/XT - критерий Нуссельта внутрипорового конвективного теплообмена;

Основную роль в наиболее часто встречающихся ПТЭ играют составляющие переноса теплоты Ad2 T/dZ2; Gcdt/dZ, hv (T - f), для расчета которых необходимы экспериментальные данные по теплопроводности X пористых материалов и интенсивности hv объемного внутрипорового конвективного теплообмена.

Интенсивность внутрипорового конвективного теплообмена принято характеризовать объемным коэффициентом теплоотдачи Av (Вт/м3-К), потому что невозможно определить участвующую в теплообмене внутреннюю поверхность материала. Величина hv(T~ 0 (Вт/м3) определяет количество теплоты, переданное от пористой матрицы потоку (или обратно) в единицу времени в единице объема.

В табл. 2.4 приведены условия и результаты экспериментов по определению коэффициента hv внутрипорового конвективного теплообмена в пористых металлах. Для сравнения выведенные критериальные соотношения изображены на рис. 2.7. Данные, приведенные в табл. 2.4, заимствованы из работы [16]. Экспериментам были подвергнуты разнообразные проницаемые матрицы, изготовленные из порошков различной формы и размера, волокон и сеток разных металлов. Необходимо отметить, что основная часть данных получена для образцов небольшой толщины, не более 5 мм. В качестве теплоносителя в основном используется воздух и другие газы.

Условия проведения и результаты экспериментов по исследованию внутрипорового конвективного теплообмена [16]

Таким образом, можно считать, что основная часть данных табл. 2.4 относится к началу переходного режима движения охладителя 0,01 < < Re < 1. Эти данные характеризуют такую особенность внутрипорового конвективного теплообмена, как отсутствие асимптотического прибли-

Определенный интерес представляют также приведенные в табл. 2.5 экспериментальные данные по исследованию интенсивности внутрипорового конвективного теплообмена с использованием поверхностного коэффициента теплоотдачи ар. В этом случае для определения объемной

по исследованию внутрипорового конвективного теплообмена

С учетом изложенного следует отметить, что значительную часть критериальных уравнений для внутрипорового конвективного теплообмена можно использовать только в качестве первого приближения. На основе анализа всех данных для предварительных расчетов можно рекомендовать следующее критериальное уравнение:

В ряде случаев задается температура пористого материала на внешней и внутренней поверхностях. Однако для этого необходимо ее экспериментально измерить, например, с целью определения интенсивности ftv внутрипорового конвективного теплообмена и что совершенно излишне при предварительном расчете системы для выбс ра оптимального ее Ва рианта.

Однако в некоторых случаях (при очень высоких внешних тепловых потоках) температура проницаемой матрицы очень быстро возрастает в области испарения и достигает в сечении Z* величины Т* перегрева жидкости до завершения ее полного испарения. После этого жидкость перестает смачивать пористый материал, микропленка свертывается в микрокапли, и происходит резкая смена режима течения двухфазного потока с высокоинтенсивным теплообменом при испарении микропленки на режиме движения во второй зоне Z*K дисперсного потока перегретого пара с микрокаплями жидкости. Этот режим отличается относительно низкой интенсивностью внутрипорового конвективного теплообмена. Нужно отметить, что именно такому характеру истечения парокапельно-го потока из стенки при высокой температуре Тг ее внешней поверхности, значительно превышающей величину 7*, соответствуют приведенные на рис. 6.3 экспериментальные данные.

Влияние отдельных параметров на изменение величины (р** показано на рис. 6.9. Эти результаты рассчитаны при тех же условиях, что и данные, приведенные на рис. 6.8. Эффективность использования охладителя возрастает при углублении начала парового участка (уменьшении k), при увеличении разности температур между проницаемой матрицей и охладителем в начале парового участка и при увеличении интенсивности внутрипорового конвективного теплообмена. Очевидно, что при равных прочих условиях процесс испарительного охлаждения следует организовать так, чтобы использовать под паровой участок как можно большую часть пористой стенки.

hv - интенсивность объемного внутрипорового теплообмена;

А = ftyS/Gc — параметр, характеризующий интенсивность внутрипорового теплообмена;

Основное назначение ПТЭ с подводом теплоты от сплошной стенки — интенсификация теплообмена между поверхностью и омывающим ее потоком теплоносителя. Здесь качественно меняется механизм переноса теплоты: она от непроницаемой стенки передается теплопроводностью через каркас внутрь проницаемой матрицы и затем поглощается потоком теплоносителя за счет интенсивного внутрипорового теплообмена. По-

