Исследование теплоотдачи от горизонтальной трубы при свободном движении воздуха

6.1. Цель и содержание

Опытное определение коэффициента теплоотдачи для горизонтальной трубы при свободном движении воздуха в зависимости от температурного напора, а так же определение значений эмпирических коэффициентов С и n критериального уравнения, описывающего процесс теплоотдачи горизонтальной трубы при свободной конвекции.

6.2. Теоретическое обоснование

Свободным называется также движение жидкости, которое обуславливается разностью плотностей нагретых и холодных ее частиц и всецело определяется наличием теплообмена.

В соответствии с законом Ньютона-Рихмана количество переданного тепла пропорционально поверхности тела и разности температур поверхности и жидкости (температурному напору).

Для рассматриваемого случая теплообмена плотность воздуха и подъемная сила определяются температурным напором, а зона распространения процесса – поверхностью исследуемой трубы. Таким образом, теплоотдача тела определяется, в первую очередь, разностью температур тела и окружающей среды, т.е. температурным напором.

Как известно, процесс теплообмена при свободном движении жидкости зависит от режима ее движения около тепловоспринимающей (теплоотдающей) поверхности.

Применительно к теплообмену на горизонтальных трубах этот процесс имеет ряд особенностей. На нижней половине периметра трубы вследствие увеличения толщины ламинарной пленки коэффициент теплоотдачи уменьшается. Это происходит до тех пор, пока увеличение толщины пленки не приводит к ее срыву, разрушению и началу турбулизации среды. Турбулизация, в свою очередь, ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи до некоторого значения, которое в дальнейшем остается постоянным.

В зависимости от диаметра трубы переход от ламинарного режима к турбулентному происходит по разному. При диаметре горизонтальной трубы 20÷30 мм ламинарный характер потока сохраняется до некоторой высоты над поверхностью трубы, после чего начинается турбулентный режим движения. При большом диаметре горизонтальных труб (200÷300 мм) ламинарное движение среды переходит в турбулентное еще до верхней кромки трубы. Имеющие аналитические решения задачи конвективного теплообмена при свободном движении среды выполнено при целом ряде упрощающих предпосылок и мало соответствует действительным условиям протекания процесса. Поэтому на практике широко используется экспериментальный метод с привлечением теории подобия.

Критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при свободном движении жидкости в неограниченном пространстве, имеет вид

,

(6.1)

где Nu – критерий Нуссельта

,

(6.2)

Gr – критерий Грасгофа

,

(6.3)

Pr – критерий Прандтля

.

(6.4)

В аналитические выражения критериев теплообмена (6.2 – 6.4) входят следующие физические величины:

a –коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²×К);

d – определяющий размер (диаметр трубы), м;

l –коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К);

b = 1/T_погр –коэффициент объемного расширения, 1/K;

– определяющая температура (температура пограничного слоя), K;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

– температурный напор, К;

a –коэффициент температуропроводности, м²/с;

ν – кинематическая вязкость воздуха, м²/с.

Значение физических параметров, входящих в выражения критериев теплообмена, принимаются по температуре пограничного слоя ( ).

Таблица 6.4 – Физические параметры сухого воздуха

Значения коэффициентов С и n, входящих в уравнение (6.1), определяются в зависимости от режима движения из таблицы 6.1.

Таблица 6.1 – Численные значения коэффициентов С и n для различных режимов движения

п/п		Режим движения	С	n
	1×10–3 ÷ 5×102	ламинарный режим	1,48	1/8
	5×102 ÷ 2×107	переходный режим	0,54	1/4
	2×107 ÷ 1×1013	турбулентный режим	0,135	1/3

6.3. Аппаратура и материалы

Экспериментальная установка размещена в достаточно большой комнате, размеры которой значительно больше габаритов опытной трубы. Поэтому можно считать, что процесс теплообмена протекает в неограниченном пространстве.

Объектом исследования является горизонтальная труба (4) длиной l=1500 мм и диаметром d = 32 мм. Труба выполнена из нержавеющей стали. Внутри трубы имеется электрический нагреватель (2), обеспечивающий равномерный нагрев по ее длине. С торцов труба закрыта теплоизоляционной пробкой для уменьшения тепловых потерь в осевом направлении. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 6.1.

Количество выделяемого и передаваемого в окружающую среду тепла определяется по расходу электроэнергии. Потребляемая электронагревателем мощность может регулироваться автотрансформатором (7). Определение мощности производится с помощью амперметра (6) и вольтметра (5). Температура теплоотдающей поверхности (стенки трубы) определяется с помощью потенциометра (4) и четырех хромель-алюмелевых термопар (1), зачеканенных по всей длине. В целях достаточно полного усреднения (с учетом характера изменения теплоотдачи по периметру трубы) термопары укреплены на трубе по винтовой линии.

6.4. Указания по технике безопасности

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».

Рисунок 6.1 – Схема лабораторной установки

6.5 . Методика и порядок проведения работы

Среднее значение коэффициента теплоотдачи определяется из уравнения:

,

(6.5)

где L – длина трубы, м;

d – диаметр трубы, м;

ΔT = T_ст – T_ж –температурный напор, К;

, К;

, К.

Q_к – мощность теплового потока, передаваемого опытной трубой в окружающую среду путем конвекции, Вт.

Мощность конвективного теплового потока определяется из уравнения

,

(6.6)

где Q_п – полное количество тепла, которое выделяется электронагревателем и передается путем конвекции и лучеиспускания (оно численно равно мощности электронагревателя Q_п = W = U × I) , Вт,

Q_л – количество тепла, передаваемого трубой в окружающую среду посредством лучеиспускания, Вт.

,

(6.7)

где ε – степень черноты поверхности трубы, принимаемая для установки, равной 0,7; C₀ = 5.67 Вт/(м²×К) – коэффициент излучения абсолютного черного тела; f – поверхность трубы, м².

После установления стационарного теплового режима необходимо записать показания приборов (напряжение, сила тока и температуры поверхности трубы) в форме таблицы 6.2.

Таблица 6.2 – Экспериментальные значения рабочих параметров по результатам наблюдений

В связи с тем, что в данной лабораторной работе тепловые процессы обладают существенной инерционностью, рекомендуется провести только три опыта. Данные остальных тепловых режимов установки выдаются преподавателем каждому студенту по индивидуальному варианту.

Обработку экспериментальных данных по всем режимам представить в виде таблицы 6.3 и проверить на компьютере с помощью специальной программы, разработанной в редакторе электронных таблиц Excel.

Таблица 6.3 – Результаты обработки экспериментальных данных

На основании проверенных расчетных данных построить график функциональной зависимости , где – среднее значение коэффициента теплоотдачи от исследуемой горизонтальной трубы к окружающему воздуху, Вт/(м²×К).

Затем представить зависимость в виде критериального уравнения 6.1, которое описывает процесс конвективного теплообмена для случая свободного движения воздуха около исследуемой трубы. С этой целью вычисляют значение критериев Нуссельта (Nu), Грасгофа (Gr) и Прандтля (Pr). Критерий Прандтля может быть непосредственно принят по таблице 6.1. Вычисление указанных величин выполняется для всех опытов и сводится в таблицу 6.3. После этого строится график зависимости в соответствии с формулой (6.1). Логарифмируя зависимость (6.1), получаем уравнение вида

.

(6.8)

Следовательно, в логарифмической системе координат эта зависимость имеет вид прямой линии.

Откладывая по оси абсцисс величину lg(Gr·Pr)_m, а по оси ординат lgNu_m, получаем линейную зависимость в соответствии с уравнением (6.8).

Показатель степени n в уравнении (6.1) будет равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс. Постоянная C находится из соотношения для любой точки прямой.

.

(6.9)

Расчеты и построения рекомендуется выполнять с использованием редактора электронных таблиц Excel.

Если для построения зависимости 6.8 использовать электронные инструменты точечной диаграммы Excel, то коэффициенты lgC и n будут рассчитаны автоматически в процессе построения.

Полученные экспериментальные значения коэффициентов сравнивают с литературными данными.

Данная лабораторная работа считается выполненной, когда студент, присутствующий на занятии и выполнивший практическую часть работы, представляет преподавателю письменный отчет выполненной лабораторной работы в полном объеме.

