Дослідження тепловіддачі за вільним рухом повітря

Мета роботи: засвоїти поняття, що стосуються процесів перенесення теплової енергії, поглибити знання з теорії конвективної тепловіддачі, ознайомитися з методикою експериментального дослідження тепловіддачі та визначення коефіцієнта тепловіддачі, оволодіти методикою опрацювання дослідних даних з використанням теорії подібності, одержати критеріальне рівняння або визначити коефіцієнт конвективної тепловіддачі за відомим критеріальним рівнянням та порівняти його з дослідним.

Основні теоретичні відомості

У техніці широко використовуються теплові машини, апарати, пристрої та прилади, у яких відбувається процес теплопередачі. Цей процес складний, а тому для вивчення та розрахунку його поділяють на більш прості, елементарні процеси перенесення теплової енергії: теплопровідність, конвекцію та теплове випромінювання.

Теплопровідність – це процес перенесення теплової енергії за безпосереднього контакту частинок тіла або тіл з різною температурою.

Конвекція – це перенесення теплоти під час руху рідини чи газу у просторі між областями з різною температурою.

Теплове випромінювання – це перенесення теплової енергії електромагнітними хвилями. При цьому відбувається подвійне перетворення енергії – теплової (внутрішньої) у променисту і навпаки.

У більшості випадків один вид теплообміну супроводжується іншим. Наприклад, конвекція завжди супроводжується теплопровідністю. Сукупність цих процесів називається конвективним теплообміном. Процес теплообміну між твердою стінкою і теплоносієм називається тепловіддачею. Теплоносії - це будь-які гази, рідини чи пара.

Тепловіддачу поділяють на конвективну, променисту(радіаційну) таскладну. Конвективна тепловіддача – це теплообмін між рухомим теплоносієм і поверхнею теплообміну (стінкою).

Промениста тепловіддача – це теплообмін між твердою стінкою і навколишнім середовищем за допомогою електромагнітних хвиль.

Складна тепловіддача – це сукупність конвективної та променистої тепловіддач. Яка відбувається, якщо теплоносій газоподібний (повітря, димові гази та ін.). Складна тепловіддача має усі елементарні процеси перенесення теплоти: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання.

Тепловіддачу розраховують за рівнянням (законом) Ньютона-Ріхмана

, (4.1)

де Q – тепловий потік (конвективний, променистий, складний), Вт; F – площа поверхні теплообміну, м²; t_с – температура поверхні теплообміну (стінки), °С; t_т – температура теплоносія, °С; a - коефіцієнт (конвективної, променистої, складної) тепловіддачі, Вт/(м²×К).

Тепловий потік, що передається через одиницю площі поверхні теплообміну, називають густиною теплового потоку , Вт/м².

Тоді рівняння Ньютона-Ріхмана можна записати у вигляді q=aDt, де Dt = t_c – t_т – температурний напір, К.

За складної тепловіддачі загальний (складний) тепловий потік Q включає конвективний Q_к і променистий Q_пр теплові потоки

Q = Q_к + Q_пр

Конвективна тепловіддача

За законом Ньютона-Ріхмана конвективний тепловий потік, Вт,

Q_к = a_кF(t_c – t_т),

де a_к – коефіцієнт конвективної тепловіддачі, Вт/(м²×К).

Коефіцієнт конвективної тепловіддачі характеризує інтенсивність тепловіддачі і показує кількість теплоти, що передається між стінкою і теплоносієм за одиницю часу через одиницю площі поверхні цієї стінки, при температурному напорі 1 К.

Конвективна тепловіддача – це складний процес, і коефіцієнт конвективної тепловіддачі a_к залежить від багатьох факторів: роду теплоносія, його фізичних властивостей, швидкості руху, температури теплоносія та стінки, форми та розмірів поверхні теплообміну, виду та режиму руху теплоносія та ін. Фізичні властивості теплоносія, в свою чергу, залежать від температури.

