Теплотехнологические агрегаты черной металлургии не только наиболее энергоемкие, но и являются самыми мощными источниками загрязнения окружающей среды (включая и тепловые). Очевидно, что более совершенные агрегаты имеют относительно высокий КПД, меньше потребляют энергии и меньше выделяют загрязнений. Одним из факторов, влияющих на эффективность теплового устройства, является интенсивность теплообменных процессов, в том числе и на поверхностях обрабатываемого материала, например, коэффициент теплообмена между рабочей средой и поверхностями.
Элементарным конструктивным элементом, присущим многим теплотехнологическим агрегатам, является труба, внутри которой двигается вязкая среда, а ее поверхность подвергнута тепловому воздействию. На таком элементе относительно легко экспериментировать и выявлять зависимость коэффициента теплообмена от различных факторов.Эта система нагрева (охлаждения), заполненная теплоносителем, подвержена вынужденной или гравитационной конвекции. Тепло от горячего участка контура переносится в те участки, где осуществлен отвод тепла. Работоспособность такого агрегата будет зависеть от инерционности системы и времени выхода на стационарный режим при смене режима теплообмена.
Постановка задачи: из широкого класса задач конвективного теплообмена решено было остановиться на рассмотрении наиболее часто встречающихся на практике задач решения уравнения энергии в подвижных средах при заданном поле скорости. Изучение такого процесса внутри простейшего конструктивного элемента численным методом позволяет выявить не только особенности протекания этого процесса с переменной по длине тепловой нагрузкой в динамическом и стационарном режимах, но и отработать методику решения системы уравнений для агрегатов более сложной конфигурации, в которых поле скорости также является искомым. Данный момент является очень важным, так как анализ получаемого решения позволяет предвидеть и устранять аварийные ситуации при эксплуатации оборудования.
Поэтому в настоящей работе формулируется задача в следующей постановке: пусть по трубе радиусом R двигается теплоноситель, температура которого в начальный момент времени составляет tНАЧ, а его расход - G [кг/с]. Течение принимается гидродинамически стабилизировано. В этом случае поперечная скорость Vr = 0, а продольная составляющая скорости Vx не изменяется по длине трубы, а будет изменяться по радиусу, например, по закону:Vx=V0•(1-r2/R2)=2•Vcp•(1-r2/R2) где V0 – скорость на оси трубы;Vср – средняя скорость по сечению.
Для удобства дальнейшего изложения развернем замкнутый контур. На вертикальном участке происходит внешний нагрев трубы постоянным тепловым потоком q, на всех остальных участках труба находится в состоянии естественной конвекции с окружающей средой с температурой tвх. В начальный момент времени теплоноситель имеет постоянную температуру, т.е. при tau= 0; t = tнач. В качестве характерного размера для горизонтальной трубы принят ее диаметр, для вертикальной – расстояние от начала участка до рассматриваемого сечения. Предполагается, что по внешней поверхности трубы тепловая нагрузка распределена равномерно, поэтому искомое поле температур не зависит от координаты , а на оси трубы r = 0 будет выполняться условие симметрии. В начале трубы (х = 0) и в ее конце (x = Lx) температуры должны совпадать, так как труба представляет замкнутый контур. После решения задачи, когда поле температур внутри трубы будет найдено, можно будет найти значение локальных коэффициентов теплоотдачи от внутренней поверхности трубы к теплоносителю.
Поставленная задача часто встречается на практике и является наиболее простой в классе задач о конвективном теплообмене, так как анализируется уравнение сохранения энергии в подвижной среде с заданным полем скорости. Детальное изучение процесса теплообмена планируется выполнить численным экспериментом.
1. Л. Г. Лойцянский, Механика жидкости и газа.-Учебное пособие для вузов.-М.:Наука, 1970.-904с.
2. Теплообмен и теплофизические свойства воды,водяного пара и органических веществ./Сб.статей под ред. В. Д. Юсуфова/.-М.:ЭНИН, 1974.
3. А. С. Сукомел, Теплообмен и гидродинамика.-М.,1975.-159с.
4. Патанкар С., Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.:Энергоатомиздат, 1984.-150с.
5. Андерсон, Дейл и др., Вычислительная гидродинамика и теплообмен под ред. Г. Л. Подвидза.-М.:Мир, 1990.