Плотность теплового потока в этом случае определяется по формуле
М.Ф. Широкова, представляющей обобщенный закон Ньютона-Рихмана, Вт/м2:
(4.9)
При решении задачи теплообмена поверхности и разреженного газового потока следует учитывать изменение характера взаимодействия между молекулами. С повышением разреженности и температуры газа возрастает средняя длина свободного пробега молекул 
между соударениями, уменьшается количество соударений. Дискретное строение газа приводит к скачку температуры и скорости в прилегающих к поверхности слоях. Вследствие этого на самой поверхности наблюдается так называемое "скольжение" потока при "неполном" теплообмене.
Полнота теплообмена оценивается коэффициентом аккомодации 
, представляющим отношение действительного обмена энергией к максимально возможному обмену.
Аэродинамическая степень разрежения газа определяется значением критерия Кнудсена 
, где – средняя длина свободного пробега молекул; 
– характерный размер стенки.
Рассчитаем критерий Кнудсена для каждого значения (см. таблицу 4.2):
Если 
то газ следует рассматривать как сплошную среду; если 
то как свободный молекулярный поток. Теплоотдача в свободном молекулярном потоке может быть рассчитана на основе кинетической теории газов. Такой режим наблюдается при очень больших разряжениях, когда длина свободного пробега молекул между ударами превышает на один (или более порядков) характерный размер тела 
.
Влияние скоростей учитывается через относительную скорость:
, (4.10)
где 
- скорость звука в среде, м/с;
– газовая постоянная;
– показатель адиабаты;
М – число Маха.
Тогда относительная скорость:
По теоретической зависимости определяем значение функции 
, то 
.
Оценивая относительную скорость s, получим 
.
Критерий Стантона можно найти:
, (4.11)
где 
- коэффициент аккомодации.
Тогда критерий Стантона:
Имея в виду теоретическую зависимость (4.11), определим критерий Нуссельта, а затем и коэффициент теплоотдачи:
, (4.12)
где 
- критерий Рейнольдца.
Тогда критерий Нуссельта:
Следовательно, коэффициент теплоотдачи будет равен:
(4.13)
где 
- плотность сухого воздуха.
Тогда
Если 
то в зоне может быть режим течения со скольжением ( 
) или переходный режим ( 
).
В режиме течения со скольжением для расчета конвективного теплообмена используется зависимость вида:
(4.14)
где 
коэффициент аккомодации;
критерий Нуссельта
Тогда критерий Нуссельта 
равен:
Следовательно, критерий Нуссельта в режиме течения со скольжением:
.
Коэффициент теплообмена:
(4.15)
Результаты расчетов по исследованию влияния основных факторов коэффициента теплообмена сведены в таблицу 4.4.
Таблица 4.4 – Результаты расчетов
| Факторы и параметры | Среда | w, м/с | tж, °С | tс, °С | Re | Nu·103 | α·103 Вт/м2·К | ||||
| Температура | Вода | 1798561,151 | 1,913 | 1,24 | |||||||
| 3389830,508 | 1,746 | 1,192 | |||||||||
| 4926108,374 | 1,666 | 1,139 | |||||||||
| Свойства среды | Воздух | 41382,164 | 0,1173 | 0,054 | |||||||
| Вода | 2,583 | 1,396 | |||||||||
| Скорость движения | Вода | 0,5 | 2463054,187 | 1,141 | 0,781 | ||||||
| 1,5 | 7389162,568 | 1,98 | 1,354 | ||||||||
| 2,0 | 9852216,749 | 2,286 | 1,564 | ||||||||
| 2,5 | 12315270,94 | 2,556 | 1,748 | ||||||||
| Направление потока | Вода | 1,5 | 2697841,727 | 1,962 | 1,271 | ||||||
| 50847845,763 | 1,501 | 1,025 | |||||||||
| Сжимаемость | Воздух | 0,957 | 0,028 | ||||||||
| 6,008 | 0,174 | ||||||||||
| 19,407 | 0,563 | ||||||||||
| Начальный участок | x/l | 0,2 | Вода | 0,37 | 1,267 | ||||||
| 0,4 | 0,602 | 1,03 | |||||||||
| 0,6 | 0,8 | 0,912 | |||||||||
| 0,8 | 0,977 | 0,836 | |||||||||
| Разряжение | Kn | 0,006 | Воздух | -50 | 541711809,3 | 250,6074 | 0,5113 | ||||
| 0,13 | 541711809,3 | 250,265 | 0,51054 | ||||||||
| 40,13945 | |||||||||||
На основании полученных данных приведены графики.
Рисунок 4.2 – График зависимости α=f(w)
Рисунок 4.3 – График зависимости α=f(w)
Рисунок 4.4 – График зависимости α=f(x)
4.3 Вывод
Из графика зависимости распределения коэффициента теплоотдачи от температуры воды видно, что с увеличением температуры воды интенсивность теплообмена уменьшается, а значит уменьшается и коэффициент теплообмена.
Коэффициент теплообмена воды на порядок больше коэффициента теплообмена воздуха.
Из графика зависимости распределения коэффициента теплоотдачи от скорости потока следует, что с увеличением скорости потока, коэффициент теплообмена растет.
Коэффициент теплообмена меняется в зависимости от направления теплового потока. Если поток направлен от стенки к жидкости, то коэффициент теплообмена больше, чем при потоке направленном от жидкости к стенке.
При турбулентном режиме течения среды наличие начального необогреваемого участка практически не влияет на теплообмен.
С повышением разряженности и температуры газа возрастает средняя длина свободного пробега молекул между соударениями, уменьшается количество соударений. Дискретное строение газа приводит к скачку температуры и скорости в прилегающих к поверхности слоях. Вследствие этого на самой поверхности наблюдается так называемое «скольжение» потока при «неполном» теплообмене.
Заключение
В данной курсовой работе, я произвела расчет нескольких важных задач, с применением базовых знаний в теории тепломассообмена, например таких как: определение эффективности оребрения, расчет нестационарной теплопроводности тел и т.д. Только грамотный подход к решению вышеперечисленных задач может уберечь нас от ненужных экономических затрат и позволить нам использовать все, что имеется в нашем распоряжении с максимальной эффективностью.
И в заключении, хотелось бы отметить, что изучение закономерностей протекания как отдельных, так и более сложных процессов тепловой энергии и является задачей настоящего курса теплопередачи.
Данная курсовая работа способствует углублению и закреплению теоретических знаний и приобретению практических навыков инженерных расчетов теплообменных и массообменных процессов в технологии промышленной теплоэнергетики.
Применение современных технологий, таких как ЭВМ, при расчете задач тепломассообмена, позволяет еще более широко и эффективно использовать данную науку в повседневной жизни.
Библиографический список
1. В. В. Овсянников, В. Н. Кузнецов. Теоретические основы теплотехники/Тепломассообмен, ч. 2. Омский Государственный Университет Путей Сообщения. Омск 2002.
2. В. В. Овсянников, В. Н. Кузнецов. Теоретические основы теплотехники/Тепломассообмен, ч. 3. Омский Государственный Университет Путей Сообщения. Омск 2002.
3. В.В. Овсянников, В. Н. Кузнецов. Транспортная теплотехника/Основы
теплообмена. Конспект лекций. Омский Государственный Университет Путей
Сообщения. Омск 1992.