Теплофизические свойства жидкости

Коэффициент теплоотдачи зависит от коэффициента теплопроводности (λ), теплоемкости (с_р), кинематической вязкости (v), плотности (ρ), коэффициента объемного расширения (β) и других свойств жидкости, в частности, при наличии фазовых переходов (кипения, конденсации), от теплоты парообразования (r), коэффициента поверхностного натяжения (s) и т.д.

Геометрические размеры, форма, ориентация поверхности теплообмена

Установлено, что коэффициент теплоотдачи зависит от геометрической формы поверхности тела (плоской, цилиндрической, шаровой или иной), размеров (протяженности поверхности, диаметра трубы или сферы и т.д.), ориентации поверхности теплообмена (вертикальной, горизонтальной с теплоотдачей вверх, горизонтальной с теплоотдачей вниз, наклонной и т.д.).

Контрольные вопросы и задания

1. Запишите дифференциальные уравнения конвективного теплообмена, поясните физический смысл слагаемых в уравнениях энергии и движения.

2. Сформулируйте условия подобия физических явлений. Что дает теория подобия?

3. Каковы условия физического моделирования теплоотдачи и что оно дает?

4. Что называется определяющей температурой и определяющим размером?

5. Докажите, что числа подобия безразмерны, путем подстановки размерности величин, входящих в них.

6. Дайте понятия гидродинамического и теплового пограничных слоев. Как толщина этих слоев влияет на коэффициент теплоотдачи?

7. Как влияют на теплоотдачу: а) теплопроводность жидкости;
б) вязкость жидкости?

8. Перечислите факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Примеры решения задач

Задача № 1. Моделируется процесс теплоотдачи при течении нефти по нефтепроводу диаметром d=1020 мм со скоростью w=0,5м/с. Кинематическая вязкость нефти для исследуемого участка трубы при средней температуре =30^оС составляет v=14,7×10^-6м²/с.

В модели предполагается нефть заменить водой, диаметр трубки d=30мм.

Какой расход воды необходимо иметь в модели, чтобы обеспечить подобие процессов теплоотдачи в модели и образце?

Решение

Согласно третьей теоремы подобия одноименные числа подобия для модели и образца должны быть одинаковы (Re_м=Re_o), т.е.

Кинематическая вязкость воды при =30^оС v=0,805×10^-6м²/с (табл. 2 приложения). Тогда скорость воды

расход воды

Плотность воды ρ_м=995,7 кг/м³ взята из табл. 2 приложения при =30^оС.

Задача №2. На воздушной модели парового котла, выполненной в масштабе 1/8 натуральной величины, производилось изучение теплоотдачи конвекцией. Для первого газохода модели при различных скоростях воздуха были получены следующие значения коэффициента теплоотдачи:

w, м/с 2,0 3,14 4,65 8,8

, Вт/м²∙К 50,4 68,6 90,6 141.

Средняя температура воздуха, проходяшего через модель, t_ж=20^оС. Диаметр трубок модели d=12,5мм.

Коэффициент теплоотдачи при обработке опытных данных был отнесен к средней арифметической разности температур между воздухом и стенкой.

На основе опытных данных получите формулу для расчета теплоотдачи конвекцией в первом газоходе котла в виде зависимости Nu_жd=C Re_жd ⁿ.

Решение

Результаты эксперимента обработаем в числах подобия

и .

При t_ж=20^оС для воздуха коэффициент теплопроводности λ=0,026 Вт/м∙К, кинематическая вязкость v=15,06∙10^-6м²/с (табл.1 приложения).

Результаты вычисления чисел Nu и Re для соответствующих значений и w представлены ниже:

w, м/с , Вт/м²∙К Re Nu

2,0 50,4 1660 24,2

3,14 68,6 2600 33,0

4,65 90,6 3860 43,6

8,8 141 7300 68,0.

По этим данным строим зависимость Nu = f (Re) в логарифмических координатах (рис. 6.4).

По тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс

определяем показатель степени п=0,706.

Постоянную С находим из уравнения

Таким образом, получаем расчетную формулу

Nu_жd=0,129 ,

справедливую в пределах 1600 Re_жd 7300.