ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБ РАЗЛИЧНЫХ ДИАМЕТРОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ОДИНАКОВОГО МАТЕРИАЛА

5.1. Цель работы

1. Изучение процесса конвективного теплообмена.

2. Установление зависимости коэффициента теплоотдачи a от температуры и диаметра трубы или площади её поверхности (поверхности теплоотдачи).

5.2. Задание

1. Определить коэффициенты теплоотдачи a₁ и a₂ от двух горизонтальных труб различного диаметра, выполненных из одинакового материала.

2. Установить, как влияет величина диаметра трубы на коэффициент теплоотдачи. Ввиду того, что длина труб одинакова, площадь боковой поверхности труб определяется только значением диаметра, следовательно, установив зависимость a = f(d), одновременно устанавливается вид зависимости a = f(H).

3. Установить зависимость a от температуры поверхности трубы. Построить график зависимости, a = f(t).

5.3. Краткое теоретическое введение

Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости, или наоборот, от жидкости или газа к поверхности. Механизм теплоотдачи включает в себя теплопроводность внутри тонкого неподвижного слоя газа или жидкости у поверхности (пограничный слой) и конвекцию, т.е. способ передачи тепла, связанный с перемещением макрообъёмов газа или жидкости.

Процесс теплопроводности в пограничном слое подчиняется законам, изложенным в работе № 1.

Конвекция может быть свободной или вынужденной. При вынужденной конвекции перемещение различно нагретых объёмов жидкости происходит под действием какого-либо постороннего источника движения (насоса, вентилятора, компрессора и т.д.).

Свободная конвекция возникает при соблюдении двух условий.

1. Наличия разности температур, и, следовательно, разности плотностей в объёме теплоносителя. В исследуемом случае разность температур создаётся между поверхностью трубы и окружающей средой.

2. Наличия поля тяготения. Необходимость этого условия становится ясной из следующих соображений: если в объёме теплоносителя, имеющего температуру t₁, возник некоторый объём с температурой t₂, то плотность последнего объёма становится либо больше (если t₂ < t₁), либо меньше (t₂ > t₁) по сравнению с первоначальной. Тогда рассматриваемый объём, имеющий температуру t₂, в силу закона Архимеда будет либо всплывать, либо опускаться относительно всего объёма теплоносителя, т.к. он стал легче или тяжелее окружающих слоев газа или жидкости. Но понятия «легкий» и «тяжелый» справедливы в поле сил тяготения. При его отсутствии (в невесомости) свободная конвекция не возникает.

Одной из важнейших задач расчётов конвективного теплообмена является определение количества тепла, отдаваемого или принимаемого той или иной поверхностью теплообмена. Это количество тепла определяется по закону Ньютона:

. (17)

Здесь a_К – основная характеристика конвективного теплообмена как при свободной, так и при вынужденной конвекции. Этот коэффициент носит название коэффициента теплоотдачи и представляет собой количество тепла, отдаваемое или принимаемое единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и теплоносителем в один градус. Следовательно, его размерность Дж/(м²×с×град) = Вт/(м²×град.). Определение величины a_К представляет значительные трудности, т.к. a_К зависит от многих факторов, например, геометрии поверхности, свойств теплоносителя, температуры и т.д.

Величина a_К определяется обычно из критериальных уравнений, полученных на основании теорий подобия и размерностей. Например, теплоотдача в условиях вынужденной конвекции описывается уравнением

, (18)

а в условиях свободной конвекции

, (19)

в частности для газов,

. (20)

В уравнениях (18), (19), (20) Nu – критерий Нуссельта, который служит для определения коэффициента теплоотдачи a_K:

. (21)

Понятие о критериях подобия, входящих в уравнение (18), (19), (20) вводится при помощи специальной теории, называемой теорией подобия.

Их физический смысл объяснён в табл. 4.

Таблица 4

Основные критерии подобия

Наименование критерия	Формула	Что характеризует
1. Критерий Нуссельта		Интенсивность теплообмена на границе стенка – жидкость
2. Критерий Рейнольдса		Соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости
3. Критерий Грасгофа		Соотношение подъёмных сил и вязкости
4. Критерий Прандтля		Физические свойства жидкости

В критериях Нуссельта, Грасгофа, Рейнольдса содержится величина, называемая определяющим линейным размером l. Выбор этого размера для каждого конкретного случая производится так, чтобы был учтён тот путь, который проходит нагреваемый (охлаждаемый) теплоноситель около поверхности. Например, воздух вдоль вертикальной трубы проходит путь, равный длине трубы, а горизонтальную трубу воздух обтекает по диаметру. Значит, в первом случае l = L трубы, а во втором l = d.

В упомянутые критерии подобия входят также свойства теплоносителя: l – коэффициент теплопроводности, n – коэффициент кинематической вязкости и b – коэффициент объёмного расширения. Эти параметры, а также критерий Pr выбираются из табл. 9. приложения. Коэффициент объёмного расширения для воздуха может, также, определяться из выражения

. (22)

Таблица 5

Коэффициенты в критериальных уравнениях

Следует отметить, что количество тепла Q, передаваемое трубой в окружающее пространство, определяется по мощности, потребляемой электронагревателем. Это количество тепла передаётся окружающей среде путем теплообмена и радиации (излучения).

Коэффициент теплоотдачи a_K вычисляется (для последующего определения критерия Нуссельта) по доле конвективной составляющей теплового потока:

. (23)

В свою очередь, конвективная составляющая теплового потока Q_K определяется как полный тепловой поток за вычетом радиационной составляющей Q_И:

, (24)

, (25)

где e_пр – приведённая степень черноты (см. табл. 8 приложения), С₀ » 5,67 Вт/(м²×К⁴) – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела. Необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи a по классическому уравнению (23) и сравнить его с опытом.

5.4. Экспериментальная установка

Схема экспериментальной установки аналогична рис. 4 (работа № 2). Отличия заключаются в том, что в данной работе обе трубы выполнены из одинакового материала и имеют различные диаметры d₁ = 15 мм и d₂ = 20 мм. Длины труб одинаковы и равны L = 460 мм.

5.5. Порядок проведения опытов и обработка результатов

После ознакомления с теорией и устройством установки можно приступить к проведению эксперимента. Работа выполняется в двух режимах, отличающихся величиной теплового потока, выделяемого трубами. Оба режима должны быть стационарными.

Время, необходимое для установления стационарности нового режима, составляет примерно 3-5 минут.

Журнал наблюдений для значений замеряемых параметров такой же, как и в работе № 2.

Расчёт работы ведётся по табл. 6.

Таблица 6

Расчётная таблица к работам № 3 и 4

Наименование величины	Расчётные соотношения	Режим 1
Элемент 1	Элемент 2
Поверхность трубы
Величина лучистого теплового потока
Конвективная составляющая теплового потока
Коэффициент теплоотдачи (опытный)
Коэффициент кинемати-ческой вязкости воздуха	nf
Критерий Прандтля	Prf
Коэффициент теплопроводности воздуха	lf
Коэффициент объёмного расширения
Критерий Нуссельта (опытный)
Температурный напор
Критерий Грасгофа
Произведение (Grf ×Prf)	–
Коэффициенты, выбираются из табл. 5.	c
n
Критерий Нуссельта (расчётный)
Коэффициент теплоотдачи (расчётный)