ТЕПЛООТДАЧА ВЕРТИКАЛЬНОГО ЦИЛИНДРА

ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

 

 

Цель работы

Закрепление знаний по теории свободной конвекции вертикально расположенного цилиндра:

· Определение экспериментальным путем на лабораторной установке коэффициента

теплооотдачи 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.

 

Основные положения

 

Теплообмен в условиях естественной конвекции осуществляется при местном нагревании или охлаждении среды, находящейся в ограниченном или неограниченном пространстве. Этот вид конвективного переноса тепла 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

За счет естественного движения нагретого воздуха в зданиях осуществляется его вентиляция наружным воздухом. Исследованием свободной конвекции занимался еще М. В. Ломоносов, который применял подъемную силу нагретых масс воздуха для устройства вентиляции 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 бόльших размеров по сравнению с размерами самого тела.

Рис. 1. Характер течения среды и изменение коэффицента теплоотдачи в условиях естественной конвекции у вертикального цилиндра большой высоты

Как показывает опыт, характер свободного течения среды относительно поверхности нагретого тела бывает как ламинарным, так частично или полностью турбулентным.

На рис.1 показано свободное перемещение комнатного воздуха вертикально подвешенной нагретой трубы большой длины. На нижнем участке трубы наблюдается ламинарное течение воздуха вверх. На некотором расстоянии от нижнего конца трубы перемещение слоев воздуха теряет ламинарный характер. Возникают отдельные локонообразные массы и появляются искривленные струйки, которые далее дробятся на более мелкие.

 

 

Восходящий поток воздуха у нагретой трубы приобретает турбулентный характер с ламинарным пристенным слоем.

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

(1)

где Q – мощность теплового потока, передаваемого свободной конвекцией в окружающую среду; F – теплоотдающая 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. Результаты исследований обобщались с помощью характерных для этого явления критериев Nu, Gr и Рг, что находится в полном соответствии с теорией подобия и аналитическим решением задачи. Изменение физических параметров в пограничном слое удается учесть введением критериального соотношения представляющего относительное изменение параметров переноса ν и а в пределах изменения температуры среды: − температуры потока окружающей среды, – температуры среды на границе со стенкой. Для газов отношение мало зависит от температуры и его можно принять равным 1.

Для расчета средних критериев теплообмена вертикальных труб в свободном потоке рекомендуется критериальное уравнение:

 

Nu_m,l = C · ( Gr_m,l · Pr_m)ⁿ , (2)

 

где - критерий Нуссельта; – критерий Грасгофа; Pr_m – критерий Прандтля воздуха; С и n – находятся экспериментальным путём и зависят от произведения ( Gr_m,l · Pr_m ).

При вычислении критериев подобия за определяющую температуру принимается температура потока окружающей среды, а за определяющий размер принимается высота трубы .