За природою виникнення існують два види руху: вільний (природний) та вимушений. Вільним називається рух, який виникає внаслідок різниці густин нагрітих і холодних частинок рідини чи газу. Інтенсивність вільного руху залежить, головним чином, від різниці температур. Вимушеним називають рух, що виникає внаслідок дії будь-яких збудників (насос, вентилятор, вітер). Інтенсивність вимушеного руху залежить від швидкості руху, фізичних властивостей середовища, форми та розмірів каналу. У процесі конвективної тепловіддачі вимушений рух може супроводжуватися вільним. Вплив останнього на інтенсивність тепловіддачі тим більший, чим більша різниця температур та чим менша швидкість вимушеного руху.

На інтенсивність конвективної тепловіддачі суттєво впливає характер руху частинок біля поверхні теплообміну. За характером руху частинок розрізняють ламінарний і турбулентний режими руху. За ламінарного режиму частинки рідини чи газу рухаються упорядковано, паралельно до стінок каналу та траєкторій інших частинок. За турбулентного режиму частинки рухаються хаотично, напрямок і величина швидкості окремих частинок безперервно змінюються.

Режим руху визначають за критеріями (числами) подібності. Критерії подібності – це безрозмірні комплекси фізичних величин, що характеризують той чи інший процес. Критерії подібності називають іменами видатних вчених і позначають першими двома латинськими літерами їх прізвищ.

Режим вимушеного руху визначають за критерієм Рейнольдса, який характеризує інтенсивність руху і виражає співвідношення між інерційними силами у потоці і силами міжмолекулярного тертя

,

де w – середня швидкість руху теплоносія у каналі, м/с; n - кінематичний коефіцієнт в’язкості, м²/с; ℓ – визначальний лінійний розмір каналу, м; для круглих труб приймають ℓ = d (d – внутрішній діаметр труби); для не круглих – ℓ = d_екв= 4f/П (d_екв – еквівалентний діаметр каналу, м; f – площа поперечного перерізу каналу, м²; П – повний периметр каналу, м).

За Re< 2×10³ – режим руху ламінарний, за Re>1×10⁴ - турбулентний, за 2×10³<Re<1×10⁴ – перехідний.

Режим вільного руху визначають за критерієм Релея, що являє собою добуток критеріїв Грасгофа і Прандтля

Ra = Gr×Pr. (4.2)

Критерій Грасгофа Gr характеризує інтенсивність вільного руху і виражає співвідношення між підіймальними силами, що виникають внаслідок різниці густин, і силами міжмолекулярного тертя

,

де g – прискорення вільного падіння, g = 9,81 м/с²; ℓ – визначальний лінійний розмір поверхні теплообміну, м, для горизонтальних труб – це зовнішній діаметр, а для вертикальної поверхні – висота поверхні; b - температурний коефіцієнт об’ємного розширення теплоносія, К^-1; для повітря b = 1/Т_п, Т_п – абсолютна температура повітря, К; Dt = t_c – t_п – температурний напір.

Критерій Прандтля є мірою подібності полів температури і швидкості у потоці. Він характеризує вплив фізичних властивостей теплоносія на тепловіддачу, залежить тільки від температури і знаходиться за таблицями довідників

Pr = n/a,

де a = l/(c_p×r) – коефіцієнт температуропровідності, м²/с; l - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м×К); с_р – масова ізобарна теплоємність, Дж/(кг×К); r - густина, кг/м³.

Якщо 10³<Ra<10⁸ – режим вільного руху ламінарний, якщо Ra>6×10¹⁰ – режим турбулентний. За проміжних значень критерію Релея – режим перехідний (хвильовий).

Оскільки коефіцієнт конвективної тепловіддачі a_к є складною функцією багатьох змінних, в інженерних розрахунках його визначають за критеріальними рівняннями (рівняннями подібності).

Критеріальне рівняння – це залежність між критеріями подібності, що характеризують той чи інший процес. Їх отримують за експериментальними даними методами теорії подібності, згідно з якою для подібних процесів критерії і критеріальні рівняння однакові. Це дає можливість отримувати експериментальні дані на моделях процесів, апаратів, пристроїв, що спрощує дослідження.

Коефіцієнт конвективної тепловіддачі входить до критерію Нуссельта, який характеризує інтенсивність тепловіддачі на межі „стінка-теплоносій”:

Nu = a_kℓ/l. (4.3)

Критеріальні рівняння подають у вигляді залежності критерію Нуссельта Nu від визначальних критеріїв, до яких входять незалежні змінні величини.

