Контрольные вопросы

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

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

3. Как изменяется локальный коэффициент теплоотдачи _φ по окружности горизонтальной трубы?

4. Какой вид имеет уравнение подобия при естественной конвекции около горизонтальной трубы? Что характеризуют числа подобия, входящие в это уравнение?

5. Почему изменение наружного диаметра горизонтальной трубы приводит к изменению среднего коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции?

6. Как ведется расчет теплоотдачи при свободной конвекции около горизонтальных плит?

Лабораторная работа № 3 Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции около вертикального цилиндра

Цель работы: экспериментальное определение средних и локальных коэффициентов теплоотдачи вдоль вертикальной поверхности при стационарной естественной конвекции. Обобщение результатов исследований в виде уравнений подобия с последующим сопоставлением с теоретическими формулами.

Основы теории

При свободном движении жидкости в пограничном слое около вертикальной плоской стенки (трубы) температура жидкости изменяется от до, а скорость от нуля у стенки проходит через максимум прии на большом расстоянии от стенки снова становится равной нулю (см. рис. 8а) /2/. Свободное движение около нагретой вертикальной плиты начинается около её нижней поверхности, где образуется тонкий ламинарный слой теплоносителя и локальный коэффициент теплоотдачиимеет максимальное значение. Вначале толщина слояδ мала и течение жидкости в нём носит струйный, ламинарный характер. По мере подъёма, толщина слоя и скорость движения теплоносителя увеличиваются, и при определённом её значении течение становится турбулентным с отрывом вихрей от стенки (см. рис. 8б). С изменением характера движения изменяется и теплоотдача.

На начальном участке вследствие увеличения δ локальный коэффициент теплоотдачи убывает, при появлении переходного режиманачинает резко возрастать и при установившемся турбулентном режиме остаётся постоянным по высоте.

Закономерность средней теплоотдачи для вертикальных поверхностей (трубы, пластины) имеет вид /2/:

- при 10³< (Gr_жh·Pr_ж) < 10⁹ (ламинарный режим)

Nu_жh = 0,76·(Gr_жh·Pr_ж)^0,25·(Pr_ж /Pr_ст )^0,25; (3.1)

- при (Gr_жh·Pr_ж) > 10⁹ (турбулентный режим)

Nu_жh = 0,15·(Gr_жh·Pr_ж)^0,33·(Pr_ж /Pr_ст )^0,25. (3.2)

а) б)

Рис. 8: а) Изменение температуры t_ж и скорости W по толщине пограничного слоя; б) Изменение коэффициента теплоотдачи по высоте вертикальной поверхности при свободном движении среды вдоль нагретой вертикальной пластины (трубы)

Для газов Pr =const и Pr_ж /Pr_ст = 1, поэтому приведенные выше формулы (3.1), (3.2) упрощаются /2/

- при 10³< (Gr_жh·Pr_ж) < 10⁹ (ламинарный режим)

Nu_жh = 0,76·(Gr_жh·Pr_ж)^0,2 , (3.3)

- при (Gr_жh·Pr_ж) > 10⁹ (турбулентный режим)

Nu_жh = 0,15·(Gr_жh·Pr_ж)^0,33. (3.4)

В формулах (3.1-3.4) в качестве определяющего размера принята высота стенки (длина трубы) h, в качестве определяющей температуры – температура окружа­ющей среды t_ж. Средний по высоте коэффициент теплоотдачи определяется

 = Nu_жh·_ж / h. (3.5)

Количество передаваемой теплоты при стационарной естественной конвекции около вертикальной поверхности Q и плотность теплового потока q определяются по уравнениям (2.1) и (2.4) соответственно.