Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции: Методические указания к лабораторной работе № 4 по курсу "Теплофизика"

Министерство образования  Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический Университет»

    Кафедра " Машины и технология литейного производства "

           ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ

        Методические указания к лабораторной работе 4

             по курсу “ТЕПЛОФИЗИКА”

 Комсомольск-на-Амуре 2006

УДК 621.745.5: 669.1

Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции:  Методические указания к лабораторной работе 4 /  Сост. Б.М. Соболев. -  Комсомольск-на-Амуре:  Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун.-т, 2006. - 10 с.

Описана конструкция лабораторной установки. Приведена методика проведения экспериментов и обработки результатов по определению коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции. Предназначена для студентов специальностей 150101, 150106 дневной и заочной форм обучения.

Печатается по постановлению редакционно-издательского совета  Комсомольского-на-Амуре  государственного   технического университета.

Согласовано с отделом стандартизации.

Цель работы: экспериментально определить коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции воздуха при обтекании горизонтальной трубы.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Под действием неоднородного поля массовых сил, приложенных к частицам жидкости, внутри нее возникает движение. Массовые силы вызываются приложением внешних полей, например, гравитационного, магнитного, электрического.  Движение   естественное, самопроизвольное   под действием гравитационного поля в жидкости с неравномерной плотностью в различных точках её объема называется гравитационной свободной конвекцией. Неоднородность плотности жидкости возникает из-за неравномерного распределения температуры, концентрации компонента, в смеси, наличия нескольких фаз с различной плотностью.

При свободной конвекции жидкости происходит перенос теплоты к твердым телам, окружающим данный объем жидкости; это явление называют теплоотдачей при свободной конвекции (слово " гравитационная "   обычно опускают).

Свободная конвекция вызывается и поддерживается не искусственно, а самопроизвольно при наличии разнородности    плотности жидкости. В качестве примеров можно указать использование этого явления при устройстве отопительных систем (отопительные радиаторы) ; происходит потеря тепла в атмосферу от нагретых корпусов различных машин, теплообменных агрегатов, трубопроводов и т.п.; жидкость при нагревании до наступления кипения также движется естественно.

Различают теплоотдачу при свободной конвекции в неограниченном пространстве и в ограниченном   пространстве. Геометрия системы существенно влияет на теплоотдачу при свободной конвекции. Далее рассматривается теплоотдача в неограниченном пространстве. При естественном движении около твердой поверхности образуется пограничный слой, сначала ламинарный, который в дальнейшем может перейти в турбулентный.

Аналитическое решение задачи теплоотдачи при свободной конвекции как для ламинарного, так и для турбулентного пограничного слоя вызывает существенные практические затруднения. Это связано с трудностями математического и физического порядка, а также сложностью задания корректных граничных условий при интегрировании системы дифференциальных уравнений, описывающих данное явление. По этим причинам при решении задач теплоотдачи при свободной конвекции широко используется аппарат теории подобия. Известно, что теория подобия физических явлений удачно   и органично сочетает преимущества теоретического и экспериментального методов исследований.

Количество теплоты, передаваемое конвекцией, определяется законом Ньютона - Рихмана. 

Q = aF(t_ж- t_ст),

где   a  - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²°С);    F - поверхность теплообмена, м²;  t_ж- температура жидкости на достаточном удалении от твердой поверхности (за пределами толщины пограничного слоя), ° С;   t_cт- температура поверхности стенки, °С.

Коэффициент теплоотдачи  a  зависит от множества различных факторов, например, от формы тела, физических свойств жидкости, градиента температуры в жидкости, шероховатости поверхности и т.д.  Именно по этой причине и возникают сложности определения величины  коэффициента теплоотдачи.

Теория подобия позволяет свести задачу по определение интенсивности теплоотдачи при свободной конвекции к критериальной зависимости вида.

Nu = f(Gr, Pr),

где  Nu=ad/l - критерий Нуccельта, характеризует интенсивность теплоотдачи;        Gr = gbd³ Dtn^-2 - критерий Грасгофа, характеризует   подъемную силу, возникающую в жидкости из-за неодинаковой её плотности в различных точках; Рr=mс/l = n/а - критерия Прандтля, характеризует физической свойство жидкости;