МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА МЕХАНИКИ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ

ОБТЕКАНИИ ТРУБЫ ПОТОКОМ ВОЗДУХА

Методические указания

Рпк «Политехник»

Волгоград 2000

УДК 621.1.016

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ ТРУБЫ ПОТОКОМ ВОЗДУХА: Методические указания к лабораторной работе для студентов дневной и вечерней форм обучения / Сост. В.В.Староверов, А.В.Синьков; Волгоград. гос. техн. ун-т. - Волгоград, 2000, - 26с.

Ил.2. Табл. 3. Библиогр.: 2 назв.

Рецензент А.Д. Грига

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

 Волгоградский

государственный

технический

университет, 2000

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Познакомиться с одним из методов экспериментального определения коэффициента теплоотдачи.

1.2. Приобрести навыки обработки результатов экспериментов с применением методов теории подобия.

1.3. На основе исследования теплоотдачи при поперечном обтекании трубы потоком воздуха научиться использовать методы теории подобия и основные положения теории конвективного теплообмена для анализа конкретных случаев теплоотдачи.

2. Содержание работы

2.1. Экспериментальное определение значений среднего коэффициента теплоотдачи от поверхности цилиндра в поток воздуха при различных скоростях течения последнего.

2.2. Обоснование и выбор уравнения подобия.

2.3. Нахождение на основе полученных экспериментальных данных коэффициентов этого уравнения.

2.4. Анализ результатов и сопоставление найденного уравнения подобия с уже известными уравнениями подобия (для той же области изменения определяющих чисел подобия).

3. Теоретическая часть

Теплообмен является сложным процессом, который для простоты изучения условно разделяют на три элементарных способа передачи энергии: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.

Конвекцией называется явление переноса тепла путем перемещения и перемешивания между собой частиц жидкости или газа. Различают конвекцию свободную и вынужденную. В случае свободной конвекции перемещение теплоносителя происходит под влиянием разности плотностей холодной и горячей жидкости или газа: подогревшиеся объемы всплывают, а охладившиеся - опускаются. При вынужденной конвекции теплоноситель перемещается в пространстве с помощью насосов, вентиляторов и других устройств. Теплообмен при вынужденной конвекции протекает более интенсивно. Будучи связан с движением среды, он в значительной степени определяется законами гидромеханики.

В реальных условиях элементарные способы теплообмена в чистом виде встречаются очень редко. В большинстве случаев эти процессы протекают одновременно и влияют друг на друга. Конвекция, например, всегда сопровождается теплопроводностью (это обусловлено тем, что при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих разную температуру) и часто лучеиспусканием.

Установлены следующие понятия теплообмена:

1. теплоотдача - процесс теплообмена между поверхностью тела (стенкой) и обтекающей эту поверхность жидкой или газообразной средой;

2. теплопроводность - процесс переноса тепла через твердую стенку;

3. теплопередача - процесс теплообмена между двумя средами, разделенными твердой стенкой, совокупным действием указанных выше элементарных способов переноса энергии.

В инженерной практике основной интерес представляет конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела, который носит название теплоотдачи.

Конвективный теплообмен определяется в значительной степени режимом течения жидкости или газа. Режим течения может быть ламинарным или турбулентным. В случае ламинарного режима среда движется, образуя несмешивающиеся струйки, повторяющие очертания поверхности. Передача тепла от жидкости к стенке осуществляется при этом теплопроводностью. При турбулентном режиме, обусловленном источниками возмущений или большими скоростями, на основное перемещение налагаются различные неупорядоченные пульсационные и вихревые движения, в результате чего возникает интенсивное перемешивание частиц жидкости в потоке. Согласно теории Прандтля, для такого движения жидкости или газа характерно образование непосредственно у поверхности стенки тонкого слоя, движущегося ламинарно и называемого пограничным слоем (вязким подслоем). Толщина его зависит от физических свойств среды и скорости потока жидкости. Вне этого слоя среда движется турбулентно.

В турбулентной части, благодаря интенсивному перемешиванию частиц среды, изменение температуры в направлении нормали n к поверхности весьма незначительно. В пределах же пограничного слоя перенос тепла в направлении нормали возможен только путем теплопроводности (нет перемещения частиц в этом направлении). Вследствие малых значений коэффициента теплопроводности жидкостей и газов пограничный слой при теплообмене составляет основное термическое сопротивление, вызывающее резкое изменение температуры от t_w до t_f . Очевидно, интенсивность конвективного теплообмена будет тем выше, чем меньше толщина пограничного слоя. Так, например, увеличение скорости движения потока жидкости и снижение ее вязкости уменьшает толщину пограничного слоя и увеличивает интенсивность теплоотдачи. Все это говорит о сложной зависимости процесса теплоотдачи от многих факторов.

Для расчета теплового потока от жидкости к поверхности твердого тела (или наоборот), была предложена формула, обычно называемая уравнением Ньютона - Рихмана

, (3.1)

где F - площадь поверхности передачи тепла;

t_ж , t_с - соответственно температура жидкости и стенки.

Из уравнения (3.1) следует, что

Таким образом, количество тепла, передаваемое в единицу времени через единицу площади поверхности при разности температур между жидкостью и стенкой в один градус.

Расчет теплоотдачи, несмотря на простоту уравнения (3.1), является весьма сложным делом, главная трудность которого сводится к нахождению коэффициента теплоотдачи .

В общем случае его можно представить как функцию формы Ф и размеров l_1, l_2, l₃ тела, температуры поверхности нагрева t_w , скорости W и температуры t_f жидкости, ее физических характеристик: коэффициента теплопроводности ; теплоемкости С_p ; плотности ; вязкости  и других величин, т.е.

. (3.2)