Визначення коефіцієнта тепловіддачі при вільному русі повітря

Мета роботи: експериментальне визначення коефіцієнта тепловіддачі при вільному русі повітря в необмеженому просторі, а також визначення коефіцієнтів тепловіддачі контактом α_с і випромінюванням α_л.

Теоретична частина

Процес теплообміну між поверхнею твердого тіла і навколишнім рідким або газоподібним середовищем називається тепловіддачею. Кількість тепла, яким обмінюється тіло з навколишнім середовищем за 1 с, згідно закону Ньютона – Ріхмана, пропорційно різниці температур поверхні тіла Т_п, навколишнього середовища Т_с і величині поверхні тіла F:

N=α(Т_п -Т_с)∙F, (1)

де α – коефіцієнт пропорційності, називаний коефіцієнтом тепловіддачі, Вт/(м²∙К); Т_п, Т_с - температури поверхні тіла і навколишнього середовища, К; F - площа поверхні тіла, м²; N - потужність теплового потоку, переданого в навколишнє середовище.

Потужність теплового потоку визначається за потужністю електронагрівника

N=I∙U, (2)

де I – сила струму в ланцюзі нагрівача, А; U – різниця потенціалів, В.

Коефіцієнт тепловіддачі характеризує інтенсивність обміну між тілом і навколишнім середовищем і дорівнює величині теплового потоку, переданого 1 м² поверхні тіла за одиницю часу при різниці температур між поверхнею тіла й навколишнім середовищем в один Кельвін.

Коефіцієнт тепловіддачі залежить від великої кількості факторів, що визначають умови взаємодії тіла з навколишнім середовищем (швидкість і характер руху середовища, її теплофізичні властивості, розміри й конфігурація тіла, температури поверхні тіл і навколишнього середовища й т.д.).

α=f₁(Ф, l₀, x_c, y_c, z_c, υ₀, /t_ж-t_c/, λ, a, ρ, ν, B, g), (3)

де Ф – форма омиваної поверхні (плоска поверхня, труба і т.д.); l₀ – розмір, що характеризує поверхню тепловіддачі (довжина або висота пластини, діаметр труби й т.д.); x_c, y_c, z_c – координати поверхні тепловіддачі (стінки); υ₀ – швидкість рідини (газу), тобто середовища; /t_ж-t_c/ – температурний напор між стінкою і середовищем; λ - коефіцієнт теплопровідності середовища; – коефіцієнт температуропроводності середовища; С_р – питома ізобарна теплоємність середовища; ρ - густина рідини; – коефіцієнт; М – в'язкість середовища; В – температурний коефіцієнт об'ємного розширення рідини; g – прискорення вільного падіння.

Кількість тепла, яким обмінюються поверхня й середовище, складається з тепла, переданого безпосереднім контактом середовища з поверхнею тіла (теплопровідність і конвекція), і з тепла, переданого шляхом теплового випромінювання:

α= α_с+ α_л . (4)

Питомий потік тепла, переданого шляхом теплового випромінювання, визначається по рівнянню Стефана - Больцмана

, (5)

де С – наведений коефіцієнт випромінювання, Вт/м²∙К⁴.

При тепловому випромінюванні в необмежений простір С приймається рівним коефіцієнту випромінювання випромінюючої поверхні С₁, що може бути визначений зі співвідношення

, (6)

де ε - ступінь чорноти поверхні тіла (табл. 8), С₀ – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, рівний 5,7 Вт/м²∙К⁴.

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням α_л визначається по рівнянню

. (7)

Тепловіддача при вільному русі повітря або іншого теплоносія має широке поширення як у побуті так і в техніці. Вільний рух теплоносія виникає внаслідок різниці температур і, отже, різниці густин в окремих точках цього середовища. Наприклад, кімнатне повітря нагрівається печами або опалювальними приладами в умовах природної конвекції. В техніці такий теплообмін відбувається при нагріванні води в парових казанах, при охолодженні паропроводів, обмуровуванню казанів, промислових печей і інших теплових пристроїв. Узагальнення результатів великих експериментів по теплообміні у вільному потоці з тілами різних форм і розмірів (дроту і труби діаметром 0,015-245 мм, кулі діаметром 30-16000 мм, плити і труби висотою 250-6000 мм), омиваними різними рідинами (повітря, водень, вуглекислота, вода, анілін, масла й т.д.), дало можливість підібрати загальні залежності для інженерних розрахунків по визначенню середніх значень коефіцієнтів тепловіддачі α.