Турбулентность течений проявляется в увеличении теплопередачи в каналах с одновременным увеличением сопротивлений трения. Что касается полостей, то обычная пристеночная турбулентность в них развивается при значительно более высоких расходах дыма (чем в каналах), но зато появляется ещё один вид неустойчивостей - турбулентность за счёт возникновения затопленных струй. Поэтому рассмотрим три вида турбулентностей: турбулентность потока у поверхности (возникающую вначале на стенках каналов и создающую сопротивление трения), турбулентность при поворотах потоков (создающую местное газодинамическое сопротивление канала) и турбулентность затопленной струи (возникающую при резком переходе газ из узкого канала в широкую полость и создающую местное газодинамическое сопротивление полости).

Напомним, что газовый поток, входя в контакт с поверхностью, начинает замедляться у поверхности за счёт вязкостных сил, создавая ламинарный пограничный слой 81 (рис. 130ж). По мере увеличения толщины ламинарного пограничного слоя увеличивается и толщина теплового пограничного слоя, в котором наблюдаются изменения (перепады) температур газа у поверхности (неизотермический случай). В результате постепенно снижается и коэффициент трения (из формулы Ар=Д-рУо2/2) и теплопередача. Коэффициент диффузии (молекул воздуха - азота и кислорода) в воздухе 0=0,19 см2/сек очень близок к коэффициенту вязкости воздуха у=0,23 см2/сек и к коэффициенту температуропроводности воздуха а=0,31 см2/сек, что указывает на одинаковую природу процессов массопереноса (диффузии), вязкости и теплопроводности. Поэтому и толщины пограничных слоев для диффузии, вязкости и теплопроводности можно считать близкими. Близкими они остаются, видимо, и при развитии турбулентности.

Турбулентность возникает на границе ламинарного слоя и распространяется как к поверхности, так и от поверхности (рис. 130ж). Поэтому толщина ламинарного слоя 82 уменьшается, толщина турбулентного слоя 5з увеличивается. Для ориентировки укажем, что в ламинарном режиме сопротивление потоку изменяется пропорционально х-о^Уо1'5 (см. соответствующее соотношение V = (Ар)0'67 на стр. 62 и стр.160), а коэффициент теплоотдачи пропорционально х-°>5Уо0'5 . В турбулентном режиме указанные зависимости приобретают вид х-о^Уо1'8 и х-°>2Уо0'8 соответственно. Это значит, что при увеличении расхода воздуха сопротивление печи возрастает намного быстрее, чем теплоотдача от дыма в стенки каналов.

Особую важность имеет шероховатость поверхности канала 4 (рис. 130е). Если выступы шероховатости не вылезают за пределы ламинарного слоя 52, то основной вклад в процесс торможения вносит именно ламинарный вязкий слой, дающий малое сопротивление и работающий как «смазка». Если же выступы шероховатости вылезают в турбулентный слой 5з, то сопротивление движению резко увеличивается (эффект Никурадзе) так, что коэффициент сопротивления трения перестаёт зависеть от Уо, то есть перестает падать с увеличением значений линейной скорости потока Уо. Соответственно, наблюдавшееся при ламинарном режиме снижение коэффициента теплопередачи (вдоль оси х) заменяется на резкое возрастание. Например, шероховатость кирпичной кладки официально принимается равной 0,8-6 мм, так что на практике турбулентность всегда достигает выступов шероховатости, и, как правило, сопротивление каналов турбулентному потоку велико. Шероховатость металлических труб принимается на уровне 0,02-0,07 мм (новые) и 0,2-0,5 мм (после эксплуатации), поэтому их сопротивление существенно меньше (до ста раз по формуле Никурадзе). Но при этом снизится и теплопередача. Отметим попутно, что для повышения теплопередачи часто используется оребрение поверхности. При этом максимальная эффективность оребрения достигается при высоте рёбер п=0,3а, где а -расстояние между гранями соседних рёбер (СНиП 23-02-2003), причём расстояние между рёбрами составляет 1-10 см. При большой высоте рёбер теплоотдача уменьшается из-за застоя газа в зазорах (как в полостях стеклопакетов окон).

Рассматривавшаяся турбулентность развивается на стенках прямых каналов печей или во всяком случае со сглаженными (скруглёнными) поворотами (рис. 1316). Но реальные каналы могут иметь резкие повороты, возникающие, например, из-за технологических особенностей изготовления печей (сварка металлических листов, кладка прямоугольного кирпича и т. п.). Ясно, что схема на рис. 131а получается из схемы на рис. 1316, если заменить скругления дымоходов коробами 1. При этом возникают застойные зоны, в которых возникают турбулентности иного типа, нежели развивающиеся на поверхности (рис. 130ж). В местах резких поворотов газ взвихривается, поступательная скорость движения газа преобразуется в скорость крутки газов в хаотических вихрях, поэтому скорость потока в канале снижается, что и воспринимается нами как сопротивление потоку. Такое сопротивление и называется местным газодинамическим сопротивлением. Вихри срываются с кромок поворотов и увлекаются потоком, усиливая турбулентность не только в месте поворота, но и на некотором расстоянии вниз по потоку. Так что местное газодинамическое сопротивление «размыто» по каналу вслед за поворотом.

Страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8