Лабораторная работа 4 «исследование

КОМБИНИРОВАННОГО ТЕПЛООБМЕНА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБ С ОКРУЖАЮЩИМ ВОЗДУХОМ В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ»

Цель работы: выявление различных механизмов переноса тепла,расчетное и экспериментальное определение основных характеристик комбинированного теплообмена - количеств тепла, передаваемого от ее поверхности тепловым излучением и конвекцией, коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы и степени черноты ее поверхности.

Основные сведения

Существует три основных механизма переноса тепла, каждый из которых имеет свою физическую природу, описывается своими законами и уравнениями, имеет свои методы расчета и экспериментального исследования. Это - теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. В явлениях теплообмена тел с окружающей средой все этимеханизмы чаще всего действуют одновременно. Если известны некоторые характеристики, поддающиеся теплотехническим измерениям, то могут быть выявлены, а затем и скорректированы в нужном направлении действия того или иного механизма переноса тепла.

Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу и основным фактором, определяющим интенсивность теплообмена, является разность температур.

В настоящей работе на примере нагретых горизонтальных труб необходимо определить тепловую мощность, выделяемую трубчатым электронагревателем внутри каждой трубы Q_å и рассчитать тепловые потоки, отдаваемые в окружающую среду тепловым излучением Q_л и конвекцией Q_K. В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы ее тепловой баланс выражается соотношением:

где Q_{å =} U²/R - тепловая мощность, выделяемая электронагревателем, (Вт).

В эксперименте тепловой поток Q_K, отдаваемый окружающему воздуху поверхностью трубы конвекцией определяется как

эксперименте, F= p×d×l - площадь поверхности трубы, (м²), d - ее наружный

диаметр, l - длина, (м), t_{ст ,} t₀ - температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (^°С).

Различают свободную и вынужденную конвекцию. Вынужденная конвекция возникает под действием внешних сил при движении тела в неподвижной среде или при обтекании его сплошным потоком жидкости или газа. В отличие от этого свободная или естественная конвекция возникает исключительно за счет разности температур тела и окружающей среды и локализована в небольшой области вокруг тела, называемой пограничным слоем. Жидкость или газ, нагреваясь или охлаждаясь в этом слое, изменяет свою плотность и за счет действия выталкивающих Архимедовых сил начинает двигаться, интенсифицируя теплообмен по сравнению с чистой теплопроводностью.

Поток тепла, отдаваемый поверхностью трубы в окружающую среду тепловым излучением, определяется по закону Стефана-Больцмана как

черного тела,

Т_ст,, Т₀ -температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (К).

Измерив напряжение U и электрическое сопротивление нагревателя, температуры наружной поверхности t_ст и окружающей среды - t₀ и зная

степень черноты поверхности e, можно экспериментально определить коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы.

где Q_K =Q_å - Q_л.

Значение коэффициента теплоотдачи может также быть рассчитано на основе теории подобия конвективного теплообмена по критериальному уравнению

где С и n − постоянные величины, зависящие от режима свободной конвекции, полученные обобщением результатов большого количества экспериментов проведенных различными исследователями (табл. 1).

Nu - безразмерный критерий Нуссельта,характеризующий отношениетеплового потока, отдаваемого поверхностью тела конвекцией к тепловому потоку, передаваемому теплопроводностью через слой среды толщиной d₂.

Pr - критерий Прандтля,характеризующий соотношение вязкости итемпературопроводности среды (табл. 2).

Gr- критерий Грасгофа,равный отношению выталкивающей силы,действующей на нагретые объемы жидкости или газа к силам вязкости. Для воздуха

Таблица 2

Теплофизические свойства сухого воздуха при Р=0,101 МПа