6.6. Содержание отчета и его форма

Отчет оформляется в 18-листовой тетради и должен содержать следующие пункты:

– тема работы,

– цель работы,

– краткое описание работы;

– принципиальную схему опытной установки;

– протокол записи показаний измерительных приборов,

– обработка результатов опыта (по форме таблицы 2.3);

– графические зависимости:

а) коэффициента теплоотдачи от температурного напора;

б) критерия Нуссельта от произведения критериев Грасгофа и Прандтля (в логарифмическом виде);

– сопоставления результатов опыта с литературными данными.

6.7. Вопросы для защиты работы

1. Физическая сущность процесса конвективного теплообмена. В чем состоит принципиальная разница между процессом конвективного теплообмена и процессом теплопроводности.

2. Закон Ньютона-Рихмана; коэффициент теплоотдачи.

3. Влияние на интенсивность теплообмена температурного напора, физических свойств жидкости, расположения опытной трубы в пространстве.

4. Теплоотдача при различных видах движения среды и изменения ее агрегатного состояния.

5. Теория подобия; критерии подобия.

6. Обработка опытных данных в числах и критериях подобия, их анализ; общие условия подобия физических процессов.

7. Лучистый теплообмен: основные понятия и законы теплового излучения.

8. Излучение и поглощение энергии газами.

9. Лучистый теплообмен между телами; экраны для защиты от излучения.

13. Закон Стефана-Больцмана.

14. Как зависит коэффициент теплоотдачи от диаметра одиночной трубы при свободной конвекции?

15. Как определяется тепловой поток при выполнении лабораторной работы?

16. Критерий Нуссельта. Физический смысл. Обозначить входящие в него величины.

17. Критерий подобия Грасгофа. Физический смысл. Обозначить входящие в него величины.

18. Критерий подобия Прандтля. Физический смысл. Обозначить входящие в него величины.

19. Критерий подобия Рейнольдса. Физический смысл. Обозначить входящие в него величины.

20. Назвать гидродинамические режимы при вынужденном движении жидкости. Указать граничные значения критерия, характеризующего эти режимы.

21. Общий вид критериального уравнения для вынужденного конвективного теплообмена.

22. Общий вид критериального уравнения для свободного конвективного теплообмена.

23. Размерность коэффициента теплоотдачи.

24. Что является движущей силой жидкости при свободной и при вынужденной конвекции?

7. ЛИТЕРАТУРА

7.1. Основная учебная литература

1. Гидравлика, водоснабжение и канализация: Учебное пособие для вузов/ В.И. Калицун, В.С. Кедров, Ю.М. Ласков. – М.: Стройиздат, 2011.

2. Инженерные сети, оборудование зданий и сооружений: Учебник/ Е.Н. Бухаркин, В.М. Овсянников, К.С. Орлов и др.; Под ред. Ю.П. Соснина. – М.: Высшая школа, 2011.

7.2. Дополнительная литература

1. Альтшуль А.Д., Калицун В.И. Примеры расчетов по гидравлике. - М.:Стройиздат,1976.-256с.

2. Константинов М.П., Петров Н.А., Александров В.А. Примеры гидравлических расчетов. - М.: Транспорт, 1987.-440с.

3. Теплотехника: Учебник для вузов / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров,
Г. М. Камфер и др.: под ред. В. Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 1999. – 671с.

4. Тихомиров К. В., Сергеенко Э. С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. – М.:Стройиздат, 1991. – 480 с.

Методические указания

к выполнению лабораторных работ по дисциплине

«Инженерные системы зданий и сооружений: (теплогазоснабжение с основами теплотехники, водоснабжение и водоотведение с основами гидравлики)» для студентов специальности

270800.62 «Строительство»

Составитель Борисенко О. А.

Редактор: Л. Д. Бородастова

Подписано в печать_12.10.11

Формат 60´84 1/16. Усл.п.л.-_2,5__ Уч.-изд.л.-_2,0__

Бумага газетная. Печать офсетная. Заказ № 48 Тираж 50 экз.

ГОУВПО «Северо – Кавказский государственный технический университет»

355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство Северо – Кавказского государственного

технического университета

Отпечатано в типографии СевКавГТУ

Поиск по сайту: