Лабораторна робота №3

Тепловіддача горизонтальної трубки при вільному русі повітря

Мета роботи - закріпити знання з теорії конвективного теплообмі­ну при вільному русі рідини /природної конвекції/; ознайомитися з ме­тодикою експериментального дослідження середньої характеристики про­цесу, набути навичок проведення дослідів те інтерпретації їх резуль­татів; засвоїти такі ключові поняття: вільний рух рідини, тепловий потік, густина теплового потоку, коефіцієнт тепловіддачі як міра інтенсивності конвективного теплообміну, температурний напір, тепло­фізичні властивості рідин.

Завдання

1. У процесі виконання експерименту визначити середні коефіцієн­ти тепловіддачі при вільному русі повітря біля горизонтальної труби залежно від температурного напору “стінка труби - навколишнє повітря”.

2. Розраховувати повну похибку α експериментального визначення в лабораторній роботі.

3. Визначити коефіцієнт тепловіддачі, використовуючи узагальнену критеріальну формулу за умов експерименту та порівняти за графіком отримані результати з дослідними даними.

. 4. На підставі виконаної роботи скласти звіт, який включав; про­токол спостережень, схему експериментальної установки, результати розрахунків за експериментальними даними та за критеріальними рівнями , розрахунок похибок.

2. Фізичні основи та формули дій розрахунку середнього коефіцієнта тепловіддачі при вільнії конвекції

Вільний називається рух рідини /газу, крапельної рідини/ під впливом неоднорідного поля масових сил, які прикладаються.до її час­тинок. Масові сили можуть бути обумовлені зовнішніш полями: гравіта­ційним, магнітним, електричним.

Вільний рух у гравітаційному полі виникає внаслідок дії різниці густин рідини в різноманітних точках простору. Якщо ця різниця викли­кана різницею температур поверхні тіла і рідини в розглядуваному об’ємі, то конвективний теплообмін, що виникає при цьому між тілом і рідиною, називають тепловіддачею при вільній конвекції.

Взаемозв^’язок процесів руху і теплообміну - характерна особли­вість явища, що розглядається. Збільшення вказаної різниці температур /температурного напору/ веде до зростання різниці густин рідини і отже, до зростання швидкості її гравітаційного руху.

З явищем теплообміну в умовах природної /вільної/ конвекції до­водиться часто зустрічатись при розв'язуванні технічних задач /наприк­лад, при розрахунку теплових витрат трубопроводів, охолодженні різних виробів при металообробці, тепло- і електроопалювзльних пристроїв тощо/.

У випадку нагрітої труби, що міститься в повітрі, близько розта­шовані до неї шари повітря нагріваються шляхом теплопровідності. При цьому густина їх зменшується та виникає підіймальна сила, під дією якої нагріте повітря піднімається, а його місце займає холодніше. Якщо геометричні розміри, що характеризують об"єм повітря, досить ве­ликі, то взаємодія потоків нагрітого повітря, що піднімається, та Холоднішого, що витісняє нагріте повітря, практично відсутня. Іншими словами, розміри простору, що займає повітря, не впливають на інтен­сивність процесу, який в цьому випадку називають вільною конвекцією у великому об’емі.

Інтенсивність тепловіддачі оцінюється коефіцієнтом тепловіддачі -кількістю теплоти,.що віддається або сприймається одиницею поверхні тіла при температурному напорі І К, Вт(м²*К)

де q_к - густина теплового потоку, Вт/м²; q_к =dQ_к /dF -тепловий потік, що передається нагрітим тілом шляхом конвекції, Вт; F - площа поверхні тіла, м²; t_с , t_р - температура відповідно поверхні стінки та рідини /в даному випадку повітря, що оточує трубу/, °С.

За формулою /І/ визначаємо локальні значення α ; якщо необхід­но дослідити тепловіддачу в стаціонарних умовах на всій поверхні F то

Заначимо, що коефіцієнт тепловіддачі.є фізичною характеристикою, тобто, отримавши в ході експеримента якісь значення, не можна ствер­джувати, що відоме значення коефіцієнта тепловіддачі повітря.

Інтенсивність тепловіддачі при вільному русі у великому об’емі залежить: від швидкості руху рідини /ця швидкість буде тим більшою, чим більший температурний напір між стінкой та середовищем/;фізичних властивостей середовища; форми й положення тіла в просторі та ряду інших факторів. Залежно від значення та співвідношення вказаних вели­чин характер руху рідини біля стінки буде різний: при малому темпера­турному напорі переважає ламінарний режим руху, при великому - турбу­лентний, відповідно до чого змінюється й .тепловіддача. В ці й роботі потрібно встановити вплив температурного напору на інтенсивність теп­ловіддачі.

Але теорія подібності дозволяє узагальнити відокремлені експери­ментальні дані у вигляді критеріальних рівнянь. Для крапельних рідин та газів при P_r > 0,7 узагальнена критеріальна формула для обчислення теплообміну при вільній конвекції у великому об’ємі має вигляд

№ П/П		Режим руху	Сτ Pτ	C	n
1		Плівковий	10-5	0,4	0
2		Перехідний	10-15…5*102	1,18	0,125
3		Ламінарний	5*102…109	0,54	0,25
4	Турбулентний		109…1012	0,13	0,33

У формулі /З/ як характерний розмір для горизонтальних тіл обер­тання використовується діаметр (l₀=d) , а як визначальна температу­ра - середня температура пограничного шару

за якою.в довідкових таблицях знаходять фізичні параметри середовища λ,β,α

Коефіцієнт об'ємного розширення повітря знаходимо за формулою для ідеального газу, І/К: