И определение рабочей точки

Координаты точек пересечения Р.Т. (Р.Т.1) характеристики сети Р_V=f(V) (Р^/_V=f(V)) и аэродинамической характеристики вентилятора характеризуют объемный расход вентилятора ( ) и полное давление ( ), обеспечиваемые вентилятором при работе совместно с данной сетью.

4. Определение коэффициента теплоотдачи при охлаждении заготовки

При расчете процесса конвективного теплообмена важное место занимает определение коэффициента теплоотдачи.

Сложность определения коэффициента теплоотдачи заключается в том, что он зависит от многочисленных факторов, а именно:

• природы возникновения движения;

• режима движения;

• физических свойств потока;

• форма и размеры теплоотдающей по­верхности.

По природе возникновения движения различают сво­бодное движение (естественная конвекция), возникающее под влиянием разности плотностей нагретой и холодной жидкости или газа, обусловленной разностью их тем­ператур и вынужден­ное, возникающее в результате действия како­го-либо внешнего возбудителя (ветра, вентилятора, насоса, воз­духодувной машины и т.д.).

При движении жидкости или газа различают два режима: ламинарный, характеризующийся упорядоченным спокойным, слоистым движением потока без пульсаций давления и скорости, и турбулентный, представляющий собой хаотичное движение потока, сопровождающееся пульсациями давления и скорости.

На величину коэффициента теплоотдачи существенное влияние оказывают следующие физические свойства потока: коэффициент теплопроводности , теплоемкость с_р, плотность , комплекс трех вышеперечисленных величин, который называется коэффициентом температуропроводности а, а также коэффициент динамической вязкости .

Каждая поверхность создает специфические условия движения и теплообмена, поэтому форма и размеры тела, а именно они образуют ту или иную поверхность, существенно влия­ют на теплоотдачу.

Значение коэффициента теплоотдачи может быть определено аналитическим или лабораторным методом.

При аналитическом методе процесс теплоотдачи опи­сывается системой дифференциальных уравнений. Такими уравнениями для процесса теплоотдачи являются уравнение теплообмена, теплопроводности, движения и неразрывности потока. Совместное решение системы дифференциальных уравнений связано с определенными трудностями.

При лабораторном методе изготовляют экспериментальную установку, включающую оборудование для создания движения жидкости или газа, объект теплоотдачи, желательно в натуральную величину, и измерительные приборы. Лабораторный метод определения коэффициента теплоотдачи нередко связан со значительными временными и материальными затратами.

Наиболее простым способом определения коэффициента теплоотдачи является его расчет по критериальным уравнениям, которые в свою очередь являются обобщением большого числа опытных данных и решением интерполяционной задачи планирования эксперимента.

Значение критерия Нуссельта (безразмерного коэффициента теплоотдачи) определяют по уравнению

,

где  - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К; l - характерный линейный (опреде­ляющий) размер, м;  - коэффициент теплопроводности, Вт/мК.

Значение критерия Нуссельта при поперечном обтекании воздухом цилиндрической заготовки (рис. 12) может быть рассчитано по следующим критериальным уравнениям.

Если

,

то

.

Если

,

то

,

где Re_В – значение критерия Рейнольдса для обтекающего заготовку воздуха; Рr_В и Рr_З – значение критерия Прандтля для обтекающего заготовку воздуха и заготовки, соответственно.

Рис. 12 – Схема обтекания воздухом цилиндрической заготовки

Значение критерия Прандтля может быть рассчитано по формуле

,

где  - коэффициент кинематической вязкости воздуха при заданной температуре, м²/с; а - коэффициент температуропроводности, м²/с.

Коэффициент температуропроводности определяется выражением

,

где  - коэффициент теплопроводности, Вт/мК; с_р – изобарная теплоемкость, Дж/кгК;  - плотность, кг/м³.

Определив по критериальному уравнению значение критерия Нуссельта, можно рассчитать коэффициент теплоотдачи по формуле

.

При определении коэффициента теплоотдачи  в качестве определяющего размера следует принимать диаметр заготовки d.

Значение критерия Нуссельта при поперечном обтекании воздухом заготовки в форме прямоугольного параллелепипеда (рис. 13) может быть рассчитано по следующим критериальным уравнениям.

Если

,

то

.

Если

,

то

.

Рис. 13 – Схема обтекания воздухом заготовки

в форме прямоугольного параллелепипеда

При определении коэффициента теплоотдачи  в качестве определяющего размера следует принимать размер а.

5. Пример выполнения планирования

и обработки результатов

теплотехнического эксперимента

5.1 Анализ исходных данных

Целью теплотехнического эксперимента является установление влияния частоты вращения привода вентилятора, габаритных размеров заготовки определенной формы и ее начальной температуры на время остывания до заданной температуры.

При обработке результатов эксперимента планируется получить уравнение, связывающее все перечисленные параметры и оценить погрешность аппроксимации, то есть решить интерполяционную задачу планирования эксперимента.

Исходными данными для теплотехнического эксперимента являются форма, материал и площадь заготовки, начальная и конечные температуры, тип вентилятора и его аэродинамическая характеристика, параметры воздуховода и поперечного сечения комнаты, в которой происходит охлаждение.

Заготовка выполнена в форме цельного цилиндра с соотношением диаметра и длины l_Ц = 5d . Площадь наружной поверхности заготовки меняется в пределах F_З = 0,2  1,1 м². Материал заготовки – сталь. Плотность материала заготовки составляет _СТ = 7800 кг/м³, а теплоемкость - с_СТ = 465 Дж/кгК.

Начальная температура заготовки в соответствии с режимом термической обработки находится в пределах t₀ = 250  600 ⁰С. Охлаждение происходит за счет подачи воздуха температурой t_f = 15 ⁰С.

Для создания равномерного потока воздуха с температурой t_В = 15 ⁰С вокруг заготовки используется центробежный вентилятор типа ВО 14-320 № 5 с приводом от электрического двигателя мощность N = 1 кВт с бесступенчатым регулированием частоты вращения вала в пределах n = 1000  1800 об/мин.

Аэродинамическая характеристика центробежного вентилятора типа ВО 14-320 № 5 приведена на рис. 6.

Воздуховод выполнен в виде трубы прямоугольного сечения с отношением сторон а = 0,5 м ´ b = 1 м и длиной прямолинейных участков l = 11 м, коэффициент потерь давления в местных сопротивлениях воздуховода _М = 15.

Заготовка находится в комнате высотой b_К = 2,5 м и шириной а_К = 4 м.