Часть 2 Основы теплопередачи

В зависимости от условий на входе на начальном участке трубы может иметь место ламинарное или турбулентное течение жидкости.

При ламинарном течении (число Рейнольдса меньше некоторого критического значения, Re < Reкр) на начальном участке профиль скоростей на входе (при х=0) постепенно, по мере формирования пограничного слоя, принимает и в дальнейшем сохраняет форму параболы. Длину начального участка гидродинамической стабилизации lнач трубы диаметром d при ламинарном течении можно определить

lнач =150 d. При турбулентном течении (Re > Reкр) на начальном участке профиль скоростей под воздействием сил трения трансформируется: в пристенной области он имеет параболическую форму – здесь происходит ламинарное течение (ламинарный подслой), а в ядре потока – плоскую форму (здесь сохраняется турбулентное течение жидкости). Длина начального участка lнач. трубы при турбулентном течении по экспериментальным данным составляет lнач. = 25÷40 d (рис. 1а).

Течение в трубе, когда поле скоростей практически не зависит от характера распределения скоростей на входе, называется начальным участком гидродинамической стабилизации lн.г.

От характера формирования гидродинамического пограничного слоя зависит формирование теплового пограничного слоя, в котором устанавливается поле температур.

Сразу после входа жидкости в трубу теплообмен может происходить только в тонком слое у ее внутренней поверхности. Здесь ядро потока не участвует в теплообмене. По мере удаления жидкости от входа в трубу ядро теряет (или получает) теплоту, и поэтому температура на ее периферии уменьшается (или увеличивается), а толщина теплового пограничного слоя растет.

Участок течения в трубе, на котором поле температур зависит от условий на входе и на котором происходит нарастание пограничного слоя до заполнения поперечного сечения трубы, называют начальным участком тепловой стабилизации lт.нач. За этим участком течение жидкости становится стабилизированным и коэффициент теплоотдачи не изменяется (рис. 1 б).

В зависимости от конкретных условий ламинарный пограничный слой на начальном участке может перейти в турбулентный. Соответственно в этом случае режим течения в трубе будет турбулентным с

- 163 -

мической и тепловой стабилизации, после которого коэффициент теплоотдачи остается неизменным. Уравнения подобия, рекомендуемые для расчета коэффициента теплоотдачи , справедливы для стабилизированного теплообмена, наступающего за начальным участком гидродинамической и тепловой стабилизации. Поэтому при расчетах теплообменных аппаратов надо учитывать влияние изменения =f (x/l) на начальном участке трубы на средний коэффициент теплоотдачи по всей длине трубы. Турбулентное течение жидкости или газа в трубе может иметь место при значениях числа Рейнольдса Re>104.

Основные положения теории подобия явлений конвективного теплообмена см. в лабораторных работах №№ 1, 2.

Описание экспериментальной установки

а

- 165 -

напряжения VII (ЛАТР) соединена о сетью переменного тока через выключатель XII. Напряжение на концах опытной трубки измеряется цифровым вольтметром X в В. Для измерения температуры воздуха на выходе из трубки в выходной камере III установлена термопара 11. Температуры стенки трубки в различных ее сечениях по длине измеряются с помощью хромель-алюмелевых термопар 110, горячие спаи которых имеют один общий холодный спай 0, помещенный во входную камеру II. Таким образом измерение температуры наружной поверхности стенки трубки и температура воздуха на выходе из камеры III производится относительно температуры воздуха, поступающего во входную камеру II. Поэтому цифровой вольтметр X фиксирует ЭДС

тура воздуха на выходе из камеры III. е, mv – показания милливольтметра в положениях переключателя термопар 1 10 и 11. Так как ЭДС хромель-алюмелевых термопар изменяется линейно в зависимости от температуры то показания прибора (е, mv)·умножаются на коэффициент 25. Температуру внутренней поверхности трубки с малой погрешностью можно принять равной температуре наружной поверхности ввиду малой толщины стенки трубки (tсв = tсн). Координаты горячих спаев термопар, приваренных к наружной поверхности трубки, отсчитываемые от входного сечения, приведены в табл. 2. Последовательное подключение всех термопар к цифровому вольтметру Х осуществляется переключателем термопар VIII типа ПМТ-2.

- 167 -

Характер изменения температур внутренней поверхности трубки и воздуха, протекающего внутри нее, в зависимости от отно-

по длине трубки.

Рис. 3. Изменения температур внутренней поверхности трубки и воздуха, протекающего внутри нее

На рис. 3 tжх – температуры воздуха в сечениях трубы 110, рассчитываются по уравнению (6).

Схема движения воздуха и формирование теплового пограничного слоя изображены на рис. 1а.

- 168 -

Порядок выполнения работы

1. Перед включением установки убедиться, что ручка регулятора напряжения VII выведена по часовой стрелке до упора, ручка переключателя IX находится в положении «Uтp» и род измеряемой прибором X величины – в положении «~» (переменный ток).

2. Включить цифровой измерительный прибор X для его прогрева в течение 5 мин (не менее).

3. В соответствии с вариантом задания по ротаметру установить расход воздуха П по положению поплавка в делениях.

4.Включить установку (переключатель XII).

5.Установить напряжение на трубке регулятором напряжения VII в соответствии с вариантом задания.

6.Перевести переключатель IX в положение «ЭДС», род измеряемой прибором X величины – в положение «=» (постоянный ток), переключатель термопар VIII – в положение 11.

7.Построить график стационарности (рис. 4). Для этого через

пары 11). При установлении неизменности показаний прибора в течение 6 мин (то есть при наступлении стационарного режима) произвести измерения ЭДС термопар 1–11, устанавливая переключатель VIII в соответствующее положение (1–11).

Рис. 4. График стационарности (образец)

- 169 -

8. Измеренные величины занести в табл. 3.

9. Провести опыт при втором тепловом режиме в соответствии с заданием.

Обработка опытных данных

1. Для каждого опыта требуется вычислить коэффициент теплоотдачи в десяти сечениях трубы по формуле

этом полагая, что местная и средняя плотности теплового потока приблизительно одинаковы. Поэтому

- 170 -