Исследование естественной конвекции на горизонтальных трубах (90

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра промышленной теплоэнергетики

ИССЛЕДОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ НА

ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

по дисциплине

«Тепломассообмен»

В.Я Губарев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев

Липецк Липецкий государственный технический университет

2016

УДК 621.036 (07)

Г93

Рецензент – канд. техн. наук, доц. Т.Г. Мануковская

Губарев В.Я.

Г93 Исследование естественной конвекции на горизонтальных трубах [Текст]:

метод. указания к лабораторной работе по дисциплине «Тепломассооб-

мен» / В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев. – Липецк: Изд-во Ли-

пецкого государственного технического университета, 2016. – 17 с.

Вметодических указаниях предложена методика экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции.

Методические указания предназначены для студентов 3-го курса направ-

ления «Теплоэнергетика и теплотехника» для выполнения лабораторной рабо-

ты по дисциплине «Тепломассообмен».

Табл.3. Ил.2. Прил.1. Библиогр.: 3 назв.

© ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2016

2

3

1. Общие положения

Конвекция – это процесс передачи тепла за счет перемещения конечных частиц вещества (макрочастиц). Она наиболее характерна при теплообмене в потоке жидкости или газа, где перенос тепла неразрывно связан с переносом массы (конвективный тепломассообмен). Конвективный теплообмен между по-

током жидкости или газа и поверхностью твердого тела называется теплоотда-

чей.

Основой для практических расчетов конвективного теплообмена является

закон Ньютона – Рихмана

среды tс (например, воздуха). Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом теплоотдачи конвекцией, по физическому смыслу он характе-

ризует интенсивность процесса теплоотдачи.

Закон Ньютона – Рихмана имеет простой вид, однако трудности инже-

нерных расчетов заключаются в определении коэффициента теплоотдачи α, ко-

торый зависит от скорости движения среды, её температуры, физических свойств, от формы, размеров поверхности и других величин.

По-разному протекает процесс теплоотдачи в зависимости от природы возникновения движения жидкости или газа, поэтому конвекцию разделяют на вынужденную и свободную (или естественную).

При свободной конвекции жидкость или газ движутся под действием подъемных сил, возникающих за счет разности плотности горячих и холодных частиц. Соотношение плотностей 0 1 T , откуда 0 T . Следовательно, возникновение свободной конвекции определяется тепловыми условиями процесса и зависит от разности температур Т. Здесь 1T - ко-

эффициент объемного расширения, К-1.

4

Свободная конвекция часто встречается на практике и возникает, напри-

мер, около отопительных приборов, нагретых вертикальных и горизонтальных плит, горизонтальных цилиндров и других поверхностей. Большое практиче-

ское значение имеет теплоотдача от горизонтальных круглых труб, из которых компонуются поверхности во многих теплообменных аппаратах.

Если температура поверхности трубы выше температуры окружающего воздуха, то происходит нагрев частиц воздуха, прилегающих к поверхности трубы. Нагретые частицы вследствие уменьшения плотности поднимаются вверх, а на их место поступают более холодные частицы воздуха и т.д. Когда это естественное движение возникает в большом объеме, то оно обладает свой-

ствами, характерными для пограничного слоя, что особенно отчетливо прояв-

ляется у жидкостей или газов с малой теплопроводностью и вязкостью (напри-

мер: вода, воздух и др.)

Величина коэффициента α определяется, главным образом, толщиной и свойствами пограничного слоя, который в свою очередь зависит от основных физических свойств среды и от температуры. При прочих равных условиях, чем больше диаметр трубы, тем вероятнее разрушение ламинарного течения по окружности трубы.

Процессы конвективного теплообмена описываются сложной системой дифференциальных уравнений, аналитическое решение их весьма затрудни-

тельно.

Экспериментальное определение коэффициента α проводится для каких-

то конкретных условий, весьма ограниченных. Чтобы полученные опытные данные можно было использовать при практических расчетах других сход-

ственных явлений, применяют теорию подобия, которая позволяет обобщить полученные результаты экспериментов.

После приведения дифференциальных уравнений к безразмерному виду их решение представляют в виде зависимости между безразмерными критерия-

ми подобия. Для случая свободной конвекции критериальное решение выража-

ется зависимостью вида N u f ( G r , P r ) .

5

В инженерной практике связь между критериями подобия обычно пред-

ставляют в виде степенных зависимостей, так как они являются наиболее про-

стыми и удобными функциями. На основании обобщения многих опытов ака-

демик Михеев предложил для свободной конвекции критериальное уравнение вида

N u c (G r P r ) n .

Здесь с и n – численные коэффициенты, значение которых определяется при обработке опытных данных;

на границе раздела твердой поверхности и среды или соотношение интенсивно-

сти теплоотдачи конвекцией (α) и теплопроводностью (λ/l);

λ – коэффициент теплопроводности жидкости или газа, Вт/(м ∙ К);

подъемными силами ( g l 3 t ) и силами вязкости (ν); g – ускорение силы тяжести, м/с2;

ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

t = tп - tс – температурный напор между твердой поверхностью и окружающей средой, К;

P r = a - коэффициент Прандтля, характеризующий физические свойства жидкости или газа;

a – коэффициент температуропроводности, м2/с.

Для газов величина критерия Прандтля изменяется незначительно, т.е. Pr

≈ const, поэтому при теплоотдаче от стенки к воздуху критериальное уравнение упрощается

6

Если результаты экспериментальных исследований представить в виде критериальной зависимости (2) и определить численные значения коэффициен-

тов с и n, то это критериальное уравнение может использоваться в дальнейшем для расчетного определения коэффициента теплоотдачи α в других подобных случаях.

Цель работы: ознакомление с методикой экспериментального исследо-

вания теплоотдачи при свободной конвекции и обработки опытных данных с помощью теории подобия.

2. Приборы и оборудование

Для проведения экспериментального исследования необходимы соответ-

ствующие приборы и оборудование. Схема лабораторной установки представ-

лена на рис. 1. Основными элементами установки являются две горизонтальные медные трубы 1 и 2 с наружными диаметрами соответственно 28 и 45 мм. Дли-

на активного участка труб равна 1 м. Внутри труб расположены спиральные проволочные электронагреватели 3. Мощность электронагреватей контролиру-

ется с помощью амперметра 4 и вольтметра 5. Температуры поверхности труб регулируют путем изменения напряжения на электронагревателях с помощью блока управления 6. Измеряются температуры с помощью термопар 7, подклю-

ченных к переключателю 8. Переключатель соединен с измерителем темпера-

туры 9, который показывает температуру поверхности трубы.

3. Порядок проведения работы

Лабораторную установку включают в электрическую сеть. С помощью блока управления устанавливают начальную величину силы тока, проходящего через электронагреватели (примерно 0,4 – 0,6 А) и разогревают установку.

7

8

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Коэффициент теплоотдачи α и основные физические параметры суще-

ственно зависят от температуры, поэтому измерения во время проведения опы-

тов должны производиться лишь в условиях стационарного теплового режима,

т.е. установившегося во времени теплового состояния.

При проведении опыта через небольшие промежутки времени (3-5 мин)

периодически контролируют показания измерителя до установления стацио-

нарного теплового режима, признаком которого является неизменная во време-

ни температура поверхности труб и, следовательно, неизменные показания из-

мерителя.

В условиях установившегося стационарного режима фиксируют показа-

ния измерителя, а также записывают показания всех измерительных приборов.

После этого изменяют режим, увеличив силу тока на 0,2 – 0,3 А, и проводят второй опыт, затем еще раз изменив силу тока на 0,2 – 0,3 А, аналогично про-

водят третий опыт.

В соответствии с показаниями измерителя определяют температуру по-

верхности труб tп в трех точках по длине труб, после чего находят среднее зна-

чение tп ср. Результаты всех измерений заносят в журнал наблюдений (табл. 1).

Для уменьшения доли теплоотдачи излучением при проведении опытов реко-

мендуется температура поверхности труб, не превышающая 100 °С.

9

4. Указания по технике безопасности

При проведении лабораторной работы необходимо соблюдать следующие

правила:

1)приступать к выполнению лабораторной работы разрешается только после прохождения инструктажа по технике безопасности;

2)выполнять лабораторную работу можно только в присутствии лаборан-

та;

3) запрещается самостоятельно включать и выключать установку.

5. Обработка результатов

Обработка результатов начинается с первичного анализа полученных опытных данных для определения коэффициента теплоотдачи α. В общем слу-

чае тепло от поверхности труб в окружающую среду может передаваться кон-

векцией и излучением (лучеиспусканием), поэтому суммарный тепловой поток складывается из конвективного (Qк) и лучистого (Qл) потоков: Q∑ = Qк + Qл.

Величина суммарного теплового потока находится из условия, что все тепло, выделяемое на электронагревателях, полностью передается окружающей среде, тогда Q∑ = I ∙ U, Вт.

Тепловой поток, передаваемый поверхностью трубы излучением, вычис-

ляется по формуле: Qл = qл ∙ F, Вт. Здесь qл – плотность лучистого теплового потока, может быть определена по закону Стефана-Больцмана

где С0=5,7 Вт/(м2 ∙ К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε=0,04-0,06 – степень черноты наружной поверхности труб (окисленная медь).

Поверхность теплообмена каждой трубы определяется по выражению

F d la , где la – активная длина трубы, равная 1 м.

10