Определение коэффициента теплоотдачи при свободно-конвективном теплообмене с поверхности горизонтальной трубы

Цель  работы: изучить механизм процесса теплообмена при свободной конвекции воздуха с поверхности горизонтальной трубы и освоить методику опытного определения коэффициента теплоотдачи

     1. основные сведения

     Конвективным  теплообменом, или теплоотдачей, называется процесс переноса теплоты между  поверхностью твердого тела и жидкой (газообразной) средой. При этом перенос теплоты осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции.

     Свободным называется движение, происходящее в  следствие разности плотностей нагретых и холодных частиц. Такое движение так же называют конвекцией. Вынужденным  называется движение, возникающее под  действием посторонних возбудителей (насоса, вентилятора и т.д.)

      Теплоотдача при конвекционном теплообмене  определяется по закону Ньютона-Рихмана: 

где Q –тепловой поток, Вт; α- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²*К); F – площадь поверхности теплообмена; t_с, t_ж – температуры стенки и жидкости, С.

         Согласно этому закону, тепловой  поток Q пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур стенки и жидкости (t_с- t_ж).

          Коэффициент теплоотдачи можно  определить как количество теплоты,  отдаваемое в единицу времени  еденицей поверхности при разности  температур между поверхностью  и жидкостью, равной одному  градусу: 

      Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин: формы и размеров поверхности, температур поверхности нагрева и теплоносителя, скорости теплоносителя, физических свойств  теплоносителя (коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности, коэффициента динамической вязкости) и др.

         Вследствие сложности математического описания процессов теплообмена аналитическое определение коэффициента теплоотдачи α чаще всего невозможно. Это приводит к необходимости проведения экспериментальных исследований процесса на моделях. Полученные результаты переносятся затем на реальные процессы с помощью теории подобия.

         Числа или критерия подобия  – это безмерные комплексы  параметров теплообмена. Каждое  из чисел имеет вполне определенный  физический смысл.

         Число Грасгофа Gr характеризует относительную эффективность подъемной силы, возникающую вследствие разности плотностей и вызывающую свободно-конвективное движение среды, и имеет вид

                                          

          Где g – ускорение свободного падения, м/с²; β – температурный коэффициент объемного расширения среды, 1/К; Δt – температурный напор, К; l – характерный линейный размер системы, м; ν – кинематический коэффициент вязкости, м²/ с.

          Число Прандтля Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя:

                                          

Где µ - коэффициент динамической вязкости, Н*с/ м²; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К); α – коэффициент температуропроводности, м²/с.

  Условия Gr=idem, Pr=idem, обеспечивают подобие процессов свободной конвекции, то есть подобие полей температурных напоров, тепловых потоков и скоростей в геометрически подобных системах. При выполнении этих условий определяемое число подобия – число Нуссельта Nu – также оказывается одним и тем же в таких системах:

                                 

2 описание экспериментальной  установки

Экспериментальная установка (рисунок 1) представляет собой  горизонтальную трубу 2 (длина l=1м, диаметр d=0.045м). Внутри трубы помещен электронагреватель 1, мощность которого определяется с помощью показаний амперметра А и вольтметра V. Регулирование силы тока осуществляется с помощью ЛАТР 4. Для измерения температуры на поверхности трубы служит термопара 3 и потенциометр П.

Таблица 1-Результаты замеров

 

Определение коэффициента теплоотдачи первым способом 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение коэффициента теплоотдачи 2 способом

 
 

Ответы  на вопросы:

1. Понятие теплоотдача:

  Конвективным  теплообменом, или теплоотдачей, называется процесс переноса теплоты между  поверхностью твердого тела и жидкой (газообразной) средой

2. Процессы входящие в конвективный теплообмен:

  Теплопроводность  и Конвекция

3. Свободная и вынужденная конвекция:

     Свободным называется движение, происходящее в  следствие разности плотностей нагретых и холодных частиц. Такое движение так же называют конвекцией. Вынужденным называется движение, возникающее под действием посторонних возбудителей (насоса, вентилятора и т.д.)

4. Закон Ньютона-Рихмана:

 

где Q –тепловой поток, Вт; α- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²*К); F – площадь поверхности теплообмена; t_с, t_ж – температуры стенки и жидкости, С.

5. Что называется коэффициентом теплоотдачи?

Коэффициент теплоотдачи можно определить как  количество теплоты, отдаваемое в единицу  времени еденицей поверхности при  разности температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу: 

6. От  каких параметров зависит коэффициент  теплоотдачи?

 Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин: формы и размеров поверхности, температур поверхности нагрева и теплоносителя, скорости теплоносителя, физических свойств теплоносителя (коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности, коэффициента динамической вязкости) и др.

7. Для чего применяется теория подобия?

Вследствие  сложности математического описания процессов теплообмена аналитическое  определение коэффициента теплоотдачи  α чаще всего невозможно. Это приводит к необходимости проведения экспериментальных исследований процесса на моделях. Полученные результаты переносятся затем на реальные процессы с помощью теории подобия.

8. Дайте понятие определению критерии подобия.

Числа или критерия подобия – это  безмерные комплексы параметров теплообмена. Каждое из чисел имеет  вполне определенный физический смысл. 
 
 

9. Числа Грасгофа, Прандтля, Нуссельта и их физический смысл.

Число Грасгофа Gr характеризует относительную эффективность подъемной силы, возникающую вследствие разности плотностей и вызывающую свободно-конвективное движение среды, и имеет вид

                                          

          Где g – ускорение свободного падения, м/с²; β – температурный коэффициент объемного расширения среды, 1/К; Δt – температурный напор, К; l – характерный линейный размер системы, м; ν – кинематический коэффициент вязкости, м²/ с.

          Число Прандтля Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя:

                                          

Где µ - коэффициент динамической вязкости, Н*с/ м²; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К); α – коэффициент температуропроводности, м²/с.

число Нуссельта Nu – также оказывается одним и тем же в таких системах:

                                 

10. Назовите  условия подобия  для моделей со свободно-конвективным теплообменом.

паУравнение подобия для процессов теплообмена  свободной конвекции имеет вид  Nu=f(Gr,Pr)