5.4. Контрольные вопросы

1) Каков физический смысл и размерность коэффициента теплоотдачи?

2) Что такое «определяющая температура» и «определяющий размер»?

3) Для чего и как составляются критериальные уравнения?

Лабораторная работа 6

ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА на горизонтальном трубопроводе

Цель работы: изучить процессы теплообмена при свободной и вы-нужденной конвекции на горизонтальном трубопроводе, экспериментально определить коэффициенты теплоотдачи и сравнить их с вычисленными по критериальным уравнениям.

6.1. Основные теоретические положения

При знании величины мощности теплового потока Q в теплообмене поверхности с обтекающей ее средой можно определить коэффициент теплоотдачи  из уравнения Ньютона-Рихмана:

, (98)

где F – поверхность, участвующая в теплообмене;

–средний температурный напор.

В условиях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровод контактирует с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны – естественной конвекции. Обозначим мощность теплового потока при вынужденной конвекции Q₁, при естественной конвекции – Q₂ и коэффициенты теплоотдачи ₁ и ₂ соответственно.

21

Введем следующие обозначения: F_вн – внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при вынужденной конвекции; F_нар – наружная поверхность трубопровода, обменивающаяся теплом с окружающей средой в процессе естественной конвекции; – температурный напор со стороны внутренней поверхности;– температурный напор со стороны наружной поверхности трубопровода.

Таким образом, в опыте должны быть определены Q₁ и Q₂, ипри заданныхF_вн и F_нар. В таком случае опытным путем можно определить значения и, которые затем необходимо сравнить со значениямии, полученными из критериальных уравнений, соответствующих характеру теплообмена.

Электрический ток при прохождении по трубе совершает работу, которая полностью переходит в тепло Q_э. В таком случае уравнение первого закона термодинамики, как частный случай закона сохранения энергии, имеет вид:

Q_э = Q₁ + Q₂ + Q₃, (99)

где Q₁ – мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы;

Q₂ – мощность теплового потока, переданная воздуху, окружающему трубу;

Q₃ – мощность теплового потока, затраченная на нагрев (охлаждение) трубы.

Тепловой поток Q₃ имеет место только при нестационарном режиме работы установки, а при достижении стационарного режима, когда температура трубы t_тр = const, Q₃ равно нулю и уравнение (99) упрощается:

Q_э = Q₁ + Q₂. (100)

Мощность теплового потока Q₁, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы, может быть вычислена по уравнению первого закона термодинамики для участка от сечения I – I до сечения II – II (рис. 9), Вт:

. (101)

22

Тогда

; (102)

, (103)

где F_вн = 0,352 м² – внутренняя поверхность трубы;

F_нар = 0,386 м²– наружная поверхность трубы;

–средний температурный напор при вынужденной конвекции, С;

–средний температурный напор при естественной кон-векции, С;

t₁, t₂ – температура воздуха на входе и выходе из трубы соответственно, С;

t_окр – температура окружающей среды, С.

Рис. 9. Схема лабораторной установки

23

Для расчета средних значений коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене в воздушной среде рекомендуются применять формулы на основе критериальных уравнений.

Так, для расчета среднего значения критерия Нуссельта конвективного теплообмена потока воздуха в трубах используются уравнения:

для ламинарного режима (Re < 2000) –

; (104)

для развитого турбулентного режима (Re > 10000) –

, (105)

где – средний критерий Нуссельта;

–критерий Рейнольдса;

–критерий Прандтля.

Для горизонтальных труб при естественной конвекции в неограниченном пространстве в диапазоне изменения GrPr от 10³ – до 10⁸

, (106)

где – средний критерий Нуссельта;

–критерий Грасгофа;

–критерий Прандтля.

24