Теплофизические свойства теплоносителей. Мощность теплообменного аппарата. Средняя разность температур между теплоносителями, страница 2

Для большинства ньютоновских жидкостей и газов применима гипотеза однородности (гомогенности). Согласно этой гипотезе внутри жидкости нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга макроскопические части системы, различающиеся по своим свойствам и составу. Физические свойства однородной системы равны во всех точках и во всех направлениях. Сплошная двухфазная среда не удовлетворяет гипотезе однородности, так как свойства этой среды меняются от того, принадлежит ли данная точка пространства одной или другой фазе среды.

Выполнение теплового и гидравлического расчетов теплообменных аппаратов затруднено тем, что эти расчеты включают получение трехмерных полей температур, давлений и скоростей  во всех каналах для конструкции сложной геометрической формы.

Теоретическое решение трехмерной задачи пока невозможно. Поэтому при проведении теплового и гидравлического расчетов пользуются полуэмпирической теорией при одномерном описании процессов в теплообменном аппарате. Это приводит к появлению в расчетных уравнениях ряда усредненных величин и коэффициентов.

Течение в канале рассматривают происходящим с постоянной по сечению скоростью и температурой, которые измеряются лишь по длине канала. В качестве скорости принимают среднерасходную скорость, а в качестве температуры среднемассовую температуру.

Связь среднемассовой температуры жидкости, температуры стенки и плотности теплового потока представлена в виде закона Ньютона, в котором коэффициентом пропорциональности является коэффициент теплоотдачи, найденный опытным путем.

Коэффициент теплоотдачи значительно упрощает действительный процесс теплоотдачи, происходящий в трехмерном течении, представляя его одномерным.

Если требуется найти распределение температур в стенках канала, то оно может быть получено из решения дифференциального уравнения теплопроводности.

В том случае, когда коэффициент теплоотдачи зависит от температуры стенки, то численные решения могут быть найдены методом последовательных приближений (методом итераций).

Изменение теплофизических свойств теплоносителей учитывается введением значений при среднемассовой температуре жидкости и при температуре стенки.

За исключением области критического состояния наиболее сильно с температурой изменяется динамический коэффициент вязкости или отношение динамических коэффициентов вязкости при температуре жидкости и стенки. Гораздо слабее изменяются при этих же температурах отношения коэффициентов теплопроводности, плотностей и удельных теплоемкостей.

Изменение теплотехнических свойств жидкостей по сечению канала можно учесть введением в уравнения подобия отношения чисел Прандтля, отношения теплофизических свойств или отношения абсолютных температур стенки и жидкости, называемого температурным фактором.

Изменение разности температур стенки и жидкости по сечению канала влияет на распределение скоростей, а также температур жидкости. При нагревании жидкости ее температура у стенки выше, а вязкость ниже, чем в ядре. Поэтому по сравнению с изотермическим режимом в этих условиях скорость течения жидкости у стенки выше, а в ядре ниже. При охлаждении жидкости по сравнению с изотермическим режимом скорость течения жидкости у стенки ниже, а в ядре выше. Таким образом, при наличии теплообмена характерный для ламинарного течения параболический закон распределения скоростей нарушается. Наличие теплообмена изменяет также нормальный профиль скоростей при турбулентном режиме течения, главным образом, в пределах пограничного слоя.

Одномерное описание процессов в теплообменном аппарате при его тепловом и гидравлическом расчетах ведет к появлению в уравнениях коэффициента теплопередачи, который относится к среднемассовым температурам теплоносителей. Для жидкости с большим водяным эквивалентом средняя температура рассчитывается как средняя арифметическая из начального и конечного значений, а для жидкости с меньшим водяным эквивалентом средняя расчетная температура определяется по средней арифметической температуре жидкости с большим водяным эквивалентом, отнимая или прибавляя к ней среднюю разность температур теплоносителей.