Министерство образования Российской Федерации
Российский государственный университет
нефти и газа им. И.М. Губкина
С.М. Купцов, А.Ф. КАЛИНИН
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ
вынужденной конвекции»
Москва 2003
Министерство образования Российской Федерации
Российский государственный университет
нефти и газа им. И.М. Губкина
________________________________________________________________
Кафедра термодинамики и тепловых двигателей
С.М. Купцов, А.Ф. Калинин
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ
ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ»
Методические указания к лабораторной работе по курсам «Термодинамика» и «Теплотехника»
для студентов специальностей: 072000, 090600, 090700, 090900, 120100, 120500, 120600, 170200, 171700, 250100, 250400, 320700, 330500
Под редакцией проф. Б. П. Поршакова
Москва 2003
УДК 536.24
Купцов С.М., Калинин А.Ф. Лабораторная работа «Исследование теплоотдачи при вынужденной конвекции»: Методические указания к лабораторной работе по курсам «Термодинамика» и «Теплотехника». – М.: РГУ нефти и газа, 2003. - 23 с.
Излагаются основы конвективного теплообмена. Даны уравнения подобия теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубе.
Представлена схема лабораторной установки для исследования теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в прямой трубе круглого сечения. Изложена методика проведения лабораторной работы и обработки опытных данных.
Для контроля знаний студентов предложены вопросы.
Рецензент – доц., к.т.н. К. Х. Шотиди
© Российский государственный университет нефти и газа
им. И.М. Губкина, 2003
Цель лабораторной работы: изучение теплоотдачи при вынужденном движении жидкости в трубе.
Содержание лабораторной работы: экспериментальное определение значений среднего и местных коэффициентов теплоотдачи.
Теоретическая часть
Самопроизвольный необратимый процесс передачи теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры называется теплообменом. Теория теплообмена или теплопередача – это наука, изучающая процессы и законы передачи теплоты. Перенос теплоты представляет собой процесс обмена внутренней энергией между рассматриваемыми элементами и системами тел. Теплообмен между телами возможен лишь при наличии разности температур между ними.
Передача теплоты осуществляется различными способами. Различают три основных формы: теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.
Теплопроводность – процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении различных тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры.
Конвекция – процесс передачи теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос энергии неразрывно связан с перемещением самой среды.
Тепловое излучение – это процесс передачи энергии путем электромагнитных волн. Теплообмен излучением представляет процесс последовательного превращения внутренней энергии одного тела в энергию излучения, распространения ее в пространстве и превращения энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела.
В природе и технике элементарные процессы передачи теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – очень часто происходят совместно.
Конвективный теплообмен
Различают свободную и вынужденную конвекцию. При свободной конвекции движение жидкости или газа (далее жидкости) возникает вследствие неоднородного распределения массовых сил. Чаще всего в качестве массовой силы рассматривается сила тяжести. Поэтому движение жидкости вызывается разностью плотности неравномерно нагретых объемов жидкости.
Движение жидкости при вынужденной конвекции обусловлено неравномерным распределением поверхностных сил. Неравномерное распределение поверхностных сил определяется перепадом давления вызываемого работой насоса, компрессора или ветром.
При перемещении частицы жидкости с различной температурой соприкасаются и между ними происходит передача теплоты теплопроводностью. Такой вид теплообмена, в котором теплота передается теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между текучей средой и поверхностью твердого тела называют конвективной теплоотдачей, или просто теплоотдачей.
Закон Ньютона - Рихмана
Основной закон теплоотдачи – закон Ньютона - Рихмана. Тепловой поток Q, передаваемый теплоотдачей прямо пропорционален разности температур между жидкостью tж и поверхностью твердого тела tc и площади поверхности твердого тела F:
Q = (tж – tc )F, или Q = ( tc – tж )F , (1)
где – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К).
Для плотности теплового потока закон Ньютона – Рихмана принимает вид:
q =
= (tж
– tc
), или q
= (
tc
– tж ).
(2)
Индексы «с» и «ж» соответствуют поверхности твердого тела и жидкости (газа).
Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена на границе твердое тело – жидкость. Физический смысл коэффициента теплоотдачи – количество теплоты, переданное в единицу времени через единицу площади поверхности при разности температур жидкости и поверхности твердого тела в один градус (1 К или 1 оС).
Величина
обратная коэффициенту теплоотдачи
называется термическим сопротивлением
передачи теплоты теплоотдачей.
Теплообмен на границе твердое тело – жидкость описывается граничными условиями III рода или дифференциальным уравнением теплоотдачи:
– 
=
(
tc
– tж ),
(3)
где – коэффициент теплопроводности текучей среды в пограничном слое.
Коэффициент теплоотдачи зависит от большого числа параметров и не является постоянной величиной. Различают средний и местный коэффициент теплоотдачи. Значения среднего коэффициента теплоотдачи определяются при усреднении температур стенки поверхности твердого тела и потока жидкости:
=
.
(4)
Значения местного коэффициента теплоотдачи х определяются в конкретных сечениях потока:
х
=
,
(5)
где qх – плотность теплового потока от поверхности твердого тела к потоку жидкости в заданном сечении х; tс,х , tж,х – температуры стенки и жидкости в заданном сечении.
Значения коэффициента теплоотдачи определяются опытным и расчетным способами. Обычно значения коэффициента теплоотдачи определяются расчетным способом из уравнений подобия конвективного теплообмена. В расчетных уравнениях конвективного теплообмена наибольшее применение получили следующие безразмерные комплексы (критерии или числа) подобия: Нуссельта Nu, Рейнольдса Re, Прандтля Pr и Грасгофа Gr.