Подготовка к лабораторной работе

3.2.1 Изучить материал по теме данной работы в настоящем пособии, а также в рекомендованной литературе ([1], С. 276-279; [2] С.290-298).

3.2.2 Выучить определения основных понятий и терминов темы (Приложение Б).

Основные термины и понятия:

– излучательная способность;

– интенсивность излучения;

– конвекция;

– коэффициент теплоотдачи;

– коэффициент теплопроводности;

– критерии теплового подобия;

– определяемый критерий теплового подобия;

– средняя разность температур;

– тепловое излучение;

– теплоемкость удельная;

– теплоотдача.

3.3 Теоретические сведения

Конвекцией называют процесс переноса теплоты при перемещении макрочастиц (макрообъемов) газа или жидкости.

Конвективным теплообменом называют процесс передачи теплоты, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переноса теплоты. То есть конвективный теплообмен осуществляется одновременно двумя способами: конвекцией и теплопроводностью.

Режим движения жидкости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном течении частицы жидкости движутся не перемешиваясь. При этом перенос теплоты по нормли к направлению течения осуществляется, в основном, путем теплопроводности. Ввиду того, что теплопроводность жидкости (за исключением жидких металлов) весьма мала, интенсивность теплообмена при ламинарном течении невелика.

При турбулентном течении теплота внутри потока распространяется как теплопроводностью, так и перемешиванием почти всей массы жидкости, за исключением вязкого подслоя, где молекулярный перенос теплоты преобладает над турбулентным. Поэтому теплообмен при турбулентном течении отличается большей интенсивностью, чем при ламинарном. При турбулентном режиме частицы жидкости или газа, двигаясь в поперечном сечении потока, не ударяются непосредственно о стенку, а действуют на пограничный слой и отдают ему свою теплоту. Далее передача теплоты осуществляется теплопроводностью.

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверхностью ее раздела с другой средой (твердым телом, жидкостью или газом) называют теплоотдачей.

Главной задачей теории конвективной теплоотдачи является определение количества теплоты, которое проходит через поверхность твердого тела, омываемого потоком.

При практических расчетах теплоотдачи пользуются законом:

, (3.1)

где – тепловой поток от жидкости (газа) к стенке или наоборот, Вт;

S – площадь поверхности, участвующей в теплообмене, м²;

– температурный напор, ⁰С;

– температура среды, омывающей поверхность стенки, ºC;

– температура поверхности стенки, ºC;

– коэффициент пропорциональности, учитывающий конкретные условия теплообмена между жидкостью и поверхностью тела и называемый коэффициентом теплоотдачи.

, (3.2)

где – коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/м·К;

– толщина теплового пограничного слоя, м.

Поскольку толщину теплового пограничного слоя ни рассчитать, ни определить экспериментально нельзя, то данное уравнение не позволяет определить коэффициент теплоотдачи. Однако, можно определить параметры, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих параметров:

1) от теплофизических свойств среды. Основными физическими свойствами теплоносителей являются коэффициент теплопроводности , удельная теплоемкость с_р, плотность , коэффициент температуропроводности а, коэффициент вязкости . Для каждого вещества эти параметры имеют определенные значения и являются функциями температуры, а некоторые из них и давления. Это очень осложняет изучение конвективной теплоотдачи;

2) от гидродинамических условий движения теплоносителя (скорости, направления движения);

3) от геометрических характеристик потока и поверхности (длина, диаметр, шероховатость стенок). Форма и размеры теплоотдающей поверхности существенно влияют на теплоотдачу. Из любых простых форм тела (трубы, плиты и т.п.) можно составить большое количество теплоотдающих поверхностей. Каждая поверхность, от простой до самой сложной, создает свои специфические условия движения теплоносителя и теплоотдачи.

Влияние всех перечисленных параметров определяется следующим: если их изменение приводит к увеличению значения и уменьшению толщины , то коэффициент будет увеличиваться и наоборот.

По причине возникновения движение жидкости бывает свободным и вынужденным. Свободное движение (тепловое) возникает в неравномерно прогретой жидкости. Появляющаяся при этом разность температур приводит к разности плотностей и всплыванию менее плотных (более легких) элементов жидкости, что вызывает движение. В этом случае свободное движение называют естественной или тепловой конвекцией. Вынужденное движение жидкости обусловлено действием посторонних возбудителей: вентиляторов, насосов и т.п. С их помощью можно создать большие скорости движения среды или изменять их в широких пределах и тем самым регулировать интенсивность теплообмена.

В настоящее время для исследования конвективного теплообмена используют теорию подобия, которая сочетает в себе аналитический и экспериментальный способы исследования процесса. В случае использования теории подобия получают так называемые критериальные уравнения, описывающие исследуемый процесс теплообмена. В критериальные уравнения входят безразмерные комплексы, называемые числами или критериями подобия.

Согласно теории подобия критериальное уравнение в случае свободного движения имеет вид:

Nu = c (GrPr)ⁿ , (3.3)

где Nu – критерий Нуссельта,характеризующий отношение суммарного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (т.е. теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью:

; (3.4)

Pr – критерий Прандтля, характеризующий вязкостные и температуропроводные свойства теплоносителя; связь скоростного и температурного полей:

; (3.5)

Gr – критерий Грасгофа, характеризующий соотношение сил трения, инерции и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в отдельных точках неизотермического потока:

. (3.6)

В формулах критериев:

λ – коэффициент теплопроводности среды, Вт/м∙К;

l – определяющий размер (для труб – диаметр, для плоских стенок – высота), м;

ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

β – коэффициент объемного расширения, 1/К;

ρ – плотность среды, кг/м³;

∆t – температурный напор;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

α – средний коэффициент теплоотдачи, Вт/м²∙К;

a – коэффициент температуропроводности, м²/с;

Для газов критерий Прандтля величина практически постоянная, так как толщины ламинарного и теплового пограничных слоев практически совпадают. Тогда критериальное уравнение примет вид:

Nu = C Grⁿ. (3.7)