Работа 7. исследование процессов теплообмена

ПРИ ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

Цели работы

Изучение процессов теплообмена при свободной и вынужденной конвекции на горизонтальном трубопроводе. Экспериментальное определение коэффициентов конвективной теплоотдачи и сравнение их с вычисленными по критериальным уравнениям.

Основные положения

При знании величины мощности теплового потока Q в теплообмене поверхности с обтекающей ее средой становится возможным определение коэффициента теплоотдачи α из уравнения Ньютона-Рихмана

работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru ,

где F – поверхность, участвующая в теплообмене; Δt – средний температурный напор.

В условиях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровода существует контакт с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны – естественной. Обозначим мощность теплового потока при вынужденной конвекции Q1, естественной – Q2 и соответственно коэффициенты теплоотдачи α1 и α2.

Введем также обозначения: Fвн – внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при вынужденной конвекции; Fнар – внешняя поверхность трубопровода, обменивающаяся теплом с окружающей средой в процессе естественной конвекции; Δt1 – температурный напор со стороны внутренней поверхности; Δt2 – температурный напор со стороны наружной поверхности трубопровода.

Таким образом, в опыте должны быть определены Q1 и Q2, Δt1 и Δt2, а также заданы Fвн и Fнар. В таком случае из опыта становится возможным определение α1оп и α2оп и сравнение со значениями α1расч и α2расч, полученными из соответствующих характеру теплообмена критериальных уравнений.

Электрический ток при прохождении по трубе совершает работу, которая полностью переходит в тепло Qэ. В таком случае уравнение первого закона термодинамики как частный случай закона сохранения энергии приобретает вид

работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru ,

где Q1 – мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы; Q2 – мощность теплового потока, переданная воздуху, окружающему трубу; Q3 – мощность теплового потока, затраченная на нагрев трубы.

Тепловой поток Q3 имеет место только при нестационарном режиме работы установки, а при достижении стационарного режима, когда температура трубы tx = const, Q3 = 0 и уравнение упрощается:

работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru . (1)

Мощность теплового потока Q1, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы, может быть определена по уравнению первого закона термодинамики для участка от сечения I–I до сечения II–II (рис. 1):

работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru . (2)

При выполнении расчетов следует иметь ввиду, что изменение потенциальной энергии потока равна нулю и техническая работа, совершаемая потоком, также равна нулю.

Тогда работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru (3)

и работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru . (4)

Для расчета средних значений коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене при движении потока воздуха в трубах рекомендуются формулы на основе критериальных уравнений:

для ламинарного режима Re<2·103: работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru (5)

развитого турбулентного режима Re>104: работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru (6)

где работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru –средний критерий Нуссельта; работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru –критерий Рейнольдса; работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru –критерий Прандтля при температуре потока воздуха в трубе;

для горизонтальных труб при естественной конвекции в неограниченном пространстве в диапазоне изменения (Gr·Pr) от 103 до 108:

работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru , (7)

где работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru – средний критерий Нуссельта; работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru – критерий Грасгофа; работа 7. исследование процессов теплообмена - student2.ru – критерий Прандтля при температуре потока окружающей среды.

Наши рекомендации