Краткие теоретические сведения по темам лабораторных работ, описание лабораторных стендов и методика проведения измерений, страница 12

Цель работы:

Практическое освоение учебного материала дисциплины по двум темам -«Теплоотдача при естественной, или свободной конвекции» и «Теплоотдача излучением».

1.Теоретическая часть

Тепловой поток Q, проходящий сквозь поверхность F образца, вызывается разностью температур. Его величина, измеряемая в ваттах, определяется температурным напором и физическими свойствами среды, в которой совершается теплообмен. В расчетах принято использовать также величину, называемую плотностью теплового потока q. Она измеряется в Вт/м² и выражает тепловой поток, проходящий через единицу поверхности. Зная плотность теплового потока q, можно определить весь тепловой поток Q через заданную поверхность. Например, если F , м² – площадь цилиндрической поверхности образца, а q - средняя плотность теплового потока через эту стенку, то общий тепловой поток через стенку равен

Q=qF.                                                            (1)

В общем случае, при неравномерной плотности теплового потока,

Q=òq dF

Известны три основных явления теплообмена и соответственно три закона теплообмена, по которым определяют  плотность теплового потока в зависимости от физических свойств среды, в которой протекает теплообмен.

·  Явление теплообмена в твердом теле, а также в неподвижных прослойках газа или жидкости называется теплопроводностью. Здесь плотность теплового потока определяется законом теплопроводности, или законом Фурье:

q=-l grad t.                                                   (2)

·  Явление теплообмена на поверхности стенки, омываемой движущимся газом или жидкостью, называется конвективной теплоотдачей. Здесь плотность теплового потока определяется законом конвективной теплоотдачи, или законом Ньютона-Рихмана:

q=a(t_c - t_ж).                                               (3)

·  Третьим видом теплообмена является теплообмен излучением, определяемый законом Стефана-Больцмана:

q=sT⁴.                                                      (4)

В закон Фурье (2) входитl - коэффициент теплопроводности, измеряемый в Вт/(м К). Его величина выбирается из таблиц теплопроводности. Например, для различных видов стали l=20...40 Вт/(м К), для кирпичной стенки 0,7...0,8 Вт/(м К), для неподвижного слоя воды 0,55...0,68, для пористых теплоизоляционных материалов 0,07...0,08, для неподвижного слоя воздуха 0,02...0,03 Вт/(м К) в зависимости от его температуры. Градиент температуры grad t  зависит от вида температурного поля в теле. Например, в простейшем случае плоской стенки с толщиной  d имеем grad t = (t_С1 – t_С2)/ d, где t_с1 – t_с2 - перепад температур по толщине стенки.

В закон Ньютона-Рихмана входит разность температур по толщине пограничного слоя жидкости, омывающей стенку: t_С - температура пограничного слоя со стороны стенки, равная температуре поверхности стенки, а t_ж - температура жидкости за пределами пограничного слоя, то есть на удалении от поверхности образца. Способность самого пограничного слоя проводить тепловой поток зависит от многих факторов -  формы стенки, вида жидкости (газа), его температуры и скорости движения вдоль стенки. Все разнообразие этих факторов учитывается величиной коэффициента конвективной теплоотдачи a, измеряемого в Вт/(м² К). Он вычисляется по критериальным формулам теории подобия вида Nu=f(Re, Gr, Pr), где

Nu=aL/l- число Нуссельта,                                     (5)

Re= wL/n- число Рейнольдса,                                  (6)