Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции около горизонтального цилиндра

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи на поверхности горизонтально расположенного цилиндра при стационарной естественной конвекции в неограниченном пространстве и сопоставление результатов опытов с теоретическими данными.

Основы теории

Конвекция – перенос тепла при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в жидкостях и газах, так как перенос тепла связан с переносом самой среды (теплоносителя). Перенос тепла между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела называют конвективным теплообменом или теплоотдачей. При этом перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Различают свободное и вынужденное движения теплоносителя. Свободным называют движение, которое происходит вследствие разности плотностей горячих и холодных масс теплоносителя. Свободное движение теплоносителя называют естественной конвекцией. Вынужденным называют движение теплоносителя за счет действия внешнего источника энергии (насоса, вентилятора). Вынужденное движение теплоносителя может сопровождаться свободным, однако при больших скоростях перемещения теплоносителя влияние свободной конвекции на теплоотдачу невелико.

Тепловой поток, передаваемый теплоотдачей через элемент поверхности тела dF , пропорционален разности температур стенки t _с и теплоносителя t _ж и величине площади теплоотдающей поверхности (закон Ньютона-Рихмана)

 Вт.

Коэффициент пропорциональности  называется коэффициентом теплоотдачи и измеряется в Вт/м²·К. Разность  называют температурным напором теплоотдачи. Если  и  не изменяются по поверхности тела, то

 Вт.                              (2.1)

Из уравнения (2.1) следует, что  - это плотность теплового потока на гра­нице теплоносителя и соприкасающегося тела , Вт/м², отнесённая к разности температур  

 Вт/м²·К.                                 (2.1а)

В общем случае коэффициент  может изменяться по поверхности тела, так же как изменяются t _с и t _ж , поэтому различают локальные (местные) значения , ,  и средние значения , , . Величина коэффициента теплоотдачи зависит от:

- скорости движения теплоносителя , м/с;

- режима движения теплоносителя (ламинарный, переходный, турбулентный), который характеризуется числом Рейнольдса ;

- температурного напора , ⁰С;

- формы и размера тела (характерный размер l);

- расположения тела в пространстве;

- физических свойств теплоносителя (изобарной теплоемкости С_р, коэффициента теплопроводности λ, плотности ρ, коэффициента температуропроводности a , коэффициента объемного расширения β, коэффициента кинематической вязкости υ).

В развитии свободного движения большое значение имеют протяженность поверхности, вдоль которой происходит движение теплоносителя, и её расположение. Свободное движение около нагретой трубы начинается около её нижней поверхности, где образуется тонкий ламинарный слой теплоносителя. По мере подъёма толщина слоя и скорость движения теплоносителя увеличиваются и при определённом её значении течение становится турбулентным.

Переход ламинарного течения в турбулентное у горизонтальных труб происходит в зависимости от их диаметра, свойств теплоносителя, температурного напора . При прочих равных условиях чем больше диаметр трубы, тем вероятнее разрушение ламинарного течения. У трубы малого диаметра разрушение ламинарного течения может происходить вдали от трубы, а у трубы большого диаметра – на её поверхности. Характер свободного движения около горячих горизонтальных труб представлен на рис. 4 /3/.

Рис. 4. Свободное движение около горизонтальных труб

 

Интенсивность теплообмена на границе между стенкой и теплоносителем определяется числом Нуссельта

Nu _{ж d} = a d / l _ж,                                           (2.2)

которое представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи и может быть вычислено по уравнению подобия при 10³ < ( Gr _{ж d} · Pr _ж ) <10⁸ /2, 3/

.             (2.3)

В формуле (2.2) в качестве определяющего размера принят наружный диаметр трубы d, а в качестве определяющей температуры – температура окружающей среды t _ж.

Входящее в выражение (2.3) число Прандтля Pr _ж = n _ж / a _ж является комплексной характеристикой физических свойств теплоносителя. Оно определяет меру подобия полей температур и скоростей в пограничном слое теплоносителя. Число Грасгофа Gr _{ж d} = ( g · b _ж · d ³ ·Δ t ) / ν_ж², определяет гидродинамический режим свободного движения и характеризует подъёмную силу, возникающую вследствие разности плотностей холодного и горячего теплоносителей.

Комплекс учитывает изменение теплофизических свойств теплоносителя в зависимости от его температуры, а также направление вектора плотности теплового потока. При нагреве теплоносителя > 1, а при охлаждении < 1. Для воздуха =1, и уравнение (2.3) принимает вид /2/

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: