ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА

НА ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

1. Цель работы

Изучение процессов теплообмена при свободной и вынужденной конвекции на горизонтальном трубопроводе:

• экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи;

• сравнение опытных значений с вычисленными по критериальным уравнениям.

Основные положения

При известном значении количества передаваемой теплоты Q, поверхности теплообмена F и разности температур Δt между средой и стенкой становится возможным определение коэффициента теплоотдачи α из уравнения Ньютона-Рихмана:

Q = α ∙ F ∙ ∆t.

В условиях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровода существует контакт с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны - естественной конвекции. Обозначим мощность теплового потока при вынужденной конвекции Q₁, а при естественной конвекции – Q₂и, соответственно, коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂.

Введем также обозначения:

− F_вн - внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при вынужденной конвекции;

− F_нар – внешняя поверхность трубопровода, обменивающаяся теплом с окружающей средой в процессе естественной конвекции;

− Δt₁ - температурный напор со стороны внутренней поверхности;

− Δt₂ - температурный напор со стороны наружной поверхности трубопровода.

Таким образом, в опыте должны быть определены Q₁ и Q₂, Δt₁ и Δt₂, а также заданы F_вн и F_нар. В таком случае из опыта становится возможным определение α_1оп и α_2оп, которые затем могут быть сравнены со значениями α_1расч и α_2расч, полученными из соответствующих характеру теплообмена критериальных уравнений. Электрический ток при прохождении по трубе совершает работу, которая полностью переходит в тепло Q_э. В таком случае уравнение первого закона термодинамики, как частный случай закона сохранения энергии, приобретает вид: Q_Э = Q₁ + Q₂ + Q₃, где Q₁ - мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы; Q₂ - мощность теплового потока, переданная воздуху, окружающему трубу; Q₃ - мощность теплового потока, затраченная на нагрев (охлаждение) трубы.

Тепловой поток Q₃ имеет место только при нестационарном режиме работы установки, а при достижении стационарного режима, когда температура трубы tx = const, Q₃ = 0 и уравнение упрощается: Q_Э = Q₁ + Q₂ .

Мощность теплового потока Q₁, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы, может быть определена по уравнению первого закона термодинамики для участка горизонтальной трубы:

Q ₁ = G ∙ (∆h + ∆Э_кин + ∆Э_пот + l_т), Вт. (1)

При выполнении расчетов следует иметь ввиду, что изменение потенциальной энергии ∆Э_пот потока равна нулю и техническая работа l_т, совершаемая потоком, также равна нулю. Тогда:

α_{1,оп =} ; α _2,оп = (2)

Для расчета средних значений коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене в воздушной среде рекомендуются следующие формулы на основе критериальных уравнений.

Для расчета средних величин критериев Нуссельта конвективного теплообмена потока воздуха в трубах рекомендуются уравнения:

а) для ламинарного режима Re<2∙10³ (3)

б) для развитого турбулентного режима Re>10⁴ (4)

где - средний критерий Нуссельта; − критерий Рейнольдса;

Pr_п - критерий Прандтля воздуха при температуре потока в трубе.

Для горизонтальных труб при естественной конвекции в неограниченном пространстве в диапазоне изменения (Gr·Pr) от 10³ до 10⁸:

(5)

где − средний критерий Нуссельта; − критерий

Грасгофа; Pr_п − критерий Прандтля воздуха при температуре потока окружающей среды.