Учебная работа. Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха

Определение
коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха

Передача тепла от нагретого твёрдого тела к газообразному теплоносителю
или наоборот, является одним из наиболее распространённым случаев сложного
теплообмена.

Коэффициент теплоотдачи может быть различным в разных точках поверхности
теплообмена. Для упрощенных расчётов пользуются средним по поверхности
значением α. В случае теплоотдачи поверхности металлической трубы
(внутри которой находится электрический нагреватель) в неограниченную среду,
наблюдаемый сложный теплообмен включает все три вида теплообмена —
теплопроводность, конвекцию и лучеиспускание. При этом имеет место конвективный
теплообмен между поверхностью и омывающим её газом, и, кроме того, та же самая
поверхность излучает и поглощает энергию, обмениваясь потоками излучения с
газом и окружающими предметами. В целом интенсивность сложного теплообмена в
этом случае характеризуют суммарным коэффициентом теплоотдачи.

α = αк+ αл. (1)

При этом считается, что конвекция и излучение независимы друг от друга.

За полный тепловой поток, передаваемый поверхностью нагретого тела
окружающей среде (воздуху) можно принять мощность нагревателя

Φ = Ν = Ι · U (2)

действительно, при прохождении электрического тока по проводнику, в нём
выделяется тепло Q = Ν = Ι·U·τ и тепловой поток Φ
= Q/τ = Ι·U.

Рассмотрим два способа определения конвективного коэффициента теплоотдачи
αк в случае естественной конвекции.

1) Экспериментальное определение конвективного коэффициента теплоотдачи.

Конвективный коэффициент теплоотдачи можно рассчитать, используя формулу

αк = Фк /[ (t’ст — t’г)·F]
(3).

Конвективный тепловой поток находим

Фк = Ф — Фл (4)

Фл = ε ·С0· [(Тст/100)4 —
(Тг/100)4] · F (5)

теплоотдача конвективный число подобие

предварительно необходимо рассчитать значения лучистого теплового потока
и полного теплового потока, используя формулы (2) и (5). В формуле (5)
температуру нагретой поверхности t’ст находят с помощью термопар,
подключённых к автоматическому потенциометру (см.рис.1) и берут среднее
вдали от нагревателя (температура среды-газа) t’г находим
с помощью стеклянного жидкостного термометра.

Рис.1. Схема установки. В горизонтальной
расположенной стальной трубе 1 находится электрический нагреватель,
подключенный к источнику тока 5 . Амперметр 3 и вольтметр 4 позволяют найти
мощность нагревателя N. Термопары 6 , подключенные с помощью компенсационных
проводов 8 к автоматическому потенциометру 7, измеряют температуру поверхности
трубы.

Для перевода температуры в 0С в 0К необходимо
использовать их связь:

Степень черноты ε имеет следующие значения: сталь с шероховатой
поверхностью — 0.95 — 0.98; Сталь окисленная — 0.8; Сталь сильно окисленная —
0.98 (выбрать, исходя из степени окисления металла нагревателя).

Коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела С0 = 5,67
вт/(м2 град4).

Значения силы тока Ι, проходящего по нагревателю, и
напряжения U, подаваемого на его концы, находят по амперметру и вольтметру.

За площадь нагретой поверхности принимается площадь поверхности цилиндра
длиной l и диаметром

: F= π · d · l (7).

Аналогично ф-ле 3 можно
рассчитать и лучистый коэффициент теплоотдачи:

αл = Фл
/[ (t’ст — t’г)·F] (8)

) Определение конвективного
коэффициента теплоотдачи с помощью теории подобия.

Конвективный коэффициент
теплоотдачи можно также определить, используя теорию подобия. Теплоотдача в
неограниченном пространстве для тел любой формы и размера определяется
уравнением подобия:

Nuж = 0,5·(Grж
·Pr ж)0,25 (Pr ж/Prст)0,25.

Для газа (Pr ж/Prст)0,25
=1.

Индексы ж заменим на г, т.е.
значения физических величин, входящих в числа Грасгофа и Прандтля необходимо брать
при температуре окружающего воздуха (табл.1).

Табл.1. Физические свойства сухого воздуха

Т °К

ρ кг/м3

ср кдж/(кг ·град)

λ , вт/(м·град)

ν
м2/сек

273

1,252

2,374 · 10-2

13,7 · 10 -6

283

1,206

1,012

2,456 —

14,70 —

293

1,164

1,013

2,522 —

15,70 — 16,61 —

303

1,127

1,014

2,580 —

16,61 —

313

1,092

1,015

313

= 0,5·(Grг ·Prг)0,25 (9)

Nu = αк L / λ (10)

здесь Nu — число подобия Нуссельта; отсюда конвективный коэффициент
теплоотдачи

αк = Nu ·λ/ d (11)

— определяющий размер нагретого тела в данном случае ( L= d) равен
диаметру цилиндра, λ — коэффициент теплопроводности теплоносителя, в
данном случае воздуха.

Числа подобия Грасгофа Gr и Прандтля Рг, входящие в уравнение подобия
(9), определяются следующим образом:

г =β·g·(d)3·ΔT/v2; (12)г
=ρ·сp·v/λ (13)

здесь v — кинематическая вязкость (динамическая вязкость теплоносителя,
деленная на его плотность ), cр — изобарная теплоёмкость
теплоносителя; зависимость удельной изобарной теплоёмкости для воздуха дана в
табл.3. ( приближённо для воздуха —идеального двухатомного газа- её можно найти
по формуле сp= (7/2)·R/μ = 1,003 кдж / кг град, что всего на
0,8% меньше теплоёмкости реального воздуха при 200С; это и позволяет
считать воздух идеальным газом при невысоких температурах и давлениях), λ — коэффициент теплопроводности
воздуха.

Значения коэффициентов В и n зависят от величины произведения Gr · Рr и
берутся из таблицы 2.

Табл.2. Зависимость коэффициентов В и n от произведения чисел подобия
Грасгофа и Прандтля.

Gr · Pr

В

n

 <103

1.18

1/8

103 ÷ 108

0.50

1/4

0.13

1/3

 

Литература

1. Теплотехника — Баскаков А.П. 1991г.

. Теплотехника — Крутов В.И. 1986г.

. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция — Тихомиров
К.В. 1981г.57.

. Теплотехнические измерения и приборы — Преображенский
В.П.1978г.

Учебная работа. Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха