Федеральное агентство по образованию и науке

Филиал государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Московский энергетический институт

(технический университет)»

в г. Волжском

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

А.Н. Гриценко, Г.З. Шамина

Изучение местной теплоотдачи

при турбулентном движении

воздуха в трубе

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине ТМО

Волжский 2007

УДК 536.2

ББК 31.31

Рецензент:

Гришин С.С. – зав. лабораторией, ст. преподаватель,

доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском

Изучение местной теплоотдачи при турбулентном движении воздуха в трубе: методические указания к лабораторной работе по дисциплине ТМО / Сост. Гриценко А.Н., Шамина Г.З. – Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007. – 18 с.

Предлагаемые методические указания позволяют закрепить теоретические знания в области конвективного теплообмена, приобрести опыт и изучить методику определения параметров теплоотдачи в условиях турбулентного движении воздуха в трубе.

Методические указания к лабораторной работе иллюстрированы рисунками, изложены в доступной форме со ссылками на литературные источники, являются хорошей учебной базой для представления данного раздела программного курса студентам всех технических специальностей.

.

Печатается по решению Учебно-методического совета филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском.

УДК 536.2

ББК 31.31

 А.Н. Гриценко, 2007

 Г.З. Шамина, 2007

 Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)»

в г. Волжском, 2007

1 Цель лабораторной работы

1. Углубление и закрепление знаний по теории конвективного теплообмена при турбулентном движении жидкости (газа) в обогреваемой трубе.

2. Ознакомление с методом определения местного коэффициента тепло-отдачи и получение навыков в проведении эксперимента.

3. Определение коэффициента теплоотдачи от поверхности трубы в различных ее сечениях при разных скоростях движения воздуха в трубе.

4. Выявление влияния скорости движения воздуха в трубе на коэффициент теплоотдачи.

5. Определение длины участка тепловой стабилизации.

6. Обработка полученных экспериментальных данных в критериальном виде.

7. Построение графика экспериментальной зависимости

α = ƒ(x) и ln Nu_∞ = ƒ(ln Re).

8. Нахождение зависимости предельного Nu_∞ от Re.

9. Расчет погрешности коэффициента теплоотдачи, полученного экспериментальным путем.

2 Теоретические основы стационарного теплообмена третьего рода с аспектами теории подобия

При вынужденном движении жидкости внутри трубы различают два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. Режим течения жидкости (газа) определяется по величине числа Рейнольдса, которая является критерием общей оценки гидродинамики условия развития процесса течения в потоке:

, (2.1)

где – среднемассовая скорость потока, м/с; – характерный размер сечения потока (для потока в трубе = d, где d – внутренний диаметр трубы); – кинематический коэффициент вязкости жидкости при заданной температуре t.

Соответствие числа Re установившемуся режиму течения жидкости в трубе определяется:

Re < 2∙10³ – ламинарный режим;

Re = 2∙10³ – переходный режим;

Re > 2∙10³ – турбулентный режим.

Основные указанные режимы течения различаются характером распределения скорости движения частиц жидкости и их траекторией по сечению потока, рис. 1.

Ламинарный режим характеризуется прямолинейной устойчивой траекторией движения частицы с постоянной скоростью вдоль оси трубы. Турбулентный режим характеризуется неупорядоченной траекторией частиц потока с переменной скоростью и интенсивным перемешиванием соседних слоев движущейся жидкости. Переходный режим характеризуется началом волнообразной траектории движения частиц в потоке с частичным перемешиванием слоев до полной потери упорядоченности движения. Характер траектории движения частиц в потоке и их интенсивность перемешивания оказывают существенное влияние на теплообмен как внутри потока, так и с ограждающими поток поверхностями. При ламинарном режиме теплообмен в потоке производится лишь теплопроводностью, в турбулентном – конвекцией. Поэтому изучение теплообмена в потоке неразрывно связано с его гидродинамикой движения.

Формирование характера движения потока происходит в начальном участке трубы. При входе в трубу скорости по сечению распределяются равномерно. В дальнейшем, по мере удаления от входа в трубу, у стенок образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого при течении вдоль трубы постепенно увеличивается и становится равной радиусу трубы (рис. 2), а в трубе устанавливается постоянное распределение скоростей, характерное для данного режима течения, или наступает так называемое стабилизированное течение жидкости.

Последнее наблюдается как при ламинарном, так и при турбулентном течении жидкости (газа). Длина участка стабилизации в ламинарном режиме составляет l_н = 0,05d Re, при турбулентном режиме l_н ≈ 15d [1, с. 80] и слабо зависит от Re.

Т еплоотдача при течении жидкости (газа) в трубе неодинакова по длине, и, аналогично участку гидродинамической стабилизации l_н, образуется участок тепловой стабилизации l_н.т. У входа в трубу коэффициент теплоотдачи α имеет максимальное значение, а затем резко убывает и при стабилизированном течении стремится к неизменному значению (рис. 3).

α

α _max

α

x

0 l_н.т. (Длина трубы)

Рис. 3. Изменение местного коэффициента теплоотдачи по длине трубы

И зменение коэффициента теплоотдачи (КТО) α по длине трубы связано с формированием на начальном участке трубы теплового и гидродинамического пограничных слоев, которые находятся в непосредственной близости от ограждающей поверхности потока (трубы). Формирование толщины гидродинамического пограничного слоя определяется касательными силами трения в жидкости, характеризуемыми вязкостью. Наличие теплообмена со стенкой трубы определяет изменение температуры по толщине пограничного слоя, который образует тепловой пограничный слой. Направление теплового потока определяет направление градиента изменения температуры, соответственно, вязкости в пограничном слое и корректировку его гидродинамики, рис. 4. Вне пограничного слоя температура жидкости постоянна.

Тепловой пограничный слой, который образуется у поверхности трубы, увеличивается по мере удаления от входа трубы и на участке тепловой стабилизации достигает толщины, равной радиусу трубы, то есть весь объем потока участвует в теплообмене.

Длина начального теплового участка l_н.т. зависит от большого числа факторов и может быть [1, с. 82] приближенно оценена при постоянстве теплового потока по зависимости

, (2.2)

где Pr – критерий Прандтля:

, (2.3)

где – коэффициент температуропроводности.