Определение коэффициента теплоотдачи при свободно-конвективном теплообмене с поверхности горизонтальной трубы

Автор: Пользователь скрыл имя, 23 Октября 2011 в 08:45, практическая работа

Описание работы

Цель работы: изучить механизм процесса теплообмена при свободной конвекции воздуха с поверхности горизонтальной трубы и освоить методику опытного определения коэффициента теплоотдачи

Работа содержит 1 файл

лаба.docx

— 1.05 Мб (Скачать)

Цель  работы: изучить механизм процесса теплообмена при свободной конвекции воздуха с поверхности горизонтальной трубы и освоить методику опытного определения коэффициента теплоотдачи

     1. основные сведения

     Конвективным  теплообменом, или теплоотдачей, называется процесс переноса теплоты между  поверхностью твердого тела и жидкой (газообразной) средой. При этом перенос теплоты осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции.

     Свободным называется движение, происходящее в  следствие разности плотностей нагретых и холодных частиц. Такое движение так же называют конвекцией. Вынужденным  называется движение, возникающее под  действием посторонних возбудителей (насоса, вентилятора и т.д.)

      Теплоотдача при конвекционном теплообмене  определяется по закону Ньютона-Рихмана: 

где Q –тепловой поток, Вт; α- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2*К); F – площадь поверхности теплообмена; tс, tж – температуры стенки и жидкости, С.

         Согласно этому закону, тепловой  поток Q пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур стенки и жидкости (tс- tж).

          Коэффициент теплоотдачи можно  определить как количество теплоты,  отдаваемое в единицу времени  еденицей поверхности при разности  температур между поверхностью  и жидкостью, равной одному  градусу: 

      Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин: формы и размеров поверхности, температур поверхности нагрева и теплоносителя, скорости теплоносителя, физических свойств  теплоносителя (коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности, коэффициента динамической вязкости) и др.

         Вследствие сложности математического описания процессов теплообмена аналитическое определение коэффициента теплоотдачи α чаще всего невозможно. Это приводит к необходимости проведения экспериментальных исследований процесса на моделях. Полученные результаты переносятся затем на реальные процессы с помощью теории подобия.

         Числа или критерия подобия  – это безмерные комплексы  параметров теплообмена. Каждое  из чисел имеет вполне определенный  физический смысл.

         Число Грасгофа Gr характеризует относительную эффективность подъемной силы, возникающую вследствие разности плотностей и вызывающую свободно-конвективное движение среды, и имеет вид

                                          

          Где g – ускорение свободного падения, м/с2; β – температурный коэффициент объемного расширения среды, 1/К; Δt – температурный напор, К; l – характерный линейный размер системы, м; ν – кинематический коэффициент вязкости, м2/ с.

          Число Прандтля Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя:

                                          

Где µ - коэффициент динамической вязкости, Н*с/ м2; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К); α – коэффициент температуропроводности, м2/с.

  Условия Gr=idem, Pr=idem, обеспечивают подобие процессов свободной конвекции, то есть подобие полей температурных напоров, тепловых потоков и скоростей в геометрически подобных системах. При выполнении этих условий определяемое число подобия – число Нуссельта Nu – также оказывается одним и тем же в таких системах:

                                 

2 описание экспериментальной  установки

Экспериментальная установка (рисунок 1) представляет собой  горизонтальную трубу 2 (длина l=1м, диаметр d=0.045м). Внутри трубы помещен электронагреватель 1, мощность которого определяется с помощью показаний амперметра А и вольтметра V. Регулирование силы тока осуществляется с помощью ЛАТР 4. Для измерения температуры на поверхности трубы служит термопара 3 и потенциометр П.

