Материал: 906

Окончание табл. 2.2

20

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается?

2.Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3.Какими методами измеряется температура в данной работе?

4.Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?

5.По каким признакам можно судить о стационарном режиме теплообмена с окружающей средой?

6.Как осуществляется выбор контрольной оболочки рассматриваемой термодинамической системы?

7.Дайте формулировку и математическое выражение уравнения первого закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта.

8.Укажите способы определения величин, входящих в уравнение 1-го закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта, с полным обоснованием используемых расчетных формул.

9.Какие существуют методы и приборы для измерения температуры, давления и расхода?

10.Как определяется плотность воздуха в условиях лабораторной установки?

11.Какие виды конвекции существуют, в чем их различие?

12.В чем сущность "Теории подобия" и как с ее помощью определяются коэффициенты теплоотдачи?

13.Как составляются критериальные уравнения?

14.Составьте в общем виде критериальные уравнения для вынужденной и свободной (естественной) конвекции.

15.Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для свободной конвекции?

16.Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для вынужденной конвекции?

17.Что такое "определяемый" и "определяющий" критерий?

18.Как выбирается определяющий (характерный) размер и определяющая температура при расчете критериев подобия?

21

Работа 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ

1.Цели работы. Определение экспериментальным путем на лабораторной установке коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции в неограниченном пространстве. Изучение методики обработки опытных данных с применением теории подобия и составления критериального уравнения по результатам эксперимента. Построение кривой изменения локального коэффициента теплоотдачи по высоте цилиндра.

2.Основные положения. Теплообмен в условиях естественной конвекции осуществляется при местном нагревании или охлаждении среды, находящейся в ограниченном или неограниченном пространстве. Этот вид конвективного переноса теплоты играет преимущественную роль в процессах отопления помещений и имеет значение в различных областях техники. Например, нагревание комнатного воздуха отопительными приборами, а также нагревание и охлаждение ограждающих конструкций помещений (стены, окна, двери и пр.) осуществляется в условиях естественной конвекции.

Естественная конвекция возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, находящейся в ограниченном или неограниченном пространстве, и может влиять на конвективный перенос теплоты в вынужденном потоке среды. В больших масштабах свободное перемещение масс среды, вызванное различием ее плотностей в отдельных местах пространства, осуществляется в атмосфере земли, водных пространствах океанов и морей и т.д.

За счет естественного движения нагретого воздуха в зданиях осуществляется его вентиляция наружным воздухом. Исследованием свободной конвекции занимался еще М.В. Ломоносов, который применил подъемную силу нагретых масс воздуха для устройства вентиляционных шахт, а также для перемещения газов в пламенных печах. К настоящему времени достаточно полно изучен естественный конвективный теплообмен для тел простейшей формы (плита, цилиндр, шар), находящихся в различных средах, заполняющих пространство больших размеров по сравнению с размерами самого тела.

Характер свободного течения среды относительно поверхности на-

22

гретого тела бывает как ламинарным, так частично или полностью турбулентным.

На рис. 3.1 показан характер движения и изменение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции вдоль вертикальной поверхности (а) и у вертикального цилиндра большой высоты (б). На некотором расстоянии от нижнего конца поверхности или трубы перемещение слоев воздуха теряет ламинарный характер, возникают отдельные локонообразные массы, появляются искривленные струйки, которые далее дробятся на более мелкие, и восходящий поток воздуха приобретает турбулентный характер с ламинарным пристенным подслоем. Рис. 3.1 является хорошей иллюстрацией развития и перехода ламинарного течения в турбулентное.

конвекции вдоль вертикаль-

h

ной поверхности (а) и у вертикального цилиндра боль-

Экспериментально коэффициент теплоотдачи может быть определен из основного уравнения теплоотдачи Ньютона–Рихмана:

Q ,

F t

где Q – мощность теплового потока, передаваемого свободной конвекцией в окружающую среду; F – теплопередающая поверхность;t – температурный напор (разность температур между теплоотдающей средой и окружающей средой).

Свободный конвективный теплообмен тел в различных средах, находящихся в неограниченном пространстве, экспериментально изучался различными исследователями.

23

Опыты проводились с телами простейшей формы (плиты, цилиндры, шары) с размерами от 15 мк (проволоки) и до 16 м (шары) в различных средах (различные газы и жидкости).

Результаты исследований обобщались с помощью характерных для этого явления критериев Nu, Gr и Pr, что находится в полном соответствии с теорией подобия и аналитическим решением задачи. Изменение физических параметров в пограничном слое удается учесть введением критериального отношения PrП /PrСТ , представляющего относительное изменение параметров переноса и a в пределах изменения температуры среды: tП – температура потока окружающей среды, tСТ – температура среды на границе со стенкой.

Академиком М.А. Михеевым и И.М. Михеевой, на основании обобщения результатов экспериментального исследования, рекомендуются следующие формулы для расчета средних критериев теплообмена тел в свободном потоке.

Для горизонтальных труб в диапазоне изменения Gr Pr от 103 до

108:

границе со стенкой.

Для вертикальных труб и плит в диапазоне изменения GrП,h PrП от 103 до 109 (что отвечает ламинарному течению среды):

NuП,h 0,75 GrП РrП 0,25 PrП ,

PrCT

и в диапазоне изменения GrП,h PrП > 109 (что отвечает турбулентному течению):

NuП,h 0,15 CrП РrП 0,33 PrП . PrCT

24