Спосіб визначення коефіцієнта тепловіддачі

Спосіб визначення коефіцієнта тепловіддачі, що включає випаровування рідини або конденсацію пари на поверхні дослідної ділянки, що нагрівається або охолоджується, вимірювання темпе 3 18754 дослідної ділянки з плівкою” за умов спряження на зовнішній поверхні дослідної ділянки, що забезпечує спрощення способу визначення коефіцієнту тепловіддачі та підвищує його точність. Поставлена задача вирішена шляхом того, що спосіб визначення коефіцієнту тепловіддачі включає випаровування рідини або конденсацію пари на поверхні дослідної ділянки, що нагрівається або охолоджується, вимірювання температур охолоджувача та пари над поверхнею дослідної ділянки, визначення граничних умов в дослідній ділянці, розрахунок температурного поля в стінці дослідної ділянки на основі розв'язку диференційного рівняння теплопровідності та визначення за формулою Ньютона коефіцієнту тепловіддачі. Новим є те, що на поверхні дослідної ділянки задають умови спряження, вимірюють товщину плівки рідини на поверхні дослідної ділянки, при цьому розв'язок диференційного рівняння теплопровідності проводять для області „стінка дослідної ділянки з плівкою”. Сутність корисної моделі полягає в наступному: внутрішня сторона дослідної ділянки охолоджується або нагрібається швидкісним потоком води сталої температури. Переміщуючи датчик визначення товщини плівки, наприклад - волоконно-оптичний датчик відбиваючого типу, над поверхнею плівки рідини, в поздовжньому та поперечному напрямах вздовж поверхні плівки, вимірюємо її товщину. Далі, знаючи граничні умови в дослідній ділянці: температури охолоджувача та пари над поверхнею дослідної ділянки, умови спряженgradnTT cт T n T0 n 0 n1 n2 n1n2 де Т0, Т1, T2 - температура на поверхні теплообміну, в першій та другій точках, розміщених по нормалі до поверхні; n1, n2 - координати першої і другої точок. З метою перевірки працездатності запропонованого способу проведено розрахунок коефіцієнта тепловіддачі при конденсації на ділянці горизонтальної труби та його порівняння зі значенням отриманим при рішенні задачі плівкової конденсації нерухомої пари на поверхні горизонтального циліндра при ламінарному русі рідини в постановці Нусельта. Знаючи товщину плівки, для чисельного розв'язання рівняння теплопровідності використовуємо метод скінчених елементів. Оскільки плівка конденсату має товщину близько 0,1мм, для врахування впливу товщини плівки на температурне поле в стінці труби триунгаляційна (трикутна) сітка має дрібний крок (до 0,0125мм). Вибір такого кроку сітки ґрунтувався на порівнянні значень температури в кожній з точок тем 4 ня на межі дослідна ділянка-плівка, товщину плівки, з диференційного рівняння теплопровідності визначають температурне поле в стінці дослідної ділянки з плівкою. Для цього на область „стінка дослідної ділянки з плівкою” наносять триунгаляційну (трикутну) сітку і для k вузлових точок сітки записують рівняння теплового балансу: qi=0, де qі - теплові потоки, що надходить в точку k від сусідніх елементів; та отримують систему з k лінійних алгебраїчних рівнянь з k невідомими. Розв'язок системи, виконаний методом релаксацій, дає розподіл температурного поля. Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі виконують з граничних умов третього роду на межі стінка дослідної ділянки-плівка [Основи тепло масообміну, С.М. Василенко, A.I. Українець, В.В. Олішевський К. НУХТ, 2004, 245 с.] gradnTm cm Tnap Tcm , де , Тпар, Тст - відповідно коефіцієнт теплопровідності труби та температури пари і зовнішньої поверхні труби; gradnтт ст - температурний градієнт по нормалі до поверхні труби відповідає значенню похідної за напрямком, яку розраховують на основі інтерполяційної формули Лагранжа [Теория и техника теплофизического эксперимента, Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н. и др. под ред. Щукина В.К. М.: ЭАИ, 1985. - 360 с.] T1 n2 n1(n1 n2 ) T2 n1 , n2 (n2 n1) пературних полів, отриманих при розв'язку рівняння теплопровідності, на кожній з триунгаляційних сіток з кроком від 0,4 до 0,0125мм. Точність розрахунків за методом скінчених елементів вважали досягнутою, якщо значення температури в кожній з точок температурного поля з точністю до сотих, не залежить від кроку сітки для двох сусідніх сіток (це досягалося на сітці з кроком 0,025мм, при цьому формували 45441 рівняння). Нижче в таблиці наведені значення відносних похибок розрахунку коефіцієнту тепловіддачі та температури поверхні дослідної ділянки. Результати отримані за конденсації на ділянці горизонтальної гладкої труби 34мм при сталій температурі під плівкою 96°С. При цьому відносна похибка розрахунку інтегрального значення коефіцієнту тепловіддачі (13552Вт/(м2 К) за заявленим способом від визначеного за формулами Нусельта (13569Вт/(м2 К) складає 0,1 %. 5 18754 6 Таблиця ф-ли Нусельта Кут до вертикалі, град. 5 45 90 135 175 Товщина плівки, мм 0,037309 0,03849 0,042739 0,053833 0,114313 новий спосіб коеф. тєпловіддачі, Вт/(м2 К) 18166 17609 15858 12590 5929 т-ра під плівкою, С коеф. тепловіддачі, Вт/(м2 К) коеф. тепловіддачі т-ри 98,9 98,9 98,6 98,0 94,8 20170 19590 15170 12250 6330 11 11 4 3 7 3,1 3,0 2,7 2,1 1,2 Дослідження коефіцієнту тепловіддачі при конденсації на горизонтальних товстостінних трубах з ребрами та при випаровуванні рідини дають подібні результати. В результаті, запропонований спосіб визначення коефіцієнту тепловіддачі: придатний для дослідження геометричне складних поверхонь з ребрами; спрощує методику проведення експерименту, оскільки не потребу розміщення термоелектричних перетворювачів в стінках дослідної ділянки; підвищує точність визначення коефіцієнту тепловіддачі, оскільки похибки розрахунку температури поверхні, локального та інтегрального коефі Комп’ютерна верстка А. Крулевський Відносна похибка розрахунку, % цієнтів тепловіддачі коефіцієнту не перевищували 3; 11 та 0,1% відповідно. Джерела інформації: 1. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина, кн. 2, 2-е изд., М.: ЭАИ, 1988, 556 с. 2. В.Г. Риферт, Я.Е. Трокоз, - П.А. Барабаш, Я.Ф. Визель Гидродинамика и теплообмен в области менисков при конденсации на горизонтальной трубе с поперечными ребрами// Кипение и конденсация. - Рига: Риж. политехн. ин-т, 1988. - С. 86-101. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601