Общий порядок проведения работ

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение. 4

Измерение температуры и давления. 6

Построение участка нижней пограничной кривой для воды.. 14

Определение степени сухости влажного насыщенного водяного пара. 19

Исследование влажного воздуха. 24

Исследование процесса охлаждения пищевых продуктов. 31

Определение коэффициента теплопроводности материала методом цилиндрического слоя. 37

Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха. 42

Определение коэффициента температуропроводности тела методом регулярного режима. 49

Определение степени черноты твердого тела. 55

Приложения. 64

 

ВВЕДЕНИЕ

 

На предприятиях пищевой промышленности расходуется большое количество тепла как на основные технологические нужды, связанные с переработкой сырья, так и на вспомогательные процессы. Существенное количество тепла расходуется также на отопление и вентиляцию производственных и служебных помещений.

Тепловые процессы в технологических линиях весьма разнообразны, характеризуются большой сложностью и сопровождаются, как правило, изменением физико-химических и биохимических свойств обрабатываемого сырья.

В целях сокращения расхода тепла на выработку единицы продукции необходимо совершенствовать схемы получения и транспортирования тепла, рационализировать технологические процессы, модернизировать или заменять неэффективное тепловое оборудование, увеличивать коэффициенты загрузки оборудования, а также всемерно использовать вторичные энергетические ресурсы.

В основе успешного осуществления организации высокоэффективного использования тепловой энергии является знание и умение применять на практике основные законы и положения термодинамики и тепломассопереноса.

Термодинамика является разделом теоретической физики. Она составляет обширную область современного естествознания и изучает законы превращения различных видов энергии в технологических процессах, сопровождающихся тепловыми эффектами. Эта наука рассматривает самые разнообразные явления природы и охватывает огромную область химических, механических и физико-химических явлений.

В частности, техническая термодинамика рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретической платформой теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых и холодильных машин, а также всевозможного технологического оборудования.

Термодинамическую систему составляют различные тела, в том числе реальные газы и пары, идеальные газы и т.д. Введение понятия идеального газа позволило получить простые математические зависимости (модели) между величинами, характеризующими состояние рабочих веществ, и, на основе законов идеальных газов, создать теорию термодинамических процессов.

В данном лабораторном практикуме рассматриваются различные процессы и превращения, происходящие с реальными веществами и рабочими телами, которые применяются в технологических операциях пищевой промышленности.

Тепломассоперенос рассматривает закономерности переноса энергии в виде теплоты и макроскопических объемов вещества, потоки которых присутствуют в различных технологических процессах.

Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Они различны по своей материальной природе и описываются различными законами.

В большинстве случаев, встречающихся в различных технологических процессах пищевой промышленности, перенос тепла осуществляется несколькими способами одновременно, хотя часто одним или даже двумя способами пренебрегают ввиду относительно малого их вклада в суммарный сложный теплообмен.

В лабораторном практикуме приведены краткие сведения, необходимые для выполнения каждой лабораторной работы, описание лабораторных установок и порядок выполнения эксперимента. В конце работ приведены контрольные вопросы для самооценки студентов и проведения защиты отчетов. Более глубокое понимание сущности происходящих процессов требует использования литературы, рекомендованной в лекционных курсах.

 

Измерение температуры

Измерение давления

 

Общие положения

 

Каждое вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном в зависимости от давления и температуры, при которых они находятся. На фазовой диаграмме (рис.1) каждая точка соответствует паре значений температура – давление. Можно выделить области

существования отдельных агрегатных состояний (фаз). Линии, разделяющие эти области, называются соответственно:

Линия плавления - разделяет области твердого и жидкого состояний;

Линия сублимации - разделяет области твердого и газообразного состояний;

Линия насыщения - разделяет области жидкого и газообразного состояний.

 

Точка схождения трех линий называется тройной(точка О). Она является единственной для каждого вещества и соответствует таким значениям давления и температуры, при которых все три фазы вещества находятся в равновесии и могут существовать одновременно. В частности, для воды параметры тройной точки: р_О = 611 Па, Т_О = 273,16 К (t = 0,01 ºС).

Каждая из граничных линий соответствует равновесию каких-либо двух фаз. Равновесие жидкости и газа (пара) называется насыщением.

