БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. Д.Ф. Устинова
_______________________________________________________________
Кафедра К1
Лабораторная работа N 5
Определение коэффициента теплоотдачи при конвекции и обдуве
Методические указания
|
Составили: |
|
доц. Анискевич Ю.В. |
|
ст. пр. Мустейкис А.И. |
Санкт-Петербург
1. Цель и содержание работы.
Целью работы является локальных коэффициентов теплоотдачи на поверхности различных объектов в условиях естественной и вынужденной конвекции.
2. Краткая теория работы.
Перенос теплоты осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.
Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах, обусловленный неоднородностью температурного поля.
Под конвекцией понимают процессы передачи теплоты при перемещении жидкости или газа в пространстве. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью и этот совместный процесс называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называют теплоотдачей.
Рабочий процесс в различных теплообменных устройствах, как правило, основан на конвективном теплообмене между твердой поверхностью тела и контактирующей с ней жидкостью, а интенсивность определяется гидродинамическими условиями обтекания, так и теплофизическими свойствами жидкости.
Для расчета стационарного теплового потока обычно используют формулу Ньютона:
[Вт/м2]
,
где [Вт/м2К] - коэффициент теплоотдачи; q [Вт/м2] - плотность теплового потока; Тж [К] - температура жидкости; Тст [К] - температура твердой поверхности теплообмена.
Современное методы расчета конвективного теплообмена основываются на теории пограничного слоя.
Различают естественную и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция возникает за счет того, что в неравномерно нагретой жидкости разность температур приводит к неравномерному распределению плотности, а следовательно, и к появлению подъемной силы, обуславливающей движение жидкости. Конвективный теплообмен, возникающий под действием внешних сил, называется вынужденной конвекцией.
Интенсивность теплоотдачи конвекцией зависит от характера течения жидкости в пограничном слое. При ламинарном режиме течения интенсивность теплоотдачи невелика, слабо зависит от скорости течения жидкости и сильно меняется при изменении теплофизических свойств последней.
При турбулентном режиме течения скорость в каждой точке пристеночного потока пульсирует во времени около некоторого среднего значения. Вследствие этого возникает интенсивное поперечное перемешивание жидкости, что и вызывает интенсивный теплообмен количеством движения и теплотой между слоями.
Методы определения коэффициента теплоотдачи.
Вначале нагреваем
исследуемый объект постоянной мощностью
в течение 10-15 мин., затем стабилизируем
температуру на желаемом уровне (примерно
80-100
)
и держим ее в течение 5-6 мин., измеряя
мощность тепловых потерь на объекте в
стационарном режиме. Затем даем
возможность исследуемому объекту
охлаждаться в течение 20-30 мин.
Электрическую
мощность нагрева объекта
определяем по
формуле:
,
(1)
где
- измеренное значение тока нагрузки,
- сопротивление встроенного в объект
нагревателя.
Мощность тепловых
потерь на исследуемом объекте
пропорциональна разности температур
объекта и температуры
окружающего
воздуха:
,
(2)
где
- определяемый в данной работе коэффициент
теплоотдачи, который является сложной
функцией физических параметров жидкости,
характера течения, скорости движения
жидкости, формы и размеров тела и др.;
- площадь поверхности исследуемого
объекта.
Скорость нагрева при мощности нагревателя :
,
(3)
где
- теплоемкость объекта.
Скорость остывания при отключенном нагревателе:
(4)
Коэффициент теплоотдачи можно определить несколькими способами.
Метод 1. По сопоставлению скорости нагрева и скорости остывания в данном интервале температур.
Определяем
приращение температуры
при нагреве за
интервал времени
при разности
температур
(средней за время
)
и убыль температуры
при остывании за
интервал времени
при разности
температур
(средней за время
).
Полагая
в уравнении (3) и
(4) после преобразований находим:
(5)
Т.к.
зависит от
температуры, то нужно выбирать
. Интервалы
и
выбираем одинаковыми
(2 или 4 минуты). Тогда уравнение (5)
перепишем в виде:
(6)
Метод 2. По мощности, нужной для поддержания постоянной температуры.
Если объект термостатирован при температуре объекта и температуре окружающего воздуха, мощности нагрева , то:
(7)