Что такое определяющая температура

Определяющий размер и определяющая температура

В числа подобия входит определяющий (или характерный) размер. Теория подобия не определяет однозначно, какой размер должен быть принят за определяющий. Обычно за определяющий принимают тот размер, который в большей степени отвечает физическому существу процесса. При движении жидкости по трубам круглого сечения таким опре­деляющим линейным размером является внутренний диаметр трубы. Тог­да числа подобия запишутся так:

, ,

Для каналов некруглого сечения вместо диаметра берется так назы­ваемый эквивалентный диаметр:

При поперечном обтекании трубы или пучка труб за определяющий берется наружный диаметр трубы. При обтекании плиты ее дли­на по направлению потока и т.д.

В числа подобия входят физические параметры жидкости, которые зависят от температуры. В процессе теплообмена температура жидкос­ти меняется следовательно, меняются и значения ее физических пара­метров. Поэтому важным является также вопрос выбора так называемой определяющей температуры, по которой определяются значения физичес­ких параметров, входящих в числа подобия. Экспериментальные и тео­ретические работы показывают, что нет такой универсальной определя­ющей температуры, в результате выбора которой автоматически учиты­валась бы зависимость теплоотдачи в связи с изменением физических параметров. Поэтому в настоящее время преобладает точка зрения, в соответствии с которой за определяющую следует принимать такую температуру, которая в технических расчетах бывает задана или легко может быть вычислена.

В соответствии с этим при вынужденном движений жидкости в трубах и каналах, а также при вынужденном продольном и поперечном омывании пучков труб в качестве определяющей целесообразно прини­мать среднюю температуру потока жидкости.

При таком выборе определяющей температуры влияние резкого из­менения значений физических параметров, в прилегающем к стенке пограничном слое, учитывается рассмотренным нами ранее сомножителем (P_rж/P_rст) 0.25

Следует помнить, что все числа подобия, входящие в уравнение подобия, должны быть взяты при одной определяющей температуре. Ис­ключение составляет указанный выше сомножитель.

Источник

Определяющие размер и температура

Основные числа подобия. Формулы и физический смысл.

Критерии (числа) подобия

В теории конвективного теплообмена используются следующие числа подобия:

Nu представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи и показывает отношение действительной плотности теплового потока к плотности теплового потока при чистой теплопроводности, т.е. Nu характеризует увеличение теплообмена конвекцией по сравнению с чистой теплопроводностью.

Re представляет собой безразмерную скорость потока, характеризует гидродинамический режим потока. Re выражает отношение сил инерции (скоростного напора) к силам вязкого трения.

При малых числах Re преобладают силы вязкости, наблюдается упорядоченный спокойный ламинарный режим течения жидкости. При больших числах Re в потоке преобладают силы инерции, наблюдается вихревое турбулентное течение жидкости.

При течении жидкости в трубах:

Число Прандтля:

Pr состоит из величин, характеризующих теплофизические свойства вещества и является теплофизической константой вещества.

Pr является мерой подобия скоростных и температурных полей в потоке. Для вязких жидкостей Pr > 1 и сильно зависит от температуры. Для газов величина Pr определяется атомностью:

— для одноатомных газов Pr = 0,67;

— для двухатомных газов Pr = 0,72;

— для трехатомных газов Pr = 0,80;

— для четырехатомных газов Pr = 1,0.

Gr характеризует подъемную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей. Этот критерий показывает влияние естественной конвекции на теплообмен.

Fo представляет собой безразмерное время и характеризует нестационарность процесса теплообмена.

Определяющие размер и температура

В числа подобия входит характерный линейный размер ℓ, называемый определяющим размером. За определяющий размер принимают тот, который входит в условия однозначности.

· для потока в круглой трубе: внутренний диаметр d_вн ;

· при поперечном омывании трубы: наружный диаметр трубы d_н:;

· при естественной конвекции: ширина b, длина ℓ, или высота h поверхности;

· при конвекции в ограниченном пространстве: ширина щели.

Определяющая температура – это температура, при которой определяются физические свойства жидкости в числах подобия.

При обработке опытных данных по теплообмену и гидравлическому сопротивлению за определяющую температуру целесообразно принимать такую, которая в технических расчетах бывает, задана или легко может быть определена.

· при конвекции в неограниченном пространстве: температура половинного слоя t_m = 0,5 (t_ж + t_c);

· при течении жидкости в трубе: температура стенки t_c или средняя температура жидкости t_ж.

Источник

Молекулярная физика. Температура и ее измерение.

Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.

В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала стано­вится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждает­ся и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий», Для количественной оценки этого состояния и служит температура.

Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике, тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами. К ним относятся объем, давление, темпе­ратура, концентрация частиц, масса, плотность, намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа, в частности).

Температура — характеристика теплового равновесия системы.

Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех нор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значе­ние, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.

Тепловым, или термодинамическим, равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура.

Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.

Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством).

Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.

Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (напри­мер, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термомет­ра — прибора, служащего для измерения температуры.

Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).

А. Цельсий (1701-1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусом — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны.

Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур, основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от тем­пературы.

Источник

Определяющий размер и температура системы, в которой совершается теплообмен

При проведении расчетов, связанных с конвективным теплообменом, необходимо выбрать геометрическую величину системы, которая называется определяющим (характерным) размером. То же самое относится и к выбору температуры (определяющая температура).

Определяющий размер. Определяющим считается тот, от которого процесс теплоотдачи зависит в наибольшей степени (обтекание пластины – ее длина, движение жидкости в длинной трубе – ее диаметр и т. д.). Необходимо обращать внимание на то, какой размер автор формулы ввел в критерии подобия в качестве определяющего. Игнорирование этого обстоятельства может привести к значительным ошибкам.

Для каналов неправильного и сложного сечения следует брать эквивалентный диаметр, равный учетверенной площади поперечного сечения, деленной на полный (смоченный) периметр сечения, независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене:

.

Определяющая температура. Очень часто в качестве определяющей температуры принимается средняя температура пограничного слоя

.

Обычно при обработке опытных данных по теплообмену и гидравлическому сопротивлению за определяющую температуру следует брать такую, которая в технических расчетах задана или легко может быть определена.

Методы и критерии подобия

Многие явления подобны. Например, подобные геометрические фигуры, показанные на рисунке, подобны. Такие фигуры различаются только масштабом.

Так же и в физике можно выделить подобные явления (группы явлений), которые будут характеризоваться одинаковыми дифференциальными уравнениями и граничными условиями.

Точное решение уравнений движения и энергии, составляющих систему нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, возможно лишь в ограниченном числе случаев. Например, аналитическое определение коэффициента конвективной теплоотдачи представляет собой сложную задачу, поскольку в этом случае необходимо решить систему дифференциальных уравнений. Поэтому для расчета используют критериальные уравнения подобия. Безразмерные числа (критерии) подобия позволяют анализировать подобные явления, имея экспериментальные данные лишь по какому-либо одному из подобных явлений. Если систему дифференциальных уравнений и граничные условия привести к безразмерному виду, то число влияющих факторов (неизвестных переменных) формально сократится. В случае экспериментального исследования такой подход позволяет свести к минимуму число величин, которое необходимо варьировать в опытах.

Существуют такие безразмерные соотношения параметров, характеризующих явление, которые у подобных явлений в сходных точках имею одинаковые значения. Эти безразмерные соотношения называют числами подобия. В теории подобия исходные уравнения и их решение, а также результаты экспериментального изучения конвективного теплообмена принято представлять в виде зависимостей между безразмерными комплексами-критериями (или числами) подобия.

Для приведения функциональной зависимости к безразмерному виду пользуются, в частности, методом масштабных преобразований, состоящим из следующих этапов:

1) для каждой группы однородных величин (имеющих одинаковый физический смысл, одинаковую размерность, например, координату x и скорость w), в составе которых имеются постоянные, выбирают одну из них в качестве масштаба и приводят эти величины к безразмерному виду

2) в исходные уравнения вместо размерных параметров представляют их выражения в виде произведения безмерной величины и соответствующего масштаба;

3) оставшиеся в уравнениях размерные величины и появившиеся в них масштабы группируют в безмерные комплексы.

