0. 1 Цель работы

Изучить процесс конвективного теплообмена (теплоотдачи) при свободном движении.

Усвоить методику и технику экспериментального исследования теплоотдачи, обработки опытных данных и обобщения их в виде критериального уравнения.

0. 2 Общие сведения

Теплоотдачей называется теплообмен между поверхностью тела и подвижной средой.

В теории теплообмена любую подвижную среду (газ, пар, жидкость) обычно называют жидкостью.

Свободное движение (естественная конвекция) подвижной среды у поверхности тела вызывает изменение плотности среды при нагревании или ее охлаждении.

Теплоотдача при свободном движении жидкости и газа наблюдается при перемещении пароводяной смеси в кипятильных и экранных трубках паровых котлов с естественной циркуляцией воды; при нагревании воздуха в помещениях поверхностями отопительных приборов (радиаторов, печей); при нагревании воды в ёмких водонагревателях и кипятильниках и т.д.

При конвективном теплообмене, тепловой поток пропорционален площади поверхности тела и разнице температур между жидкостью и поверхностью (формула Ньютона-Рихмана).

Ф=aАDT, (7.1)

где a - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К);

А - теплоотдающая поверхность тела, м²;

DТ - температурный напор (разность между температурами поверхности стенки и среды).

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов: температуры и шероховатости тела; температуры, скорости движения и физических параметров подвижной среды и т.д. Поэтому коэффициент теплоотдачи определяют по критериальным зависимостям, полученным из опытных данных.

Для свободного движения жидкостей и газов установлено следующая критериальная зависимость:

Nи=f(GrPr), (7.2)

где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи;

Gr - критерий Грасгофа или критерий подъёмной силы;

Pr - критерий Прандтля, определяющий физические свойства подвижной среды.

Для вычисления критериев используется формулы:

, (7.3)

где d–определяющий линейный размер тела, м. В нашем опыте диаметр трубы;

l-теплопроводность подвижной среды, Вт/(мК);

b- коэффициент объёмного расширения подвижной среды, К^-1;

γ - кинематическая вязкость подвижной среды, м²/c;

а - температуропроводность, м²/c;

g - ускорение свободного падения (g=9,81 м/с²);

DТ - расчётный температурный напор, К.

3 Описание установки

Установка для определения коэффициента теплоотдачи (рисунок 7.1) состоит из стальной трубы 1 диаметром d=60мм, расположенной горизонтально.

Внутри трубы помещен электронагреватель 2, который равномерно выделяет теплоту по всей длине. Торцы трубы имеют тепловую изоляцию 8.

Температура поверхности убывает к ее концам вследствие теплоотдачи через торцы. Для исключения влияния торцовых потерь в качестве расчетной принимается не вся длина трубы, а лишь ее средний участок l=500мм. Мощность нагревателя измеряется ваттметром 5 на длине расчетного участка и регулируется автотрансформатором 4.

Рисунок 7.1. Схема установки: 1 - стальная труба; 2 -нагреватель; 3 -теплоизоляция; 4 - автотрансформатор; 5 - ваттметр; 6 -термопары; 7 -потенциометр; 8 - сосуд со льдом; 9 -переключатель.

Для измерения температуры наружной поверхности трубы в нее вмонтированы 4 хромель-алюмельевых термопар 6. Спаи расположены равномерно по длине расчётного участка со сдвигом на 90º относительно друг друга для учета изменения температуры по периметру трубы.

Э.Д.С. термопар измеряется потенциометром 4. Термопары подключают к потенциометру поочерёдно с помощью переключателя 9. Холодной спай, общий для всех термопар, расположен в сосуде Дьюра 8 с тающим льдом.