МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЖИТАРЕНКО В.М.

ТКАЧЕНКО К.И.

Методические указания

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 2 ТМО

Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении среды

(для студентов специальности 7.05060101-Теплоэнергетика дневной и заочной форм обучения)

Мариуполь пгту 2010

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ЖИТАРЕНКО В.М.

ТКАЧЕНКО К.И.

Методические указания

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 2 ТМО

Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении среды

(для студентов специальности 7.05060101-Теплоэнергетика дневной и заочной форм обучения)

Утверждено на заседании

кафедры ПТЭУ и ТС

Протокол №____ от _______20__ г.

Утверждено на методсовете

энергетического факультета

Протокол №____ от _______20__ г.

Мариуполь пгту 2010

УДК 621.016

Методические указания к лабораторной работе “Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении среды” для студентов специальности 7.05060101-Теплоэнергетика/Сост.: В.М. Житаренко, К.И. Ткаченко - Мариуполь: ПГТУ, 2010.- 15с.

Изложены цель и задачи лабораторной работы по определению коэффициента теплоотдачи при свободном движении; дано описание лабораторной установки; методика проведения эксперимента, обработки результатов опытов и контрольные вопросы.

Составители: В.М. Житаренко, ст.преп.

К.И. Ткаченко, ст.преп.

Рецензент: Г.С. Сапрыкин, к.т.н. доц.

Отв.за выпуск В.Н. Евченко, , к.т.н. доц

1. Цель лабораторной работы

Целью работы является закрепление знаний по разделам курса "Теория подобия" и "Теп­лоотдача при свободном движении жидкости", получение навыков опытного определения теплоотдачи при свободном движении воздуха и определение вида уравнения подобия, описывающего процесс.

2. Теоретические сведения

Под кон­векцией теплоты понимают процесс ее переноса при пере­мещении макрочастиц жидкости или газа, в пространстве, из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом пере­нос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Конвекция возможна только в текучей среде.

В природе и технике элементарные процессы распространения теп­лоты - теплопроводность, конвекция и тепловое излучение - очень часто происходят совместно.

Конвекция теплоты в жидкостях и газах всегда сопровождается теплопроводностью в них.

Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в жидкостях и газах называется конвективным теплообменом.

В инженерных расчетах чаще определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела.

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

Конвективная теплоотдача является достаточно сложным процес­сом, который зависит от многих факторов: от природы возникновения движения жидкости; режима движения; скорости и температуры жидкости; физических параметров жидкости; формы и размеров омываемого тела и некоторых других.

По природе возникновения различают два вида движения - сво­бодное и вынужденное, и, в соответствие с этим, свободную и вынужденную конвекцию. В случае свободной конвекции жидкость или газ движутся за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящихся в поле земного тяготения, т.е. происходит свободное гравитационное движение, вызванное неоднородностью тем­пературного поля. Свободную конвекцию называют также естественной конвекцией.

При вынужденной конвекции жидкость или газ движутся за счет внешних сил (например, за счет работы насоса, вентилятора, комп­рессора и т.д.). Вынужденное движение в общем случае может сопро­вождаться свободным движением.

Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. В процессе теплоотдачи режим движения жидкости имеет очень большое значение, т.к. им определяется механизм переноса тепла. При ламинарном режиме перенос тепла в направлении нормали к стен­ке осуществляется теплопроводностью. При турбулентном режиме такой способ переноса тепла сохраняется лишь в пограничном слое (или подслое), а внутри турбулентного ядра перенос тепла осуществляет­ся путем интенсивного перемешивания частиц жидкости, т.е. конвек­цией.

В качестве теплоносителей используют различные вещества: воз­дух, воду, газ, масла, расплавленные металлы и т.д. В зависимости от физических свойств этих веществ, процессы теплоотдачи протекают различно. Большое влияние на теплоотдачу оказывают следующие физи­ческие параметры теплоносителей: коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость С, плотность ρ, коэффициент температуро­проводности а, динамический коэффициент вязкости μ и кинемати­ческий коэффициент вязкости υ.

Для каждого вещества эти параметра имеют определенные значе­ния и являются функцией температуры, а некоторые из них и давле­ния.

Форма и размеры поверхности теплообмена существенно влияют на теплоотдачу. В зависимости от них может резко меняться харак­тер обтекания поверхности и толщина пограничного слоя.

В практических инженерных расчетах теплоотдачу, т.е. теплообмен между поверхностью твердого тела и движущейся средой, сопри­касающейся с этой поверхностью, описывают законом Ньютона-Рихмана.

Согласно закону Ньютона-Рихмана тепловой поток Q от жидкости к стенке или от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур ∆t=(t_c-t_ж) жидкости и стенки:

, Вт

(1)

Разность температур (t_c-t_ж) или (t_ж-t_c) называют температурном напором.

Уравнения (1) записано для случая t_c> t_ж. Если t_ж< t_c, то в эти уравнения нужно записать t_ж - t_c.

Коэффициент пропорциональности α, входящий в уравнение Ньютона-Рихмана, называется коэффициентом теплоотдачи. Он учитыва­ет конкретные условия процесса теплоотдачи, влияющие на его интен­сивность и имеет размерность Вт/м²К.

Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность теп­лообмена на границе жидкость - стенка и численно равен количеству тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности, при разности температур между поверхностью и жидкостью в один градус. Коэффициент теплоотдачи α в отличие от коэффициента тепло­проводности λ не является физическим параметром среды и зависит от многих факторов.

В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться по поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности и локальный или местный коэффициент теплоотдачи. Поэтому в общем случае с учетом переменности по поверхности уравнение Ньютона-Рихмана запишется:

(2)

Отсюда:

(3)

Последнее тождество можно рассматривать как определение α: коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока на границе жидкость - стенка, отнесенная к разности температур стенки и жидкости. В соответствии со сказанным, в уравнениях (2)-(3) под следует понимать его среднее значение.

Применение формулы Ньютона-Рихмана никаких принципиальных упрощений для расчета конвективной теплоотдачи не дает. Вся слож­ность расчета в этом случае переносится на определение коэффициента теплоотдачи. В общем случае коэффициента теплоотдачи является функцией многих величин: , т.е. α является функцией скорости движения жид­кости, режима движения, физических параметров жидкости, температуры жидкости и тела, формы и размеров омываемого тела и т.д.

Инженерное решение задач конвективного теплообмена сводится чаще всего к определению α и вычислению количества переданной теплоты. Для нахождения α применяют теорию подобия или коэффициент теплоотдачи находят практическим путем.

Наряду с коэффициентом теплоотдачи  существует безразмерный коэффициент теплоотдачи или число Нуссельта Nu:

, (4)

где L –характерный линейный размер теплоотдающей поверхности (для горизонтальной трубы это диаметр), м;

 - коэффициент теплопроводности, Вт/м·К.

Число Нуссельта Nu характеризует увеличение теплообмена за счет конвекции по сравнению с теплопроводностью.

В общем случае число Нуссельта является функцией чисел Рейнольдса, Грасгофа, Прандтля и др.:

Nu = f (Re, Gr, Pr …), (5)

где - число Рейнольдса;

- число Грасгофа;

- число Прандтля;

 - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²·К;

g – ускорение свободного падения;

 - термический коэффициент объемного расширения, 1/К;

t = t_п – t_в – температурный напор, ^оС;

 – коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

а – коэффициент температуропроводности, м²/с.

Число Грасгофа характеризует режим движения при свободной конвекции, являясь отношением подъемной силы возникающей вследствие разности плотностей жидкости, и сил вязкости в неизотермическом потоке.

Число Рейнольдса характеризует режим движения при вынужденной конвекции, являясь соотношением сил инерции и сил вязкости.

Число Прандтля характеризует подобие скоростных и температурных полей.

В случае свободной теплоотдачи число Нуссельта является функцией чисел Грасгофа, Прандтля и др.:

, (6)

где с и п – постоянные, зависящие от геометрии поверхности и численного значения .

Уравнение (6) для горизонтальной трубы выглядит как:

, (7)

при 10³   10⁹.

Характерным размером для горизонтальной трубы являеться диаметр.

В стационарном режиме для бесконечно длинной цилиндрической трубы при свободном движении воздуха около поверхности уравнение теплового баланса записывается в виде:

(8)

где Q - тепло, отданное поверхностью трубы;

Q_k - тепло, передаваемое конвекцией;

Q_л - тепло, передаваемое излучением.

Составляющие Q_k и Q_л определяются из соответствующих урав­нений:

(9) (10)

где α - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²∙К);

Т_с - температура поверхности трубы, К;

Т_ж - температура окружающего воздуха на большом удалении от теплоотдающей поверхности, К;

F - теплоотдающая поверхность трубы, м²;

C_о - коэффициент излучения абсолютно черного тела:

ε - степень черноты поверхности трубы.

Подставим (9) и (10) в уравнение (8) и найдем:

(11)

Отсюда коэффициент теплоотдачи:

(12)

Зависимость (12) положена в основу опытного определения коэффициента теплоотдачи конвекцией от горизонтальной трубы при свободном движении воздуха.