При насыщении у равновесных фаз совпадают давление и температура (а также химический потенциал). Остальные параметры и функции состояния у них различны.

На любой другой термодинамической диаграмме, например, p-v (рис. 2), состоянию насыщения соответствует уже не одна линия, а целая область, каждая точка которой отмечает равновесную смесь жидкости и пара (называемую влажным насыщенным паром) при определенном соотношении их количеств.

Это соотношение характеризуется степенью сухости влажного насыщенного пара – массовой долей сухого пара (чистой фазы) во влажном (смеси):

 

.

Точки, лежащие на границах области влажного насыщенного пара, отмечают состояние чистых фаз – насыщенной жидкости (линия ОК, х = 0) и сухого насыщенного пара (х = 1). Они называются пограничными кривыми – нижней для жидкости и верхней для сухого насыщенного пара. Нижняя и верхняя пограничные кривые ограничивают область существования влажного насыщенного пара и отделяют ее от областей ненасыщенной жидкости и перегретого пара.

Из диаграммы p-v (рис.2) видно, что пограничные кривые сходятся в точке К, называемой критической. В этой точке не только давление и температура, но и удельные объемы фаз становятся равными.

Экспериментально доказано, что и остальные характеристики фаз становятся в этой точке равны, и всякое различие между жидкостью и паром исчезает. Выше критической точки фазы неразличимы и переход между ними идет плавно.

На фазовой диаграмме р - Т критическая точка ограничивает сверху линию насыщения. Критическая точка для каждого вещества также единственная. Для воды ее параметры: р_К=221,29 бар, t_К == 374,16ºС, v_К = 0,00326 м³/кг.

Если нагревать жидкость при постоянном давлении (рис.1, линия АВ), температура растет до тех пор, пока не достигнет значения, соответствующего состоянию насыщения (точка В). В этот момент начинается фазовый переход - в массе жидкости начинает образовываться пар.

Молекулы вещества в жидкости «упакованы» более тесно, чем в газе и сильно притягиваются друг к другу. Для парообразования необходимо подвести к жидкости энергию, достаточную для преодоления притяжения молекул, а также для совершения работы «расталкивания» окружающей среды, которая давит на образующийся пузырек пара. Но температура кипящей жидкости (точнее, влажного насыщенного пара) при этом подводе тепла не изменяется, и процесс кипения идет при постоянной температуре, пока вся жидкость не превратится в пар. Затраченная на это теплота называется удельной теплотой парообразования. Только после выкипания жидкости дальнейший нагрев пара приведет к росту температуры (рис.1, линия ВС).

Пар, температура которого больше температуры насыщения при данном давлении, называетсяперегретым.

Следует отметить, что парообразование возможно и при отсутствии равновесия жидкости и пара - при любой температуре - если жидкость имеет свободную поверхность.

С этой поверхности всегда отрываются отдельные молекулы, имеющие более высокую энергию за счет статистических отклонений от средней величины. Диффундируя в воздухе, они удаляются от поверхности. Такой процесс называется испарением и является неравновесным.

Общие положения

Влажный насыщенный пар (ВНП) - это равновесная смесь жидкого и газообразного состояний вещества: насыщенной жидкости (НЖ) и сухого насыщенного пара (СНП). Согласно правилу фаз Гиббса, параметры каждой из находящихся в равновесии фаз двухфазной смеси полностью определяются заданием одного независимого параметра, которым служит, как правило, давление или температура. Однако, для определения характеристик смеси в целом, необходимо знать ее состав. Он задается введением дополнительной характеристики - степени сухости, которая представляет собой массовую долю сухого насыщенного пара:

 

                            (1)

 

Она может меняться в пределах от 0, что соответствует чистой насыщенной жидкости, до 1,что соответствует сухому насыщенному пару.

Область существования влажного насыщенного пара можно изобразить на термодинамических диаграммах (исключая диаграмму р-Т, на которой она вырождается в линию насыщения). Наиболее удобной для анализа является диаграмма Т-s (рис.1).

Область существования влажного насыщенного пара на ней ограничена нижней и верхней пограничными кривыми, которые отделяют ее от областей ненасыщенной жидкости и перегретого пара. Из-за крайне слабой зависимости свойств жидкости от давления область ненасыщенной жидкости практически сливается с нижней пограничной кривой, и свойства жидкости определяются только температурой.

