CC BY
78
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц АГ И
Там Щ 19 7 2 М3
УДК 532.526.011 532.55
629.7.023.227
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ТЕЧЕНИИ ГАЗА В ПОРИСТЫХ ТЕЛАХ, ИМИТИРУЮЩИХ ВНУТРЕННИЕ ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА
В. Н. Крымасов, И. Г. Саплина, Е. И. Хелемеля
Экспериментально исследованы гидравлическое сопротивление и теплоотдача при течении газа в пористой среде, имитирующей внутренние источники тепла, для различных значений степени пористости.
Пористые среды, особенно металлические, все шире используются в теплотехнических устройствах. Течение и теплообмен в пористых металлах аналогичны течению и теплообмену в дисперсных средах [1, 2]. Экспериментально гидравлическое сопротивление более полно изучено в пористых средах [3—6]. Экспериментальные исследования показали, что при фильтрации газа в пористом теле как при охлаждении, так и нагревании коэффициент гидравлического сопротивления при ламинарном течении определяется критериальной зависимостью (см. [5, 6])
с = -|г + 2- (I)
Теплоотдача в пористых металлах описывается формулой
Ш=^5-|?е". (2)
В настоящей работе в отличие от [5] и [6] приведены результаты экспериментальных исследований теплоотдачи и сопротивления в пористых телах для более широкого диапазона значений пористости (г = 0,427-^-0,865) и при различной структуре зерен пористого материала (см. таблицу).
8 ьг чо >> о. н % авн [мм] [мм] ^тр [мм] Вид заполнителя (структура пористой среды) Общий вес [гг] Вес пустой трубки с фланцами [ге] Вес заполнителя (пористого материала) [гс] £
56 14,0 17,8 1144,5 металлическая стружка 2623 2435 188 0,865
7 6 14,05 18,1 1544,5 шарики, 0 2,5 мм 3878 2788 1082 0,4275
8 6 14,17 17,8 1545 крупная стружка, 4X4X3 мм 3654 2798 856 0,552
96 14,07 17,85 1542 шарики, 0 5 мм 3764 2792 972 0,4855
10 6 14,12 17,92 1557 шарики, 0 3,5 мм 4004,2 2921,6 1082,6 0,438
13 6 14,0 17,83 1561 металлическая сетка 3320 2750 570 0,6995
9—Ученые записки № 3 129
Экспериментальные исследования проводились на установке, схема кото-
?ой приведена на фиг. 1. Газовый контур установки разомкнут. Рабочая часть становки представляет собой вакуумную камеру, в которой монтируется экспериментальная трубка из нержавеющей стали ІХ18Н9Т. Через фланцы трубки пропускается электрический ток. Для создания пористой среды, имитирующей при прохождении тока внутренние источники тепла, в трубку помещается заполнитель из той же стали. Электрические сопротивления трубки и пористой среды одинаковы. Испытания проведены для нескольких видов заполнителя, отличающихся структурой зерен пористого материала (см. таблицу).
£ атмосферу
е—
• рабочая часть, 2 — подогреватель, 3 — вакуум-насос, 5—мерное сопло, 6— шумоглушитель
Фиг. 1
4 — холодильник,
Для определения числа N11 и гидравлического сопротивления £ в трубке была установлена измерительная аппаратура.
Гидравлические потери при течении газа в пористом канале подсчитываются по следующей формуле [5]:
„2 „2 Р і Р2
I
= а' (2 ЯТ0 !*)« + ?'(2 Я Го) т\
(3)
здесь ри Р2 — давление газа на входе и выходе из пористого тела; / — длина
Г дж "] —
пористого тела {м]\ Я—газовая постоянная кг-град ’ ^ — коэффициент кинематической вязкости газа, подсчитанный по средней температуре Т(
[кг-сек1 —];
_ , _ у | у
Т0 —средняя температура газа, равная Тй = ~~2—~ [° К]; Гщ, Гда—температура газа на входе и выходе из пористого тела; т = —расход газа, приходящийся
Г
• площадь
на единицу площади поперечного сечения пористой среды, где поперечного сечения пористой среды; (І — диаметр поперечного сечения пористой среды; М — расход газа (воздуха), М = 3,48 н-і й\ 1/ [кг/сек];
г л 7о
З*! — коэффициент расхода мерного сопла, принимается равным 0,99; — коэф-
фициент, учитывающий сжимаемость воздуха; <2, — диаметр мерного сопла; 7 — удельный вес спирта в спиртовом манометре; ДЛ— перепад на мерном сопле в мм спиртового манометра; р0 — давление газа перед мерным соплом, Т0 — температура торможения перед мерным соплом; а' — коэффициент вязкостного сопро-
тивления [м 130
коэффициент инерционного сопротивления [м
-її
Первый коэффициент (а') характеризует сопротивление, возникающее в результате трения газа о стенки пористого канала, а второй (Р') — сопротивление, вызванное потерями при течении газа через сужения (диафрагмы) в пористых каналах.
