Реферат: Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха
Передача тепла от нагретого твёрдого тела к газообразному теплоносителю или наоборот, является одним из наиболее распространённым случаев сложного теплообмена.
Дата добавления на сайт: 01 мая 2025
Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха
Передача тепла от нагретого твёрдого тела к газообразному теплоносителю или наоборот, является одним из наиболее распространённым случаев сложного теплообмена.
Коэффициент теплоотдачи может быть различным в разных точках поверхности теплообмена. Для упрощённых расчётов пользуются средним по поверхности значением α. В случае теплоотдачи поверхности металлической трубы (внутри которой находится электрический нагреватель) в неограниченную среду, наблюдаемый сложный теплообмен включает все три вида теплообмена - теплопроводность, конвекцию и лучеиспускание. При этом имеет место конвективный теплообмен между поверхностью и омывающим её газом, и, кроме того, та же самая поверхность излучает и поглощает энергию, обмениваясь потоками излучения с газом и окружающими предметами. В целом интенсивность сложного теплообмена в этом случае характеризуют суммарным коэффициентом теплоотдачи.
α = αк+ αл. (1)
При этом считается, что конвекция и излучение независимы друг от друга.
За полный тепловой поток, передаваемый поверхностью нагретого тела окружающей среде (воздуху) можно принять мощность нагревателя
Φ = Ν = Ι · U (2)
Действительно, при прохождении электрического тока по проводнику, в нём выделяется тепло Q = Ν = Ι·U·τ и тепловой поток Φ = Q/τ = Ι·U.
Рассмотрим два способа определения конвективного коэффициента теплоотдачи αк в случае естественной конвекции.
1) Экспериментальное определение конвективного коэффициента теплоотдачи.
Конвективный коэффициент теплоотдачи можно рассчитать, используя формулу
αк = Фк /[ (t\'ст - t\'г)·F] (3).
Конвективный тепловой поток находим
Фк = Ф - Фл (4)
Фл = ε ·С0· [(Тст/100)4 - (Тг/100)4] · F (5)
теплоотдача конвективный число подобие
Предварительно необходимо рассчитать значения лучистого теплового потока и полного теплового потока, используя формулы (2) и (5). В формуле (5) температуру нагретой поверхности t\'ст находят с помощью термопар, подключённых к автоматическому потенциометру (см.рис.1) и берут среднее значение(складываются показания всех термопар и делятся на число термопар). Температуру воздуха вдали от нагревателя (температура среды-газа) t\'г находим с помощью стеклянного жидкостного термометра.
Рис.1. Схема установки. В горизонтальной расположенной стальной трубе 1 находится электрический нагреватель, подключенный к источнику тока 5 . Амперметр 3 и вольтметр 4 позволяют найти мощность нагревателя N. Термопары 6 , подключенные с помощью компенсационных проводов 8 к автоматическому потенциометру 7, измеряют температуру поверхности трубы.
Для перевода температуры в 0С в 0К необходимо использовать их связь:
Тст0 К= t\'ст0С +273,15; Тг0К= t\'г0С+273,15. (6)
Степень черноты ε имеет следующие значения: сталь с шероховатой поверхностью - 0.95 - 0.98; Сталь окисленная - 0.8; Сталь сильно окисленная - 0.98 (выбрать, исходя из степени окисления металла нагревателя).
Коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела С0 = 5,67 вт/(м2 град4).
Значения силы тока Ι, проходящего по нагревателю, и напряжения U, подаваемого на его концы, находят по амперметру и вольтметру.
За площадь нагретой поверхности принимается площадь поверхности цилиндра длиной l и диаметром
: F= π · d · l (7).
Аналогично ф-ле 3 можно рассчитать и лучистый коэффициент теплоотдачи:
αл = Фл /[ (t\'ст - t\'г)·F] (8)
) Определение конвективного коэффициента теплоотдачи с помощью теории подобия.
Конвективный коэффициент теплоотдачи можно также определить, используя теорию подобия. Теплоотдача в неограниченном пространстве для тел любой формы и размера определяется уравнением подобия:
Nuж = 0,5·(Grж ·Pr ж)0,25 (Pr ж/Prст)0,25.
Для газа (Pr ж/Prст)0,25 =1.
Индексы ж заменим на г, т.е. значения физических величин, входящих в числа Грасгофа и Прандтля необходимо брать при температуре окружающего воздуха (табл.1).
Табл.1. Физические свойства сухого воздуха
| Т °К | ρ кг/м3 | ср кдж/(кг ·град) | λ , вт/(м·град) | ν м2/сек |
| 273 | 1,252 | 1,011 | 2,374 · 10-2 | 13,7 · 10 -6 |
| 283 | 1,206 | 1,012 | 2,456 --- | 14,70 --- |
| 293 | 1,164 | 1,013 | 2,522 --- | 15,70 --- 16,61 - |
| 303 | 1,127 | 1,014 | 2,580 --- | 16,61 --- |
| 313 | 1,092 | 1,015 | 2,654 --- | 313 |
Nu = αк L / λ (10)
Здесь Nu - число подобия Нуссельта; отсюда конвективный коэффициент теплоотдачи
αк = Nu ·λ/ d (11)
- определяющий размер нагретого тела в данном случае ( L= d) равен диаметру цилиндра, λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя, в данном случае воздуха.
Числа подобия Грасгофа Gr и Прандтля Рг, входящие в уравнение подобия (9), определяются следующим образом:
г =β·g·(d)3·ΔT/v2; (12)г =ρ·сp·v/λ (13)
Здесь v - кинематическая вязкость (динамическая вязкость теплоносителя, деленная на его плотность ), cр - изобарная теплоёмкость теплоносителя; зависимость удельной изобарной теплоёмкости для воздуха дана в табл.3. ( приближённо для воздуха -идеального двухатомного газа- её можно найти по формуле сp= (7/2)·R/μ = 1,003 кдж / кг град, что всего на 0,8% меньше теплоёмкости реального воздуха при 200С; это и позволяет считать воздух идеальным газом при невысоких температурах и давлениях), λ - коэффициент теплопроводности воздуха.
Значения коэффициентов В и n зависят от величины произведения Gr · Рr и берутся из таблицы 2.
Табл.2. Зависимость коэффициентов В и n от произведения чисел подобия Грасгофа и Прандтля.
| Gr · Pr | В | n |
| 109 | 0.13 | 1/3 |
Литература
1. Теплотехника - Баскаков А.П. 1991г.
. Теплотехника - Крутов В.И. 1986г.
. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция - Тихомиров К.В. 1981г.57.
. Теплотехнические измерения и приборы - Преображенский В.П.1978г.