Пограничные кривые сходятся в критической точке (точка К), где различие жидкости и пара пропадает. Снизу область влажного пара ограничивается горизонтальной линией - изотермой температуры тройной точки (точка О), равной 273,16 К. Ниже этой изотермы находится область равновесия лед-пар.

На диаграмме показаны линии основных термодинамических процессов: изобары p = const (сплошная линия) и изохоры (пунктирная линия). Также показаны линии х = const, которые веером выходят из критической точки К. Если известна температура или давление влажного насыщенного пара, то, используя таблицы термодинамических свойств воды и пара, можно найти такие величины, как объем, энтальпию и энтропию влажного пара:

 

v = v″·x + v′·(1–x),                                   (2)

 

h = h″·x + h′·(1–x) = h′ + r·x,                             (3)

 

s = s″·x + s΄·(1–x) = s′ + r·x/T_S,                        (4)

 

где r = h″ – h′, кДж/кг - удельная теплота парообразования.

штрих соответствует параметрам насыщенной жидкости, два штриха - параметрам сухого насыщенного пара.

 

Удельная теплота парообразования представляет собой теплоту, подводимую к веществу в ходе изобарного (и одновременно изотермического) превращения 1 кг насыщенной жидкости в сухой насыщенный пар. На Т-s диаграмме (рис.1) теплота графически изображается площадью под линией процесса (площадь под процессом 1-2).

 

Методика экспериментального определения степени сухости

 

Непосредственное определение степени сухости по величинам масс компонентов смеси по формуле 1 затруднительно, так как невозможно практически отделить капельки жидкости самых разных размеров от сухого пара. Способы определения степени сухости базируются на контролируемом переводе смеси в однофазное состояние, параметры которого легко найти.

В лабораторной работе влажный пар охлаждают до полной конденсации и переохлаждения конденсата. Теперь для определения конечных параметров достаточно знать только температуру, так как параметры ненасыщенной жидкости практически не зависят от давления.

Охлаждение осуществляется путем смешения пара с холодной водой. Процесс смешения производится в калориметре для предотвращения утечки тепла в окружающую среду. Так как смешение производится изобарно, подведенное тепло должно выражаться изменением энтальпии системы, а из-за теплоизоляции оно равно нулю. Поэтому тепловой баланс происходящего процесса выражается в том факте, что сумма энтальпий смешиваемых влажного пара и холодной воды должна быть равна энтальпии получающейся горячей воды:

 

H_ВНП + H_ХОЛ.В = H_ГОР.В.                              (4)

 

Слагаемые этого равенства можно записать:

 

H_ВНП = m_ВНП∙h_ВНП = m_ВНП (h′ + r∙x),

 

H_ХОЛ.В = m_ХОЛ.В∙h_ХОЛ.В,                            (5)

 

 

H_ГОР.В = m_ГОР.В∙h_ГОР.В = (m_ХОЛ.В + m_ВНП)∙h_ГОР.В.

 

Отсюда:

,      (6)

 

где параметры h′ и r - определяются по таблицам состояний воды и пара, исходя из величины давления, а энтальпии воды - горячей h_ГОР.В и холодной h_ХОЛ.В - и определяются по температуре воды согласно формулам:

 

h_ГОР.В = с_р∙t_ГОР.В ;  h_ХОЛ.В = с_р∙t_ХОЛ.В,               (7)

 

где с_р = 4,19 - изобарная теплоемкость воды, кДж/(кг∙К);

t_ГОР.В , t_ХОЛ.В - температуры горячей и холодной воды, ºС.

 

Массы сконденсировавшегося пара и холодной воды можно найти, проводя взвешивание калориметра – сначала пустого, затем наполненного водой, и наконец, наполненного горячей водой.

 

Общие положения

Влажный воздух - это смесь сухого воздуха с водяным паром. Водяной пар в воздухе может быть в насыщенном или в перегретом состоянии. В соответствии с этим различают:

1. Насыщенный влажный воздух - смесь сухого воздуха с насыщенным водяным паром.

2. Ненасыщенный влажный воздух - смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром.

