Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

________________________________________________________________

Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина

Р.Н. Бикчентай,С.И. Егоров

Исследование теплоотдачи при свободной конвекции от вертикальной струны

Под редакцией проф. Б. П. Поршакова

Москва 2006

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Российский государственный университет

нефти и газа им. И.М. Губкина

________________________________________________________________

Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

Р.Н. Бикчентай, С.И. Егоров

Исследование теплоотдачи при свободной конвекции

Методические указания к лабораторной работе и УНИРС по курсам «Термодинамика» и «Теплотехника» для студентов специальностей: 072000, 090600, 090700, 090900, 120100, 120500, 120600, 170200, 171700, 250100, 250400, 320700, 330500

Под редакцией проф. Б. П. Поршакова

Москва 2006

УДК 536.7

Бикчентай Р.Н., Егоров С.И. Исследование теплоотдачи при свободной конвекции. – М.: РГУ нефти и газа, 2006. -18 с.

Приведены основные определения и расчетные соотношения конвективного теплообмена.

Представлена схема лабораторной установки для опытного определения среднего коэффициента теплоотдачи от вертикальной струны при свободной конвекции. Изложена методика проведения лабораторной работы и обработки опытных данных.

Для контроля знаний студентов предложены вопросы.

Рецензент – К. Х. Шотиди, кандидат технических наук, профессор кафедры термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

©Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

1.	Основные определения и расчетные соотношения	5
2.	Описание опытной установки и методика проведения эксперимента	10
3.	Обработка результатов экспериментального исследования	11
4.	Контрольные вопросы	16
5.	ЛИТЕРАТУРА	18

Цель лабораторной работы: Определение экспериментальным путем на лабораторной установке коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном пространстве. Изучение методики обработки опытных данных с применением теории подобия.

1. Основные определения и расчетные соотношения

Теория теплообмена или теплопередача – это наука, изучающая процессы и законы передачи теплоты.

Передача теплоты представляет собой процесс обмена энергией между телами или системами тел. В связи с этим следует подчеркнуть, что теплота, как и работа, является лишь формой передачи энергии.

Передача теплоты осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Эти способы часто называют формами передачи теплоты.

Теплопроводность представляет собой процесс передачи теплоты при непосредственном соприкосновении тел или отдельных частиц тела, имеющих разные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Под конвекцией понимают процесс передачи теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом перенос теплоты или энергии неразрывно связан с перемещением самой среды.

Тепловое излучение (лучистый теплообмен) – это процесс передачи энергии путем электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии – внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного излучения и обратно, лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит во внутреннюю энергию.

В природе и в технике элементарные процессы передачи теплоты – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение – очень часто происходят совместно.

Конвективный теплообмен происходит при движении жидкости или газа, а передача теплоты осуществляется одновременно конвекцией и теплопроводностью. Конвективный теплообмен между потоком среды и поверхностью соприкасающегося с ней тела называется конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

Конвективная теплоотдача может происходить при свободной и вынужденной конвекции. При свободной конвекции движение жидкости возникает вследствие неоднородного распределения плотности жидкости или газа в рассматриваемом объеме при наличии поля земного тяготения. Вынужденная конвекция происходит под действием внешних сил, приложенных на границе контрольного объема среды, за счет работы насоса, компрессора, ветра и т.п.

Основным законом, описывающим процесс конвективной теплоотдачи, является закон Ньютона-Рихмана

. (1)

Согласно этому закону плотность теплового потока, передаваемого за счет конвективного теплообмена, у поверхности q_к прямо пропорциональна разности температур между поверхностью тела t_cт и средой t_окр и значению коэффициента теплоотдачи .

Коэффициент теплоотдачи определяет интенсивность конвективного теплообмена для конкретных условий протекания процесса и определяется как количество теплоты, передаваемое в единицу времени через единицу площади поверхности теплообмена при разности температур между поверхностью тела t_cт и средой t_окр, равной одному градусу (1 К или 1 ⁰С).

