5.5. Оброблення результатів дослідів

5.5.1. Отримані значення температури поверхні циліндра усереднити, враховуючи дублювання значення температури для бокової поверхні циліндра, за рівнянням :

5.5.2. За формулою (4.11) обчислити променисту складову теплового потоку

5.5.3. Визначити конвективну складову з рівняння:

Q_к = Q Q_пр.

5.5.4. За формулами визначити коефіцієнти тепловіддачі:

де F=dL .

5.5.5. Визначити число Нуссельта Nu = _к d/ , де λ взяти з табл. 4.4 для середньої температури повітря в аеродинамічному контурі t_п=(t_п1  t_п2)/2.

5.5.6. Визначити швидкість повітря у контурі за формулою для мікроманометра ММН – 2400

де ∆h потрібно взяти у поділках шкали, а густину ρ_п за середньою температурою повітря t_п в контурі з табл. 4.4 .

5.5.7. Обчислити

де в’язкість повітря ν взяти за t_п з табл. 4.4.

5.5.8. Для трьох режимів побудувати точки залежності ℓgNu= f(ℓgRe) і провести апроксимуючу пряму. Обробку даних проводити аналогічно пунктам (4.5.5.2. 4.5.5.3), за якими знаходять показник степені n та величини C для рівняння Nu=СRеⁿ. Результати заносять до розрахункової частини таблиці 5.1.

5.6. Аналіз результатів та висновки

Отримане в лабораторній роботі рівняння подібності для поперечного обтікання поодинокого циліндра порівняти з відомим із літературних джерел [10](5.2), перенісши його графічну побудову на графік з дослідними значеннями. Зробити висновки.

5.7. Контрольні запитання

5.7.1. Особливості тепловіддачі під час поперечного обтікання поодинокого циліндра.

5.7.2. Відмінність вимушеної конвекції від вільної.

5.7.3. Навести кілька прикладів застосування в теплотехніці течії в середині труб та обтікання труб ззовні.

5.7.4. Рівняння подібності, що описують вимушену конвекцію при обтіканні циліндричних поверхонь.

5.7.5. Локальний та середній коефіцієнти тепловіддачі.

5.7.6. Залежність локального коефіцієнта тепловіддачі від кута обтікання циліндра.

5.7.7. Залежність середнього коефіцієнта тепловіддачі від кута атаки циліндра.

5.7.8. Яка температура і який геометричний розмір об’єкта розглядаються в лабораторній роботі як визначальні .

5.7.9 Рівняння подібності для тепловіддачі за умов обтікання поодинокого циліндра.

5.7.10. Схема та устрій лабораторної установки.

5.7.11. Метод та прилад для вимірювання швидкості повітряного потоку .

Лабораторна робота № 6 тепловіддача при обтіканні пучків труб

6.1. Мета роботи: засвоїти особливості гідрогазодинамічного процесу поперечного обтікання та теплообміну для коридорного та шахового пучків труб, практику регулювання та вимірювання гідравлічних і теплових параметрів; визначення коефіцієнтів тепловіддачі для трьох перших рядів відповідних пучків і поправки до коефіцієнта тепловіддачі на номер ряда у пучку.

6.2. Теоретичні положення

У тепломасообмінних апаратах труби збирають у пакети, які мають назву пучків. Найпоширеніші пучки коридорні та шахові (рис.6.1). Гідродинаміка та теплообмін першого ряду є такими самими, як для поодинокого циліндра (див. лабораторну роботу № 5), але на подальші ряди впливає турбулізація у попередніх рядах, і середній коефіцієнт конвективної тепловіддачі по діаметру зростає, проте вже у третьому ряді відбувається стабілізація руху та тепловіддачі. Шаховий пучок дає кращу турбулізацію потоку, але незручний у апаратах, де треба спостерігати за станом поверхні труб та чистити їх.

Рівняння подібності для конвективного теплообміну пучка труб має такий загальний вигляд:

Nu = СRе^пPr^mε_qε_ε_Nε_S. (6.1)

Число Прандтля Pr = ν/а характеризує співвідношення полів швидкості (за законом в’язкості Ньютона напруженість внутрішнього тертя ν (кінематична в'язкість) визначає розподіл швидкості у потоці) та температури, бо коефіцієнт температуропровідності а=λ/(сρ) відіграє аналогічну роль для розподілення температури. Для газів значення ν та а, а також залежності ν(t) та а(t) є приблизно однаковими, тому числа Pr близькі до одиниці, а оскільки величина m у рівнянні (6.1) дорівнює 0,33, для газів Pr^m 1.

Поправка ε_q враховує напрямок теплового потоку (від стінки до потоку чи навпаки), і для краплинних рідин визначається як (Pr_p/Pr_c)^0,25 де Pr_p та Pr_c ― числа Pr для рідини при температурах відповідно за межами пристінного шару та біля стінки. Для газів приймають ε_q = 1.

Поправка на кут атаки ε_ψ, як і для поодинокого циліндра (див.п. 5.2) є найбільшою при ψ=90° дорівнює 1. Найпоширеніший на переробних підприємствах паровий котел ДКВр, розроблений більше за 60 років тому, здолав своїх конкурентів саме тому; що для всіх труб кип'ятильних пучків цього котла ψ=90°.

Поправка ε_S враховує вплив на коефіцієнт  відносної відстані між трубами пучка ε_S =f(s₁/d; s₂/d), де s₁ та s₂ ― відповідно поперечний та поздовжній кроки (див. рис. 6.1), d ― зовнішній діаметр труб пучка. Ця функція різна для різних типів пучків і досить складна, оскільки зближення труб призводить до значного збільшення гідравлічного опору, а при більших значеннях s₁ та s₂ зменшується тепловіддача. Тому цю поправку доводиться визначати з формул або таблиць для кожного типу теплообмінника. В лабораторній роботі це співвідношення ε_S = 1,0.

Врешті, величина ε_N ― поправка на номер ряда пучка N. Цю поправку потрібно визначити у лабораторній роботі. В випадку коли необхідно визначити тепловіддачу в першому та другому ряду вводять цей множник, для подальших рядів цей множник дорівнює одиниці, бо середнє значення тепловіддачі, вважають, на третьому ряду стабілізується та не змінюється [3]. За дослідженнями А. Жукаускаса, Н.В. Кузнецова та інш. поправний множник ε_N бажано враховувати в 4, 5, а також в подальших рядах, користуючись запропонованими авторами графіками [4].

Рівняння (6.1) для поперечного обтікання пучків повітрям в лабораторній роботі дещо спрощується:

Nu = СRе^пPr^mε_N. (6.2)

Після визначення середніх коефіцієнтів тепловіддачі ― _І , _ІІ та_ІІІ для відповідних рядів, обчислюється значення ε_N з умови, що значення тепловіддачі в третьому і в подальших рядах стабілізується та не змінюється. Для першого ряду це співвідношення ε_N1= _І/_ІІІ, а для другого ε_{N 2}= _ІІ/_ІІІ.