Для однофазних теплоносіїв за стаціонарного теплового режиму критеріальне рівняння має вигляд

Nu = f(Re,Gr,Pr),

а для вільного руху-

Nu = f(Gr,Pr) (4.4)

Критеріальні рівняння подають у вигляді степеневих функцій. Наприклад, рівняння (4.4) можна подати у вигляді

, (4.5)

де с і n – сталі, які залежать від режиму вільного руху та положення поверхні теплообміну у просторі і визначаються за узагальненими дослідними даними. Слід пам’ятати, що критеріальні рівняння виду (4.5) можна використовувати тільки для тих меж зміни аргументів, для яких вони підтверджені дослідами.

Поправка враховує вплив на тепловіддачу зміни теплофізичних властивостей теплоносія біля стінки при нагріванні або при охолодженні, тобто при зміні напрямку теплового потоку; Pr_т і Pr_c –

критерії Прандтля теплоносія, які знаходять із таблиць фізичних властивостей відповідно за температурою на відтані від стінки за межами рухомого шару t_т і біля стінки t_c.

Для повітря критерій Прандтля практично не залежить від температури, а , тому рівняння (4.5) набуває вигляду

Nu = c(Gr×Pr)ⁿ = cRaⁿ. (4.6)

Значення с і n, отримані М.О.Міхеєвим експериментально для горизонтальних труб, наведені у табл. 4.1

Таблиця 4.1

Ra =Gr×Pr	с	n
10^-3... 10^3	1,18	0,125
10^3... 10^8	0,5	0,25
>10^8	0,135	0,33

 

Із формули (4.6) видно, що інтенсивність конвективної тепловіддачі за вільного руху залежить головним чином від режиму (інтенсивності) руху.

Опис дослідної установки

Схема експериментальної установки для вивчення тепловіддачі за вільним рухом повітря у необмеженому просторі показана на рис.4.1.

Основним елементом дослідної установки є мідна горизонтальна труба 1 задовжки ℓ мм та зовнішнім діаметром d мм. Усередині труби знаходиться електричний нагрівник 2 з ніхромового дроту, що рівномірно намотаний на керамічну трубку 3 та закріплений на ній. Торці трубки закриті тепло- та електроізоляторами 5. Електронагрівник живиться від мережі змінного струму напругою 220 В через автотрансформатор 6, що дає можливість змінювати потужність, яка вимірюється ватметром 7.

Температура поверхні труби вимірюється шістьма хромель-копелевими (хромель – 90% Ni + 10% Cr; копель – 56% Cu + 44% Ni) термопарами 4, гарячі спаї яких розміщені рівномірно на поверхні труби. Температура повітря визначається за термометром 10, розміщеним у приміщенні лабораторії. Електроди термопар виведені до перемикача, за допомогою якого вони почергово підєднуються до цифрового вольтметра 9, яким вимірюють електрорушійну силу (ЕРС). Замість цифрового вольтметра може використовуватись шеститочковий автоматичний самописний потенціометр 8. Температура поверхні труби визначається за верхньою шкалою, а її значення записуються на діаграмній стрічці.

Для подальших розрахунків знаходять середню температуру за стаціонарного теплового режиму, тобто коли температура стінки перестає змінюватись з часом.

На стендах, де ЕРС термопар вимірюється цифровим вольтметром 9, середня температура стінки труби t_c визначається за градуювальними таблицями хромель-копелевих термопар залежно від ЕРС, яку знаходять як суму середньої ЕРС термопар `Е і поправки на температуру холодних спаїв DЕ. Температура холодних спаїв дорівнює температурі повітря у кімнаті t_п.

 

Рис.4.1.

Наприклад, середня ЕРС термопар становить `Е=3,87мВ, температура повітря t<sub>п</sub> = 18°С. За градуювальною таблицею для цієї температури DЕ = 1,18 мВ. Тоді Е = `Е + DЕ = 3,87 + 1,18 = 5,05 мВ.

За таблицею t_с = 74°С.