Методы определения коэффициента теплопроводности: конвекция

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В природе и технике элементарные процессы распространения теплоты (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение) очень часто происходят совместно.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры.

Конвекция возможна только в текучей среде. Под конвекцией теплоты

понимают процесс переноса тепловой энергии при перемещении объёмов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. [1]

Теплообмен между стенкой и газом, массы которого перемещаются под влиянием разности температур поверхности стенки и газа, называется теплообменом при свободной или естественной конвекции.

Различают конвективный теплообмен при вынужденном и при свободном течении. В первом случае поток побуждается к движению насосами, вентиляторами, компрессорами и т.д.

Во втором же случае движение жидкости или газа возникает у поверхности теплого или холодного тела, внесенного в их объем. При наличии сил тяжести (сил внешнего поля) у поверхности нагретого тела возникает восходящий поток, а у поверхности холодного тела - нисходящий поток. Свободное движение в этом случае называется термическим. Очевидно, что оно будет продолжаться до тех пор, пока имеется разность температур среды и поверхности тела T_W. И при вынужденной, и при свободной конвекции различают ламинарный, переходной и турбулентный режимы течения.

При ламинарном движении поток «следует» руслу, элементарные струйки не перемешиваются друг с другом, так что перенос тепла от жидкости к омываемой поверхности (и наоборот) осуществляется лишь за счет хаотически движущихся молекул (атомов).

При турбулентном движении элементарные струйки жидкости перемешиваются, так что в потоке наряду с хаотически движущимися молекулами (атомами) хаотически движутся и турбулентные вихри, содержащие огромные количества молекул (атомов). Достигая, наряду с молекулами, обтекаемой поверхности, вихри отдают ей (или воспринимают от нее) тепло. Ясно, что конвективный теплообмен при турбулентном течении значительно интенсивнее, чем при ламинарном.

При переходном режиме течения в потоке одновременно существуют и чередуются во времени и пространстве участки ламинарного и турбулентного движения.

Плотность теплового потока при конвективном теплообмене рассчитывается по формуле:

,

где - плотность теплового потока при конвективном теплообмене, Вт/м²; - плотность теплового потока при кондуктивном (за счет теплопроводности) теплообмене, Вт/м²; - плотность теплового потока за счет конвекции текучей среды, Вт/м²; - коэффициент теплопроводности флюида, Вт/(м²·К); - градиент температур, К/м; - плотность флюида, кг/м³; - скорость движения флюида, м/с; - удельная энтальпия флюида, Дж/кг; T - температура, ?C или К. [2]

Методы определения коэффициента теплопроводности: конвекция

Для измерения теплопроводности жидкостей и газов используются некоторые методы, применяемые для твёрдых тел, и ряд специфических [3,4].

а) Метод плоского слоя.

Конструкция измерительной ячейки, используемой для определения теплопроводности жидкостей, аналогична конструкции установки, изображенной на рис. 1. Особенностью реализации метода для жидкостей - контроль появления конвекции в исследуемом слое. Для исключения этого эффекта рекомендуется располагать рабочие поверхности строго горизонтально и осуществлять подвод теплоты к исследуемому слою только сверху. Для измерения теплопроводности жидкостей может быть использован метод продольного теплового потока (см. рис. 2).

В этом случае тепловой поток создается вдоль тонкостенной металлической трубки, заполненной исследуемым веществом. При расчёте теплового потока следует учитывать его часть, текущую по трубке.

б) Метод коаксиальных цилиндров.

В данном методе исследуемое вещество (жидкость или газ) заполняет цилиндрический зазор (рис. 3), образованный двумя коаксиально расположенными цилиндрами. Во внутреннем цилиндре размещается основной нагреватель 2 мощностью Q. Слой исследуемого вещества 3 ограничен внутренним цилиндром 1 с диаметром d₁ и длиной l и наружным цилиндром 4 с внутренним диаметром d₂. Рабочая разность температур Дt₁ = t₁ - t₂ измеряется термопарами 5. Для исключения торцевых потерь теплоты с цилиндра 1 предусмотрены охранные цилиндры 6 с охранными нагревателями 7. Вся измерительная ячейка размещается в корпусе 5, рассчитанном на полное давление опыта. Теплопроводность исследуемого вещества рассчитывается по формуле

теплопроводность проволочка коаксиальный цилиндр

где - температуры внешней поверхности внутреннего цилиндра и внутренней поверхности внешнего цилиндра.

в) Метод нагретой проволочки.

В данном методе внутренний цилиндр заменяется нагретой проволочкой, являющейся одновременно источником теплоты Q и термометров сопротивления для измерения температуры t. Благодаря этому удается резко увеличить по сравнению с методом коаксиальных цилиндров отношение длины нагревателя l к его диаметру d₁ и тем самым существенно уменьшить торцевые потери теплоты.

Измерительная проволока 1 (рис. 4а) диаметром d₁ и длиной l расположена в трубке (капилляре) 2 коаксиально. Исследуемое вещество 3 находится в зазоре между ними. Через проволоку с помощью токоподводов 4 пропускают электрический ток I. Тепловую мощность Q определяют по току I и падению напряжения AB U на длине проволоки AB l, измеряемому с помощью потенциальных отводов 5. Температуру внутренней поверхности трубки 2 t определяют с помощью наружного термометра б с учётом поправки на перепад температур в стенке трубки. В целях устранения этой поправки в ряде случаев вместо стеклянной или кварцевой трубки используют тонкостенный металлический капилляр [5], служащий одновременно и термометром сопротивления.

Если весь тепловой поток распространяется только радиально благодаря теплопроводности вещества и при этом можно считать, что л=const, то теплопроводность исследуемого вещества можно определить по формуле

Поправку на торцевые потери теплоты в методе нагретой проволоки можно исключить экспериментально, если провести опыты на двух измерительных ячейках (рис. 4а), отличающихся только длиной проволоки. Иногда используется конструкция измерительной ячейки со средним потенциальным отводом (рис. 4б). В этом случае теплопроводность исследуемого вещества рассчитывается по формуле

Так как конструкции измерительной ячейки (рис. 4б) или двух ячеек с различной длиной проволок сложны в реализации, в последнее время нашли широкое распространение расчётные способы определения торцевых потерь, основанные на решении стационарного уравнения теплопроводности для проволоки с внутренним источником теплоты [3,4].

На теплопроводность, измеренную в трубках малого диаметра, заметное влияние может оказать эксцентрическое расположение проволоки относительно трубки. При малых смещениях проволоки относительно оси трубки уточнение истинного значения теплопроводности исследуемого вещества можно провести по формуле

где д - среднее смещение оси проволоки относительно оси капилляра. При расчёте параметров установки обычно для устранения конвективной составляющей Q_кон стремятся обеспечить условия (Gr•Рr) < 1000.

Используемая литература

1. Коротких А.Г. Теплопроводность материалов: учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011, -97 с.

2. Цирельман Н.М. Теория и прикладные задачи тепломассопереноса. Часть I: Учеб. пособие/ Н.М. Цирельман; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т - Уфа, 2002. - 108 с.

3. Цедербрг Н.В. Теплопроводность газов и жидкостей.- Л.: Госэноргоиздат, 1963.- 470 с.

4. Шашков А.Г., Волхов Г.М., Абраменков Т.Н., Козлов В.П. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973. -336 с.

5. Тимрот Д.Л., Махров В.В., Пильневский Ф.И. Эксперементальное исследование теплопроводности паров лития // ТВТ.-1984. - Т.22, -№1.- С. 40-45.

Размещено на Allbest.ru