При атмосферном давлении и температурах 300-400 К плотность компонентов влажного воздуха мала, и его можно рассматривать как смесь идеальных газов: сухого воздуха и пара. Для каждого компонента справедливо уравнение состояния:

р_П = ρ_П ∙ R_П · Т,                                     (1)

 

р_В = ρ_В ∙ R_В · Т,                                     (2)

 

где р - парциальное давление компонента (индексы «п» и «в» соответствуют пару и сухому воздуху);

R- удельная газовая постоянная (R_П = 462 Дж/(кг·К); R_В = 287 Дж/(кг·К);

ρ - плотность. кг/м;

Т - температура, К (одинаковая для пара и воздуха).

В соответствии с законом Дальтона:

 

р_П + р_В = р_АТМ                                                                (3)

 

где р_АТМ - атмосферное давление (фактически влажного воздуха).

 

Если понижать температуру ненасыщенного влажного воздуха, сохраняя его давление постоянным, то можно достигнуть состояния насыщения (это видно из р-v диаграммы водяного пара на рис.1.) При этом перегретый водяной пар, имеющий температуру t₁ (точка 1 на рис.1) будет охлажден до температуры t₂, для которой давление пара соответствует состоянию насыщения (точка 2). При дальнейшем понижении температуры из воздуха будет выпадать влага и уменьшаться парциальное давление пара. Температура, при которой давление р_П становится равным давление насыщения, называют точкой росы.

Основными параметрами, определяющими состояние влажного воздуха, являются: температура t_С (по сухому термометру), барометрическое давление, влагосодержание d, энтальпия H. Кроме этих параметров, часто используют такие, как температура мокрого термометра t_М, температура точки росы t_Р, относительная влажность φ, абсолютная влажность α и другие.

Абсолютная влажность  - это плотность пара во влажном воздухе. Из уравнения (1) получаем:

                                       (4)

Относительная влажность φ, %- это отношение абсолютной влажности воздуха к максимально возможной абсолютной влажности при данной температуре. Относительная влажность определяет близость влажного воздуха к насыщенному. С учетом (4):

                                  (5)

 

Влагосодержание d - отношение массы водяного пара, содержащегося в некотором количестве влажного воздуха, к массе сухого воздуха. С учетом формул (1, 2, 3):

         (6)

 

Очевидно, размерность влагосодержания: кг/кг, т.е. (кг пара)/(кг сухого воздуха). Из формулы (6) ясно, что d ограничена сверху значением:

 

 .                              (7)

 

Для удобства влагосодержание обычно выражают в г/кг. При этом численное значение увеличивается в 1000 раз:

                                  (8)

 

Температура сухого термометра t_С – это температура, измеренная обычным термометром.

Температура мокрого термометра t_М. Мокрый термометр отличается от сухого тем, что его ртутный шарик обернут тканью, смоченной водой. Температура измеряется в потоке воздуха. Показание мокрого термометра ниже показания сухого термометра из-за отбора теплоты на испарение влаги в фитиле.

Температура точки росы - это температура, до которой нужно охладить ненасыщенный влажный воздух при постоянном давлении и влагосодержании, чтобы он стал насыщенным. При дальнейшем охлаждении влажного воздуха происходит конденсация пара. При температуре точки росы воздух содержит всю влагу, которую может содержать при данной температуре.

Общие положения

Большинство пищевых продуктов при обычных температурах долго храниться не могут, т.е. является скоропортящимися. Под влиянием микроорганизмов и ферментов, а также условий внешней среды (воздуха, света и др.) в них происходят биохимические изменения, вследствие которых они портятся.

Существующие методы консервирования (действие высоких температур, копчение, маринование, соление, сушка и др.) по биологическим принципам отличаются друг от друга тем, что достигается различная степень отмирания микроорганизмов и инактивация ферментов, вызывающих нежелательные изменения в продуктах. Эти способы в той или иной степени изменяют внешний вид, цвет и вкусовые качества продуктов.

Холод почти не изменяет питательных и вкусовых качеств продуктов, их внешний вид, не разрушает содержащихся в них витаминов. Охлаждение является наиболее совершенным методом холодильного консервирования продуктов без изменения их структурного состояния.