Формула (3) является развернутым выражением формулы (1).
Для удобства обработки экспериментальных данных и определения коэффициентов а' и Р' формула (3) приводилась к виду
А = Во В і аи,
здесь
2 2
^1 Р2 = а'р +- (З'/п, где а' = !^-
2ШТ0т
= В,.
(4)
(5)
Число Нуссельта N11 при фильтрации газа в пористом теле подсчитывалось по формуле
ыи ^ = Мср ^ (6)
и ' I еМ(Гш-Г0) ’
где Яу — объемный коэффициент теплоотдачи; Д — эквивалентный диаметр пор; Л —коэффициент теплопроводности воздуха Д = X (Го); ср — теплоемкость воздуха; Тш — среднеинтегральная температура стенки.
Г
О о
• ЬЛ • • • • •
« а ф а ■X. • •
00 О °І о ! й X * Д V Л А ‘ • Ж /«V 9 О
• К»# ** V /•« : л Є = 0,4275 (шарм к и ф 2,5мм) • 0,438 ( " ф 3,5 мм) * 0,^355 ( п ф5мм ) ° 0,552 (мелкая стружка) * 0,5995 (се/пка) • 0,055 (крупная стружка)
о * > о
0,5
10 1,5
Фиг. 2
2,0 1/ПЄ
Г—1 / £=0,141-10~5
4Ш5 08
—■" ■Д-Д— - /Ш/ г А— /Ш7 0,6 995 •*-
1Ц~
7
6
5
0,5
0,5 0,7
Фиг. 3
ОЛ
Число Рейнольдса Ие определялось по формуле
Не=5; Д = (100еГ3’9- (7)
Коэффициент трения можно определить по формуле
2 2 Рл — Н _ А
^ т%я»»р' МВ1' Зависимость приведена на фиг. 2.
Полученные данные для е = 0,427-5-0,865 согласуются с экспериментальными
О
данными [5] (е = 0,295-М),525), следовательно, зависимость С = —2 справедлива
Re
в достаточно широком диапазоне степеней пористости (г =0,295-5-0,865).
Для установления зависимости коэффициента В от степени пористости была
построена зависимость lg _1_=/(г). Эта зависимость представлена на фиг. 3,
В
откуда видно, что пористость исследованной структуры не влияет на величину коэффициента В. Для проведенных исследований при е = 0,865; 0,552; 0,4855; 0,438; 0,6955 коэффициент В = (7,Ы06)-1.
Для получения критериальной формулы (2) на фиг. 4 была построена зависимость
*81^=^ ('8 ж) •
Видно, что экспериментальные точки удовлетворительно аппроксимируются логарифмической прямой и степень п при числе Re для степеней пористости s = 0,865; 0,552; 0,4855; 0,438; 0,6995; 0,4275 следует принять равной п = 1,85, а не и = 2, как это принято в работе [61. Обобщенная формула (2) в этом случае будет иметь вид
Nu = 1,41 -10 6Re1'85.
Экспериментальные материалы работы [5] показывают, что коэффициент В с увеличением степени пористости уменьшается, а результаты наших испытаний показывают, что коэффициент В не зависит от степени пористости s. Это, очевидно, объясняется различием структуры строения пористых образцов. Опытные образцы, исследованные в работе [5], были изготовлены из нержавеющей стали методом прокатки из порошка с последующим спеканием, вследствие чего может образоваться губчатая структура пористой среды, а в наших испытаниях пористая среда создавалась методом набивки заполнителя из нержавеющего металла в трубку из того же материала.
Результаты исследований были использованы в задаче нестационарной теплопроводности в пористых оболочках, которая решалась с помощью интегрального преобразования [7] по алгоритму работы [8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Чудновский А. Ф. Теплообмен в дисперсных средах. М., Гостехиздат, 1954.
2. Лыков А. В. Тепло- и массообмен в процессах сушки. М., Госэнергоиздат, 1956.
3. Ильин Ю. В. Течение газа через пористые металлические стенки. „Авиационная техника", 1959, № 1.
4. Green L„ Duwes P. Fluid flow through porows metals. Journal of Appl. Mech., March, vol. 18, No 1, 1951.
5. Дружинин С. А. О расчете внутреннего теплообмена при пористом охлаждении. „Теплоэнергетика, 1961, № 9.
6. Крымасов В. Н., Саплина И. Г. Теплоотдача и сопротивление при фильтрации газа в пористых телах с внутренними источниками тепла. .Ученые записки ЦАГИ“, том I, № 3, 1970.
7. Кошляков Н. С., Глинер Э. Б., Смирнов М. М. Основные дифференциальные уравнения математической физики. М., Физ-матгиз, 1970.
8. Крымасов В. Н. Решение одномерных задач механики методом неопределенного интегрального преобразования. „Ученые записки ЦАГИ“, т. II, № 1, 1971.
Рукопись поступила 25/VIII 1972 г.
