Лабораторная работа № 4
Исследование конвективного теплообмена при свободном
Движении теплоносителя
Цель работы
1. Ознакомление с устройством экспериментальной установки для определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении теплоносителя.
2. Определить экспериментальным путем влияние различных факторов на интенсивность теплоотдачи между нагретым цилиндрическим телом и окружающим его воздухом при свободном движении теплоносителя, и построить зависимость α= f(Gr).
Задание:
1. Изучить устройство лабораторной установки и порядок выполнения работы.
2. Включить установку и в соответствии с методикой проведения эксперимента на заданном режиме ее работы, произвести замер контролируемых параметров.
3. Выполнить обработку результатов эксперимента и занести их в таблицу и построить зависимость α= f(Gr).
4. Сделать выводы по работе.
Общие сведения
Перенос теплоты наблюдается в телах или системах тел с неодинаковой температурой. Процесс переноса теплоты в пространстве называется теплообменом. В общем случае теплообмен представляет собой сложное явление, которое можно расчленить на ряд более простых, принципиально отличающихся друг от друга, видов переноса теплоты: теплопроводность, конвекцию и теплообмен излучением.
Конвективный теплообмен, как уже отмечалось, - это процесс совместного переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией. Такое переплетение процессов, обусловленных молекулярными механизмами переноса энергии и перемещением макрообъемов, всегда имеет место в потоке жидкости или газа.
В дальнейшем газ или жидкость, участвующие в теплообмене, будут называться общим термином - теплоноситель.
В технике наибольшее значение имеет конвективный теплообмен между твердым телом и омывающим его теплоносителем. Этот процесс, называемый также теплоотдачей, и будет рассматриваться в данной главе.
Конвективный теплообмен неразрывно связан с движением теплоносителя. В результате этого движения объёмы жидкости или газа, перемещаясь из области с большей температурой в область с меньшей температурой, переносят с собой теплоту. Поэтому теплоотдача в значительной мере определяется факторами, влияющими на характер течения теплоносителя вблизи обтекаемого тела.
Между поверхностью обтекаемого тела и теплоносителем всегда существуют силы молекулярного взаимодействия, в результате чего частицы теплоносителя непосредственно прилегающие к стенке полностью задерживаются, как бы «прилипают» к ней, и их скорость равна нулю. Эти частицы под действием сил вязкости тормозят близлежащие слои, в результате у стенки образуется слой приторможенного теплоносителя -это пограничный слой (рисунок 12). Толщина этого слоя d по мере удаления от передней кромки тела увеличивается, так как «тормозящее» действие стенок сказывается на все более отдалённые области течения.
Рисунок 12 – Пограничный слой
При этом понятие «толщина пограничного слоя» условно, так как нет резкого перехода от пограничного слоя к внешнему потоку. Обычно под толщиной пограничного слоя условно понимают такое расстояние от стенки, на котором скорость отличается от скорости внешнего потока на малую величину порядка 1 %.
Интенсивность конвективного теплообмена в значительной мере определяется режимом течения теплоносителя в пограничном слое. Существуют два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. В первом случае пограничный слой называется ламинарным, а во втором - турбулентным. Ламинарное течение - это слоистое течение без перемешивания частиц теплоносителя и без пульсаций скорости. Здесь направление общего движения потока совпадает с направлением движения отдельных частиц.
Турбулентное течение - это течение, характеризующееся беспорядочным, нерегулярным перемещением отдельные частиц (малых объёмов) теплоносителя и их интенсивным перемешиванием. И хотя средние значения параметров потока могут быть постоянными по времени, мгновенные значения скорости, давления, плотности и температуры отдельных частиц имеют пульсационный характер. Относительный уровень этих пульсаций называется степенью турбулентности потока.
Соответственно различают ламинарный и турбулентный пограничные слои, причем на малом расстоянии от передней кромки обтекаемого тела обычно наблюдается ламинарный пограничный слой, а затем он переходит в турбулентный (см. рисунок 12). При этом в турбулентном пограничном слое у поверхности стенки имеется тонкий подслой, движение в котором мало отличается от ламинарного.
Режим течения в пограничном слое определяет механизм переноса теплоты. Основным способом переноса теплоты при ламинарном движении теплоносителя является теплопроводность (по нормали к направлению движения теплота переносится теплопроводностью, а в направлении движения наряду с теплопроводностью осуществляется и конвективный перенос теплоты движущимся теплоносителем). Так как жидкости и газы имеют относительно небольшую теплопроводность, то ламинарный пограничный слой создаёт сравнительно большое тепловое сопротивление.
При турбулентном течении частицы теплоносителя помимо продольного движения совершают и поперечные перемещения, перенося поперек потока кинетическую энергию и теплоту. Поэтому при турбулентном пограничном слое из-за наличия турбулентного перемешивания интенсивность теплообмена оказывается значительно выше, чем при ламинарном.
На интенсивность теплоотдачи влияют: природа возникновения движения, скорость и степень турбулентности набегающего потока, режим течения в пограничном слое, температура и физические свойства теплоносителя, форма, размеры и шероховатость поверхности обтекаемого тела, и ряд других факторов.
Движение теплоносителя может быть вынужденным или свободным. Вынужденное движение возникает за счет внешних для данного процесса причин (движение летательного аппарата относительно воздуха; течение, обусловленное разностью давлений, создаваемой насосом, эжектором или компрессором и др.).
