Файл: Смольский Б.М. Нестационарный теплообмен.pdf

различных материалов. На разных расстояниях от торца образца, на котором происходил теплообмен, зачекаиивались термопары (ХК, d = 0,2 мм). Образцы предвари­ тельно охлаждались в термостате до 0°С. Температура воды в термостате, где исследовался процесс нагрева, составляла 74 °С и потока воды в трубе 46 °С. Для обра­ ботки температурных кривых авторы применяли методы средней температуры и последовательных интервалов,

Полученные результаты сводятся к следующему. Ока­ залось, что тепловой поток, уменьшающийся в процессе нагрева во времени, тем больше для каждого момента времени, чем больше толщина образца (вырезки из плас­ тины). - -

Вид зависимости q от т определяется также парамет­ ром ср материала. Самипо себе эти факты очевидны, так как с увеличением, например, толщины стенки медленнее растет температура поверхности во времени и, следова­ тельно, больше тепловой поток при tm = const в каждый момент времени. Авторы показали, что введение вместо времени переменной x/Rcp, где R — толщина образца, сводит кривые теплового потока в одну.

Существенно новым является то, что коэффициент те­ плообмена, полученный как соотношение теплового пото­ ка в некоторый момент времени, и соответствующей раз­

87

теплообмена изменяется примерно в 3 раза за 300 сек на­ грева. Причем это изменение происходит не только в на­ чальный период времени, где скорости изменения темпе­ ратуры поверхности относительно велики, но приблизи­ тельно равномерно в течение всего процесса нагрева. Кроме того, коэффициент теплообмена в любой момент времени в одинаковых внешних условиях оказался выше для более массивных образцов.

Влияние размера образца на коэффициент теплооб­ мена подтверждено непосредственным измерением гра­ диента температуры в пограничном слое £ помощью ин­ терферометра [27].

Необходимо подчеркнуть, что основные особенности нестационарного теплообмена, сформулированные впер­ вые в работе [24], явились отправной точкой для даль­ нейших исследований в этой области. Более подробный анализ этой работы будет дан ниже.

Ряд выводов работы [24] вызывает возражение у дру­ гих авторов. Автор работы [19] считает, что вообще не может существовать зависимости коэффициента тепло­ обмена от физических свойств образцов и их размеров. Результаты, полученные в работе [24], по его мнению, объясняются существенной неодномерностью температур­ ного поля в образце при использовании одномерной ме­ тодики обработки. Неодномерность поля связана с изме­ нением коэффициента теплообмена вдоль диаметра горца.

Нужно отметить, что в работе [24] принимались спе­ циальные меры для создания одномерного поля темпера­ тур, что было затем проверено, и в работе приведены экспериментальные данные, подтверждающие, что усло­ вия одномерности выполняются. Очевидно, что получен­ ные данные относятся к среднему значению коэффициен­ та теплообмена для торца образца. В литературе имеется большое количество работ, в которых определялись сред­ ние по поверхности коэффициенты теплообмена, п это не мешало получить физически обоснованные зависимости. Поэтому приведенное в работе [19] объяснение резуль­ татов работы [24] мам кажется неубедительным.

Для проверки некоторых результатов работы [24] и сопоставления с выводами теоретических исследований авторами был рассмотрен теплообмен вырезки из плас­ тины с потоком воды [105].

88

С этой целью к установке п образцу предъявлялись следующие требования.

1. Необходимо термостатпровать образец при темпе­ ратуре to-

2. Затем помещать его в поток с постоянной темпера­ турой t-,к. Разность температур (tm—fo) должна быть по' возможности большей.

3. За время переноса равномерное распределение тем­ пературы образца не должно изменяться.

4.Необходимо помещать образец в поток жидкости..

Вэтом случае ожидался более сильный нестационарный

эффект, чем в случае потока газа.

5. Гидродинамические условия должны быть постоян­

ными в течение опыта и от опыта к опыту.

6. Необходимы образцы различной длины и из раз­ личных металлов, чтобы исследовать влияние свойств об­ разца, или, что то же самое, скорости изменения темпе­ ратуры на нестационарный коэффициент теплообмена.

Экспериментальная установка по исследованию ие- • стационарного теплообмена цилиндрической вырезки из плоскопараллельной пластины с потоком жидкости со-

89>.

стояла (рис. 21) из двух термостатов, осциллографа, источника питания постоянным током, потенциометра, сосуда Дьюар.а, отметчика времени и аккумулятора.

Термостаты использовались для установления началь­ ной температуры образца и исследования теплообмена в условиях его нагрева потоком жидкости.

Для регистрации изменения температур в ряде точек

.образцов во времени с помощью термопар использовал­ ся лучевой осциллограф типа Ң-700.

Контроль за начальным и конечным распределением -температур стенки образцов осуществлялся -потенцио­ метром типа ПП-0,05.

