Методы экспериментального определения коэффициента теплоотдачи

Как указывалось выше, основной величиной, подлежащей опытному исследованию при конвективном теплообмене, является коэффициент теплоотдачи. Для его определения в настоящее время применяют в основном метод стационарного теплового потока и метод регулярного теплового режима.

Метод стационарного теплового потока основан на законе Ньютона-Рихмана

,

где – количество тепла, тепловой поток;

– поверхность нагревания (охлаждения).

Если все величины, входящие в это уравнение, относить к небольшим элементам поверхности трубы, то из него определяются местные значения коэффициента теплоотдачи.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи может быть найдено двумя способами.

Первый способ:

(5.1)

В случае изменения местного коэффициента теплоотдачи в одном направлении, например по длине трубы (канала), уравнение (5.1) переходит в зависимость

. (5.2)

где – конечная длина трубы.

Второй способ:

, (5.3)

где – средняя плотность теплового потока,

;

– среднее арифметическое значение температуры по длине потока,

;

– средняя по сечению температура жидкости на входе и выходе из канала.

Этот способ усреднения применяют при небольшом изменении температуры жидкости по длине канала. В общем случае усреднение температуры производится по логарифмическому закону:

,

где – средний логарифмический напор между температурами стенки и жидкости,

;

– средняя температура поверхности стенки, определяемая как среднее арифметическое нескольких значений ее в отдельных точках поверхности стенки;

.

Иногда среднюю температуру определяют как средневзвешенную величину. При достаточном количестве термопар можно построить сглаженную кривую изменения температуры поверхности и по ней найти среднее интегральное планиметрическое значение.

Естественно, что значение коэффициента теплоотдачи, определенное по формулам (5.2) и (5.3), будет различным.

По первому способу для определения местных значений коэффициента теплоотдачи надо знать температуру жидкости и плотность теплового потока во многих сечениях трубы. При этом необходимо располагать надежными данными о тепловых потерях на соответствующих расчетных участках, что не всегда представляется возможным и весьма затруднено.

Исходя из этого, данный способ не нашел широкого применения для определения коэффициента теплоотдачи.

Большое практическое распространение получил второй способ определения среднего коэффициента теплоотдачи как наиболее простой. В нем требуется знать среднее интегральное значение плотности теплового потока и температуры жидкости по длине, которые легко находятся по температурам жидкости на входе и выходе из трубы. В этом случае нет надобности знать распределение утечек тепла по длине канала, а достаточно располагать данными по суммарной величине этих потерь.

Тепловой поток при нагревании (охлаждении) жидкостью определяется по ее массовому расходу и изменению температуры (метод энтальпии):

,

где – удельная теплоемкость жидкости;

– массовый расход жидкости.

Важнейшими условиями надежности определения этого расхода является соблюдение постоянства расхода жидкости. Для его выполнения необходимо, чтобы напоры, под которыми движется жидкость, сохранялись постоянными во времени. Постоянство напоров осуществляется применением уравнительных бачков, устанавливаемых в определенных положениях.

Метод регулярного теплового режима. При определении коэффициента теплоотдачи методом регулярного режима экспериментально измеряется лишь одна величина – скорость охлаждения. Измерять температуру поверхности тела не требуется, что особенно удобно при исследовании тел сложной геометрической формы.

В методе регулярного теплового режима скорость охлаждения тела измеряется в стадии регулярного режима, т.е. в той стадии охлаждения, когда на скорость охлаждения тела уже не влияют начальные условия.

Основным условием регулярного режима является постоянство температуры охлаждающей среды.