Лабораторная работа №3. Теплоотдача горизонтальной трубы при свободном движении воздуха

Теплоотдача горизонтальной трубы при свободном движении воздуха

Цель работы: углубление и закрепление знаний по теории конвективного теплообмена при свободном движении жидкости, ознакомление с методикой опытного исследования характеристик процессов, получение навыков в проведении эксперимента.

Основные понятия

Свободным называется движение жидкости (газа, капельной жидкости), возникающее под воздействием массовых сил. Примером такого движения служит движение жидкости в гравитационном поле вследствие наличия разности ее плотностей в различных точках пространства. Если эта разность плотностей обусловлена разностью температур поверхности тела t_ст и t_ж в рассматриваемом объеме, то возникающий при этом конвективный теплообмен между телом и жидкостью называется теплоотдачей при свободной конвекции.

Характерная особенность рассматриваемого явления – взаимосвязь процессов движения и теплообмена. Так, увеличение указанной выше разности температур (температурного напора) ведет к росту разности плотностей жидкости, что, очевидно, предопределяет рост скорости ее гравитационного движения. Последнее непосредственно вызывает увеличение интенсивности конвективного теплообмена, характеризуемого коэффициентом теплоотдачи , Вт/м²·К. По определению коэффициент теплоотдачи связан с плотностью теплового потока на поверхности тела (стенки):

(3.1)

И зависит от ряда факторов. В рассматриваемом случае это, прежде всего, температурный напор, физические свойства жидкости, форма, размер и положение теплоотдающей поверхности в пространстве. Анализ процесса теплоотдачи при свободной конвекции методом подобия показывает, что определяющими критериями подобия являются числа Грасгофа (Gr) и Прандтля (Pr), а расчетное уравнение для определения числа Нуссельта (Nu), полученное на основе теоретических и экспериментальных исследований для горизонтальной трубы, имеет следующий вид:

(3.2)

где - поправка, учитывающая переменность физических свойств жидкости (для газов при небольших значениях T_ст/Т_ж, ); индексы ж, ст указывают на выбор физических свойств жидкости по температуре t_ж или t_ст соответственно.

Постоянные с и n зависят от характера движения жидкости в пограничном слое. Около горизонтальных труб в широком интервале изменения температурного напора и диаметра трубы d сохраняется ламинарное движение жидкости. При этом для расчета средних по периметру коэффициентов теплоотдачи рекомендуется следующая формула:

(3.3)