Лабораторная работа 4 «исследование

 

КОМБИНИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБ С ОКРУЖАЮЩИМ ВОЗДУХОМ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ»

 

 

Цель работы: выявление различных механизмов переноса тепла,расчетное и экспериментальное определение основных характеристик комбинированного теплообмена - количеств тепла, передаваемого от ее поверхности тепловым излучением и конвекцией, коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы и степени черноты ее поверхности.

 

 

Основные сведения

 

Существует три основных механизма переноса тепла, каждый из которых имеет свою физическую природу, описывается своими законами и уравнениями, имеет свои методы расчета и экспериментального исследования. Это - теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. В явлениях теплообмена тел с окружающей средой все этимеханизмы чаще всего действуют одновременно. Если известны некоторые характеристики, поддающиеся теплотехническим измерениям, то могут быть выявлены, а затем и скорректированы в нужном направлении действия того или иного механизма переноса тепла.

 

Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу и основным фактором, определяющим интенсивность теплообмена, является разность температур.

В настоящей работе на примере нагретых горизонтальных труб необходимо определить тепловую мощность, выделяемую трубчатым электронагревателем внутри каждой трубы Q_å и рассчитать тепловые потоки, отдаваемые в окружающую среду тепловым излучением Q_л и конвекцией Q_K. В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы ее тепловой баланс выражается соотношением:

 

Qå = QK + Qл

(1)

 

где Q_{å =} U²/R - тепловая мощность, выделяемая электронагревателем, (Вт).

 

В эксперименте тепловой поток Q_K, отдаваемый окружающему воздуху поверхностью трубы конвекцией определяется как

 

QK = Qå - Qл .	(2)
Теоретически он равен
QK = a × F × (tст - t0)	(3)
Здесь a – коэффициент теплоотдачи, (Вт/м2К),	определяемый в

эксперименте, F= p×d×l - площадь поверхности трубы, (м²), d - ее наружный

диаметр, l - длина, (м), t_{ст ,} t₀ - температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (^°С).

 

Различают свободную и вынужденную конвекцию. Вынужденная конвекция возникает под действием внешних сил при движении тела в неподвижной среде или при обтекании его сплошным потоком жидкости или газа. В отличие от этого свободная или естественная конвекция возникает исключительно за счет разности температур тела и окружающей среды и локализована в небольшой области вокруг тела, называемой пограничным слоем. Жидкость или газ, нагреваясь или охлаждаясь в этом слое, изменяет свою плотность и за счет действия выталкивающих Архимедовых сил начинает двигаться, интенсифицируя теплообмен по сравнению с чистой теплопроводностью.

 

Поток тепла, отдаваемый поверхностью трубы в окружающую среду тепловым излучением, определяется по закону Стефана-Больцмана как

æ

æ

T

ö

4

æ

T

ö 4

ö

Q

л

= e × C

× F ç

ç

ст

÷

- ç

0

÷

÷

(4)

0

ç

è

100

ø

è 100

ø

÷

è

ø

где e - степень черноты наружной поверхности трубы,

С0 =5,67Вт/м2×

К4 -

коэффициент

теплового излучения

абсолютно

черного тела,

Т_ст,, Т₀ -температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (К).

 

Измерив напряжение U и электрическое сопротивление нагревателя, температуры наружной поверхности t_ст и окружающей среды - t₀ и зная

 

степень черноты поверхности e, можно экспериментально определить коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы.

a эксп =	Qк			,	(5)
F ×(tст - t0	)

где Q_K =Q_å - Q_л.

 

Значение коэффициента теплоотдачи может также быть рассчитано на основе теории подобия конвективного теплообмена по критериальному уравнению

Nu = C× (Gr×Pr)n,

(6)

где С и n − постоянные величины, зависящие от режима свободной конвекции, полученные обобщением результатов большого количества экспериментов проведенных различными исследователями (табл. 1).

Nu -безразмерный критерий Нуссельта,характеризующий отношениетеплового потока, отдаваемого поверхностью тела конвекцией к тепловому потоку, передаваемому теплопроводностью через слой среды толщиной d₂.

Nu =(a×d)/l

(7)

Pr -критерий Прандтля,характеризующий соотношение вязкости итемпературопроводности среды (табл. 2).

Gr =			g × d 3	×(t ст - t 0	)	(8)
			æ	t	ст	+ t		ö
	n		× ç			+ 273÷
				è				ø

 

Gr- критерий Грасгофа,равный отношению выталкивающей силы,действующей на нагретые объемы жидкости или газа к силам вязкости. Для воздуха

 

			Таблица 1
Значения величин С и n	в критериальном уравнении (6)
Режим свободной конвекции	(Gr×Pr)	С	n
Пленочный	1×10-5	0,5
Переходный	5×102	1,18	0,125
Ламинарный	2×107	0,54	0,25
Турбулентный	1×1015	0,135	0,33

 

Таблица 2

Теплофизические свойства сухого воздуха при Р=0,101 МПа

 

t0, 0С	р,	l,	n, м2/с	с,	Pr
	кг/м3	Вт/м×К		Дж/г×К
	1,293	0,0244	13,2×10-6	1,005	0,707
	1,205	0,0259	15,1×10-6	1,005	0,703
	1,128	0,0267	17,0×10-6	1,005	0,699
	1,029	0,0290	18,0×10-6	1,005	0,696
	1,000	0,0305	21,1×10-6	1,009	0,692
	0,946	0,0321	23,1×10-6	1,009	0,690