Лабораторная работа № 4. Исследование

ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛООБМЕНА

Цель работы: экспериментальным путем найти критериальное уравнение конвективного теплообмена при свободном движении воздуха около теплопередающей трубы, а также сравнить полученные результаты с литературными данными.

 

Теоретическая часть

 

Конвекцией называют процесс переноса теплоты при перемеще-нии макрочастиц (макрообъемов) газа или жидкости.

Конвективным теплообменом называют процесс передачи теплоты, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переноса теплоты. То есть конвективный теплообмен осуществляется одновременно двумя способами: конвекцией и теплопроводностью.

Режим движения жидкости может быть ламинарным или турбу-лентным. При ламинарном течении частицы жидкости движутся не перемешиваясь. При этом перенос теплоты по нормали к направлению течения осуществляется в основном путем теплопроводности. Ввиду того, что теплопроводность жидкости (за исключением жидких метал-лов) весьма мала, интенсивность теплообмена при ламинарном тече-нии невелика.

При турбулентном течении теплота внутри потока распростра-няется как теплопроводностью, так и перемешиванием почти всей массы жидкости, за исключением вязкого подслоя, где молекулярный перенос теплоты преобладает над турбулентным. Поэтому теплообмен при турбулентном течении отличается большей интенсивностью, чем при ламинарном. При турбулентном режиме частицы жидкости или газа, двигаясь в поперечном сечении потока, не ударяются непосредст-венно о стенку, а действуют на пограничный слой и отдают ему свою теплоту. Далее передача теплоты осуществляется теплопроводностью.

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверх-ностью ее раздела с другой средой (твердым телом, жидкостью или газом) называют теплоотдачей.

Главной задачей теории конвективной теплоотдачи является определение количества теплоты, которое проходит через поверхность твердого тела, омываемого потоком.

При практических расчетах теплоотдачи пользуются законом:

                                            , (4.1)

где  – тепловой поток от жидкости (газа) к стенке или наоборот, Вт;

S – площадь поверхности, участвующей в теплообмене, ;

 – температурный напор, °С;

 – температура среды, омывающей поверхность стенки, º C;

 – температура поверхности стенки, º C;

 – коэффициент пропорциональности, учитывающий конкрет-ные условия теплообмена между жидкостью и поверхностью тела и называемый коэффициентом теплоотдачи.

                                             , (4.2)

где  – коэффициент теплопроводности теплоносителя, ;

 – толщина теплового пограничного слоя, м.

Поскольку толщину теплового пограничного слоя ни рассчитать, ни определить экспериментально нельзя, то данное уравнение не позволяет определить коэффициент теплоотдачи. Однако можно определить параметры, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих параметров:

1) от теплофизических свойств среды. Основными физическими свойствами теплоносителей являются коэффициент теплопроводности , удельная теплоемкость , плотность , коэффициент температу-ропроводности α, коэффициент вязкости . Для каждого вещества эти параметры имеют определенные значения и являются функциями температуры, а некоторые из них и давления. Это очень осложняет изучение конвективной теплоотдачи;

2) от гидродинамических условий движения теплоносителя (скорость, направление движения);

3) от геометрических характеристик потока и поверхности (длина, диаметр, шероховатость стенок). Форма и размеры теплоот-дающей поверхности существенно влияют на теплоотдачу. Из любых простых форм тела (трубы, плиты и т.п.) можно составить большое количество теплоотдающих поверхностей. Каждая поверхность, от простой до самой сложной, создает свои специфические условия движения теплоносителя и теплоотдачи.

Влияние всех перечисленных параметров определяется следую-щим образом: если их изменение приводит к увеличению значения  и уменьшению толщины , то коэффициент  будет увеличиваться, и наоборот.

По причине возникновения движение жидкости бывает свобод-ным и вынужденным. Свободное движение (тепловое) возникает в неравномерно прогретой жидкости. Появляющаяся при этом разность температур приводит к разности плотностей и всплыванию менее плотных (более легких) элементов жидкости, что вызывает движение. В этом случае свободное движение называют естественной или тепловой конвекцией. Вынужденное движение жидкости обусловлено действием посторонних возбудителей: вентиляторов, насосов и т.п. С их помощью можно создать большие скорости движения среды или изменять их в широких пределах и тем самым регулировать интенсивность теплообмена.

В настоящее время для исследования конвективного теплообмена используют теорию подобия, которая сочетает в себе аналитический и экспериментальный способы исследования процесса. В случае исполь-зования теории подобия получают так называемые критериальные уравнения, описывающие исследуемый процесс теплообмена. В крите-риальные уравнения входят безразмерные комплексы, называемые числами или критериями подобия.