Таким образом, мы получаем совокупность безразмерных критериев, характерных для данного процесса. Эти критерии в общем случае являются мерой относительного влияния действующих сил и процессов переноса (потоков импульса, энергии, массы) на течение жидкости и теплообмен. Критерии подобия позволяют результаты экспериментов проведенных в одних условиях распространить и на другие условия.

Критерии подобия в общем теплообмене вместе с конвекцией

Если на основе теории подобия объединить физические и геометрические параметры в безразмерные комплексы (критерии подобия), то процесс теплообмена в общем теплообмене вместе с конвекцией можно описать следующими числами (критериями).

,

Число Грасгофа:

,

Число Прандтля:

, (5.10)

Критерий Релея:

Является критерием возникновения конвекции в слое жидкости.

Критерий Рейнольдса:

,

где — модуль характерной скорости среды, м/с. Критерий Рейнольдса характеризует соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости. При превышении некоторого критического значения числа Рейнольдса ламинарное течение жидкости становится неустойчивым и превращается в турбулентное. При больших значениях Рейнольдса силы вязкого трения не играют роли.

Число Пекле

,

характеризует соотношение конвективных и молекулярных потоков на границе жидкости и твердого тела и в самом твердом теле.

Критерий Стантона также выражает интенсивность теплоотдачи (безразмерный коэффициент теплоотдачи)

.

Источник

Средняя температура. Определяющая температура. Эквивалентный диаметр

Средняя температура. Определяющая температура. Эквивалентный диаметр

жидкости понимается средняя температура потока, которая определяется следующим образом: Поток жидкости передает тепло через базовый узел dF в единицу времени dQ = CpptwdF. Количество тепла за единицу времени, проходящее через этот раздел, определяется по формуле Q = f cpptwdF. F Разделите полученное

выражение на J Cj, pwdFy, чтобы получить среднее значение F (среднее значение энтальпии жидкости) f r CpwtdF F (27-1) J pcpwdF F Во многих случаях температурная зависимость cP и p пренебрежимо мала, и уравнение (27-1) принимает вид: \ iwdF © = • F F Где F — поперечное сечение

Значение температуры раздела Людмила Фирмаль

канала, м2. ‘t — температура каждого элемента секции, град. V — объемный расход жидкости, м9 / с, а w — скорость жидкости dF каждого элемента. Если скорость жидкости вдоль поперечного сечения канала постоянна или равна нулю, уравнение (27-2) принимает вид: Измерение температуры жидкости в отдельных

точках канала вдоль посева можно проводить с помощью термопары. Если температура потока жидкости изменяется по длине канала, а не только по сечению, она должна быть усреднена по потоку жидкости. Учитывая среднюю температуру стенки / среднюю температуру жидкости на входе и выходе t в St-канал, среднюю температуру

определенной температуры, из которой получают значение физической величины, принимается средняя температура потока или стенки или средняя температура пограничного слоя. ■ ‘p.sl = 0,5 (/ „+ U. При решении задачи определения коэффициента теплопередачи всегда необходимо обращать внимание на тот факт, что температура этого уравнения подобия была принята в качестве определителя. Некоторые числа подобия включают линейный размер и принимают

размер, который определяет развитие процесса. Для круглых труб линейный размер, который определяет это, является внутренним диаметром трубы. так называемый эквивалентный диаметр d.0HB = 4F / S. Где площадь поперечного сечения канала. 5- Полный (мокрый) ■ Вокруг поперечного сечения, независимо от того,

Для каналов с некруглым поперечным сечением вместо диаметра принимается Людмила Фирмаль

насколько эта окружность i участвует в теплообмене. I. При боковом обтекании трубы и пучка труб наружный диаметр трубы принимается за определяющий размер. При обтекании пластины — длина в направлении потока. В общем, при использовании уравнений подобия всегда следует обращать внимание на то, что автор ввел размер выражения в число сходств в виде определителя. •

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник