Течение с теплообменом
| В рассмотренных выше случаях ламинарного течения совершенно не учитывалось изменение температуры, следовательно, и вязкости жидкости, ни в пределах поперечного сечения, ни вдоль потока, т.е. предполагалось постоянство температуры во всех точках потока. Такое течение, в отличие от течений, сопровождающихся изменением температуры жидкости, называют изотермическим течением. |
Если по трубопроводу движется жидкость, температура которой значительно выше температуры окружающей среды, то такое течение сопровождается теплоотдачей через стенку трубы во внешнюю среду и, следовательно, охлаждением жидкости. Когда же температура движущейся жидкости ниже температуры окружающей среды, то через стенку трубы происходит приток тепла, и жидкость в процессе течения нагревается.
В обоих указанных случаях при течении жидкости происходит теплообмен с внешней средой и, следовательно, температура жидкости, а также ее вязкость, уже не остаются постоянными, течение является неизотермическим.
Формулы (4.15 -4.20), полученные выше в предположении постоянства вязкости по сечению потока, в случаях течения с теплообменом нуждаются в поправках.
При течении жидкости, которое сопровождается ее охлаждением, слои жидкости, непосредственно прилегающие к стенке, имеют температуру, более низкую, а вязкость более высокую, чем в основном ядре потока. Вследствие этого происходит более интенсивное торможение пристенных слоев жидкости и уменьшение градиента скорости у стенки.
Наоборот, при течении, сопровождающемся нагреванием жидкости, благодаря притоку тепла через стенку, пристенные слои жидкости имеют более высокую температуру и пониженную вязкость, вследствие чего градиент скорости у стенки
Рис. 4.10. Поле скоростей в изотермическом и неизотермическом течении возрастает
Таким образом, в результате теплообмена через стенку трубы между жидкостью и внешней средой происходит нарушение обычного параболического закона распределения скоростей. На рис. 4.10 показано распределение скоростей при изотермическом течении (1), при течении с охлаждением жидкости (2) и при течении с нагреванием (3). Как видно из рисунка, охлаждение жидкости влечет за собой увеличение неравномерности распределения скоростей (a>2), а нагревание жидкости - уменьшение этой неравномерности (a<2) по сравнению с обычным параболическим распределением скоростей (a=2).
Изменение профиля скоростей при неизотермическом течении вызывает изменение закона сопротивления.
Точное решение задачи о течении жидкости с теплообменом является очень сложным, так как приходится учитывать переменность температуры и вязкости жидкости по поперечному сечению и вдоль трубы, а также рассматривать тепловые потоки в разных сечениях трубы.
При ламинарном течении вязких жидкостей в трубах с теплоотдачей (с охлаждением) сопротивление получается больше, а при течении с притоком тепла (с нагреванием) - меньше, чем при изотермическом течении. Это в основном объясняется тем, что вязкость жидкости в слоях, прилежащих к стенке, отличается от средней вязкости жидкости в сечении.
Приближенно это может быть учтено следующей формулой для коэффициента потерь на трение lл, входящего в формулу (4.16) вместо (4.17) рекомендуется
где Reж - число Рейнольдса, подсчитанное по средней вязкости жидкости; n ж - средняя вязкость жидкости; n ст - вязкость жидкости, соответствующая средней температуре стенки.
Для более точных расчетов при малых числах Рейнольдса следует воспользоваться формулой академика М.А. Михеева.
Облитерация
Иногда при течении жидкости через капилляры и малые зазоры наблюдается явление, которое не может быть объяснено законами гидравлики. Это явление заключается в том, что расход жидкости через капилляр или зазор с течением времени уменьшается несмотря на то, что перепад давления, под которым происходит движение жидкости, и ее физические свойства остаются неизменными. Причина этого явления кроется в том, что при определенных условиях происходит как бы засорение или заращивание канала твердыми частицами. В зазорах и капиллярах размером меньшем 0,01 мм может произойти полное заращивание проходного сечения и уменьшение расхода до нуля. Этот процесс носит название облитерации и заключается в том, что на поверхности раздела твердого тела и жидкости под действием молекулярных и электромагнитные сил, возникающих между стенкой и жидкостью, происходит так называемая адсорбция, т.е. уплотнение жидкости до практичесм твердого состояния на поверхности стенки.
Степень облитерации зависит от молекулярной структуры жидкости, причем в большей степени проявляется в сложных, высокомолекулярных жидкостях. Именно такими и являются жидкие смеси на керосиновой основе, применяемые в самолетных гидросистемах.
Толщина адсорбционного слоя для указанных жидкостей составляет несколько микрон. Поэтому при течении через капилляры и малые зазоры этот слой может существенно уменьшить площадь поперечного сечения канала и даже полностью перекрыть его.
С повышением температуры интенсивность адсорбции и, следовательно, облитерации, понижается. Повышение перепада давления, под которым происходит движение жидкости через зазор или капилляр, наоборот, увеличивает степень облитерации.
Если одна из стенок, образующих зазор приходит в движение, т.е. происходит сдвиг, то ранее возникшие адсорбционные слои разрушаются, облитерация устраняется и восстанавливается первоначальный расход жидкости через зазор. Но для такого сдвига обычно требуется значительное усилие. Вообще в зазорах между подвижной и неподвижной стенками облитерации не происходит.
В целях избежания облитерации в жиклерах и дросселях не рекомендуется отверстия делать меньше 0,2 - 0,4 мм. Иногда через дросселирующее отверстие пропускается стержень, совершающий возвратно-поступательные перемещения и тем самым обеспечивающий автоматическую прочистку отверстия и разрушение адсорбционного слоя.