Заявка on-line

Ваше имя (обязательно)

Ваш E-Mail (обязательно)

Сообщение

Теплотехнические парадоксы

«Факты – вещь упрямая» — гласит известная мудрость. Зачастую в теплотехнике невольно сталкиваешься с явлениями, объяснения которым на основании даже весьма обширных знаний найти не можешь. Например, почему две абсолютно одинаковые газовые печи работают по-разному. Казалось бы, один проект, одни и те же технические решения (многократно обкатанные на практике и прекрасно себя зарекомендовавшие), монтаж производился качественно и под контролем, а печи работают с разными удельными показателями.

Чем больше углубляешься в изучение такого рода явлений, тем больше понимаешь, что природа создавала все по своим законам, постичь которые человеку до конца не дано. А человек, в своей попытке эти законы объяснить, все значительно упрощает, создавая модели природных процессов и явлений. Это конечно правильно, но, к сожалению, не всегда можно указать пределы адекватного поведения модели, а столкнувшись с фактами – думаем каким образом встроить их в созданную модель и прижившийся понятийный аппарат.

Почему мы в настоящей статье затрагиваем именно газовые печи? Понятно, что электрические печи в теплотехническом смысле более просты. В то время как в газовых печах одновременно происходит большое количество весьма сложных, нелинейных, взаимосвязанных процессов: турбулентность в ограниченном пространстве; турбулентное горение с образованием, в том числе, вредных веществ (окислов азота, например); лучистый теплообмен в замкнутой системе с твердыми телами с нелучепрозрачной средой (как известно, трех- и многоатомные газы поглощают и излучают), но не во всем диапазоне, а лишь в части спектра, при этом с твердыми телами тоже не все так просто — они меняют степень черноты, которая зависит от температуры, шероховатости поверхности, материала и пр., даже в процессе работы. Известно, что новый шамотный кирпич имеет степень черноты 0,6, а в процессе работы она увеличивается до 0,8 (теплотехники помнят большое количество работ, посвященных огнеупорным обмазкам, увеличивающим степень черноты шамота, но в свете вышеизложенного выглядящие, мягко говоря, странновато); теплообмен на границе раздела фаз (т.н. теплоотдача); теплопроводность – казалось бы, куда как изученная вдоль и поперек, но, как покажем ниже, здесь тоже есть над чем работать даже не столько исследователям (по тематике имеется огромное количество литературы), сколько инженерам-практикам. А чего стоит такое интересное явление как термодиффузия: если у стали с содержанием углерода 0,01% на одной поверхности поддерживать температуру 610 0С, на другой – 710 0С, то концентрация углерода на более горячем конце начнет расти, а на холодном –уменьшаться до достижения определенного, равновесного, состояния.

Итак, рассмотрим выборочно указанные выше процессы, и покажем нетривиальность некоторых природных явлений.

  1. Обтекание цилиндра жидкостью. Представили? А вот что происходит на самом деле.

cylinder_re100

 

Дорожка Кармана. Re=100  [1]

 

 

Дорожка Кармана. Re=20000

Видно, что это явление является сугубо нестационарным. И, к слову сказать, этот эффект широко используют на практике: например, см. вихревые счетчики газа.

  1. Течение жидкости в резко расширяющемся осесимметричном 2D канале (бесконечном по одной координате). Представили? А вот один из возможных результатов.

1

Линии тока. Re=50 [2]

2

Линии тока. Re=400 [2]

3

Линии тока. Re=600 [2]

Одно из объяснений: реальное течение стремится к симметрии лишь при стремлении числе Рейнольдса к нулю. Бóльшая отрывная зона образуется на одной из сторон канала, если течение развивается непрерывно из состояния покоя. Если же жидкость приводится в движение внезапно с числом Рейнольдса выше определенного, то «прилипание» потока к одной или другой стенке канала равновероятна [3].

  1. Коэффициент теплопроводности волокнистой футеровки. Известный факт – чем больше плотность волокнистых материалов, тем меньше их теплопроводность (см., например, характеристики модульных блоков http://www.keratech-cz.ru/i-ilodi-i-l-ernl-cre/c-ie-ociii-l-ernl-cre/eiaoeui-l-aei-c-kerablok). Парадокс с точки зрения теории теплопроводности: менее плотный материал, то есть в котором имеется большее количество пор, заполненных воздухом (имеющим на несколько порядков меньшую теплопроводность, чем твердый материал), должен быть менее теплопроводным. Собственно поэтому в домах устанавливают двух- (трех-, четырех-) камерные стеклопакеты – воздух между стекол препятствует теплопотерям. Однако, в нашем случае, в силу высоких печных температур, в физику процесса вмешивается тепловое излучение. Тогда все становиться на свои места: чем менее плотный материал, тем больше у него воздушных пор, тем легче тепловому излучению распределяться внутри материала.
  2. Эффект Мпембы. Почему каток зимой заливают теплой водой? Это связано с тем, что горячая вода замерзает быстрее холодной, несмотря на то, что первая должна сначала остыть до температуры замерзания. Настоящий факт не имеет полноценного объяснения.

Список литературы.

  1. http://xoptimum.narod.ru/results/incompressible/cylinder/cylinder.htm#Re1e2
  2. Кудинов П.И. Численное моделирование гидродинамики и теплообмена в задачах с конвективной неустойчивостью и неединственным решением.- Дисс. … канд.техн.наук, Днепропетровск, 1999. – 229 с.
  3. 3. Fearn R.M., Mullin T., Cliffe A.K. Nonlinear flow phenomena in a symmetric sudden expansion // Journ. Fluid Mech. -1990. -Vol.211. -P.595-608.