Лабораторна робота № 10

Тема: Визначення коефіцієнта тепловіддачі.

Мета роботи: визначити коефіцієнта тепловіддачі дослідним шляхом і розрахувати його з використанням критеріальних рівнянь при вільній і вимушеній конвекції.

1. Загальні відомості.

Конвекція – один із основних видів теплообміну, котрий являє собою перенос тепла за рахунок переміщення нагрітих об’ємів теплоносія від джерела тепла до споживача тепла. Конвекція властива тільки газам та рідинам і можлива тільки в текучому середовищі, а процес переносу тепла нерозривно пов'язаний з переносом самого середовища.

Розрізняють два види конвекції: вільну і вимушену. При вільній конвекції рушійна сила обумовлена різницею густин рідкого (газоподібного) середовища при наявності в ній різниці температур, в результаті чого виникають підйомні сили в полі масових сил. Вимушена конвекція характерна тим, що рідина (газ) переміщується під дією зовнішньої рушійної сили (насос, вентилятор, компресор та ін.).

Разом з конвекцією завжди існує теплопровідність, але конвекційний теплообмін в рідинах являється визначальним через значну інтенсивність.

Теплообмін, обумовлений сумісною дією конвекції і теплопровідності називається конвекційним теплообміном.

Конвекційний теплообмін, який протікає між теплоносієм (оточуючим середовищем) і поверхнею тіла, називається тепловіддачею і описується законом Ньютона-Ріхмана.

Кількість теплоти, що передається через елементарну теплопередаючу поверхню площею за елементарних проміжок часу , визначається виразом:

. (10.1)

При постійних значеннях рівняння Ньютона-Ріхмана має вигляд:

, Вт/м² (10.2)

, Вт (10.3)

де – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²·К); t_P, t_ст – температури відповідно теплоносія і стінки, К або ⁰С; F – площа поверхні стінки, м².

Рівняння (10.1) … (10.3) не відображає в явному виді вплив всього різноманіття факторів на інтенсивність тепловіддачі, які повинен враховувати коефіцієнт тепловіддачі. В загальному випадчу коефіцієнт тепловіддачі залежить від геометричної форми і розмірів поверхні теплообміну, теплофізичних властивостей рідини (газу) (коефіцієнт теплопровідності , теплоємності , кінематичної в’язкості , густини , коефіцієнта об’ємного розширення ), швидкості руху , температурних умов і природи виникнення руху, тобто

. (10.4)

Коефіцієнт тепловіддачі чисельно рівний густині теплового потоку на поверхні теплообміну при різниці температур між теплоносієм і стінкою на один градус.

Значення коефіцієнта тепловіддачі змінюється в наступних межах:

Вільна конвекція в газах 5…30

Вільна конвекція у воді 10²…10³

Вимушена конвекція в газах 10…500

Вимушена конвекція у воді 500…10⁴

Теплообмін при змінні агрегатного стану води

(кипіння, конденсація) 10³…10⁵

Тепловіддача – складний вид теплообміну, який включає в себе передачу тепла теплопровідністю в суміжному ламінарному шарі безпосередньо біля поверхні стінки і переважно конвекційний перенос тепла на зовнішній поверхні граничного шару.

На практиці коефіцієнт визначають із критеріальних рівнянь, які для стаціонарних умов конвекційного теплообміну, без змін агрегатного стану теплоносія мають вид:

- критерій (число) Нуссельта, який характеризу конвекційний теплообмін між теплоносієм і поверхнею тіла;

- критерій (число) Рейнольдса, який характеризує режим руху теплоносія;

- критерій (число) Грасгофа, який характеризує вільну конвекцію теплоносія;

- критерій (число) Прандтля, який характеризує властивості теплоносія.

де – швидкість руху теплоносія, м/с; – коефіцієнт кінематичної в’язкості теплоносія, м²/с; – коефіцієнт динамічної в’язкості теплоносія, Н·с²/м; – густина теплоносія, кг/м³; – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К); с – теплоємність теплоносія, кДж/(кг·К); g – прискорення вільного падіння, м/с²; – коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²·К); х – визначальний розмір, м; - коефіцієнт температурного розширення теплоносія, ; | - температурний напір між стінкою та теплоносієм, К; - коефіцієнт температуропровідності, м²/с; t – визначальна температура, для якої вибираються , , , с, , – в кожному конкретному випадку вказується, яка температура приймається в ролі визначальної.

Поряд з конвекційним теплообміном при тепловіддачі дуже часто має місце променевий теплообмін між стінкою і оточуючим середовищем.

Променевий теплообмін або теплове випромінювання – один із основних видів теплообміну, при якому передача тепла від одного тіла до іншого здійснюється за допомогою електромагнітних хвиль.

Закони теплового випромінювання:

Закон Планка. Встановлює залежність зміни спектральної густини потоку випромінювання від довжини хвилі і температури (Т) для абсолютно чорного тіла

, (10.5)

де Вт ; м постійні випромінювання.

З підвищенням температури тіла енергія його випромінювання суттєво збільшується, збільшується і енергія променя однієї і тієї ж довжини хвилі. Зміщення максимуму спектральної густини теплового потоку при підвищені температури в бік коротких хвиль описується законом Віна, що випливає з (10.5) при

, (10.6)

де довжина хвилі, що відповідає максимальному значенню спектральної густини потоку випромінювання.

Закон Стефана – Больцмана отримується в результаті інтегрування (10.5) і визначає повну кількість енергії, що випускається тілом у всьому діапазоні довжин хвиль

, або (10.7)

де - постійна Стефана – Больцмана; , - постійна випромінювання абсолютно чорного тіла.

Густина потоку інтегрального випромінювання абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені абсолютної температури.

Для сірих тіл (більшість реальних тіл)

; (10.8)

Степінь чорноти - відношення потоку власного випромінювання тіла до потоку чорного випромінювання при тій же температурі. Визначається дослідним шляхом і залежить від природи тіла, його температури і стану поверхні.

Закон Киргофа. Встановлює зв’язок між власним випромінювання тіла і його поглинаючою здатністю.

. (10.9)

Закон Ламберта. Визначає зміну інтенсивності випромінювання по окремих напрямках для абсолютно чорного тіла

, (10.10)

де густина потоку випромінювання в напрямку, що відповідає куту ; густина потоку випромінювання в напрямку нормалі.