12

БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Д.Ф. Устинова

_______________________________________________________________

Кафедра К1

Лабораторная работа N 5

Определение коэффициента теплоотдачи при конвекции и обдуве

Методические указания

	Составили:
	доц. Анискевич Ю.В.
	ст. пр. Мустейкис А.И.

Санкт-Петербург

1. Цель и содержание работы.

Целью работы является локальных коэффициентов теплоотдачи на поверхности различных объектов в условиях естественной и вынужденной конвекции.

2. Краткая теория работы.

Перенос теплоты осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность представляет собой молекулярный перенос теплоты в телах, обусловленный неоднородностью температурного поля.

Под конвекцией понимают процессы передачи теплоты при перемещении жидкости или газа в пространстве. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью и этот совместный процесс называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называют теплоотдачей.

Рабочий процесс в различных теплообменных устройствах, как правило, основан на конвективном теплообмене между твердой поверхностью тела и контактирующей с ней жидкостью, а интенсивность определяется гидродинамическими условиями обтекания, так и теплофизическими свойствами жидкости.

Для расчета стационарного теплового потока обычно используют формулу Ньютона:

[Вт/м²] ,

где  [Вт/м²К] - коэффициент теплоотдачи; q [Вт/м²] - плотность теплового потока; Т_ж [К] - температура жидкости; Т_ст [К] - температура твердой поверхности теплообмена.

Современное методы расчета конвективного теплообмена основываются на теории пограничного слоя.

Различают естественную и вынужденную конвекцию. Естественная конвекция возникает за счет того, что в неравномерно нагретой жидкости разность температур приводит к неравномерному распределению плотности, а следовательно, и к появлению подъемной силы, обуславливающей движение жидкости. Конвективный теплообмен, возникающий под действием внешних сил, называется вынужденной конвекцией.

Интенсивность теплоотдачи конвекцией зависит от характера течения жидкости в пограничном слое. При ламинарном режиме течения интенсивность теплоотдачи невелика, слабо зависит от скорости течения жидкости и сильно меняется при изменении теплофизических свойств последней.

При турбулентном режиме течения скорость в каждой точке пристеночного потока пульсирует во времени около некоторого среднего значения. Вследствие этого возникает интенсивное поперечное перемешивание жидкости, что и вызывает интенсивный теплообмен количеством движения и теплотой между слоями.

Методы определения коэффициента теплоотдачи.

Вначале нагреваем исследуемый объект постоянной мощностью в течение 10-15 мин., затем стабилизируем температуру на желаемом уровне (примерно 80-100 ) и держим ее в течение 5-6 мин., измеряя мощность тепловых потерь на объекте в стационарном режиме. Затем даем возможность исследуемому объекту охлаждаться в течение 20-30 мин.

Электрическую мощность нагрева объекта определяем по формуле:

, (1)

где - измеренное значение тока нагрузки, - сопротивление встроенного в объект нагревателя.

Мощность тепловых потерь на исследуемом объекте пропорциональна разности температур объекта и температуры окружающего воздуха:

, (2)

где - определяемый в данной работе коэффициент теплоотдачи, который является сложной функцией физических параметров жидкости, характера течения, скорости движения жидкости, формы и размеров тела и др.; - площадь поверхности исследуемого объекта.

Скорость нагрева при мощности нагревателя :

, (3)

где - теплоемкость объекта.

Скорость остывания при отключенном нагревателе:

(4)

Коэффициент теплоотдачи можно определить несколькими способами.

Метод 1. По сопоставлению скорости нагрева и скорости остывания в данном интервале температур.

Определяем приращение температуры при нагреве за интервал времени при разности температур (средней за время ) и убыль температуры при остывании за интервал времени при разности температур (средней за время ).

Полагая в уравнении (3) и (4) после преобразований находим:

(5)

Т.к. зависит от температуры, то нужно выбирать . Интервалы и выбираем одинаковыми (2 или 4 минуты). Тогда уравнение (5) перепишем в виде:

(6)

Метод 2. По мощности, нужной для поддержания постоянной температуры.

Если объект термостатирован при температуре объекта и температуре окружающего воздуха, мощности нагрева , то:

(7)