6.1. Цель и содержание

Опытное определение коэффициента теплоотдачи для горизонтальной трубы при свободном движении воздуха в зависимости от температурного напора, а так же определение значений эмпирических коэффициентов С и n критериального уравнения, описывающего процесс теплоотдачи горизонтальной трубы при свободной конвекции.

6.2. Теоретическое обоснование

Свободным называется также движение жидкости, которое обуславливается разностью плотностей нагретых и холодных ее частиц и всецело определяется наличием теплообмена.

В соответствии с законом Ньютона-Рихмана количество переданного тепла пропорционально поверхности тела и разности температур поверхности и жидкости (температурному напору).

Для рассматриваемого случая теплообмена плотность воздуха и подъемная сила определяются температурным напором, а зона распространения процесса – поверхностью исследуемой трубы. Таким образом, теплоотдача тела определяется, в первую очередь, разностью температур тела и окружающей среды, т.е. температурным напором.

Как известно, процесс теплообмена при свободном движении жидкости зависит от режима ее движения около тепловоспринимающей (теплоотдающей) поверхности.

Применительно к теплообмену на горизонтальных трубах этот процесс имеет ряд особенностей. На нижней половине периметра трубы вследствие увеличения толщины ламинарной пленки коэффициент теплоотдачи уменьшается. Это происходит до тех пор, пока увеличение толщины пленки не приводит к ее срыву, разрушению и началу турбулизации среды. Турбулизация, в свою очередь, ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи до некоторого значения, которое в дальнейшем остается постоянным.

В зависимости от диаметра трубы переход от ламинарного режима к турбулентному происходит по разному. При диаметре горизонтальной трубы 20÷30 мм ламинарный характер потока сохраняется до некоторой высоты над поверхностью трубы, после чего начинается турбулентный режим движения. При большом диаметре горизонтальных труб (200÷300 мм) ламинарное движение среды переходит в турбулентное еще до верхней кромки трубы. Имеющие аналитические решения задачи конвективного теплообмена при свободном движении среды выполнено при целом ряде упрощающих предпосылок и мало соответствует действительным условиям протекания процесса. Поэтому на практике широко используется экспериментальный метод с привлечением теории подобия.

Критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при свободном движении жидкости в неограниченном пространстве, имеет вид

,

(6.1)

где Nu – критерий Нуссельта

,

(6.2)

Gr – критерий Грасгофа

,

(6.3)

Pr – критерий Прандтля

.

(6.4)

В аналитические выражения критериев теплообмена (6.2 – 6.4) входят следующие физические величины:

 –коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К);

d – определяющий размер (диаметр трубы), м;

 –коэффициент теплопроводности, Вт/(мК);

 = 1/T_погр –коэффициент объемного расширения, 1/K;

–определяющая температура (температура пограничного слоя), K;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

–температурный напор, К;

a –коэффициент температуропроводности, м²/с;

ν – кинематическая вязкость воздуха, м²/с.

Значение физических параметров, входящих в выражения критериев теплообмена, принимаются по температуре пограничного слоя ().

Таблица 6.4 – Физические параметры сухого воздуха

t, ºC	, кг/м3	102, Вт/(мК)	а106, м2/c	ν106, м2/с	Pr
10	1,247	2,51	20,0	14,16	0,705
20	1,206	2,59	21,4	15,06	0,703
30	1,165	2,67	22,9	16,00	0,701
40	1,123	2,76	24,3	16,96	0,699
50	1,093	2,83	25,7	17,95	0,698
60	1,060	2,90	26,2	18,97	0,696
70	1,029	2,96	28,6	20,02	0,694
80	1,00	3,05	30,2	21,09	0,692
90	0,972	3,13	31,9	22,10	0,690
100	0,946	3,21	33,6	23,13	0,688
120	0,896	3,34	36,8	25,45	0,686
140	0,854	3,49	40,3	27,80	0,684
160	0,815	3,64	43,9	30,09	0,682

Значения коэффициентов С и n, входящих в уравнение (6.1), определяются в зависимости от режима движения из таблицы 6.1.

Таблица 6.1 – Численные значения коэффициентов С и n для различных режимов движения

п/п		Режим движения	С	n
1	110–3 ÷ 5102	ламинарный режим	1,48	1/8
2	5102 ÷ 2107	переходный режим	0,54	1/4
3	2107 ÷ 11013	турбулентный режим	0,135	1/3