Файл: Смольский Б.М. Нестационарный теплообмен.pdf

следования теплообмена твердого тела в окрестности ло­ бовой точки, следует, что время установления стационар­ ного режима теплообмена при ступенчатом изменении температуры поверхности прямо пропорционально кор­ ню четвертой степени из числа Рг и обратно пропорцио­ нально скорости потока (рис. 33).

В отличие от перечисленных в работе [17] отмечает­ ся, что отношение коэффициентов теплообмена в неста­ ционарных и стационарных условиях не зависит от критериев Рг и Re, т. е. влияние на коэффициент тепло­ обмена указанных критериев в нестационарных и ста­ ционарных условиях одинаково.

В связи с этим желательно хотя бы качественно оце-. нить влияние числа Рг на нестационарный коэффициент теплообмена. Авторы исследовали нестационарный теплообмен твердых тел с потоком вязкой жидкости.

Для проведения исследования использовались та же экспериментальная установка и образцы, что п в случае

103

исследования теплообмена цилиндрической вырезки из пластины с потоком воды. Только в данном случае в термостате, где происходил теплообмен образца, в каче­ стве рабочей жидкости применялось масло МС-20. Неко­ торые свойства воды и масла МС-20 приведены в табл. 7.

Экспериментальным образцом служил цилиндр диаметром 10 н длиной 5 мм из меди (см. рис. 22). Зна-

Рис. 34. Изменение температуры полого медного шара (6 = 5 мм) во времени при нагреве его в потоке масла МС-20: 1 — на наружной поверхности теплообмена; 2 — на внутренней

чения измеренных температур на торцах образца пред­ ставлены на рис. 34.

Зная температуру экспериментального образца, по экспоненциальному методу (2.17) рассчитали коэффици­ ент теплообмена (рис. 35).

Из рис. 35 видно, что .нестационарный коэффициент теплообмена в этом случае, как и для воды, уменьшает­ ся с течением времени, стремясь к постоянному значе­ нию. Если принять значение квазистацнонарного коэф­ фициента теплообмена равным 47,6 ѳг/ж2- °С, то коэффи­ циент теплообмена при нагреве образца в масле МС-20

104

a l J 6 f, B T / M 2°Z

Рис. 35. Изменение коэффициента теплообмена во времеиия при на­ греве медного полого шара (6=5 мм) в потоке масла МС-20

Рис. 36. Сравнение коэффициента теплообмена при нагреве медного полого шара в потоке воды (1) и масла (2)

за интервал времени от 3—'70 сек меняется в 2,2 раза. Коэффициент теплообмена при нагреве того же образца

вводе изменялся в 1,7 раза (рис. 36).

Вслучае теплообмена экспериментального образца с потоком, масла квазистацнонарный режим наступает че­

рез 65 сек от начала процесса нагрева, при теплообмене с потоком воды того же образца — через 45 сек от нача­ ла процесса.

Абсолютные значения коэффициента теплообмена экспериментального тела с потоком воды отличаются от значений коэффициентов теплообмена того же тела с потоком масла на порядок. В первом случае они меня­ лись от 950 до 1550 вт/м2- °С, а во втором — от 51 до

105 вт/м2- °С.

При использовании в качестве рабочей жидкости мас­ ла МС-20 число Рг = 350 при температуре 97 °С, а в слу­ чае нагрева образца в воде Рг = 2. Кроме того, в первом случае скорость потока была меньше, чем во втором.

Таким образом, с ростом числа Рг жидкости и умень­ шением скорости потока увеличивается разница в коэф­ фициенте теплообмена в нестационарных и стационар­ ных условиях, а также возрастает время установления квазистационарного режима. Эти результаты соответст­ вуют выводам ряда работ [1, 2, 49], а также физической сущности процесса нестационарного теплообмена.

Внешнее обтекание шаров. Изучая нестационарный теплообмен на шарах, можно исключить необходимость тепловой изоляции мерного элемента, использованного в работе [24], и соответственно тепловые потери в нее. В работе [116] исследовалось соотношение интенсивно­ сти теплообмена в нестационарных и соответствующих стационарных условиях и зависимость его от основных параметров, характеризующих нестационарный тепло­ обмен. Кроме того, при такой постановке опыта средние характеристики по поверхности образца равны локаль­ ным. Это относится и к температуре жидкости вдали от поверхности теплообмена.

