5.4. Контрольные вопросы

1) Каков физический смысл и размерность коэффициента теплоотдачи?

2) Что такое «определяющая температура» и «определяющий размер»?

3) Для чего и как составляются критериальные уравнения?

Лабораторная работа 6

ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА на горизонтальном трубопроводе

Цель работы: изучить процессы теплообмена при свободной и вы-нужденной конвекции на горизонтальном трубопроводе, экспериментально определить коэффициенты теплоотдачи и сравнить их с вычисленными по критериальным уравнениям.

6.1. Основные теоретические положения

При знании величины мощности теплового потока Q в теплообмене поверхности с обтекающей ее средой можно определить коэффициент теплоотдачи  из уравнения Ньютона-Рихмана:

, (98)

где F – поверхность, участвующая в теплообмене;

– средний температурный напор.

В условиях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровод контактирует с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны – естественной конвекции. Обозначим мощность теплового потока при вынужденной конвекции Q₁, при естественной конвекции – Q₂ и коэффициенты теплоотдачи ₁ и ₂ соответственно.

21

Введем следующие обозначения: F_вн – внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при вынужденной конвекции; F_нар – наружная поверхность трубопровода, обменивающаяся теплом с окружающей средой в процессе естественной конвекции; – температурный напор со стороны внутренней поверхности; – температурный напор со стороны наружной поверхности трубопровода.

Таким образом, в опыте должны быть определены Q₁ и Q₂, и при заданных F_вн и F_нар. В таком случае опытным путем можно определить значения и , которые затем необходимо сравнить со значениями и , полученными из критериальных уравнений, соответствующих характеру теплообмена.

Электрический ток при прохождении по трубе совершает работу, которая полностью переходит в тепло Q_э. В таком случае уравнение первого закона термодинамики, как частный случай закона сохранения энергии, имеет вид:

Q_э = Q₁ + Q₂ + Q₃, (99)

где Q₁ – мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы;

Q₂ – мощность теплового потока, переданная воздуху, окружающему трубу;

Q₃ – мощность теплового потока, затраченная на нагрев (охлаждение) трубы.

Тепловой поток Q₃ имеет место только при нестационарном режиме работы установки, а при достижении стационарного режима, когда температура трубы t_тр = const, Q₃ равно нулю и уравнение (99) упрощается:

Q_э = Q₁ + Q₂. (100)

Мощность теплового потока Q₁, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы, может быть вычислена по уравнению первого закона термодинамики для участка от сечения I – I до сечения II – II (рис. 9), Вт:

. (101)

22

Тогда

; (102)

, (103)

где F_вн = 0,352 м² – внутренняя поверхность трубы;

F_нар = 0,386 м²– наружная поверхность трубы;

– средний температурный напор при вынужденной конвекции, С;

– средний температурный напор при естественной кон-векции, С;

t₁, t₂ – температура воздуха на входе и выходе из трубы соответственно, С;

t_окр – температура окружающей среды, С.

Рис. 9. Схема лабораторной установки

23

Для расчета средних значений коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене в воздушной среде рекомендуются применять формулы на основе критериальных уравнений.

Так, для расчета среднего значения критерия Нуссельта конвективного теплообмена потока воздуха в трубах используются уравнения:

для ламинарного режима (Re < 2000) –

; (104)

для развитого турбулентного режима (Re > 10000) –

, (105)

где – средний критерий Нуссельта;

– критерий Рейнольдса;

– критерий Прандтля.

Для горизонтальных труб при естественной конвекции в неограниченном пространстве в диапазоне изменения GrPr от 10³ – до 10⁸

, (106)

где – средний критерий Нуссельта;

– критерий Грасгофа;

– критерий Прандтля.

24