ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

 

Содержание работы

 

Если нагретое твёрдое тело находится в контакте с менее нагретым газом, то от поверхности тела к газу передаётся теплота, то есть происходит теплоотдача.

Теплота переносится излучением, а также теплопроводностью; одновременно с этим в гравитационном поле у поверхности тела возникают восходящие конвективные токи частиц нагретого газа, имеющих меньшую плотность, чем среда вдалеке от тела; возникает естественная конвекция газа.

Интенсивность теплообмена между поверхностью тела и газом может быть охарактеризована величиной локального коэффициента теплоотдачи (a_лок), который, согласно уравнению Ньютона-Рихмана охлаждения твердого тела, или уравнению теплоотдачи, равен:

 

,

(2.1.1)

 

где d Q - элементарное количество теплоты, отдаваемой телом в окружающую среду за элементарный интервал времени d t;

Т _ст - температура элемента поверхности тела;

T _G - температура окружающего газа;

d А – элементарная площадь поверхности теплообмена.

Если температуры в разных точках поверхности тела различны, то интенсивность теплообмена характеризуют средней величиной коэффициента теплоотдачи – a (символ осреднения опущен):

 

,

(2.1.2)

 

где - количество теплоты, отдаваемой телом в окружающую среду за единицу времени, или тепловой поток;

А – площадь поверхности теплообмена.

В формуле (2.1.2) используют среднее значение температуры поверхности:

,

(2.1.3)

 

где Т _ст- локальная температура тела (стенки) на элементе поверхности площадью d A.

Для тел правильной конфигурации, как-то: прямоугольная пластина постоянной толщины, стержень постоянного поперечного сечения, труба постоянного диаметра и тому подобное, средняя по поверхности температура тождественно равна средней температуре вдоль длины, то есть

 

,

(2.1.4)

 

где L - длина тела (стенки).

 

При экспериментальном изучении теплообмена нагревание металлического тела (пластины, или стержня, или трубы) может быть осуществлено пропусканием через него электрического тока. При этом происходит выделение теплоты, эквивалентной работе электрического тока.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяющейся за единицу времени за счёт работы электрического тока, равно:

 

,

(2.1.5)

 

где U - напряжение, приложенное к концам проводника;

I – сила тока в проводнике;

R - электрическое сопротивление проводника.

Отметим, что на начальной стадии пропускания тока через проводник только часть выделяющейся теплоты расходуется на нагревание проводника (тела); другая её часть отдаётся окружающей среде. Нагревание тела происходит до тех пор, пока температура его поверхности не достигнет той величины, при которой вся выделяющаяся теплота целиком отдаётся в окружающую среду.

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи от поверхности горизонтального цилиндра к окружающему воздуху; сравнение полученного значения со значениями, рассчитанными по эмпирическим формулам.