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

Изучение средней теплоотдачи

при свободной конвекции воздуха

около горизонтальной трубы

Методические указания к лабораторной работе

Волжский 2007

УДК 536.2

ББК 31.31

Рецензент:

Староверов В.В. – доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

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

Изучение средней теплоотдачи при свободной конвекции воздуха около горизонтальной трубы: методические указания к лабораторной работе / Сост. Гриценко А.Н. – Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007. – 14 с.

Методические указания позволяют закрепить теоретические знания по теплообмену при естественной конвекции воздуха (газа), приобрести опыт и изучить методику определения параметров теплоотдачи в условиях свободной конвекции воздуха около нагретой горизонтальной трубы, сопоставить полученные экспериментальные данные с расчётными данными критериальных уравнений теории подобия.

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

 Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)»

в г. Волжском, 2007

1 Цель лабораторной работы

1. Углубление и закрепление знаний по теории конвективного теплообмена при свободном движении воздуха около обогреваемой горизонтальной трубы.

2. Ознакомление с методикой опытного исследования средних характеристик процесса и получение навыков в проведении эксперимента.

3. Определение опытным путем значения среднего по периметру коэффициента конвективного теплообмена от поверхности опытной горизонтальной трубы к воздуху.

4. Обработка полученных экспериментальных данных в критериальном виде и сравнение результатов с существующей расчетной рекомендацией.

5. Оценка погрешности измерения среднего коэффициента теплоотдачи.

2 Теоретические основы конвективного теплообмена с аспектами теории подобия

Конвективным теплообменом или теплоотдачей называется процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и жидкой средой. При этом перенос теплоты осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекцией. Конвекция возможна лишь в жидкостях и газах, частицы которых могут совершать относительные перемещения. Различают два вида движения частиц: свободное и вынужденное.

Вынужденное движение в жидкости (газе) возникает под действием посторонних возбудителей, например, вентилятора.

Свободное движение происходит за счет разности плотностей холодных и нагретых областей жидкости (газа) в гравитационном поле. Его также называют естественной конвекцией.

Развитие и интенсивность свободного движения жидкости определяется физическими свойствами жидкости (газа), температурным напором, напряжен-ностью гравитационного поля и объемом пространства осуществления процесса конвекции. Так, например, осуществление конвекции в замкнутом, ограниченном объеме пространства затрудняет относительное перемещение холодных и нагретых областей жидкости различной плотности. Проведение процесса конвекции в неограниченном объеме определяется перечисленными выше факторами, к которым можно добавить такие факторы, как форма и размеры твердой поверхности теплообмена, способствующие организации относительного движения и перемешивания областей жидкости (газа) в прилегающем пространстве.

На рис. 1 показан характер естественного движения жидкости (газа) при свободной конвекции в неограниченном пространстве с различной формой поверхности теплообмена.

Влияние зависимых и независимых факторов на конвективный теплообмен оценивается в теплотехнике соответствующими критериями подобия и уравнениями их связи. Применение теории подобия для исследования процессов теплообмена позволяет формально сократить число рассматриваемых величин, отразить влияние не только отдельных факторов, но и их совокупности на процесс теплообмена, упростить исследование физических процессов и нахождение искомых величин.

Рис. 1. Характер естественного движения воздуха на горизонтальных плитах верхнего (а, б) и нижнего (в) расположения; около нагретых

горизонтальных труб разного диаметра (г)

Применительно к теме работы влияние факторов при свободной конвекции воздуха вблизи горизонтальной трубы оценивается следующими критериями подобия [1; 2]:

1) критерий Нуссельта (Nu) – характеризует факторы теплообмена на границе «твердая поверхность – воздух» и определяется формулой

, (1)

где – коэффициент теплоотдачи (кто) между поверхностью и воздухом; d – наружный диаметр трубы (определяющий размер); λ – коэффициент теплопроводности воздуха.

Число Нуссельта обычно является искомой величиной, поскольку в него входит определяемая величина .

2) критерий Рейнольдса (Re) – характеризует соотношение сил инерции и сил вязкости в воздухе и определяется формулой

, (2)

где ω – средняя скорость движения воздуха вокруг трубы; ν – кинематическая вязкость воздуха.

Число Re определяет режим движения воздуха около трубы.

3) критерий Прандтля (Pr) – характеризует соотношение физических свойств воздуха и определяется формулой

, (3)

где а – коэффициент температуропроводности воздуха; μ – динамическая вязкость воздуха ( ); с_р – теплоёмкость жидкости (газа) при постоянном давлении.

4) Критерий Грасгофа (Gr) – характеризует подъемную силу, возникающую вследствие разности плотностей у нагретого и холодного воздуха, и определяется формулой

, (4)

где g – ускорение свободного падения; β – коэффициент объемного расширения воздуха ; t_ст и t_в – температура нагретой поверхности трубы и исходная температура воздуха.

Для описания процессов конвективного теплообмена в жидкостях и газообразных средах пользуются уравнением подобия, имеющим вид [1, с. 236-246]:

, (5)

где c – коэффициент пропорциональности ; n, m – показатели, определяются условиями протекания процесса теплообмена и родом жидкости, при определяющем размере системы – ; – температурный коэффициент, учитывающий направление теплового потока (нагрев или охлаждение), определяется соотношением

, (6)

где индексы «ж» и «ст» означают величину Pr теплоносителя соответственно при температуре жидкости и твердой стенки в системе.

Для газов [1, с. 187], [3, с. 96] величина а .

Поэтому, применительно к теме работы, для небольших температурных напорах и ламинарном режиме обтекания воздуха формула упрощается и рекомендована в виде [3, с. 95], [1, с. 238]:

. (7)

Соотношение справедливо в области

.