Лабораторна робота № з

1. Тема робити

Визначення коефіцієнта тепловіддачі поверхні

при вільній конвекції повітря

2. Навчальна мета роботи

• Поглибити знання з теорії конвективного теплообміну

• Ознайомитися з експериментальним методом визначення коефіцієнту тепловіддачі поверхні при вільній конвекції.

• Розвити навички проведення самостійних досліджень.

• Практично визначити коефіцієнт тепловіддачі поверхні циліндрично­го зразка при вільній конвекції повітря.

• Поглибити навички аналізу експериментальних результатів.

3. Теоретична частина

Конвективним теплообміном називається процес обміну теплом між тілами, який характеризується вільним або вимушеним рухом ріди­ни або газу. Сутність передачі тепла конвекцією полягає в тому, що рухомі частинки рідини або газу передають свою енергію в вигляді тепла до поверхні. Конвективний теплообмін може виникати через поверхню розділу в системах „тверде тіло - крапельна рідина”, „тверде тіло – газ”, „одна кра-пельна рідина - інші крапельна рідина” і „крапельна рідина – газ”. Умова­ми виникнення конвективного теплообміну є наявність між поверхнею і рі-диною різниці температур і умов для руху рідини. Конвективний теплообмін

характеризується загальним тепловим потоком Ф і густиною теплово­го потоку q.

Загальний тепловий потік Ф [Вт=Дж/с] визначає загальну кіль­кість тепла, що передається через поверхню при теплообміні в секунду. Густина теплового потоку q [Вт/м²] визначає тепловий потік, який проходить при теплообміні через ділянку площею 1м².

Інтенсивність конвективного теплообміну залежить від:

• різниці температур гарячого та холодного тіла;

• геометрії поверхні, її розташуван­ня в просторі;

• природи рідини;

• характеру руху рідини біля поверхні;

• напрямку передачі тепла.

Найбільш впливовим є характер конвективного руху рідини біля поверхні. Розрізня­ють вільну і вимушену конвекцію рідини. При вільній конвекції рух ріди­ни обумовлений різницею щільності рідини в різних точках простору, яка виникає внаслідок нерівномірності нагрівання. При вимушеній конвекції рух рідини виникає під впливом зовнішньої сили що приводить до руху. Рідини бі­ля поверхні можуть рухатися ламінарно і турбулентно. Ламінарним нази­вають такий режим руху рідини, коли при русі окремі шари рідини рухаю­ться паралельно і не перемішуються (див. рис,3.1(а)). Ламінарний режим має місце при низькій швидкості руху рідини і її високій в'язкості.

Рис.3.1. Ламінарний (а), перехідний (б) і турбулентний (в) режим руху рідини біля поверхні циліндра.

Турбулентним називають такий режим руху рідини, коли при русі окремі шари рідини активно перемішуються (див. рис.3.1(в)). Турбулент­ний режим має місце при високій швидкості руху рідини і її малій в'язкості. Звичайно, при турбулентному режимі руху рідини інтенсивність конвектйвного теплообміну найбільша.

В загальному випадку залежність інтенсивності конвектйвного тепло­обміну від зазначених факторів має складний нелінійний вигляд. В бага­тьох випадках точне математичне описання конвектйвного теплообміну неможливе. Для розв'язання багатьох практичних задач (розрахунок теп­лообмінних апаратів, теплоізоляції теплових апаратів, режимів опалення приміщень, температур тепловіддаючих поверхонь тощо) використову­ють наближені, емпирічні співвідношення. Провідним шляхом до набли­женого математичного описання конвектйвного теплообміну є викорис­тання закону конвектйвного теплообміну Ньютона.

Закон конвектйвного теплообміну Ньютона встановлює лінійний зв'язок між густиною теплового потоку і різницею температур поверхні і рідини:

, де (3.1)

t₁ i t₂ - температури гарячого і холодного тіла відповідно:

- коефіцієнт тепловіддачі (теплосприйняття), [Вт/(м² °С)].

Коефіцієнт тепловіддачі показує тепловий потік, який передається при конвективному теплообміні через 1 м² поверхні за секунду при різни­ці температур поверхні і рідини 1°С. Коефіцієнт тепловіддачі залежить від геометрії поверхні, її розташування в просторі, природи та характеру руху рідини біля поверхні, температури поверхні і може лежати в широких межах (див. таблицю 3.1.). Тому в кожному конкретному випадку коефіцієнт тепловіддачі визначають експериментальне, або обчислюють теоретично.

Провідним шляхом для теоретичного обчислення коефіцієнту тепловіддачі є використання критеріальних рівняннь.

Критеріальні рівняння - рівняння, які складаються з так званих кри­теріїв подібності. Критерії подібності встановлюють взаємозв'язок між умовами конвективного теплообміну.

Таблиця 3.1. Коефіцієнти тепловіддачі плоскої стінки.

Умови конвективного теплообміну	, Вт(м2 °С)
Нагрівання і охолодження: • Повітря • Перегрітої водяної пари • Масла • Води Кипіння води біля стінки Конденсація водяної пари на поверхні стінки	1...60 20... 110 60...1500 200...10000 600...50000 5000... 17000

При вільному русі рідини біля поверхні критеріальне рівняння конвективного теплообміну має вигляд:

, де (3.2)

Nu, Gr, Pr, - критерій подібності Нуссельта, Грасгофа і Прандтля відповідно, фізичний сенс критеріїв подібності наведено в таблиці 3.2.

k, n - емпиричні довіднікові константи.

Обчислення коефіцієнту тепловіддачі з використанням критеріального рівняння проводять в такій послідовності:

• обчислюють критерій подібності Грасгофа і Прандтля;

• Розв'язують критеріальне рівняння відносно критерію Нуссельта;

• З критерію Нуссельта розраховують коефіцієнт тепловіддачі.

Таблиця 3.2. Фізичний зміст деяких критеріїв подібності.

Критерій	Формула	Фізичний сенс
Нусельта (крітерій тепловіддачі)		Характеризує відношення тепла, що передано конвекцією ( ) до тепла, що передано теплопровідністю (). Враховує геометричний розмір поверхні ( ).
Грасгофа (критерій від’ємних сил)		Характеризує відношення під’ємних сил до в'язкості рідини (v2) Враховує геометричний розмір поверхні ( ).
Прандтля (крітерій властивостей рідини)		Характеризує відношення в'язкісті рідини (v2) до її теплофізичних властивостей ( ).

Примітка до таблиці 3.2. В рівняннях використано такі змінні:

- коефіцієнт тепловіддачі, Вт(м^{2 о}С),

- характеристичний розмір поверхні, м,  - коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/(м² °С),

v - кінематична в'язкість рідини, м²/с,

а - коефіцієнт температуропровідності рідини, м²/с,

 – коефіцієнт об'ємного розширення рідини, ^оС^-1 ,

ġ=9,81 м/с² - прискорення вільного па­діння ,

∆t - різниця температур поверхні і рідини, ^оС.

Коефіцієнт тепловіддачі є важливим показником, який визначає інтен­сивність теплообміну поверхні з рідинами і газами, зокрема інтенсивність теплообміну будівельних конструкцій з повітрям за умов пожежі. Коефіці­єнт тепловіддачі широко використовується при розрахунках теплообмінних апаратів в промисловості і пожежній техніці, температури тепловіддаючих поверхонь опалювальних приладів. Таким чином, цей показник інтенсивності теплообміну широко застосовується в практиці пожежного.