Охлаждение - это процесс, при котором температура продукта понижается до температуры, близкой к криоскопической. Некоторые продукты (яйца, отдельные виды овощей и фруктов) охлаждают до температуры ниже их криоскопической на 1...3°С и хранят в переохлажденном состоянии. Конечная температура охлаждения продуктов лежит в пределах от 0 до +5^оС.

Наиболее распространено охлаждение продуктов в воздушной среде. Воздух - естественная охлаждающая среда, практически не оказывающая никакого неблагоприятного воздействия на обрабатываемые продукты.

Рассмотрение процессов теплообмена при охлаждении влагосодержащих материалов начинается с термограмм - графического изображения изменений температуры во времени t = ¦(τ).

Изменение температуры в объекте зависит от размеров, теплофизических свойств материала, температуры охлаждающей среды и коэффициента теплоотдачи. Как правило, термограммы снимаются для различных точек объекта (по его толщине). В анализе теплофизических процессов холодильной технологии и соответствующих тепловых расчетах очень нужной величиной является среднеобъёмная температура тела t_V, которая в нестационарных процессах меняется во времени в соответствии с изменением поля температур и зависимости теплофизических свойств тела от температуры.

Среднеобъёмной температурой тела, температурное поле которого непостоянно, называется температура, которая может быть достигнута, если объект поместить в адиабатные условия (отсутствие теплообмена с окружающей средой):

t_V = t_Ц - y(t_Ц – t_П),                              (1)

 

где t_Ц, t_П - температуры центра и поверхности объекта, соответственно;

y - коэффициент, определяемый формой тела.

Ниже приведены значения y для различных форм тела и условий охлаждения:

 

Форма тела	Охлаждение в воздухе	Охлаждение в жидкости
	y	y
Пластина	1/3	1/4
Цилиндр	1/2	2/5
Шар	3/5	1/2

 

Однако, использование уравнения (1) не всегда удобно, так как необходимо знать температуру поверхности объекта t_П , что соответствует граничным условиям первого рода. При граничных условиях третьего рода, когда известны температура среды t_С и коэффициент теплоотдачи a:

 

                               (2)

 

где - критерий Био, рассчитанный для теплофизических характеристик охлажденного продукта;

 - коэффициент, зависящий от метода охлаждения;

- половина определяющего размера продукта (м);

a - коэффициент теплоотдачи от поверхности продукта к охлаждающей среде, Вт/(м²×К);

l - коэффициент теплопроводности продукта Вт/(м×К).

При воздушном охлаждении 3 ³ n ³ 1 (как правило, n = 2), при охлаждении в жидкости 4 ³ n ³ 1 (принять n = 3).

Можно определить координату точки, температура которой оказывается численно равной среднеобъемной температуре тела. Эту координату находят из зависимости:

.

Если считать, что n=2, то .                                         (3)

 

По методике экспериментального определения продолжительности охлаждения пищевых продуктов в воздухе определяют изменение во времени температуры продукта в центре и на его поверхности в процессе охлаждения, а также исследуют влияние на длительность охлаждения размеров продукта, формы, условий теплоотдачи на поверхности продукта и температуры воздуха.

Общие положения

 

Теплопроводность - это молекулярный процесс передачи теплоты от одной части тела к другой или между отдельными соприкасающимися телами, если между ними существует температурный перепад.

Механизм передачи теплоты теплопроводностью обусловлен движением микроструктурных элементов тела (электронов, атомов, молекул) и зависит от физических свойств среды.

Теплопроводность имеет место в твердых, жидких и газообразных телах. В жидкостях и газах это непосредственные столкновения свободно движущихся молекул, обладающих различной кинетической энергией, что приводит к обмену энергий теплового движения. В твердых диэлектриках передача теплоты осуществляется упругими волнами вследствие взаимодействия колеблющихся атомов и молекул. В металлах перенос теплоты осуществляется главным образом вследствие диффузии свободных электронов, что объясняет высокую теплопроводность металлов.

Необходимым условием для наличия теплопроводности является неоднородность распределения температуры в теле. Это распределение описывается температурным полем – совокупностью значений температур в данный момент времени во всех точках рассматриваемого пространства, занятого телом.

 

t = f (x, у, z, τ) = t (x, у, z, τ),

 

где x, y, z – координаты точки.

