6. Контрольные вопросы:

1. Понятие теплопроводности.

2. Коэффициент теплопроводности, его физический смысл.

3. Закон Фурье.

4. Механизм передачи тепловой энергии в металлах.

5. Механизм передачи тепловой энергии в диэлектриках.

6. Механизм передачи тепловой энергии в полупроводниках.

7. Механизм передачи тепловой энергии в жидкостях.

8. Механизм передачи тепловой энергии в газах.

9. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры.

Рис. 2.1 Рис. 2.2

Лабораторная работа № 3

Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции воздуха на обогреваемом цилиндре

Цель работы: Определение коэффициента теплоотдачи трубы при свободной конвекции воздуха на обогреваемом цилиндре при различных температурах поверхности трубы.

1. Теоретические основы работы

Причиной возникновения свободной конвекции является неустойчивое распределение плотностей жидкости (газа), обусловленное неравномерностью нагрева. При этом температурный напор определяет разность плотностей и величину подъемной силы, а площадь поверхности – зону распространения процесса.

Используются два метода расчета коэффициента теплоотдачи: по экспериментальным данным о тепловом потоке и температурном напоре и метод, основанный на решении уравнения теплопроводности с помощью теории подобия.

Теплообмен на границе стенка-жидкость (газ) характеризует критерий Нуссельта, который определяется по выражению:

, (3.1)

где  – коэффициент теплоотдачи, ;

l₀ – определяющий размер, для горизонтальных труб принимается их диаметр d, а для вертикальных поверхностей (труб, пластин) – их высота;

 – коэффициент теплопроводности среды (воздуха), .

Теоретическое определение коэффициента теплоотдачи

Для заданных условий исследования теплоотдачи (горизонтальная труба омывается свободно движущимся воздухом) выражение для определения теоретического значения коэффициента теплоотдачи принимает вид:

(3.2)

В диапазоне температур воздуха от 20 до 100 ⁰С коэффициент теплопроводности воздуха можно рассчитать по эмпирическому уравнению:

0,0244+·^-5·t_ср, (3.3)

где t_ср – средняя температура воздуха, ⁰С, определяемая по выражению:

, (3.4)

в котором t_ст – средняя температура стенки трубы, ⁰С;

t_воз – температура окружающего воздуха, ⁰С.

Критерий Нуссельта для горизонтальных труб при условии 10⁴<Gr·Pr<10⁷ можно определить по выражению:

Nu=0,5(Gr·Pr)^0.25, (3.5)

где Gr – критерий Грасгофа;

Pr – критерий Прандтля.

В свою очередь, критерий Грасгофа рассчитывается по формуле:

, (3.6)

где  – коэффициент объемного расширения жидкости (газа), К^-1, определяемый для газа по формуле:

; (3.7)

g – ускорение свободного падения, g=9,81 ;

d – диаметр трубы, м;

Δt – температурный напор, ⁰С, рассчитываемый по формуле: ;

ν – кинематическая вязкость жидкости (газа), .

В диапазоне температур воздуха от 20 до 100 ⁰С коэффициент кинематической вязкости воздуха можно рассчитать по эмпирическому уравнению:

12,94+,·t_ср)·10^-6 (3.8)

В этом же диапазоне температур критерий Прандтля рассчитывается по формуле:

Pr = 0,7068–0,0002·t_ср (3.9)

Таким образом, для теоретического определения коэффициента теплоотдачи необходимо иметь экспериментальные данные по средней температуре стенки трубы и температуре воздуха.