Материал: Кораблев ВА Минкин ДА Лаб практикум теория тепло и массообмена

15

Контрольные вопросы

1.При каких условиях возникает конвекция в замкнутых прослойках? От чего зависит интенсивность конвективного теплообмена?

2.Какой физический смысл имеет коэффициент конвекции?

3.Чем отличается локальный коэффициент конвекции εк от среднегоεк ? Какой коэффициент конвекции измеряется в лабораторной работе?

4.Как устроен тепломер? В чем состоит принцип его работы?

5.Как направлен тепловой поток от пластинки тепломера в момент измерения?

6.Почему требуется охлаждение «холодной» пластины проточной водой?

7.Каким образом проводятся измерения температур пластин и тепломера?

8.По температуре какого элемента контролируется наступление стационарного режима измерительного устройства?

9.Какие исходные данные необходимы для аналитического расчета интенсивности конвективного теплообмена?

10.В каком случае и почему локальный коэффициент конвекции может быть меньше единицы?

Литература

1.Михеев М.А., Михеева. И.М. Основы теплопередачи. – М. Энергия.

1973.

2.Шарков А.В. Конвективный теплообмен в приборах. Автореф.канд.дисс. /Лен.ин-т точной механики и оптики. 1975.

3.Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П., Шарков А.В. Экспериментальное исследование локального теплообмена в горизонтальных замкнутых прослойках. – ИФЖ, 1975, т.29, №2.

4.Заричняк Ю.П., Платунов Е.С., Шарков А.В., Способ измерения локальных тепловых потоков. – ИФЖ, 1975, т.28, №2.

Лабораторная работа №2 ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ПРОДОЛЬНОМ

ОМЫВАНИИ ОДИНОЧНОГО ЦИЛИНДРА

Цель работы – изучение интенсивности конвективного теплообмена при вынужденном продольно омывании воздухом одиночного цилиндра, ознакомление с методами экспериментального исследования и получение навыков в проведении эксперимента.

16

Программа работы

1.Ознакомиться с экспериментальной установкой и измерительными приборами.

2.Провести измерения интенсивности теплообмена одиночного цилиндра стационарным методом и методом регулярного режима первого рода.

3.Обработать результаты опытов и представить их в обобщенном виде

Nu=f(Re).

4.Теоретически рассчитать интенсивность теплообмена цилиндра для условий проведения опытов.

5.Сравнить результаты расчета с данными эксперимента

6.Составить отчет о проделанной работе.

Теплоотдача при вынужденном продольном омывании поверхности Для простоты будем полагать, что омывается жидкостью плоская

поверхность (рис.1), а скорость и температура жидкости вдали от поверхности постоянны и равны соответственно υ0 и t0.

Рис.1. Схема пограничного слоя: 1 – ламинарный пограничны слой; 2 – переходная область; 3 – турбулентный пограничный слой; 4 – ламинарный

подслой.

Пусть набегающий поток при x=0 имеет равномерный профиль скоростей и температуры. При х>0 около стенки образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого возрастает с координатой. В пределах пограничного слоя скорость жидкости меняется от нуля до скорости невозмущенного потока. Течение в пограничном слое может быть как ламинарным, так и турбулентным. Однако в турбулентном слое около стенки пульсации отсутствуют. У стенки образуется тонкий слой жидкости, называемый вязким или ламинарным подслоем, в котором течение имеет характер, в среднем подчиняющийся закономерностям ламинарного движения.

17

Переход от ламинарной формы движения к турбулентной происходит не в точке, а на некотором участке. Течение на этом участке имеет нестабильный характер и называется переходным. Законы теплообмена при ламинарном и турбулентном режимах различны, поэтому определение их границ имеет существенное значение.

О режиме течения в пограничном слое судят по величине числа Рейнольдса

Где υ0 – скорость набегающего потока; ν – кинематическая вязкость жидкости.

