Лабораторная работа № 4. Исследование

ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Цель работы: экспериментальным путем найти критериальное уравнение конвективного теплообмена при свободном движении воздуха около теплопередающей трубы, а также сравнить полученные результаты с литературными данными.

Теоретическая часть

Конвекцией называют процесс переноса теплоты при перемеще-нии 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 турбу-лентным. При ламинарном течении частицы жидкости движутся не перемешиваясь. При этом перенос теплоты по нормали к направлению течения осуществляется в основном путем теплопроводности. Ввиду того, что теплопроводность жидкости (за исключением жидких метал-лов) весьма мала, интенсивность теплообмена при ламинарном тече-нии невелика.

При турбулентном течении теплота внутри потока распростра-няется 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 непосредст-венно о стенку, а действуют на пограничный слой и отдают ему свою теплоту. Далее передача теплоты осуществляется теплопроводностью.

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверх-ностью 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:

, (4.1)

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

S – площадь поверхности, участвующей в теплообмене, ;

– температурный напор, °С;

– температура среды, омывающей поверхность стенки, ºC;

– температура поверхности стенки, ºC;

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

, (4.2)

где – коэффициент теплопроводности теплоносителя, ;

– 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 , плотность , коэффициент температу-ропроводности α, 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 (скорость, направление движения);

3) от геометрических характеристик потока и поверхности (длина, диаметр, шероховатость стенок). Форма и размеры теплоот-дающей 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 следую-щим образом: если их изменение приводит к увеличению значения и уменьшению толщины , то коэффициент будет увеличиваться, и наоборот.

По причине возникновения движение жидкости бывает свобод-ным 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 исполь-зования теории подобия получают так называемые критериальные уравнения, описывающие исследуемый процесс теплообмена. В крите-риальные уравнения входят безразмерные комплексы, называемые числами или критериями подобия.

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

, (4.3)

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

; (4.4)

Pr – критерий Прандтля, характеризующий вязкостные и темпе-ратуропроводные свойства теплоносителя; связь скоростного и темпе-ратурного полей:

; (4.5)

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

, (4.6)

где λ – коэффициент теплопроводности среды, ;

l – определяющий размер (для труб – диаметр, для плоских сте-нок – высота), м;

ν – коэффициент кинематической вязкости, ;

β – коэффициент объемного расширения, ;

ρ – плотность среды, ;

∆t – температурный напор;

g – ускорение свободного падения, ;

α – средний коэффициент теплоотдачи, ;

a – коэффициент температуропроводности, ;

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

(4.7)