Методические указания к лабораторной работе пересмотрены и утверждены на заседании кафедры «Ракетное вооружение» машиностроительного факультета

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К

ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №3

Экспериментальное определение коэффициента конвективной

Теплоотдачи горизонтального цилиндра

По дисциплине

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Направление подготовки: 160700 Проектирование

авиационных и ракетных двигателей

Профиль подготовки: Ракетные двигатели твердого топлива

Форма обучения - очная

Тула 2012 г.

Методические указания к лабораторной работе составлены доцентом О.А. Евлановой и обсуждены на заседании кафедры «Ракетное вооружение» машиностроительного факультета

протокол № 5 от «18» 01 2012 г.

Зав. кафедрой _____________ Н.А. Макаровец

Методические указания к лабораторной работе пересмотрены и утверждены на заседании кафедры «Ракетное вооружение» машиностроительного факультета

протокол № от «___» ______ 20__ г.

Зав. кафедрой _____________ Н.А. Макаровец

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - экспериментальное определение коэффициента конвективной теплоотдачи при свободном конвективном теплообмене горизонтального цилиндра.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Понятие конвективного теплообмена охватывает процесс теплообмена при движении жидкости или газа, при котором перенос тепла осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью.

Под конвекцией тепла понимают процесс переноса тепла при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой.

Под теплопроводностью понимают процесс передачи тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела или отдельных тел, имеющих различные температуры, обусловленный движением микрочастиц тела.

Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела называется конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

При практических расчетах теплоотдачи используют закон Ньютона-Рихмана:

. (1)

Согласно этому закону тепловой поток Q от жидкости к стенке или от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур , где t_с – температура поверхности тела, t_ж - температура окружающей тело жидкой или газообразной среды.

Коэффициент пропорциональности α в уравнении (1) называют коэффициентом теплоотдачи, характеризующим интенсивность теплообмена между поверхностью твердого тела и окружающей средой:

.

Коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока q на поверхности тела, отнесенная к разности температур поверхности тела и окружающей среды. Он численно равен плотности теплового потока при температурном напоре, равном единице.

Коэффициент теплоотдачи зависит от большого количества факторов, в общем случае, он является функцией формы и размеров тела, режима движения, скорости и температуры жидкости или газа, физических параметров среды и других величин.

Различают вынужденную и свободную (гравитационную) конвекцию.

Вынужденная конвекция осуществляется в потоке газа или жидкости, создаваемом внешними воздействиями (насосом, вентилятором, ветром).

Свободной конвекцией называется движение среды, возникающее в связи с ее нагреванием и вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц в гравитационном поле.

При движении жидкости встречаются два вида течения, подчиняющихся различным законам: ламинарное и турбулентное.

При ламинарном течении все частицы движутся только по параллельным между собой траекториям и движение их длительное время совпадает с направлением всего потока. Жидкость движется спокойно, без пульсаций, образуя струи, следующие очертаниям канала.

При турбулентном течении непрерывно происходит перемешивание всех слоев жидкости. Каждая частица потока, перемещаясь вдоль канала с некоторой скоростью, совершает различные движения перпендикулярно стенкам канала. В связи с этим поток представляет собой беспорядочную массу хаотически движущихся частиц. Чем больше образуется пульсаций, завихрений, тем больше турбулентность потока. При переходе ламинарного движения в турбулентное сопротивление от трения в канале возрастает.

Средняя теплоотдача при ламинарной свободной конвекции описывается уравнениями вида

или

. (2)

В этих уравнениях

Nu – критерий Нуссельта, характеризующий конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и окружающей средой:

где a – коэффициент теплоотдачи;

l – коэффициент теплопроводности среды;

L – характерный размер;

Gr – критерий Грасгофа, характеризующий соотношение подъемной силы, возникающей вследствие разности плотностей жидкости и силы молекулярного трения:

,

где b – коэффициент объемного расширения среды, ;

g – ускорение свободного падения;

- температурный напор, ;

- коэффициент кинематической вязкости среды;

Pr – критерий Прандтля, определяющий физические свойства жидкости:

,

где μ – коэффициент динамической вязкости;

с –теплоемкость среды.

Критерий Прандтля для воздуха ≈ 0, 7.

Метод экспериментального определения коэффициента конвективной теплоотдачи базируется на равенстве при стационарном режиме нагрева потерь тепла в окружающую среду теплу, выделенному электронагревателем.