Переход к турбулентному режиму может иметь мести при значениях Rex,кр примерно от 1·104 до 4·106. Координаты начала разрушения ламинарного слоя (xкр,1) и образования устойчивого трубулентного течения (xкр,2), зависят не только от Rex, но и от большого количества факторов: интенсивности теплообмена, изменения давления вдоль поверхности тела, его шероховатости и волнистости, формы передней кромки, вибрации тела. Пульсации потока жидкости (колебания υ0). Все это затрудняет точное определение точек перехода. Представление о локальной теплоотдаче в переходной области дает график (рис.2.), полученный в опытах с воздухом.

Рис.2. Местная теплоотдача пластины, омываемой продольным потоком воздуха: 1 – теплоотдача при ламинарном пограничном слое, 2 – теплоотдача при турбулентном пограничном слое; 3 – теплоотдача при переходном режиме.

Между кривыми, соответствующими турбулентному 2 и ламинарному 1 пограничным слоям, расположено семейство кривых 3, соответствующих теплопередача в переходной области.

18

На практике расчетов переходную зону заменяю точкой и приближенно принимают [1]:

При наличии теплообмена кроме гидродинамического образуется также и тепловой пограничный слой. В его пределах температура жидкости изменяется от значения, равного температуре t0 жидкости вдали от пластины, до температуры tc поверхности стенки.

Качественное изменение местного коэффициента теплоотдачи по длине пластины показано на рис.3.

Рис.3. Изменение коэффициента теплоотдачи вдоль плоской поверхности при смешанном режиме течения в пограничном слое: 1 – ламинарный режим, 2 – переходный режим, 3 – турбулентный режим.

На начальном участке пластины 1 уменьшение коэффициента теплоотдачи связано с развитием ламинарного пограничного слоя. При этом

где Pr – критерий Прандтля, Nu - критерий Нуссельта.

Переходная зона 2 характеризуется увеличение теплоотдачи в связи с появлением турбулентного перемешивания. Для области развитого турбулентного пограничного слоя 3 характерно более плавное изменение α по длине, которое описывается зависимостью [1]:

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи к воздуху можно использовать более простые соотношения (5) и (6), полученные на основании уравнений (3) и (4), полагая Pr≈0,71:

а) при ламинарном режиме течения в пограничном слое:

б) при турбулентном режиме течения в пограничном слое

Nuж,l = 0,032Re0ж,8,х

В расчетных формулах (3)-(6) за определяющую принята температура набегающей на тело жидкости t0, что отмечено индексом «ж» (исключение составляет величина Prc, выбираемая по температуре стенки). В качестве определяющего размера берется координата x, отсчитываемая от начала пластины, или длина поверхности l, омываемой жидкостью.

Формулы, определяющие теплоотдачу пластины, могут быть использованы также для расчета теплоотдачи при внешнем продольном омывании одиночного цилиндра, если его диаметр существенно больше толщины пограничного слоя [1].

Толщину гидродинамического пограничного слоя можно оценить по формулам [2]:

ламинарный режим:

Описание методики проведения измерений

В лабораторной работе для измерения интенсивности теплообмена одиночного цилиндра используются два метода: стационарный и метод регулярного режима первого рода. Последовательно рассмотрим эти методы:

Стационарный метод. При исследовании коэффициента теплообмена стационарным методом внутри цилиндра монтируется электрический нагреватель. В установившемся тепловом состоянии вся выделяющаяся в нагревателе энергия рассеивается наружными стенками цилиндра; она связана с коэффициентом теплообмена α следующей зависимостью:

где P – мощность нагревателя; S – площадь наружной поверхности цилиндраОтсюда; tc и t0 – температуры поверхности цилиндра и окружающей среды.

Так как с поверхности цилиндра теплота рассеивается в окружающую среду не только конвективным путем, но и излучением, то полученное значение α является суммарным:

где αк и αл – конвективная и лучистая составляющие коэффициента теплообмена.