ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«М А Т И» - Р О С С И Й С К И Й Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й

Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К И Й У Н И В Е Р С И Т Е Т

Имени к. Э. Ц и о л к о в с к о г о

_______________________________________________________________

Кафедра «Двигатели летательных аппаратов и теплотехника»

Утверждено

редакционно-издательским

советом института

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ

ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

Методические указания к лабораторной работе по курсу

«Термодинамика и теплопередача»

Составили: В.Г. Попов

С.П. Колесников

В. Н Хахин

Москва 2005

1. Цель работы

Углубление знаний по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости – естественной конвенции, ознакомление с методикой экспериментального исследования процесса и получение навыков обобщения опытных данных с использованием теории подобия.

2. Краткие сведения из теории

Свободное движение вызывается разностью плотностей нагретых и холодных объёмов жидкости. Такое движение всегда возникает вокруг тела погруженного в жидкость, если температура этого тела отличается от температуры окружающей его среды.

По мере нагрева частицы жидкости под действием возникающей подъемной силы переносятся вверх, а на их место подходят холодные частицы из окружающего пространства.

Свободное движение жидкости может быть ламинарным, переходным и турбулентным. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся послойно, не перемешиваясь. Турбулентный режим характеризуется непрерывным перемешиванием слоев жидкости.

Режимы движения жидкости около поверхности тела оказывают большое влияние на механизм переноса тепла. При ламинарном режиме перенос тепла в направлении нормали к поверхности тела осуществляется за счет механизма теплопроводности. При турбулентном режиме такой способ имеет место лишь в тонком слое жидкости, прилегающем к поверхности трубы. В остальном объеме перенос тепла происходит не только путем теплопроводности, но и путем конвекции, т.е. за счет перемешивания частиц жидкости.

Количество тепла Q_К [Вт], которое отдается телом за счет свободного движения частиц в единицу времени, определяется по формуле:

Q_К = α·F·ΔT, (1)

где: F – поверхность тела [м²]; ΔТ = Т₁ – Т₂ – температурный напор (разность между температурой Т₁ поверхности тела и температурой Т₂ жидкости, не участвующей в переносе тепла, т.е. находящейся на достаточном удалении от трубы); α – коэффициент теплоотдачи [Вт/м²·К], характеризующий интенсивность теплообмена тела со средой (равен количеству тепла, которое отдается единицей поверхности нагретого тела в единицу времени при температурном напоре равном 1 градусу).

При свободном движении жидкости коэффициент теплоотдачи определяется разностью температур тела и жидкости, физическими свойствами среды, размерами и положением тела в пространстве.

Благодаря большой формальной простоте уравнение (1) широко применяется в теплотехнических расчетах. При этом значение коэффициента теплоотдачи α обычно получают на основе экспериментальных данных, обобщенных с помощью теории подобия и представленных в виде критериальных уравнений.

Критериальное уравнение теплообмена для свободного движения жидкости в общем случае имеет вид:

Nu = f(Gr,Pr), (2)

где: Nu = - число Нуссельта, неопределяющий критерий, характеризующий интенсивность теплоотдачи соприкосновением;

Gr = - число Грасгофа, определяющий критерий, характеризующий интенсивность свободного движения жидкости;

Pr = - число Прандтля, определяющий критерий, характеризующий физические свойства жидкости;

λ – коэффициент теплопроводности жидкости [Вт/м·К];

- коэффициент температуропроводности жидкости [м²/с];

- коэффициент кинематической вязкости жидкости [м²/с];

- коэффициент объемного расширения жидкости [1/K];

g – ускорение силы тяжести [м/с²];

d – характерный размер тела [м].