2 Методические указания к лабораторной работе №2 «Исследование теплоотдачи при естественной конвекции газа около горизонтальной трубы»

2.1 Цель работы

Целью проведения лабораторной работы является изучение механизма процесса теплообмена при свободной конвекции, ознакомление с методом экспериментального определения коэффициента теплоотдачи и получение навыков измерения и методики обработки опытных данных.

2.2 Краткие сведения из теории

Конвективным теплообменом или теплоотдачей называется процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и жидкой или газообразной средой. При этом перенос теплоты осуществляется одновременным действием теплопроводности через пограничный слой и конвекцией.

Естественная конвекция – перемещение жидких или газообразных сред под действием разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости в гравитационном поле. Свободная тепловая конвекция возникает в текучей среде, находящейся в поле ускорений, вследствие разности плотностей, обусловленной неоднородностью температурного или концентрационного полей.

Тепловой поток Q(Вт) при конвективном теплообмене пропорционален коэффициенту теплоотдачи , поверхности F и разности температур между нагретой стенкой и жидкостью и описывается уравнением Ньютона-Рихмана:

(2.1)

где - коэффициент конвективной теплоотдачи, ;

F – поверхность теплообмена, м²;

t_ст – температура нагретой стенки, °С;

t_ж – температура потока жидкости, К.

Теоретические исследования свободной конвекции с использованием уравнений пограничного слоя показывают, что в данном случае справедливо уравнение подобия .

Применение теории подобия позволяет обобщить результаты экспериментальных исследований теплоотдачи в виде критериальных уравнений для конкретного класса явлений. Критериальные уравнения подобия теплоотдачи устанавливают зависимость критерия Нуссельта от определяющих критериев (Pr, Gr).

Среднюю теплоотдачу около горизонтальной трубы рассчитывают по формуле:

(2.2)

где Nu – число Нуссельта;

λ_ж – коэффициент теплопроводности;

α – коэффициент теплоотдачи;

- число Грасгофа (2.3)

где g – ускорение свободного падения;

β – коэффициент объемного термического расширения среды;

Δt – разность температур между стенкой и жидкостью;

ν – кинематическая вязкость жидкости;

- число Прандтля (2.4)

где а – коэффициент температуропроводности.

Определяющей температурой, по которой выбираются значения физических параметров теплоносителя, является температура жидкости вдали от стенки. Исключение составляет величина , индекс "ст" указывает, что в данном случае число Прандтля теплоносителя должно быть взято по температуре стенки.

2.3 Описание лабораторной установки, приводов и оборудования

Тонкостенная труба 1 из нержавеющей стали ОХ18Н10Т диаметром 8,0 мм, толщиной стенки 1мм, длиной 1300 мм нагревается, проходящим через нее электрическим током (рисунок 2).

Электропитание трубы осуществляется от понижающего регулируемого трансформатора 2 снабженного выпрямителем. Регулирование мощности позволяет изменять в опытах температурный напор между поверхностью трубы и окружающим воздухом в широких пределах.

Мощность, подводимая к трубе, определяется по падению напряжения на ней измеряемого вольтметром 3, и силе тока в цепи, определяемой по падению напряжения на шунте 150 А - 75 мВ с помощью милливольтметра 4, отградуированного в амперах.

Температуры поверхности трубы и окружающего воздуха определяется термопарами ХК, подключенными к автоматическому потенциометру КСП-4.

Рисунок 2 – Схема установки для исследования местной теплоотдачи горизонтальной трубы в воздушной среде