Для исследования нагрева металлических шаров по­ током воды использовалась экспериментальная установ­ ка, рассмотренная выше. В схему установки была вклю­ чена дополнительная система для охлаждения шара, не­ обходимая в опытах по стационарному теплообмену

(рис. 37).

106

Для установления начальной температуры, нагрева шара и исследования теплообмена при стационарных режимах применялись термостаты. Для регистрации из­ менения температуры в ряде точек образцов во времени использовался лучевой осциллограф Н-700 с подлюченным к нему внешним отметчиком времени. Нагрев воды и распределение температуры в стенке образца в опытах по стационарному теплообмену измерялись' потенциомет­ ром.

Рис. 37. Схема измерении температуры стенки шара в стационарных условиях: 1 — термостат; 2 — сосуд Дьюара; 3 — потенциометр ПП-0,05; 4 — автотрансформатор; 5 — экспериментальный образец

Экспериментальными образцами служили металли­ ческие шары с одинаковым наружным диаметром, рав­ ным 100 мм. Равенство наружных диаметров позволяло сравнивать результаты экспериментов при одинаковых внешних условиях, определяющих коэффициент теплооб­ мена. Четыре шара были изготовлены из меди. Три из них полые с толщиной стенки 6=6, 15, 25 мм и один сплошной. Два полых шара с толщиной стенки 6= 25 мм были изготовлены из алюминия и латуни. Теплофизиче­ ские характеристики металлов, использованных .для из­ готовления шаров, взяты из работы [111] п охватывают

107

изменение коэффициента теплопроводности от ПО до 390 вт/м • °С и параметра ср от 2420 до 3470 кдж/м3 •°С.

Шар состоял из двух половин, которые соединялись между собой с помощью резьбы (рис. 38). Место стыка снаружи покрывалось клеем БФ-2.

Для проведения экспериментов по стационарному теплообмену между шаром и потоком воды в полом мед­

Рис. 38. Схема шара для исследования теплообмена с потоком жид­ кости в нестационарных условиях

С этой лее целью использовался медный полый шар с толщиной стенки 6= 5 мм, в котором был смонтирован электрический нагреватель мощностью до 1,5 кет, позво­ ляющий нагревать образец изнутри. Мощность нагревавателя можно было регулировать с помощью латра. Нагреватель имел сферическую форму и был изолирован от шара асбестом.

В опытах применялись хромель-капелевые термопа­ ры, которые в сочетании с наиболее чувствительными

108

230

Рис. 39. Схема шара для исследования теплообмена с потоком воды в стационарных условиях

вибраторами осциллографа Н-700 позволяли с достаточ­ ной степенью точности измерять температуру в стенке шара. Погрешность измерения температуры составляла 0,5—2%. Спаи термопар были зачеканены в стенке шара на разных расстояниях от центра. Термопарные провода в изоляции были проложены по изотермическим поверх­ ностям. В некоторых шарах термопары, в частности, на внутренней поверхности были зачеканены в разных точ­ ках для контроля одномерности нагрева шаров. В шаре, предназначенном для исследования теплообмена в ста­ ционарных условиях, также измерялась температура в нескольких точках стенки. Кроме того, дифференциаль-

Рис. 40. Зависимость температуры стенки образца tCT, °С, от време-

г— 15 мм; г — г = 25 мм: 1 — медь, 6= 0,005 м\ 2 — 0,015 м; 3 — 0,025;

чения температуры, измеренные на расстоянии-1 мм от поверхности; в разных

ПО

ной термопарой измерялся нагрев воды, протекающей через шар.

Порядок проведения опытов по исследованию тепло­ обмена в нестационарных условиях рассмотрен выше. Опыт с каждым шаром повторялся 3—>8 раз. Хорошая воспроизводимость результатов (рис. 40, б) свидетельст­ вует о том, что условия всех опытов были одинаковыми.

Порядок проведения опытов по теплообмену в стацио­ нарных условиях состоял в следующем. Шар погружал­ ся в термостат с водой, нагретой до 97°С, и устанавли­ вался определенный расход охлаждающей воды. После достижения стационарного состояния регистрировались

4 — 0,05; 5 — алюминий, 6=0,025 м; б — латунь, 6=0,025 м\ 7 — зна-

1, 8—И — значения температуры стенки, измеренные в одной точке опытах

111