Если же температура в каждой точке с течением времени остается неизменной, то такое температурное поле называется стационарным, а по числу координат, от которых зависит температура, оно может быть трехмерным (пространственным), двумерным (плоским) или одномерным (линейным).

Одной из важных характеристик температурного поля является градиент температуры (qrad t), представляющий собой вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по этому направлению, т.е.

 

qrad t = ,                                       (1)

 

где – единичный вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности.

Значение температурного градиента не одинаково для различных точек изотермической поверхности. Оно больше там, где расстояние Δn между изотермическими поверхностями меньше.

Закон Фурье.  Согласно закону Фурье количество теплоты dQ, проходящее через изотермическую поверхность dF за промежуток времени dτ пропорционально температурному градиенту :

 

dQ = – λ∙  ∙dF ∙dτ                            (2)

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через всю изотермическую поверхность называется тепловым потоком и определяется как

 

 

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности, , Вт/м², называется плотностью теплового потока:

 = – λ∙qrad t                                   (3)

 

Вектор плотности теплового потока направлен по нормали к изотермической поверхности в сторону уменьшения температуры, так как теплота всегда передается в сторону от более горячих частей тела к холодным. Таким образом, векторы  и qrad t лежат на одной прямой, но направлены в противоположные стороны. Это и объясняет знак «минус» в законе Фурье.

Скалярная величина вектора плотности теплового потока будет равна:

q = – λ ∙                                    (4)

 

Коэффициент пропорциональности λ, Вт/(м²·К), называется коэффициентом теплопроводности и характеризует способность вещества проводить теплоту. Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу поверхности при градиенте температуры равном единице.

Коэффициент теплопроводности зависит от: рода вещества, его структуры, влажности, температуры, давления и приводится в справочных таблицах.

Существуют различные методы экспериментального определения коэффициента теплопроводности. Некоторые из них основаны на создании в тонком слое вещества линейного температурного поля, когда температура меняется только поперёк слоя. В таких прослойках температурный напор (t₁-t₂) - разность температур с одной и другой стороны слоя или стенки, и величина теплового потока связаны простой зависимостью:

 

Q = q · F ∙ F                             (5)

где Q - тепловой поток, Вт;

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

дробь (t₁-t₂) /δ отражает значение градиента температуры, К/м.

Для цилиндрического слоя такая зависимость является логарифмической:

                                 (6)

где d₁, d₂ – диаметры внутренней и наружной поверхностей, м;

L-длина, м.

Отсюда коэффициент теплопроводности равен:

                             (7)

 

Описание экспериментальной установки

Установка (рис.1) содержит две тонкие алюминиевые трубки 1 и 2, расположенные коаксиально и образующие цилиндрический зазор, заполненный слоем исследуемого материала (песка) 3. Размеры трубок выбраны таким образом, чтобы площадь торцов цилиндрического слоя была мала по сравнению с площадью боковой поверхности наружной трубки. В этом случае можно пренебречь утечками тепла через торцы и считать, что оно передается лишь поперек слоя песка.

Длина трубок L=0,8 м, диаметры трубок: внутренней d₁=0,025 м, наружной d₂=0,05 м. Высокая теплопроводность алюминия позволяет пренебречь толщиной стенок самих трубок.

Материал нагревается электронагревателем 4 из нихромовой проволоки, намотанной на тонкую фарфоровую трубку 5, размещенную соосно алюминиевым трубкам.

Мощность нагревателя измеряется ваттметром 6 и регулируется лабораторным автотрансформатором 7.

Температуры поверхностей измеряются с помощью хромель-копелевых термопар 8 и 9. Концы термопар зачеканены в поверхность трубок, но возникающими искажениями температуры можно пренебречь вследствие высокой теплопроводности алюминия. Термопары размещены по три на каждой поверхности. Для уменьшения утечек тепла через торцы трубок, крайние термопары удалены от краев трубок на 0,15 м. Номера термопар: 1, 2, 3 - соответствуют расположению их на внутренней поверхности цилиндрического слоя, 4, 5, 6 - на внешней поверхности.

Через переключатель 11 термопары подсоединены к цифровому милливольтметру 10 и имеют общий холодный спай, помещенный в сосуд Дьюара с тающим льдом, а номера положений переключателя совпадают с номерами термопар.

