Лабораторная работа 4 «исследование
КОМБИНИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБ С ОКРУЖАЮЩИМ ВОЗДУХОМ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ»
Цель работы:выявление различных механизмов переноса тепла,расчетное и экспериментальное определение основных характеристик комбинированного теплообмена - количеств тепла, передаваемого от ее поверхности тепловым излучением и конвекцией, коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы и степени черноты ее поверхности.
Основные сведения
Существует три основных механизма переноса тепла, каждый из которых имеет свою физическую природу, описывается своими законами и уравнениями, имеет свои методы расчета и экспериментального исследования. Это - теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение.В явлениях теплообмена тел с окружающей средой все этимеханизмы чаще всего действуют одновременно . Если известны некоторые характеристики, поддающиеся теплотехническим измерениям, то могут быть выявлены, а затем и скорректированы в нужном направлении действия того или иного механизма переноса тепла.
Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу и основным фактором, определяющим интенсивность теплообмена, является разность температур.
В настоящей работе на примере нагретых горизонтальных труб необходимо определить тепловую мощность, выделяемую трубчатым электронагревателем внутри каждой трубы Qå и рассчитать тепловые потоки, отдаваемые в окружающую среду тепловым излучением Qл и конвекцией QK. В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы ее тепловой баланс выражается соотношением:
| Qå = QK + Qл | (1) |
где Qå = U2/R - тепловая мощность, выделяемая электронагревателем, (Вт).
В эксперименте тепловой поток QK, отдаваемый окружающему воздуху поверхностью трубы конвекцией определяется как
| QK = Qå - Qл . | (2) |
| Теоретически он равен | |
| QK = a × F × ( tст - t0 ) | (3) |
| Здесь a – коэффициент теплоотдачи, (Вт/м2К), | определяемый в |
эксперименте, F= p×d×l - площадь поверхности трубы, (м2), d - ее наружный
диаметр, l - длина, (м), tст , t0 - температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (°С).
Различают свободную и вынужденную конвекцию. Вынужденная конвекция возникает под действием внешних сил при движении тела в неподвижной среде или при обтекании его сплошным потоком жидкости или газа. В отличие от этого свободная или естественная конвекция возникает исключительно за счет разности температур тела и окружающей среды и локализована в небольшой области вокруг тела, называемой пограничным слоем. Жидкость или газ, нагреваясь или охлаждаясь в этом слое, изменяет свою плотность и за счет действия выталкивающих Архимедовых сил начинает двигаться, интенсифицируя теплообмен по сравнению с чистой теплопроводностью.
Поток тепла, отдаваемый поверхностью трубы в окружающую среду тепловым излучением,определяется по закону Стефана-Больцмана как
| æ | æ | T | ö | 4 | æ | T | ö4 | ö | ||||||
| Q | л | = e × C | × Fç | ç | ст | ÷ | - ç | 0 | ÷ | ÷ | (4) | |||
| 0 | ç | è | 100 | ø | è 100 | ø | ÷ | |||||||
| è | ø | |||||||||||||
| где e - степень черноты наружной поверхности трубы, | ||||||||||||||
| С0 =5,67Вт/м2× | К4 - | коэффициент | теплового излучения | абсолютно |
черного тела,
Тст,, Т0-температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (К).
Измерив напряжение U и электрическое сопротивление нагревателя, температуры наружной поверхности tст и окружающей среды - t0 и зная
степень черноты поверхности e, можно экспериментально определить коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы.
| a эксп = | Qк | , | (5) | |||
| F ×(tст - t0 | ) | |||||
где QK =Qå - Qл .
Значение коэффициента теплоотдачи может также быть рассчитано на основе теории подобия конвективного теплообмена по критериальному уравнению
| Nu = C× (Gr×Pr)n , | (6) |
где С и n − постоянные величины, зависящие от режима свободной конвекции, полученные обобщением результатов большого количества экспериментов проведенных различными исследователями (табл. 1).
Nu -безразмерный критерий Нуссельта,характеризующий отношениетеплового потока, отдаваемого поверхностью тела конвекцией к тепловому потоку, передаваемому теплопроводностью через слой среды толщиной d2.
| Nu =(a×d)/l | (7) |
Pr -критерий Прандтля,характеризующий соотношение вязкости итемпературопроводности среды (табл. 2).
| Gr = | g × d 3 | ×( t ст - t0 | ) | (8) | ||||||
| æ | t | ст | + t | ö | ||||||
| n | × ç | + 273÷ | ||||||||
| è | ø |
Gr-критерий Грасгофа,равный отношению выталкивающей силы,действующей на нагретые объемы жидкости или газа к силам вязкости. Для воздуха
| Таблица 1 | |||||
| Значения величин С и n | в критериальном уравнении (6) | ||||
| Режим свободной конвекции | (Gr×Pr) | С | n | ||
| Пленочный | 1×10-5 | 0,5 | |||
| Переходный | 5×102 | 1,18 | 0,125 | ||
| Ламинарный | 2×107 | 0,54 | 0,25 | ||
| Турбулентный | 1×1015 | 0,135 | 0,33 |
Таблица 2
Теплофизические свойства сухого воздуха при Р=0,101 МПа
| t0, 0С | р, | l, | n, м2/с | с, | Pr |
| кг/м3 | Вт/м×К | Дж/г×К | |||
| 1,293 | 0,0244 | 13,2×10-6 | 1,005 | 0,707 | |
| 1,205 | 0,0259 | 15,1×10-6 | 1,005 | 0,703 | |
| 1,128 | 0,0267 | 17,0×10-6 | 1,005 | 0,699 | |
| 1,029 | 0,0290 | 18,0×10-6 | 1,005 | 0,696 | |
| 1,000 | 0,0305 | 21,1×10-6 | 1,009 | 0,692 | |
| 0,946 | 0,0321 | 23,1×10-6 | 1,009 | 0,690 |