4.6. Похибка експериментального визначення коефіцієнта конвективної тепловіддачі за вільним рухом повітря.

Приклад розрахунку.

Для прикладу візьмемо данні вимірювань та значення їх абсолютних похибок:

W = 70 Вт, ΔW = 0,5 Вт;

 = 0,40, Δ = 0,1;

Відносна похибка сталої Стефана  Больцмана:

 = 5/5670 = 0,001;

d = 50 мм, Δd = 0,2 мм;

L = 473 мм, ΔL=1 мм;

t_c=97 ^оС, t_n=17 ^оС, Δt_п=0,5 К.

Площа зовнішньої поверхні труби та відносна похибка для площі дорівнюють:

Значення теплових потоків за рахунок випромінювання Q_пр та конвекції Q_к:

Абсолютні та відносні похибки дорівнюють:

Розрахункове значення коефіцієнта тепловіддачі та абсолютну і відносну його похибки визначають з наступних рівнянь:

Значення коефіцієнта тепловіддачі дорівнює:

4.7. Контрольні запитання

1. Що таке тепловіддача, види тепловіддачі?

2. Які існують види руху теплоносіїв?

3. Режими руху теплоносіїв та їх визначення.

4. Рівняння Ньютона для конвективної тепловіддачі. Пояснити усі величини, що входять до рівняння. Які фактори впливають на коефіцієнт конвективної тепловіддачі?

5. Рівняння подібності, що описує теплообмін за вільного руху теплоносіїв. Який фізичний зміст чисел подібності, що входять до рівняння?

6. Що таке визначальні температура та лінійний розмір?

7. Основні елементи лабораторної установки та їх призначення.

8. У якій послідовності виконується лабораторна робота та опрацювання дослідних даних?

9. Графічне опрацювання дослідних даних.

Лабораторна робота № 5 тепловіддача під час вимушеного поперечного обтікання поодинокого циліндра

5.1. Мета роботи: вивчення основних факторів, що впливають на інтенсивність тепловіддачі за умов поперечного обтікання циліндра; практику вимірювання та регулювання гідродинамічних та теплових параметрів; засвоїти механізм поперечного обтікання циліндра повітрям та тепловіддачі в цих умовах; одержати рівняння подібності.

5.2. Теоретичні положення

Коефіцієнт тепловіддачі за умов вимушеного руху газового середовища, або краплинної рідини, значно вищий, ніж під час вільної конвекції (див. лабораторну роботу №4), тому більшість теплоенергетичних та теплотехнологічних процесів відбувається саме в умовах вимушеної конвекції тепло- та холодоносіїв.

Розглядають конвекцію всередині труб, теплообмінних апаратів, воздуховодів, всередині приміщень як внутрішню задачу, та навколо поверхонь гладких та оребрених труб всередині апаратів, парових та водогрійних котлів, зовні будівель як зовнішню задачу. В лабораторній роботі розглядається зовнішня задача за умов вимушеного омивання повітрям вертикальної труби, розташованої в аеродинамічному контурі.

Для зовнішньої задачі гідродинамічну подібність потоків встановлюють за числом Рейнольдса, яке характеризує інтенсивність руху і виражає співвідношення між інерційними силами у потоці і силами міжмолекулярного тертя

(5.1)

де w ― середня швидкість потоку повітря, що набігає на циліндр в аеродинамічному контурі, м/с;  ― коефіцієнт кінематичної в'язкості повітря за межами пристінного шару, м²/с; визначальний лінійний розмір для круглих труб це зовнішній діаметр труби d_з, м; для не круглих за перерізом труб потрібно визначити еквівалентний діаметр d_екв= 4f/Р, м, де f ― площа поперечного перерізу труби, м²; Р ― периметр труби, м.

Обтікання циліндра може відбуватися під різними кутами атаки (кут між вектором набігаючого потоку та стінкою циліндра) і найбільше значення  маємо при 90^о тобто при поперечному обтіканні.

На рис 5.1, а, б, в показані фотографії збурення потоку повітря при омиванні циліндра в діапазоні можливих значення числа Rе при обтіканні циліндра в лабораторній роботі. Характерною особливістю поперечного обтікання циліндру є відривання граничного шару з утворенням вихрової течії в кормовій зоні, яке починається вже з числа Re>5. Пристінний шар починає формуватись у лобовій точці А ― спочатку ламінарний, потім вихровий, а на якомусь куті φ в точці С шар відривається від стінки, створюючи біля кормової точки В циркуляційну вихрову зону, в якій вихор витягується та відривається і виноситься потоком, створюючи за циліндром вихрову доріжку. Із збільшенням швидкості частота відриву зростає та в області приблизно Re=10³…210⁵ для рідини стає постійною величиною. На фотографіях видно як незначно в межах кута =85…95^о відбувається зміщується відрив вихору (точка С ) за напрямком повітряного потоку при зростанні швидкості в області Re=210³, 10⁴ , 1,510⁴. Це пов’язано з меншою густиною та кінематичною в’язкістю у повітря, відповідно

з меншим перепадом тиску в кормовій зоні циліндру (точка В) під дією якого виникають зворотні течії і утворюється вихор.

Відповідно до такої картини обтікання змінюється місцевий (локальний) коефіцієнт тепловіддачі по колу труби. В лобовій точці коефіцієнт тепловіддачі найбільший, з збільшенням товщини граничного шару  зменшується та найменше значення має в точці відриву потоку. На ділянці вихрової зони відбувається збільшення коефіцієнту тепловіддачі.

Для розрахунку при поперечному обтіканні повітрям поодинокого циліндра використовують рівняння подібності запропоноване А.Жукаускасом [10]

за 10³< Re <210⁵ Nu = 0,25Rе^0,6 Pr^0,38 (Pr/Pr)^0,25. (5.2)

Як і в умовах вільної конвекції (див. лабораторну роботу № 4), теплота відводиться у навколишнє середовище за рахунок конвекції та випромінювання, але оскільки коефіцієнт конвективної тепловіддачі ― _к тут на порядок вищий, значення тепловіддачі за рахунок теплового випромінювання ― _пр становить меншу частину від _, тому ним дуже часто, хоча і безпідставно, нехтують у практичних обчисленнях.