Еще большая ошибка в последнем методе допускается, когда при расчете среднелогарифмической разности температур вместо температуры теплоносителя на входе в пористый материал используется его начальная температура. Вследствие резкого повышения температуры потока в очень тонком слое охладителя у входа в пористую структуру эта ошибка в действительности может иметь место даже тогда, когда измеряют температуру теплоносителя вблизи входа в пористую стенку. В результате теплоноситель получает теплоту до входа в образец, что приводит к значительному завышению объемного внутрипорового коэффициента теплоотдачи hv. При этом величина предварительного подогрева зависит от условий эксперимента, например, от расхода теплоносителя,и очень резко — от толщины образца. Для тонких пористых пластин толщиной около 1 мм с объемным тепловыделением предварительный подогрев может составить до 0,9 всего нагрева охладителя, быстро уменьшаясь с увеличением его расхода. Если учесть, что основная часть приведенных в табл. 2.4 результатов получена для образцов толщиной менее 5 мм, то можно ожидать, что именно этот эффект и является основной причиной зависимости объемного коэффициента внутрипорового теплообмена от толщины образца в тех случаях, когда его толщина 5 включена в явном виде в критериальное уравнение теплообмена. В то же время при использовании расчетно-экспериментального метода обработки данных для широкого диапазона толщин образцов в специально поставленных экспериментах не обнаружена зависимость коэффициента объемного теплообмена от толщины образца [ 11]:

Диапазон изменения показателя степени в критериальном уравнении 0,97 < п < 1,50 подтверждает установленную ранее зависимость между скоростью охладителя и интенсивностью внутрипорового теплообмена.

Одной из причин разброса экспериментальных данных по теплообмену может быть неоднородность пористой структуры. Такая неоднородность вызывает существенную неравномерность расхода охладителя, что приводит к большой неоднородности температуры нагреваемой поверхности. Результаты по теплообмену в значительной степени зависят от не-однородностей в тех случаях, когда интенсивность внутрипорового теплообмена вычисляется по данным измерения температуры матрицы и охладителя только на входной и выходной поверхностях и если замеры

Транспирационное охлаждение конструкций, на которые воздействуют внешние тепловые конвективные или лучистые потоки, является одним из эффективных методов тепловой защиты. Основная идея этого способа состоит в том, что продавливаемый сквозь пористую стенку охладитель за счет интенсивного внутрипорового теплообмена поглощает теплоту, передаваемую теплопроводностью по каркасу от внешней нагреваемой поверхности (рис. 3.1). Широкое распространение получили также охлаждаемые таким образом проницаемые элементы с объемным тепловыделением, которое может иметь различную физическую природу (см. рис. 1.2). Температурное состояние указанных систем исследовано в значительном количестве работ. Однако полученные результаты трудно сопоставимы вследствие значительного их произвола при выборе hv, a

чения А разность температур 9 — & уменьшается и обе одновременно стремятся сверху к кривой I (см. рис. 35) . При этом входная зона сужается (что объясняется увеличением роли внутрипорового теплообмена по сравнению с теплообменом на входе) и в ней происходит все более резкое изменение д. Причем величина этого изменения уменьшается по мере роста Stw (см. рис. 3.4) ив пределе А -* °°; Stw -* 1 относительные температуры в и # совпадают друг с другом (0 = #) и с кривой I по всей толщине стенки, в том числе и на входной поверхности.

Представленные на рис. 3.4 данные позволяют сделать следующие выводы относительно допустимых значений параметра Stw в рассмотренном варианте подачи охладителя по нормали к входной поверхности. Нереален случай (например, для Stw = 1), когда интенсивность теплообмена на входе выше, чем интенсивность внутрипорового теплообмена (если можно так сказать о величинах различной физической природы). Существует фиксированное значение St^,, при котором теплообмен на входной поверхности оказывает такое же влияние на распределение температур в зоне тепловой стабилизации, как и внутрипоровой теплообмен. Оно соответствует случаю, когда определяемое только внутрипоровым теплообменом изменение зависимостей в и & в области стабилизированного теплообмена (z > z*) может быть продолжено до входной поверхности. Это выполняется при 2=0, откуда находим

из которых следует, что здесь температура охладителя не зависит от параметров A, Stw, а разность температур в — д = 1/А остается постоянной и определяется только интенсивностью внутрипорового теплообмена

Из физических соображений, что интенсивность aw конвективного теплообмена на входе ниже интенсивности hv внутрипорового теплообмена (если можно так сказать о величинах различной физической природы) следует, что по мере удаления охладителя от входной поверхности разность температур 0 - # должна убывать. Используя условие на входе (0 ~i?)/ (0 — #)л = 1 или вытекающее отсюда условие С3 =0, найдем то предельное значение St^,, при котором теплообмен на входной поверхности оказывает такое же влияние на распределение температуры во входной зоне, как и внутрипоровой теплообмен