В соответствии с основным законом теплопроводности – законом Фурье и законом конвективного теплообмена – законом Ньютона-Рихмана теплообмен на границе между твердым телом и средой описывается дифференциальным уравнением теплоотдачи

, (2)

в котором правая часть выражает плотность теплового потока, передаваемого путем теплопроводности через слой среды (жидкости или газа), неподвижной относительно поверхности твердого тела.

Одной из основных задач теории конвективного теплообмена является количественное определение коэффициента теплоотдачи. Экспериментальному определению коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции было посвящено большое количество исследований, а опытные данные были обобщены и представлены в виде уравнений подобия [1]. Уравнение подобия конвективного теплообмена при свободной конвекции имеет следующий вид:

. (3)

Число Нуссельта характеризует соотношение тепловых потоков, передаваемых за счет конвективного теплообмена и теплопроводности в пограничном слое.

Число Грасгофа характеризует соотношение между подъемной силой, возникающей вследствие разности плотностей неравномерно нагретой среды, и силой молекулярного трения.

Число Прандтля характеризует теплофизические свойства среды и их влияние на конвективный теплообмен.

В числа подобия конвективного теплообмена входят следующие величины: g – ускорение свободного падения, м/с²; β – коэффициент объемного расширения среды, К^-1; ν – кинематический коэффициент вязкости среды, м²/с; а – коэффициент температуропроводности среды, м²/с;  - динамический коэффициент вязкости среды, кг/(мс) или Пас, ;

c_p – удельная массовая теплоемкость среды при постоянном давлении, Дж/(кгК);  – плотность среды, кг/м³;  – коэффициент теплопроводности среды, Вт/(мК).

При расчете чисел подобия теплофизические свойства среды, окружающей металлическую струну, определяются из справочных таблиц при средней температуре пограничного слоя (окружающей средой является воздух).

Теплофизические свойства сухого воздуха при различных температурах представлены в табл. 1 [3].

В множителе (Pr/Pr_c)^0,25 , который входит в уравнение подобия конвективного теплообмена, Pr и Pr_c – числа Прандтля среды при средних температурах пограничного слоя t_m и поверхности струны t_cт.

Введение множителя (Pr/Pr_c)^0,25 в уравнение подобия конвективного теплообмена дает возможность использовать это уравнение при любом направлении теплового потока и учесть изменение теплофизических свойств среды в пограничном слое.

В случае если средой, окружающей металлическую струну, является сухой воздух, то значение множителя (Pr/Pr_c)^0,25 можно принять равным 1, т.к. значения числа Прандтля для сухого воздуха не меняется в широком диапазоне температур (табл. 1).

Таблица 1

Теплофизические свойства сухого воздуха

t, ^0С	Коэффициент теплопроводности λ10^2, Вт/(мК)	Кинематический коэффициент вязкости ν10^6, м^2/с	Коэффициент объемного расширения β10^3, К^-1	Pr
10	2,51	14,66	3,53	0,71
20	2,58	15,61	3,42	0,71
30	2,65	16,58	3,30	0,71
40	2,72	17,57	3,29	0,71
50	2,79	18,58	3,17	0,71
60	2,86	19,60	3,06	0,71
70	2,92	20,65	2,94	0,71
80	2,99	21,74	2,83	0,71
90	3,08	22,82	2,72	0,71
100	3,12	23,91	2,67	0,71
120	3,24	26,21	2,58	0,71
140	3,37	28,66	2,46	0,71
160	3,49	31,01	2,35	0,71
180	3,62	33,49	2,23	0,71
200	3,74	36,03	2,11	0,71

Значения коэффициента С и показателя степени n в уравнении подобия конвективного теплообмена при свободной конвекции у вертикальной струны зависят от комплекса (GrPr) и могут быть определены из табл. 2 [3].

Таблица 2

Значения коэффициента С и показателя степени n в уравнении (3)

Значение комплекса	С	n
GrPr  510^2	1,18	1/8
510^2  GrPr  210^7	0,54	1/4
GrPr > 210^7	0,135	1/3