Лаб работа № 5 Теплоотдача. Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции
 Скачать 394 Kb.
|
|
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ нефтяной ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра промышленной теплоэнергетики ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ Методические указания к лабораторной работе № 5 по дисциплине «Теплотехника»
Составитель Р.Ш. Латыпов Методические указания включают краткий теоретический раздел по теории конвективного теплообмена, описание лабораторной установки, методику проведения эксперимента, а также необходимый справочный материал. Работа предназначена для студентов для студентов, обучающихся по направлениям 130500 «Нефтегазовое дело», 280100 «Безопасность жизнедеятельности», 240400 «Химическая технология органических веществ и топлива», 240800 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии нефтехимии и биотехнологии», 130600 «Оборудование и агрегаты нефтегазового производства», 240900 «Биотехнология». Содержание
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, прошедшие предварительную проверку знаний по данной теме. До прихода на занятия в лабораторию студент обязан самостоятельно ознакомиться с описанием лабораторной работы, проработать соответствующие темы предстоящего занятия – раздел учебника, конспекта лекций, изучить применяемые в работе методы измерений, продумать порядок проведения эксперимента и обработки опытных данных, подготовить форму отчета по работе. Отчет по работе выполняется в соответствии с требованиями ЕСКД и должен содержать: - цель, задание и краткое описание работы; - принципиальную схему установки; - журнал измерений; - таблицу обработки опытных данных; - экспериментальные графические зависимости; - выводы по работе. Выполняя экспериментальную часть работы, студент руководствуется описанием, указаниями преподавателей и инструкцией по технике безопасности. По окончании работы студент обязан показать результаты опыта преподавателю для проверки, без чего работа не может считаться выполненной. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ Подключение установки к электросети разрешается после проверки правильности собранной электрической схемы преподавателем. Запрещается: пользоваться проводами с нарушенной изоляцией, проводами, не оборудованными вилками, устанавливать мощность больше заданной, вскрывать приборы и схемы предохранителей. По окончании опытов установку необходимо отключить. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ 1. Цели работы 1. Углубление знаний по теории конвективной теплоотдачи. 2. Изучение методики экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции. 3. Получить навыки в проведении экспериментальных работ и обработке опытных данных в критериях подобия. 2. Задание Определить экспериментально для горизонтальной трубы значение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции и вывести уравнение подобия. 3. Теоретические основы 3.1. Основные понятия Под конвекцией понимают процессы переноса теплоты при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, т.к. имеет место непосредственное соприкосновение между частицами жидкости, этот совместный процесс называют конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и жидкостью или газом называется теплоотдачей. Для расчета стационарного теплового потока при теплоотдаче используют формулу Ньютона-Рихмана, согласно которой тепловой поток пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур стенки и жидкости: Q=α F (tс - tж), (3.1) где Q - тепловой поток, Вт; - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2град); F - поверхность теплообмена, м2; tс - температура поверхности теплообмена, °С; tж температура жидкости, °С. Коэффициент теплоотдачи можно определить как количество теплоты, отданное (принятое) в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью в один градус. α =  . (3.2)В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена, поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и локальный коэффициент теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи имеет следующий порядок для различных условий конвективного теплообмена, Вт/(м2град): свободная конвекция в газах 5…30 свободная конвекция воды 100…1000 вынужденная конвекция газов 10…500 вынужденная конвекция воды 500…20000 кипение воды 2000…40000 пленочная конденсация водяных паров 400…15000 Современные методы расчета конвективного теплообмена основываются на теории пограничного слоя. Несмотря на свою незначительную по сравнению с характерными размерами тела толщину, пограничный слой играет основную роль в процессах динамического и теплового взаимодействия потока жидкости с поверхностью теплообмена. В непосредственной близости от стенки существует вязкий подслой, где теплота передается только теплопроводностью, коэффициент теплоотдачи при этом может быть вычислен по формуле [2]: ж/δт, (3.3) где ж – коэффициент теплопроводности жидкости, омывающей поверхность теплообмена, Вт/(мград); δт – толщина теплового пограничного слоя, м. Чтобы интенсифицировать теплоотдачу, необходимо использовать жидкости с высокой теплопроводностью и принять меры к уменьшению толщины пограничного слоя. По природе возникновения различают два вида движения – вынужденное и свободное. Вынужденным называется движение, возникающее под действием посторонних возбудителей, например насоса, вентилятора и пр. В общем случае, наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Свободным называется движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных объемов жидкости в поле тяготения. Возникновение и интенсивность свободного движения определяются тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности температур, напряженности гравитационного поля и объема пространства, в котором протекает процесс. Свободное движение называется также естественной конвекцией. Процесс естественной конвекции возникает из-за различия плотностей холодного и горячего теплоносителей. Для большинства теплоносителей в том интервале температур, который обычно встречается на практике, зависимость плотности от температуры с достаточным приближением может рассматриваться как линейная. Так, если вдали от нагретого тела температура теплоносителя составляет tж, а в некоторой точке около поверхности равна t, то соответствующие значения плотности ж, связаны уравнением ρ = ρж[1 – β(t – tж)] , (3.4) где - коэффициент объемного расширения среды. Так как ρ < ρж, то на частицы нагретой жидкости, имеющей температуру t, действует подъемная архимедова сила, равная g(ρж – ρ) = gρжβ(t – tж ). (3.5) Эта сила и вызывает конвективное движение среды. Из этого выражения следует, что подъемная сила будет тем больше, чем выше значения напряженности гравитационного поля g, коэффициент объемного расширения и температурного перепада t. Характерная картина свободного движения вдоль нагретой вертикальной (а) и горизонтальной (б) труб показана на рис. 1.