 

Общие положения

 

Движение жидкости под действием неоднородности поля массовых сил, приложенных к частицам жидкости внутри системы, обусловленное внешними полями (гравитационным, электрическим, магнитным), называют свободным движением или свободной конвекцией. Вынужденное движение происходит под действием внешних поверхностных сил, приложенных на его границе, (например, за счет работы насоса, вентилятора, ветра).

Свободное движение под действием гравитационного поля в системе с неоднородным распределением плотности жидкости называют гравитационным свободным движением или гравитационной свободной конвекцией.

Неоднородное распределение плотности может быть вызвано неоднородным распределением температуры, концентрации какого-либо компонента в смеси или наличием фаз с разной плотностью.

Перенос теплоты, происходящий при обтекании твердого тела потоком жидкости при ее свободном движении, называют теплоотдачей при свободном движении или теплоотдачей при свободной конвекции.

 

На рис.1 показан пример свободной конвекции вдоль вертикальной стенки (а) с неизменной температурой t_СТ, погруженной в неограниченный объем жидкости (или газа) с температурой вдали от стенки t_Ж, причем t_СТ > t_Ж. Вначале толщина слоя мала и течение жидкости имеет струйчатый, ламинарный характер. Но, по мере движения, толщина слоя увеличивается и при определенном ее значении течение жидкости становится неустойчивым, волновым, и затем переходит в неупорядоченно-вихревое, турбулентное, с отрывом вихрей от стенки. Описанная выше картина движения жидкости вдоль вертикальной стенки (рис.1 а) типична также и для горизонтальных труб и тел овальной формы. Характер движения воздуха около нагретых горизонтальных труб представлен на рис. 1 б.

Конечной целью инженерного расчета оказывается определение количества тепла, отданного телом в окружающую среду. Было найдено, что в процессе теплообмена тепловой поток Q, Вт, от жидкости (среды) к поверхности прямо пропорционален площади поверхности тела F; разности температур поверхности тела (стенки) Δt = t_СТ – t_Ж и жидкости; длительности процесса; а также зависит от физических свойств жидкости, характера ее движения, формы тела и его геометрических размеров.

Q = α · (t_СТ – t_Ж) · F,                               (1)

 

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К).

Данное выражение называется основным уравнением конвективного теплообмена или уравнением Ньютона-Рихмана.

Отношение локального теплового потока к величине локального температурного напора называют локальным (местным) коэффициентом теплоотдачи:

,                                     (2)

Теплоотдачу тела в целом можно охарактеризовать величиной среднего коэффициента теплоотдачи:

,                                        (3)

 

В безразмерной форме коэффициент теплоотдачи принимает вид критерия Нуссельта, который является основным определяемым критерием подобия в расчетах конвективного теплообмена

,                                    (4)

 

Критерий Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на границе твердое тело – жидкость. Чем интенсивнее протекает процесс конвективного теплообмена, тем больше коэффициент теплоотдачи, тем больше Nu. Критерии подобия, определенные через средние значения величин, связаны критериальным уравнением. Для свободной конвекции критериальноe уравнениe:

Nu = f (Gr,Pr).                                    (5)

 

Вид функциональной зависимости определяется экспериментально или теоретически. Обычно эта зависимость представляется в виде степенного одночлена:

Nu = с∙(Gr ∙ Pr)ⁿ,                                 (6)

 

При свободном движении среды (естественная конвекция), когда движение осуществляется только за счет разности плотностей, вызванной неравномерностью температурного поля, критерием подобия, определяющим распространение теплоты в среде, является критерий (число) Грасгофа. Число Грасгофа характеризует соотношение между подъемной силой, возникающей в среде вследствие разности плотностей, и силой молекулярного трения (вязкости).

 

,                                 (7)

 

где g=9,81 м²/с – ускорение свободного падения;

    β =1/Т = 1/(t_Ж+273) - коэффициент объемного расширения жидкости, 1/К;

    ∆t = t_СТ - t_Ж – температурный напор;

ℓ_о- характерный линейный размер тела в направлении действия сил тяжести, (для поперечного обтекания трубы ℓ_о = d, где d – диаметр);

ν - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м²/с.

 

Еще одним критерием подобия конвективного теплообмена является критерий Прандтля, который содержит только теплофизические параметры жидкости, характеризует влияние физических свойств среды на конвективны