Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха

  ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ

ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

1. Цель работы

        Работа предназначена для ознакомления с методикой опытного определения коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы при свободной конвекции воздуха и различных температурах поверхности трубы.

Оценка погрешности определения коэффициента производится путем сопоставления экспериментального значения с теоретическим, определяемым по расчетной зависимости, рекомендуемой в справочной литературе.

2. Теоретические основы работы

        Свободное движение обусловлено неоднородным распределением массовых сил, приложенных к частицам жидкости внутри системы. В процессе передачи теплоты температура жидкости у поверхности теплообмена переменна. В этом случае возникает разность плотностей, которая приводит в поле гравитационных сил к появлению избыточной массовой силы (подъемной или опускной), приводящей жидкость в движение. Величина температурного напора определяет разность плотностей и интенсивность переноса самой среды, а площадь поверхности – зону распространения процесса.

Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и соприкасающегося с ним поверхностью тела называется теплоотдачей.

При расчете теплоотдачи используют закон Ньютона – Рихмана:  

                                Q =  ( tст – tж ) F ,                                                   (1)

где Q – тепловой поток, Вт;   - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ⋅К); tст – температура поверхности тела, °С;  tст – температура окружающей среды, °С; F – площадь поверхности теплообмена, м2.

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена  между поверхностью тела и окружающей средой. Численно он равен тепловому потоку, отдаваемому (воспринимаемому) единицей поверхности при разности температур между поверхностью тела и окружающей средой в один градус.

Коэффициент теплоотдачи зависит от большого числа факторов. В общем случае  является функцией формы и размеров тела, природы возникновения (рода) и режима движения жидкости, ее скорости и температуры, а также физических свойств и наличия фазового перехода.

Применение теории подобия позволяет обобщить результаты экспериментов по теплообмену при свободной конвекции горизонтальной трубы различных размеров, омываемой жидкостями или газами в виде зависимости между критериями подобия. Рекомендуемая в справочной литературе зависимость для горизонтальных труб при 104 ≤ Rа ≤ 107  имеет вид:

                                               Nu = 0,5 Rа0.25,                                                  (2)

где Nu – число Нуссельта, Nu = αd/λ, α - средний коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ⋅К); d  – характерный размер (диаметр трубы), м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт /(м∙К); Rа – число Рэлея, Rа = GrPr; Gr – число Грасгофа, Gr = gβd3ΔΤ/ν2, β - коэффициент объемного расширения жидкости (газа), 1/К; g – ускорение силы тяжести, g = 9,8 м/с2; ΔΤ – температурный напор, ΔΤ = tст – tж; ν =μ/ρ - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/c; μ - динамическая вязкость, Па∙с; ρ - плотность жидкости (газа), кг/м3; Pr – число Прандтля, Pr = μc/λ, с – удельная массовая теплоемкость Дж/(кг∙К).