Вначале толщина движущегося вдоль поверхности нагретого слоя жидкости мала и течение носит ламинарный характер. Постепенно в движение увлекается все большее количество жидкости, толщина ламинарного слоя растет, затем он разрушается и возникает турбулентный режим течения (возникают вихри). В области ламинарного течения коэффициент теплоотдачи уменьшается с увеличением толщины слоя движущейся жидкости, а в области турбулентного течения резко возрастает и далее по высоте стенки сохраняется постоянным. 3.2. Условия подобия процессов теплообмена при естественной конвекции Процессы естественной конвекции широко распространены в различных областях современной техники, однако, несмотря на разнообразие технических схем их осуществления, для всех таких процессов условия подобия имеют универсальный вид, определяемый теорией подобия. Прежде всего подобными могут быть процессы, протекающие в геометрически подобных системах. Необходимой предпосылкой подобия процессов теплообмена при естественной конвекции должно быть подобие температурных полей на поверхностях нагрева или охлаждения. При выполнении этих требований стационарные процессы свободной конвекции будут подобны, если каждое из определяющих чисел подобия (число Грасгофа – Gr и число Прандтля – Pr) в геометрически подобных точках систем будут одними и теми же, т.е. Gr = idem ; Pr = idem. (3.6) Число Gr характеризует соотношение между подъемной силой в жидкости, возникающей вследствие разности плотностей, и силой вязкости. Оно имеет вид Gr = βg  t , (3.7)где g – ускорение свободного падения, м/с2; β – температурный коэффициент объемного расширения, 1/град; t – характерная разность температур, град; l – характерный линейный размер системы, м; ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с. Число Pr является теплофизической характеристикой теплоносителя: Pr =  , (3.8)где а – коэффициент температуропроводности, м2/c. Он характеризует совокупное соотношение между силами инерции и вязкости и потоками теплоты конвективным и кондуктивным. Эти два условия обеспечивают подобие процессов свободной конвекции, т.е. подобие полей температурных напоров, тепловых потоков и скоростей в геометрически подобных системах. При выполнении этих условий определяемое число – число Нуссельта Nu – также оказывается одним и тем же в таких системах: Nu =  = idem. (3.9)Число Нуссельта характеризует отношение между потоком теплоты от поверхности тела к жидкости (теплоотдачей) и потоком теплоты теплопроводностью в жидкости у стенки. Критерий Нуссельта – определяемый критерий, так как содержит искомый коэффициент теплоотдачи . Уравнение подобия (критериальное уравнение) для процессов теплообмена при свободной конвекции в общем виде записывается следующим образом: Nu = f (Gr, Pr ) . (3.10) 3.3. Обобщение опытных данных на основе теории подобия При постановке любого эксперимента всегда необходимо заранее знать, какие величины надо измерять в опыте, какие явления подобны изучаемому. На эти три вопроса соответственно отвечают три теоремы подобия: 1) в опытах нужно измерять все величины, содержащиеся в критериях подобия изучаемого процесса; 2) результаты опыта следует обрабатывать в критериях подобия и зависимость между ними представлять в виде критериальных уравнений; 3) подобны те процессы, у которых подобны условия однозначности и равны определяющие критерии. Благодаря этим ответам теория подобия по существу является теорией эксперимента. При обработке результатов опыта, где в качестве рабочей среды был использован воздух, для которого критерий Pr имеет постоянное значение, критериальное уравнение естественной конвекции в общем виде имеет вид Nu = f(Grвозд ). В теории конвективного теплообмена принято связь между критериями выражать в виде степенной зависимости Nu возд = С(Grвозд )n , (3.11) где С и n – постоянные величины, определяемые опытным путем. Практически функции такого вида определяются следующим образом: логарифмируя уравнение lgNuвозд =lgС + nlgGrвозд , получим уравнение прямой линии (аналогично уравнению y = С + nx , где y = lgNuвозд., a x = lgGrвозд.). При этом lgNu = lnС при lgGr = 0, а n = tgφ , где φ – угол наклона прямой к оси абсцисс (рис. 2).
| |||||||||||||||
