Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Водоснабжение и водоотведение»

Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции

Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторной работы

по теории теплообмена

Уфа

2017

Приводится краткий теоретический раздел по теории конвективного теплообмена и современная методика обработки данных. Описана лабораторная установка и представлен необходимый справочный материал.

Предназначено для студентов всех специальностей направления «Строительство» дневной, вечерней и заочной форм обучения.

Составители: Гатауллина А.Р., доцент, к.т.н.

Кулагина О.В., доцент, к.т.н.

Райзер Ю.С., ассистент, к.т.н.

Рецензент: Клявлин М.С., проф., д-р хим. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2017

Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции

1. Цели работы

1. Углубление знаний по теории конвективной теплоотдачи.

2. Изучение методики исследования процесса теплоотдачи в условиях свободного движения среды

3. Освоение одного из методов определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов (метод трубы) и закрепление знаний по теории теплопроводности

4. Получить навыки в обработке опытных данных в критериях подобия.

2. Задание

Определить по предоставленным экспериментальным данным значение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции для горизонтальной трубы и вывести уравнение подобия.

3. Теоретические основы

3.1 Основные понятия

Конвекция – процесс переноса теплоты, происходящий за счет перемещения больших масс (макромасс) вещества в пространстве, поэтому наблюдается только в жидких и газообразных телах. Объемы жидкости или газа, перемещаясь из области с большей температурой в область с меньшей температурой, переносят с собой теплоту. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, т.к. имеет место непосредственное соприкосновение между частицами жидкости, этот совместный процесс называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называется теплоотдачей. Теплоотдача является достаточно сложным процессом и коэффициент теплоотдачи, а зависит от многих факторов, основными из которых являются:

а)      причина возникновения течения жидкости;

б)      режим течения жидкости (ламинарный или турбулентный);

в)      физические свойства жидкости;

г)       форма и размеры теплоотдающей поверхности.

Главной задачей теории конвективной теплоотдачи является определение количества теплоты, которое проходит через поверхность твердого тела, омываемого потоком. Результирующий поток теплоты всегда направлен в сторону уменьшения температуры. Для расчета стационарного теплового потока при теплоотдаче используют формулу Ньютона-Рихмана, согласно которой тепловой поток пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур стенки и жидкости:

(3.1)

где Q - тепловой поток, Вт;

α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·град);

F - поверхность теплообмена, м²;

t_с - температура поверхности теплообмена, °С;

t_ж - температура жидкости, °С.

Коэффициент теплоотдачи можно определить как количество теплоты, отданное (принятое) в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью в один градус.

(3.2)

В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена, поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и локальный коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи имеет следующий порядок для различных условий конвективного теплообмена, Вт/(м² ·град):

свободная конвекция в газах	5…30
свободная конвекция воды	100…1000
вынужденная конвекция газов	10…500
вынужденная конвекция воды	500…20000
кипение воды	2000…40000
пленочная конденсация водяных паров	400... 15000

Современные методы расчета конвективного теплообмена основываются на теории пограничного слоя. Несмотря на свою незначительную по сравнению с характерными размерами тела толщину, пограничный слой играет основную роль в процессах динамического и теплового взаимодействия потока жидкости с поверхностью теплообмена. В непосредственной близости от стенки существует вязкий подслой, где теплота передается только теплопроводностью, коэффициент теплоотдачи при этом может быть вычислен по формуле [2]:

(3.3)

где λ_ж - коэффициент теплопроводности жидкости, омывающей поверхность теплообмена, Вт/(м·град);

δ_Т - толщина теплового пограничного слоя, м.

Теплоотдача является достаточно сложным процессом и коэффициент теплоотдачи, а зависит от многих факторов, основными из которых являются:

а)      причина возникновения течения жидкости;

б)      режим течения жидкости (ламинарный или турбулентный);

в)      физические свойства жидкости;

г)       форма и размеры теплоотдающей поверхности.

Чтобы интенсифицировать теплоотдачу, необходимо использовать жидкости с высокой теплопроводностью и принять меры к уменьшению толщины пограничного слоя.

Конвективный перенос может осуществляться в результате свободного или вынужденного движения теплоносителя. Свободное движение или естественная конвекция вызывается действием массовых (объемных) сил: гравитационной, центробежной, за счет протекания в объеме жидкости электрического тока. В приближении сплошной среды под жидкостью мы понимаем любую текучую среду (то, что отлично от твердого тела). Чаще всего в технических устройствах естественная конвекция вызывается подъемной силой, обусловленной разностью плотностей холодных и нагретых частей жидкости. Возникновение и интенсивность свободного движения определяется тепловыми условиями процесса и зависит от рода жидкости, разности температур и объема пространства, в котором происходит конвекция. Вынужденная конвекция вызывается работой внешних агрегатов (насос, вентилятор). Движущая сила при этом непосредственно связана с разностью давлений на входе и выходе из канала, по которому перемещается жидкость. Свободное движение называется также естественной конвекцией.

Процесс естественной конвекции возникает из-за различия плотностей холодного и горячего теплоносителей. Для большинства теплоносителей в том интервале температур, который обычно встречается на практике, зависимость плотности от температуры с достаточным приближением может рассматриваться как линейная. Так, если вдали от нагретого тела температура теплоносителя составляет t_ж, а в некоторой точке около поверхности равна t, то соответствующие значения плотности ρ_ж, ρ связаны уравнением

(3.4)

где β - коэффициент объемного расширения среды.

Так как ρ<ρ_ж, то на частицы нагретой жидкости, имеющей температуру t, действует подъемная архимедова сила, равная

(3.5)

Эта сила и вызывает конвективное движение среды. Из этого выражения следует, что подъемная сила будет тем больше, чем выше значения напряженности гравитационного поля g, коэффициент объемного расширения β и температурного перепада Δt.

Характерная картина свободного движения вдоль нагретой вертикальной (а) и горизонтальной (б) труб показана на рис. 1.

Рис. 1

Вначале толщина движущегося вдоль поверхности нагретого слоя жидкости мала и течение носит ламинарный характер. Постепенно в движение увлекается все большее количество жидкости, толщина ламинарного слоя растет, затем он разрушается и возникает турбулентный режим течения (возникают вихри). В области ламинарного течения коэффициент теплоотдачи уменьшается с увеличением толщины слоя движущейся жидкости, а в области турбулентного течения резко возрастает и далее по высоте стенки сохраняется постоянным.