Согласно теории подобия критериальное уравнение в случае свободного движения имеет вид:

                                              , (4.3)

где Nu – критерий Нуссельта,характеризующий отношение суммар-ного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (т.е. теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью:

                                              ; (4.4)

Pr – критерий Прандтля, характеризующий вязкостные и темпе-ратуропроводные свойства теплоносителя; связь скоростного и темпе-ратурного полей:

                                         ; (4.5)

Gr – критерий Грасгофа, характеризующий соотношение сил тре-ния, инерции и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в отдельных точках неизотермического потока:

                                           , (4.6)

где    λ – коэффициент теплопроводности среды, ;

l – определяющий размер (для труб – диаметр, для плоских сте-нок – высота), м;

ν – коэффициент кинематической вязкости, ;

β – коэффициент объемного расширения, ;

ρ – плотность среды, ;

∆ t – температурный напор;

g – ускорение свободного падения, ;

α – средний коэффициент теплоотдачи, ;

a – коэффициент температуропроводности, ;

Для газов критерий Прандтля величина практически постоянная, так как толщины ламинарного и теплового пограничных слоев практически совпадают. Тогда критериальное уравнение примет вид:

                                                    (4.7)

 

Экспериментальная часть

Установка для измерений (рисунок 9) представляет собой металлическую трубу 1 диаметром 120 мм, внутри которой расположен электрический нагреватель 2.

 SHAPE \* MERGEFORMAT

1 – труба; 2 – электрический нагреватель; 3 – вольтметр;

4 – амперметр; 5 – трансформатор лабораторный; 6, 7 – термопары;

9 – милливольтметр; 10 – переключатель

Рисунок 9 – Схема установки

В середине трубы выделен исследуемый участок длиной 290 мм, для того чтобы при определении количества теплоты уменьшить ошибку, связанную с потерями тепловой энергии с торцов трубы. Количество теплоты, проходящее через выделенный участок, считается равным расходу электроэнергии, потребляемой нагревателем.

Напряжение, поданное на нагреватель на исследуемом участке трубы 1, измеряется вольтметром 3, а сила электрического тока – амперметром 4. Регулирование тока и напряжения осуществляется лабораторным трансформатором 5. Включение лабораторного транс-форматора в розетку электрической сети производится с помощью вилки.

Для измерения температуры трубы 1 используются хромель-копелевые термопары 6 и 7. Они расположены в диаметрально проти-воположных точках сверху и снизу трубы. Термопара 8 служит для контроля температуры электронагревателя. Значения ЭДС термопар фиксируются с помощью милливольтметра 9. Для последовательного подключения термопар к измерительному прибору служит переклю-чатель 10. В положении ручки переключателя против цифры 1 изме-ряется температура электронагревателя – t ₁. Если ручка переключателя находится около цифры 2, то измеряется температура верха трубы 1 – t ₂. При положении ручки переключателя против цифры 3 на мили-вольтметр подается ЭДС термопары, расположенной внизу трубы – t ₃. Для перевода величины ЭДС, измеренной с помощью милливольтметра, в градусы Цельсия используется специальная таблица.

 

Порядок проведения работы

 

Включают вилку лабораторного трансформатора в розетку электрической сети. Устанавливают напряжение на нагревателе по вольтметру 3 с помощью ручки лабораторного трансформатора сначала 40 В, а затем 60 и 80 В.

Для всех указанных напряжений через каждые 10 минут записы-вают показания измерительных приборов (вольтметра, амперметра, милливольтметра). При измерениях температур переключатель 10 последовательно устанавливают против цифр «1», «2» и «3».

Измерения при установленном напряжении продолжают до тех пор, пока два последовательных показания милливольтметра будут отличаться не больше чем на 0,1 mV. После этого можно изменить напряжение на другое. Выполнив измерения при трех заданных напряжениях на нагревателе, установку следует выключить, выдернув вилку включения лабораторного трансформатора из розетки электрической сети, и приступить к обработке экспериментальных данных. Значения измеренных величин заносят в таблицу 8.

Таблица 8 – Опытные данные

Номер измерения	Время, мин	В	А	mV	mV	mV	º C	º C	º C
1
2
…
n

Во время заполнения таблицы необходимо перевести показания термопар в mV в градусы Цельсия. Соотношения между милливольтами и градусами Цельсия для хромель-копелевых термопар приведены в справочной литературе. Кроме того, следует учесть, что так как холодные концы термопар  находятся в среде окружающего воздуха, температура которого отличается от нуля градусов, то к справочному значению температуры необходимо добавить температуру в лабора-тории.