Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Загальна інформація

Конвективним теплообміном, або тепловіддачею називається процес переносу теплової енергії між поверхнею твердого тіла та середовищем (рідиною або газом). При цьому процес переносу теплової енергії поєднаний із переміщенням середовища, що взаємодіє з твердим тілом.

Слід відзначити, що при конвективному теплообміні спостерігається перенесення теплоти одночасно саме конвекцією, а також теплопровідністю (при русі рідини неминуче доторкання частинок, а результуючий потік завжди направлений у бік зменшення температури).

В залежності від природи виникнення руху середовища розрізняють вільну та вимушену конвекцію.

У першому випадку рух здійснюється за рахунок різниці густини нагрітих і холодних елементарних об’ємів рідини або газу в гравітаційному полі (під впливом так званої підйомної сили), у другому – за рахунок зовнішнього побудника руху (насос, вентилятор, вітер).

Інтенсивність тепловіддачі при вільному русі середовища залежить від різниці температур між тілом і середовищем, фізичних властивостей середовища, геотермічних факторів (форми, розмірів, положення тіла у просторі), а також ряду інших факторів.

Для конвективного теплообміну справедливий закон Ньютона-Ріхмана:

Q = F· t або q = t, (1)

де q = /F – густина теплового потоку, Вт /м²;

t – температурний напір (різниця температур тіла та навколишнього середовища ), тобто ,К;

F – площа поверхні теплообміну, м² ;

– коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м² ·К).

Коефіцієнт тепловіддачі характеризує інтенсивність теплообміну між тілом (межою розподілу) та оточуючим середовищем і представляє собою кількість теплоти, що передається від твердої стінки (межі розподілу) газу або рідині крізь одиницю площі в одиницю часу за різницею температур між тілом і середовищем в 1 К.

У наведеній лабораторній роботі йдеться про визначення середнього значення коефіцієнта тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі середовища (повітря).

За даними експеримента середнє значення коефіцієнта тепловіддачі може бути визначеним відповідно до рівняння (1):

=Q/(F t) = q/(tТ – ) (2)

Процесс тепловіддачі являється складним процессом, при цьому коефіцієнт тепловіддачі залежить від великої кількості факторов, що характеризують даний процес (у тому числі геометричних та режимних параметрів процесу, а також теплофізичних властивостей середовища).

Процес конвективного теплообміну описується складною системою диференціальних рівнянь (саме диференціальне рівняння конвективного теплообміну, а також, у загальному вигляді, диференціальні рівняння енергії, руху та нерозривності), які містять велику кількість змінних для визначення коефіцієнта тепловіддачі.

Ці труднощі дозволяє подолати теорія подібності, що дає правила раціонального об’єднання фізичних величин у безрозмірні комплекси, або критерії подібності, число яких значно менше числа величин, з яких ці критерії складаються.

У загальному випадку конвективний теплообмін, на сталому режимі в узагальненому випадку описується критеріальними рівняннями подібності у вигляді:

(3)

У виразі (3) наведено такі критерії подібності:

Nu – критерій Нуссельта, що характеризує співвідношення між інтенсивністю теплообміну за рахунок конвекції та інтенсивністю теплообміну за рахунок теплопровідності (в умовах нерухомості середовища):

Nu = L / ;

Re – критерій Рейнольдса, що характеризує співвідношення сил інерції та сил в’язкості в процесі переміщення сереловища:

Re = wL / ;

Pr – критерій Прандтля, що враховує вплив фізичних властивостей на процес тепловіддачі та характеризує подібність полів швидкості та температури в потоці середовища:

Pr = /a;

Gr – критерій Грасгофа, що визначає процес теплообміну під час вільногравітаційного руху і є мірою співвідношення архімедової (підіймальної) сили, спричиненої нерівномірним розподілом густини в полі температур і силами міжмолекулярного тертя:

Gr = (g·L ³ · · t)/ ².

У виразах критеріїв подібності входять такі параметри:

L – визначальний лінійний розмір поверхні теплообміну (діаметр, еквівалентний діаметр, характерний лінійний розмір), м;

w – визначальна швидкість середовища в процесі теплообміну, м/с;

а – коефіцієнт температуропровідності, м² /c;

– коефіцієнт теплопровідності середовища, Вт/(м² ·К);

– кінематичний коефіцієнт в’язкості, м² /с;

– коефіцієнт об’ємного розширення середовища, 1/К:

g – прискорення вільного падіння (g = 9,81 м /с²);

С, m, n, p – чисельні коефіцієнти у рівнянні подібності.

Для умов теплообміну, про який йдеться у даній лабораторній роботі (тепловіддача горизонтальної труби при вільному русі середовища), є придатним критеріальне рівняння, запропоноване М.А. Міхєєвим [1] у вигляді:

(4)

В реальних умовах теплообміну коефіцієнти С і n залежать від режиму руху середовища, що знаходиться у дотику із нагрітою поверхнею.

Для визначення режиму руху повітря біля нагрітої труби, а також чисельних значень коефіцієнтов С і n у рівнянні (4) слід дотримуватись таких вимог [1, 2]:

– при Gr·Pr= 5 · 10²…5 · 10⁸ спостерігається ламінарний режим руху; при цьому С = 0,5; n = 0,25;

– при Gr·Pr = 5 · 10⁸…5 · 10⁹ спостерігається турбулентний режим; при цьому С = 0,15; n = 0,33.

Для відомих основних геометричних та режимних параметрах процесу теплообміну, користуючись рівнянням (4) при відповідних до спостережного режиму значеннях коефіцієнтів С і n, можна визначити коефіцієнт тепловіддачі від границі розділу (в даному випадку – поверхні горизонтальної труби) до середовища (в даному випадку – повітря) або навпаки – від середовища до границі розділу.