Контрольные вопросы

1. Какой вид теплообмена называется конвективным? Чем различаются теплообмен при вынужденной и свободной конвекции?

2. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Факторы, вли­яющие на него.

3. Какой вид имеет уравнение подобия при естественной конвекции около вертикальной стенки (вертикальной трубы)? Что характеризуют числа подобия, входящие в это уравнение?

4. Как изменяются температура и скорость движения теплоносителя по толщине гидродинамического пограничного слоя около вертикальной стенки?

5. Как изменяется локальный коэффициент теплоотдачи по высоте вертикальной стенки?

6. Метод исключения лучистой составляющей плотности теплового потока при определении α.

7. Объясните методику определения вида уравнения подобия.

Лабораторная работа № 4

Определение коэффициента теплоотдачи при

вынужденном движении воздуха в трубе

Цель работы: экспериментально определить локальные и средние по длине трубы значения коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении воздуха в трубе при разной скорости движения.

Основы теории

Интенсивность конвективного теплообмена при движении теплоносителя в трубе зависит от режима его движения. Различают два основных режима движения жидкости или газа: ламинарный и турбулентный. О режиме движения судят по значению числа Рейнольдса , где-средняя скорость теплоносителя в трубе, м/с. ЕслиRe_жd 2000 течение считается ламинарным, развитое турбулентое течение появляется при Re_жd > 10⁴. При 2000 ≤ Re_жd ≤ 10⁴ режим называют переходным.

Теплоотдача при ламинарном режиме движения

При ламинарном движении теплоносителя (Re_жd  2000) около стенок трубы образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого нарастает непрерывно (см. рис. 11а) /2/.

Рис. 11 Гидродинамическая стабилизация течения жидкости в трубе:

а) ламинарный режим течения; б) турбулентный режим течения

На расстоянии l_Н (длина гидродинамического начального участка) его толщина заполняет всё поперечное сечение. После смыкания гидродинамического слоя устанавливается уже постоянное распределение скоростей. При ламинарном стабилизированном течении скорости потока распределены по параболе (см. рис. 12а) При этом. Параметрl_Н зависит от числа Рейнольдса, состояния входного сечения трубы, среднего температурного напора Δt /2/.

Рис. 12. Распределение скоростей по сечению при ламинарном (а)

и турбулентном (б) режимах движения жидкости в трубе

Рассмотрим теперь, как происходит распределение температуры при ламинарном движении жидкости в трубе (например, когда горячий теплоноситель отдаёт тепло стенкам трубы). Вначале изменение температуры происходит только в тонком слое около поверхности (см. рис.13) /2/.

Рис. 13. Изменение эпюры температур по сечению и длине при движении теплоносителя в трубе

Центральное ядро имеет температуру t₁. У поверхности трубы образуется тепловой подслой, который при координате l_нт≈0,05d∙Re_жd∙Pr (участок термической стабилизации) смыкается и далее в теплообмене участвует весь поток. Далее при движении теплоносителя профиль температур меняется также.

Локальный по длине трубы коэффициент теплоотдачи _х также постоянно снижается на начальном участке трубы x< l_нт, а затем остается неизменным (см. рис. 14) /3/. Таким образом, теплообмен в трубе стабилизируется при x ≥ l_нт.

В связи с переменностью физических параметров при ламинарном течении могут иметь место два режима неизотермического движения: вязкостный и вязкостно-гравитационный.

Рис. 14. Изменение местного и среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы при смешанном течении теплоносителя

При вязкостном режиме силы вязкости преобладают над подъемными силами, т. е. он соответствует течению вязких жидкостей при отсутствии влияния свободной конвекции. Переход к вязкостному режиму имеет место при (Gr_d·Pr)_пс ≤ 8∙10⁹.

Уравнение подобия в этом случае имеет вид /3/

, (4.1)

где-число Пекле, характеризующее соотношение конвективного и молекулярного переносов тепла в потоке (a_пс – коэффициент температуропроводности, м²/с);

и , Па·с - коэффициенты динамической вязкости, определяемые по средней температуре стенки трубыи средней температуре теплоносителя;

- поправка на гидродинамический начальный участок, вводимая для труб, у которых l/d < 50. При l/d ≥ 50 имеем =1.

Определяющим размером в формуле (4.1) является внутренний диаметр трубы - d, м, а определяющей температурой – температура пограничного слоя ⁰С.

В вязкостно-гравитационном режиме течения - силы вязкости и подъемные силы соизмеримы. Вынужденное движение теплоносителя при этом режиме сопровождается естественной конвекцией. Условием перехода к вязкостно-гравитационному режиму является (Gr_d·Pr)_пс > 8∙10⁹. Для определения коэффициента теплоотдачи используется уравнение подобия /2/

Nu_жd = 0,15·Re_жd^0,32·Pr ^0,33·(Gr_жd·Pr_ж)^0,1 (Pr_ж /Pr_ст )^0,25∙. (4.2)

Входящее в уравнение (4.2) число Грасгофа Gr_жd определяется по формуле (2.5) с подстановкой в качестве характерного размера внутреннего диаметра трубы d. Определяющей температурой является средняя температура теплоносителя .