Таблица 1-Результаты замеров

Но-

мер опыта

Сила  тока I,A Напряжение  U, B Темпе-

ратура cтенки tст, С

Температура окр. Ср. t о.с., С
1 2 155 125 16
2 3 235 245 16
 

Определение коэффициента теплоотдачи первым способом 

Наименование  параметра Формула Значение
1 2
1 2 3 4
Количество  тепла, выделяемое нагревателем Q, Вт Q=U*I 310 705
Площадь трубы F, м2   0.1413 0.1413
Количество  теплоты передаваемое лучистым теплообменом Qл, Вт  
ε=0.5 степень черноты трубы
72 260
Количество  теплоты, передаваемое конвективным теплообменом Qк, Вт   238 445
Температурный напор Δt, C   109 229
Коэффициент теплоотдачи α1, Вт/( м2 *К)   15.45 13.75
Число Нуссельта Nu   0.235 0.183
Логарифм  числа Nu   -0.629 -0.737
Логарифм  числа (Gr*Pr)      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Определение коэффициента теплоотдачи 2 способом

Наименование  параметра Формула Значение
1 2
Средняя температура tср, С   70 130
Теплопроводность  воздуха λ, Вт/(м*К)   2.96 3.39
Кинематическая  вязкость воздуха ν, м2   20.6 23.1
Число Прандтля Pr   7.226 6.076
Коэффициент объемного расширения воздуха β, 1/К   0.0025 0.0019
Число Грасгофа Gr   585*10-9 743*10-9
Коэффициент c2      
Коэффициент n2      
Число Нусельта Nu      
Коэффициент теплоотдачи α2, Вт/( м2 *К)      
 
 

Ответы  на вопросы:

  1. Понятие теплоотдача:

  Конвективным  теплообменом, или теплоотдачей, называется процесс переноса теплоты между  поверхностью твердого тела и жидкой (газообразной) средой

  1. Процессы входящие в конвективный теплообмен:

  Теплопроводность  и Конвекция

  1. Свободная и вынужденная конвекция:

     Свободным называется движение, происходящее в  следствие разности плотностей нагретых и холодных частиц. Такое движение так же называют конвекцией. Вынужденным называется движение, возникающее под действием посторонних возбудителей (насоса, вентилятора и т.д.)

  1. Закон Ньютона-Рихмана:
 

где Q –тепловой поток, Вт; α- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2*К); F – площадь поверхности теплообмена; tс, tж – температуры стенки и жидкости, С.

  1. Что называется коэффициентом теплоотдачи?

Коэффициент теплоотдачи можно определить как  количество теплоты, отдаваемое в единицу  времени еденицей поверхности при  разности температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу: 

  1. От  каких параметров зависит коэффициент  теплоотдачи?

 Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин: формы и размеров поверхности, температур поверхности нагрева и теплоносителя, скорости теплоносителя, физических свойств теплоносителя (коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности, коэффициента динамической вязкости) и др.

  1. Для чего применяется теория подобия?

Вследствие  сложности математического описания процессов теплообмена аналитическое  определение коэффициента теплоотдачи  α чаще всего невозможно. Это приводит к необходимости проведения экспериментальных исследований процесса на моделях. Полученные результаты переносятся затем на реальные процессы с помощью теории подобия.

  1. Дайте понятие определению критерии подобия.

Числа или критерия подобия – это  безмерные комплексы параметров теплообмена. Каждое из чисел имеет  вполне определенный физический смысл. 
 
 

  1. Числа Грасгофа, Прандтля, Нуссельта и их физический смысл.

Число Грасгофа Gr характеризует относительную эффективность подъемной силы, возникающую вследствие разности плотностей и вызывающую свободно-конвективное движение среды, и имеет вид

                                          

          Где g – ускорение свободного падения, м/с2; β – температурный коэффициент объемного расширения среды, 1/К; Δt – температурный напор, К; l – характерный линейный размер системы, м; ν – кинематический коэффициент вязкости, м2/ с.

          Число Прандтля Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя:

                                          

Где µ - коэффициент динамической вязкости, Н*с/ м2; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К); α – коэффициент температуропроводности, м2/с.

число Нуссельта Nu – также оказывается одним и тем же в таких системах:

                                 

  1. Назовите  условия подобия  для моделей со свободно-конвективным теплообменом.

    паУравнение подобия для процессов теплообмена  свободной конвекции имеет вид  Nu=f(Gr,Pr) 
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

 

Информация о работе Определение коэффициента теплоотдачи при свободно-конвективном теплообмене с поверхности горизонтальной трубы