Краткие теоретические сведения

При турбулентном движении воздуха в трубе

Определение коэффициента теплоотдачи

Лабораторная работа № 2

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Знакомство с методикой экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при движении воздуха в трубе

Исследование влияния скорости воздуха на коэффициент теплоотдачи.

Обобщение результатов экспериментов и представление их в виде критериальной зависимости.

Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называется теплоотдачей.

Рабочий процесс в различных теплообменных устройствах, как правило, основан на конвективном теплообмене между твердой поверхностью тела и омываемой его жидкостью или газом, а его интенсивность определяется как гидравлическими условиями, так и теплофизическими свойствами жидкости или газа.

Для расчета стационарного теплового потока обычно используют формулу Ньютона, согласно которой тепловой поток прямо пропорционален поверхности теплообмена и температурному напору.

, (1)

где Q – тепловой поток, Вт; α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.град); tж – температура жидкости или газа, °С; tст – температура поверхности теплообмена, °С; (tст – tж) –температурный напор, °С; F – повехность теплообмена, м2.

Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность конвективного теплообмена и численно равен плотности теплового потока отнесенного к температурному напору. Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией, зависящей от большого числа факторов, а именно: формы и размеров тела d, l режима движения, скорости потока w, температуры жидкости tж, физических параметров жидкости (теплопроводности, вязкости, теплоемкости, плотности, и пр.) и других величин.

Ввиду сложной зависимости коэффициента теплоотдачи от большого числа переменных величин, получить аналитическое уравнение является задачей чрезвычайно сложной. В настоящее время для решения сложных задач широко применяется теория подобия. Основу теории подобия составляет подобие физических процессов, выраженное через безразмерные величины – критерии подобия, представляющие собой комплексы переменных величин. На основании экспериментальных данных устанавливается зависимость между критериями подобия, которая будет справедлива для других подобных явлений.

Важнейшими критериями подобия теории теплообмена являются:

Критерий Нуссельта

,

где l - теплопроводность жидкости при средней температуре, d – диаметр трубы.

Чаще всего критерий Нуссельта называют критерием теплоотдачи, так как в него входит определяемая величина.

Критерий Рейнольдса

,

где n - кинематическая вязкость жидкости при средней температуре, w – скорость, средняя по сечению трубы.

Чем меньше значения критерия Рейнольдса, тем больше влияние молекулярных сил вязкости и тем устойчивее вязкое, ламинарное течение жидкости. При Re £ 2000 течение ламинарное, при 2000 £ Re £ 10000 переходный режим течения жидкости, при Re ³ 10000 развитое турбулентное течение жидкости. Интенсивность конвективного теплообмена существенным образом зависит от режима течения жидкости.

Критерий Прандтля характеризует совокупное соотношение между силами инерции и вязкости.

,

где С_р – изобарная теплоёмкость жидкости. а – температуропроводность; r - плотность жидкости.

В случае конвективного теплообмена при движении жидкости (или газа) в трубе критериальная зависимость для установившегося температурного режима имеет вид Nu=f(Re, Pr).

Критериальное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи α при вынужденном турбулентном движении газа в трубе, когда Re>=10000 имеет вид:

(2)

СХЕМА И ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки показана на рис.1. Рабочий участок установки представляет собой медную трубу внутренним диаметром d = 20 мм и длиной L = 1,2 м, на которой размещены проволочный электронагреватель с электрическим сопротивлением R = 40 Ом и теплоизоляция. Температура стенки трубы измеряется хромель-копелевыми термопарами с помощью показывающего потенциометра и переключателя, позволяющего последовательно измерять их показания. Термопары установлены в трёх местах по длине трубы. Средняя температура стенки трубы определяется как средняя арифметическая:

t_ст = (t_с1 + t_с2 + t_с3)/3

Тепловая мощность нагревателя (Q = U*I = 810 Ватт) установлена постоянной с помощью лабораторного автотрансформатора (Латра). Измерения тока и напряжения производятся для ориентировочной установки режима и в таблицу измерений не заносятся.

Подача воздуха осуществляется с помощью вентилятора, а регулировка расхода воздуха через трубу производится поворотным шибером. Измерение расхода воздуха выполняется ротаметром. Температура воздуха на входе и выходе из обогреваемого участка измеряется хромель-копелевыми термопарами с помощью показывающего потенциометра.

Схема установки.

Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного стенда

Дата добавления: 2015-06-27