Свободным, как отмечалось, называется движение, возникающее вследствие различия плотностей неодинаково нагретых частиц теплоносителя. Свободное движение называют также свободной конвекцией.
Различие плотностей приводит к неоднородному полю массовых сил (например, сил тяготения), к появлению неуравновешенных сил, действующих на частицы жидкости (газа), что обусловливает возникновение подъемной архимедовой (выталкивающей) силы, которая и вызывает свободное движение.
Нетрудно видеть, что для возникновения свободного движения необходимо:
— наличие массовых сил (сил тяготения, обусловленных гравитацией, центробежных сил и др.);
— наличие неравномерного распределения плотности теплоносителя в объеме; последнее имеет место при неодинаковом прогреве этого объема.
Свободное движение, обусловленное действием гравитационного поля, называют гравитационным свободным движением.
Формула Ньютона
И. Ньютон установил, что плотность теплового потока между теплоносителем и омываемой им стенкой подчинятся соотношению
, (1)
где T Т, Т СТ - температура соответственно теплоносителя и поверхности стенки.
Разность T Т – Т СТ = D Т называется температурным напором, а коэффициент a (Вт/(м2×К)), - коэффициентом теплоотдачи, который численно равен количеству теплоты, отводимой от единичной поверхности в единицу времени при температурном напоре один Кельвин.
Формула Ньютона не учитывает в явном виде всех факторов, влияющих на интенсивность процесса. Это влияние учитывает коэффициент теплоотдачи a, который зависит от тех же факторов, что и интенсивность конвективного теплообмена, т.е. от характера движения теплоносителя, его физических свойств, размера l и формы поверхности обтекаемого тела и т. д. Поэтому для обеспечения возможности проведения с помощью формулы (1) численных расчетов процессов конвективного теплообмена необходимо иметь возможность определения коэффициента теплоотдачи a, зависящего от многих факторов, в конкретных условиях.
Интенсивность конвективного теплообмена зависит от теплопроводности, теплоемкости, вязкости и плотности теплоносителя.
Влияние коэффициента теплопроводности 
на интенсивность конвективного теплообмена связано, прежде всего, с ламинарной частью пограничного слоя, и особенно его пристенными слоями, где скорость потока близка к нулю и теплота передаётся только за счёт теплопроводности.
Влияние теплоёмкости с связано с тем, что при одинаковых условиях течения теплоноситель с большей теплоёмкостью переносит больше теплоты.
Вязкость теплоносителя оказывает влияние на толщину пограничного слоя и на интенсивность турбулентного перемешивания в нём. При прочих равных условиях увеличение вязкости приводит к образованию более толстого пограничного слоя и ухудшению перемешивания в нём. Вязкость газов и жидкостей характеризуют коэффициентом динамическим вязкости m (Па×с).
Коэффициент динамический вязкости является физическим параметром и зависит главным образом от природы теплоносителя и его температуры. У жидкостей величина m с увеличением температуры уменьшается, так как уменьшаются силы межмолекулярного взаимодействия, обусловливающие их вязкость. У газов, вязкость которых обусловлена беспорядочным тепловым движением молекул, коэффициент m с ростом температуры возрастает. При умеренных давлениях его влиянием на коэффициент динамической вязкости можно пренебречь.
Влияние плотности теплоносителя 
на конвективный теплообмен проявляется через изменение (при прочих равных условиях) массового расхода теплоносителя. Кроме того, как оказывается, плотность теплоносителя влияет (при данном значении 
) на толщину пограничного слоя.
На практике при проведении расчетов и экспериментальных исследований удобно использовать критерий (число) Прандтля Pr, который учитывает множественные свойства теплоносителя и определяется по формуле
Влияние формы, размеров и шероховатости поверхности обтекаемого тела связано главным образом с их влиянием на формирование пограничного слоя. Так удобообтекаемые тела имеют более протяжённые участки пограничного слоя с ламинарным режимом течения, что снижает интенсивность теплообмена. Влияние шероховатости становится заметным только в турбулентном пограничном слое и при условии, что высота бугорков превышает толщину вязкого подслоя.
Свободное движение, как отмечалось, поддерживается подъемными силами, обусловленными разностью плотностей отдельных частиц теплоносителя, которая, в свою очередь, пропорциональна температурному напору. Препятствуют этому движению силы вязкости. Очевидно, что интенсивность свободного движения должна зависеть от соотношения подъемных сил и сил вязкости. Это отношение характеризуется безразмерным комплексом — критерием Грасгофа
,
где b- коэффициент объемного расширения; для идеального газа
b = 1/T;
l — характерный линейный размер;
DT = Tст - Tт;
Плотность теплового потока при свободном движении определяется из уравнения Ньютона, а коэффициент теплоотдачи - из уравнения подобия:
,
где Тэф = 0,5(Тт +Тст).
Значения А и m зависят от режима течения; при GrPr<2 • 107 (ламинаный
режим) m = 0,25 и А = 0,54; при GrPr>2 • 107
(турбулентный режим) m = 0,33 и A = 0,13.
Определяющий размер зависит от формы тела: для вертикально расположенных тел он равен высоте, для горизонтальных цилиндров (труб) - диаметру и т.д.
Порядок проведения лабораторной работы
Для проведения занятия студенты под руководством студента инструктора на рабочем месте изучает цель данной работы, устройство лабораторной установки и порядок проведения эксперимента.
Далее под контролем преподавателя или сотрудника лаборатории группа проводит эксперимент. После выполнения экспериментальной части оформляются отчеты и представляются для защиты преподавателю.
