Исследование процесса передачи тепла конвекцией, страница 2

II. Расчётная часть.

  А. Определение коэффициентов конвективной теплоотдачи. Коэффициентом конвективной теплоотдачи называется количество тепла, приходящее от жидкости или газа к поверхности тела за счёт конвекции и теплопроводности, отнесённое к единице площади тела, при разности температур между средой и поверхностью тела 1⁰С за единицу времени:

                                                  ,               (2)

  где  - количество тепла, переданное горячим воздухом поверхности охлаждаемой пластины за время опыта;

           F – площадь рабочей поверхности пластины;

           - температура воздуха, омывающего поверхность пластины (точка 5);

           - средняя температура поверхности пластины;

           - время опыта.

  При стационарном режиме работы установки количество тепла, приходящее с воздухом к пластине, равно количеству тепла, отводимого от пластины охлаждаемой водой . Оно определяется по расходу воды и разности температур на выходе и входе:

                                                    ,                  (3)

  где с – теплоёмкость воды;

       - расход воды на выходе из охлаждаемой пластины;

       и  -температура воды соответственно на выходе и входе.

  Средняя температура поверхности охлаждаемой пластины определяется как среднее арифметическое температур пяти термопар, установленных на поверхности пластины:

                                               .             (4)

  Заданный расход воздуха, входящего в нагревательную печь, вычисляется по перепаду давления на диафрагме, измеренному U-образным дифманометром:

                                                    ,                   (5)

где  - перепад давлений на диафрагме, мм вод. ст.

  Расход воздуха на выходе из нагревательной трубы определяется с учётом нагрева его в воздухонагревателе:

                                                        ;                       (6)

Скорость воздуха:

                                                            ;                          (7)

где d₀ – диаметр концевого отверстия, из которого происходит истечение нагретого воздуха,

d₀ = 12мм.

  Полученные по формулам (4)-(6) и (2) расчётные данные занесём в табл.2.

Результаты расчётов.

                                                                                                                                   Таблица 2.

Средняя температура поверхности пластины	Расход нагретого воздуха, м3/с		Qохл, кал/сек	Коэффициент теплоотдачи , Вт/м2 0С	Скорость воздуха, м/с
	V0	VB
29,4	0,0057	0,0075	27,72	80,48	66,3
24	0,0052	0,0062	23,94	46,22	54,85
24	0,0046	0,0059	22,68	28,93	52,19
27	0,0034	0,0044	20,79	26,05	38,92

Пример расчёта для первого опыта:

1) Расчёт средней температуры поверхности пластины:

С

2)  Заданный расход воздуха

3)  Расход воздуха на выходе из нагревательной трубы

4)  При стационарном режиме работы установки количество тепла, приходящее с воздухом к пластине

5) Коэффициентом конвективной теплоотдачи

0,48 Вт/м^{2 0}С

6) Скорость воздуха:

м/с.

Для остальных опытов аналогичные расчёты.

Б.  Обработка полученных экспериментальных данных в критериальном виде. Данный вид обработки позволяет обобщить результаты единичных замеров и распространить их на целый класс явлений.

  Известно, что для описания процессов конвективной теплоотдачи при принудительном движении жидкости или газов в условиях взаимодействия симметричной струи с пластиной, расположенной на пути движения потока, используются следующие критерии:

 1) Критерий Нуссельта, или критерий конвективного теплообмена,

                                                           ,                          (8)

где  - коэффициент теплопроводности воздуха при данной температуре;

2) Критерий Рейнольдса, определяющий характер принудительного движения газа;

                                                             ,                           (9)

где  - кинематический коэффициент вязкости газа;

3) Критерий Прандтля, определяющий свойства движущейся среды (при заданной температуре определяют по справочным данным):

                                                                ;                             (10)

где а – коэффициент температуропроводности газа.

Таблица 3

Nu	Re	Pr
125.9	34396	0.688
82.16	36668	0.698
45.28	27076	0.688
40.77	20192	0.688

  Экспериментальные данные следует обработать в виде критериального уравнения:

                                                         ,                      (11)

  Уравнение (11) представляют в виде степенных зависимостей типа :

                                                         ,                      (12)

где с, n, m – числовые коэффициенты.

 В результате обработки экспериментальных данных получили следующие значения коэффициентов с, n, m:

С=10³

n=-0,2

m=3,3

Таким образом выражения для определения критерия Нуссельта выглядит:

.