Теоретическое обоснование

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «теоретические основы теплотехники» на тему:

Исследование теплоотдачи цилиндра

В закрученном потоке

0161.05.КР.040.ПЗ

Руководитель работы профессор ____________ Осташев С.И.

(должность) (подпись) (Фамилия И.О.)

Постановление от _______________

Признать, что студент __________________________ выполнил и защитил

(ФИО студента)

курсовую работу с оценкой ____________

Председатель комиссии:

Члены комиссии:

Архангельск

Оглавление

Стр.

1. Задание и исходные данные……………………………………………………………4

2. Теоретическое обоснование……………………………………………………………5

3. Описание экспериментальной установки и методики измерений ………………….8

4. Порядок проведения опытов……………………………………………………….…12

5. Обработка результатов наблюдений………………………………………………….14

5.1 Определение расхода воздуха через установку………………………………………15

5.2 Расчет распределений скоростей и давлений в объеме циклонной камеры……….18

5.3 Обсчет опытных данных по конвективному теплообмену…………………………..20

5.4 Расчет параметров критериального уравнения……………………………………….24

6. Расчет статистических показателей……………………………………………………..26

7. Расчет погрешностей измерений………………………………………………………..27

Список литературы…………………………………………………………………………30

Приложение…………………………………………………………………………………31

Федеральное агентство по образованию

Архангельский государственный технический университет

Кафедра теплотехники

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу «Исследование теплоотдачи цилиндра в закрученном потоке» по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»

(вариант № 40)

Выдано студенту Мальцеву А. А. 3 курса 1 группы

факультета промышленной энергетики (специальности 100700, 101600)

Выполнить обработку и анализ результатов экспериментального исследования теплоотдачи конвекцией от вертикального цилиндра к закрученному потоку воздуха в циклонной камере, получить уравнение подобия для расчета конвективного теплообмена с использованием статистических методов обработки, оценить степень достоверности результатов обработки и погрешности измерений.

Исходные данные:

Основные параметры:

Результаты аэродинамических и тепловых замеров:

Срок проектирования с 14 октября 2005 г. по 16 декабря 2005 г.

Руководитель проекта____________ Осташев С.И. 14 октября 2005 г.

Теоретическое обоснование

Сложная аэродинамическая структура потока в циклонной камере в значительной степени ограничивает возможности использования математических методов решения задачи конвективного теплообмена, поэтому основным направлением в изучении теплоотдачи конвекцией является эксперимент.

Особенность рассматриваемой задачи конвективного теплообмена в закрученном циклонном потоке заключается в том, что при движении среды возникают инерционные массовые(центростремительные) силы, которые практически полностью определяют условия теплоотдачи.

Особенности теплоотдачи цилиндра в закрученном потоке определяется главным образом массовыми (центростремительными) силами, а задача определения коэффициентов теплоотдачи сводится фактически к установлению зависимости:

(1)

где - число Нуссельта ( - коэффициент теплоотдачи конвекцией от цилиндра к закрученному потоку; - внешний диаметр цилиндра; - коэффициент теплопроводности среды); - критерий, определяющий движение жидкости и теплоотдачу в закрученном потоке( - максимальное значение центростремительного ускорения в системе; - характерный линейный размер, определяющий положение относительно поверхности теплоотдачи; - разность температур в точках потока, где инерционное ускорение достигает максимального и минимального значений; - коэффициенты объемного расширения и кинематической вязкости среды; - критерий Прандтля, - коэффициент температуропроводности).

В рассматриваемой задаче минимальное ускорение имеет место на поверхности теплоотдачи (цилиндра) и равно нулю. Физические константы в уравнении (1) определяются по средней температуре потока, практически равной температуре потока, где .

При сравнительно небольших температурных напорах (в условиях, близких к изотермическим) сомножитель незначительно отличается от единицы, а при небольших изменениях , даже если и отличается от единицы, то изменяется сравнительно мало. Поэтому изменение критерия полностью определяется безразмерным комплексом:

(2)

Условие подобия процессов конвективного теплообмена в поле центростремительных сил в изометрической и неизометрической системах предполагает существование равенства:

.

Поэтому для того, чтобы критерий в неизотермических условиях отражал влияние центростремительных сил на явление с учетом неизотермичности потока, он должен определяться в общем виде по формуле:

(3)

Знак плюс (+) соответствует нагреву среды; знак минус (-) – охлаждению.

Таким образом, для описания процесса конвективного теплообмена в рассматриваемой задаче может быть использовано уравнение:

(4)

Анализ критерия с использованием результатов исследований аэродинамики циклонных камер и созданной на их основе методики аэродинамического расчета позволил установить, что он может быть заменен на число Рейнольдса , рассчитанное по максимальной вращательной скорости в рабочем объеме циклонной камеры . Эта связь определяется уравнением:

(5)

Здесь ,

где - коэффициент кинематической вязкости среды в точке, где вращательная скорость равна максимальной; - безразмерный комплекс, зависящий от аэродинамических характеристик потока; - безразмерный радиус осесимметричного ядра потока( - радиус ядра потока; - радиус цилиндра; - радиус определяющий положение ); - безразмерный параметр. Величины зависят от основных геометрических параметров циклонной камеры.

Замена на дает определенные преимущества в обработке опытных данных и использовании полученных уравнений подобия, так как в число Рейнольдса входит величина , определяемая по методике аэродинамического расчета циклонной камер. Максимальная вращательная скорость циклонного потока для рассматриваемой задачи является фактически скоростью набегающего потока, которая обычно принимается в качестве характерной во внешних задачах конвективного теплообмена.

Таким образом, выполненный анализ показал, что обработка опытных данных по теплоотдаче цилиндра в закрученном потоке может производиться в виде корреляционной зависимости:

(6)

где - постоянные коэффициенты, определяемые из опыта.

Заметим, что величина корректирующего коэффициента, учитывающего влияние неизотермичности при принятом методе обработки опытных данных, равна:

(7)

В условиях опытов величина сохраняется примерно постоянной и равной 0, 885(влияние коэффициента на расчетные уравнения невелико и уменьшается с понижением показателя ).

В ряде случаев представляет интерес использовать в уравнении (6) не сам комплекс , а заменяющие его более простые характеристики, определяемые методикой аэродинамического расчета циклонных камер. В частности хорошие результаты дает использование коэффициента крутки в ядре потока:

(8)

где - линейная вращательная скорость на радиусе , определяющем границу ядра потока.