В качестве экспериментальных образцов использова-

вают изменения коэффициента теплопроводности от 63,5 до 390 вт/м • ПС и параметра ср от 1620 до 3470 кдж/м3Х

*

Устройство экспериментального образца показано на рис. 22. Боковая поверхность цилиндров и торец (при А' = 0) теплоизолировались так, чтобы теплообмен на этих поверхностях практически исключался. Свойства некото­ рых изоляторов приведены в табл. 6.

На металлический цилиндр 1 (рис. 22) надевались эбо­ нитовые втулки, которые соприкасались с ним только

090

Рис. 22. Схема экспериментального образца (цилиндргогескаявырез1ка из плоскоііараллельной пластины)’

91

Т а б л и ц а 6

имелась воздушная прослойка. Такой же воздушный за­ зор имелся между втулками 2 н внешним кожухом 3, из­ готовленным также из эбонита. Во внутренних втулках были просверлены отвеостия 4 для термопарных прово­ дов. Весь экспериментальный образец прикреплялся к крышке 5, изготовленной из органического стекла. Крыш­ ка позволяла фиксировать положение образца в термо­ стате в горизонтальной плоскости. Высота внешнего кожуха также выдерживалась постоянной для всех образ­ цов. Таким образом, расположение как одного образца (при повторении опытов), так и всех других эксперимен­ тальных образцов в термостате было одинаковым. Для предотвращения проникновения.влаги в образец места соприкосновения его с изоляцией вблизи торцов покры- ■вались клеем БФ-2.

Таким образом, собранные образцы представляли со­ бой модель бесконечной металлической плоскопарал­ лельной пластины.

На глубине 1,0—1,5 мм от боковой поверхности ме­ таллического образца были заделаны спаи хромель-копе- левых термопар. Спаи термопар находились в плоскостях

пающее в образец, должно было распространяться вдоль

•оси цилиндра. При этом должны быть исключены какиелибо перетечки тепла по диаметру образца или тепловое воздействие между цилиндром и его изоляцией.

92

Чтобы проверить отсутствие передачи тепла через изоляцию, были проведены специальные опыты с медным цилиндром длиной 6= 25 мм (рис. 23). На расстоянии 5 мм от поверхности теплообмена в медном образце были заделаны две термопары: одна на глубине 0,5 мм 1, вторая на глубине 3,5 мм 2 от боковой поверхности об­ разца. На противоположном теплоизолированном торце

Рис. 23. Схема расположения термопар в образце при оценке подво­ да тепла через изоляцию

цилиндра одна термопара 3 была на расстоянии 1,0 мм от боковой поверхности, вторая 4 —'в центре образца. В изоляции также были заделаны термопары. На внут­ ренней теплоизоляционной втулке на расстоянии 7 мм от оси находились спаи двух термопар: на высоте 7 мм 5 и на высоте 27 мм 7 от поверхности теплообмена. На тех же самых расстояниях по высоте были еще две термо­ пары 6 и 8 на внешней поверхности внутренних эбонито­ вых втулок {d='25 мм). Показания этих термопар при нагреве образца в течение 40 сек приведены на рис. 24.

По показаниям термопар были определены количест­ ва тепла, накопленные в изоляции и образце к концу

•опыта при т=40 сек.

Оценка показала, что доля количества тепла Qn3/Qo6p, которое может передать изоляции медный образец, не превышала 1,53%. При этом предполагалось, что 'все

•тепло, поступившее в Изоляцию, передано ей медным об-

93

разцом, а Максимальная температура изоляции вблизи торца принята средней для всей изоляции.

Изрис. 24 видно также, что показания термопар в точках 1 II 2, 3 и 4 отличались между собой только в пре­ делах погрешности измерения'. Это значит, что отсутст­ вует радиальный градиент температур по радиусу образ­ ца, а следовательно, и теплообмен на боковой поверхно­ сти экспериментального образца.

ö

Порядок проведения опытов сводился к следующему. Включались оба термостата, и жидкость нагревалась в одном до температуры 27 °С, а во втором — до 97 °С. Экспериментальный образец опускался в жидкость с температурой 27 °С и выдерживался в термостате до того момента, пока начальная температура не оказывалась одной и той .же во всех точках образца. Это обеспечива­ ло начальное условие t(x, 0) =const. Контроль за началь­ ной температурой осуществлялся по показаниям потен­ циометра. Затем образец переносился в термостат с тем­ пературой 97 °С и регистрировался процесс его нагрева в течение 1—2 мин. Для переноса экспериментального тела и погружения его в термостат требовалось пример­ но 1,5—2 сек. За такой промежуток времени при началь­ ной температуре образца, близкой к комнатной, в нем не могло произойти существенного перераспределения тем­ ператур.

94