Загальні положення. Київський політехнічний інститут

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Київський політехнічний інститут

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

ТЕПЛОВІДДАЧА ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ ТРУБИ

ПРИ ВІЛЬНОМУ РУСІ ПОВІТРЯ»

З КУРСУ «ТЕПЛОТЕХНІКА»

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Мета роботи - закріпити знання з теорії конвективного теплообміну при вільному русі рідини (природної конвекції); ознайомитися з методикою експериментального дослідження середнього коефіцієнта тепловіддачі при вільному русі повітря біля горизонтальної труби; визначити коефіцієнт тепловіддачі за узагальненим критеріальним рівнянням для умов експеримента.

Завдання

1.У процесі виконання експерименту визначити середні коефіцієнти тепловіддачі при вільному русі повітря біля горизонтальної труби залежно від температурного напору " стінка труби - навколишнє повітря".

2.Визначити коефіцієнт тепловіддачі, використовуючи узагальнену критеріальну формулу за умов експерименту та порівняти за графіком отримані результати з дослідними даними.

На підставі виконаної роботи скласти звіт, який включає: протокол спостережень, схему експериментальної установки, результати розрахунків за експериментальними даними та за критеріальними рівняннями, розрахунок похибок.

До виконання лабораторної роботи належить приступити після поглибленого ознайомлення з методичними вказівками.

2 Фізичні основи та формули для розрахунку середнього коефіцієнта тепловіддачі при вільній конвекції.

Вільним називається рух рідини (газу, крапельної рідини) під впливом неоднорідного поля масових сил, які прикладаються до її частинок. Масові сили можуть бути обумовлені зовнішніми полями: гравітаційним, магнітним, електричним.

Вільний рух у гравітаційному полі виникає внаслідок дії різниці густин рідини в різноманітних точках простору. Якщо ця різниця викликана різницею температур поверхні тіла і рідини в розглядуваному об’ємі, то конвективний теплообмін, що виникав при цьому між тілом і рідиною, називають тепловіддачею при вільній конвекції.

Взаємозв'язок процесів руху і теплообміну - характерна особливість явища, що розглядається. Збільшення вказаної різниці температур (температурного напору) веде до зростання різниці густин рідини і отже, до зростання швидкості її гравітаційного руху.

З явищем теплообміну в умовах природної (вільної) конвекції доводиться часто зустрічатись при розв’язуванні технічних задач (наприклад, при розрахунку теплових витрат трубопроводів, охолодженні різних виробів при металообробці, тепло- і електроопалювальних пристроїв тощо).

У випадку нагрітої труби, шари повітря, які близько розташовані до неї нагріваються шляхом теплопровідності. При цьому густина їх зменшується та виникає підіймальна сила, під дією якої нагріте повітря піднімається, а його місце займає холодніше. Якщо геометричні розміри, що характеризують об’єм повітря, досить великі, то взаємодія потоків нагрітого повітря, що піднімається, та холоднішого, що витискує нагріте повітря, практично відсутня. Іншими -словами, розміри простору, що займає повітря, не впливають на інтенсивність процесу, який в цьому випадку називають вільною конвекцією у великому об’ємі.

Інтенсивність тепловіддачі оцінюється коефіцієнтом тепловіддачі - кількістю теплоти, що віддається або сприймається одиницею поверхні тіла при температурному напорі 1 К, Вт/(м²К).

(1)

де q_К - густина теплового потоку, Вт/м²; q_К = ; Q - тепловий потік, що передається нагрітим тілом шляхом конвекції, Вт; F - площа поверхні тіла, м²; t_С, t_Р –температури відповідно поверхні стінки та рідини (в даному випадку повітря, що оточує трубу), °С.

За формулою (1) визначаємо локальні значення α; якщо необхідно дослідити тепловіддачу в стаціонарних умовах на всій поверхні F, то

(2)

Зазначимо, що коефіцієнт, тепловіддачі є фізичною характеристикою, тобто, отримавши в ході експериментa якісь значення, не можна стверджувати, що відоме значення коефіцієнта тепловіддачі повітря.

Інтенсивність тепловіддачі при вільному русі у великому об’ємі залежить: від швидкості руху рідини (ця швидкість буде тим більшою, чим більший температурний напір між стінкою та середовищем); фізичних властивостей середовища; форми й положення тіла в просторі та ряду інших факторів. Залежно від значення та співвідношення вказаних величин характер руху рідини біля стінки буде різний: при малому температурному напорі переважає ламінарний режим руху, при великому - турбулентний, відповідно до чого змінюється й тепловіддача. В цій роботі потрібно встановити вплив температурного напору на інтенсивність тепловіддачі.

Але теорія подібності дозволяє узагальнити відокремлені експериментальні дані у вигляді критеріальних рівнянь. Дня крапельних рідин та газів при Рr > 0, 7 узагальнена критеріальна формула для обчислення теплообміну при вільній конвекції у великому об’ємі має вигляд

(3)

де - число Нуссельта; l_о - розмір поверхні, що визначається, м; λ - теплопровідність рідини, (Вт(м-К); критерій Грасгофа; g = 9, 81 м/c²; ν - кінематична в’язкість рідини, м²/с; Δ t - температурний напір, Δ t =t_C-t_P, °С; Pr = - критерій Прандтля; а - температуропровідність рідини, м²/с; коефіцієнт пропорційності С і показник степеня, n залежать від режиму руху середовища, який, у свою чергу, визначається добутком Gr · Pr