Determinarea Coeficientului de Transfer Termic prin Convecție Liberă

LUCRAREA nr. 11

DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE TRANSFER TERMIC PRIN CONVECTIE LIBERA

1. Principiul lucrarii

Convectia termica reprezinta procesul de transfer termic care se realizeaza între suprafata unui solid si un fluid adiacent, aflat în miscare. Ea este rezultatul efectelor combinate ale conductiei termice si miscarii fluidului. Daca miscarea fluidului se datoreaza în exclusivitate fortelor gravitationale determinate de diferente de densitate, la rândul lor datorate variatiei temperaturii în fluid, convectia se numeste libera sau naturala.

Ca urmare a unui transfer de caldura de la o suprafata calda la particulele de fluid adi¬a¬cente, acestea îsi vor modifica temperatura, respectiv densitatea. Particulele mai calde, cu o densitate mai mica se vor ridica si îndeparta de suprafata, locul lor fiind ocupat de particulele mai reci. Conductia termica între particule însotita de o miscare libera a particulelor de fluid este esenta fenomenului complex de transfer de caldura prin convectie libera.

Coeficientul de transfer termic prin convectie, într-un proces termic stationar, se determina din ecuatia lui Newton:

, (1)

în care reprezinta fluxul termic transmis prin convectie, A – aria suprafetei de transfer de caldura, tp – temperatura medie a suprafetei corpului, tf - temperatura medie a fluidului.

Deci, coeficientul de transfer de caldura prin convectie între o suprafata si fluidul adiacent reprezinta fluxul termic convectiv transmis prin unitatea de suprafata, corespunzator unei diferente de temperatura suprafata - fluid de un grad. Acest coeficient se determina experimental în functie de toate variabilele care influenteaza convectia, cum ar fi de exemplu geometria suprafetei, natura miscarii fluidului, proprietatile fluidului.

În aceasta lucrare se urmareste ca prin masurarea marimilor din ecuatia (1) sa se determine experimental coeficientul de transfer termic prin convectie libera de la suprafata unui perete cilindric orizontal încalzit la aerul înconjurator. Peretele tubular este încalzit cu ajutorul unei rezistente electrice. Puterea electrica consumata de rezistenta se transforma în flux termic, care se transmite în regim stationar prin suprafata laterala a peretelui catre mediul exterior, atât prin convectie, cât si prin radiatie. Astfel:

, (2)

în care P reprezinta puterea absorbita de rezistenta electrica de încalzire, - fluxul termic transmis prin convectie, - fluxul termic transmis prin radiatie.

Temperatura medie a peretelui se masoara cu ajutorul unor termocupluri amplasate pe generatoarea cilindrului pe o lungime efectiva mai mica decât lungimea rezistentei de încalzire. La capetele rezistentei de încalzire, în paralel cu ea este conectat aparatul de masura a tensiunii, iar în serie cu ea este conectat aparatul pentru masurarea intensitatii curentului electric. În acest caz, puterea electrica efectiva este proportionala cu lungimea efectiva:

, (3)

în care U reprezinta tensiunea curentului electric masurata la capetele rezistentei de încalzire, I – intensitatea curentului electric, Lef = 510 mm este lungimea efectiva a cilindrului, iar L = 568 mm este lungimea rezistentei de încalzire.

Fluxul termic transmis prin radiatie prin suprafata efectiva a tubului, considerata neglijabil de mica în comparatie cu suprafetele încaperii a caror temperatura este egala cu temperatura aerului înconjurator, se determina cu relatia:

, (4)

în care = 0,05 reprezinta coeficientul energetic de emisie al suprafetei tubului din nichel, =5,768 W/m2K4 este coeficientul de radiatie al corpului absolut negru, Tpm si Tf sunt temperaturile absolute medii ale suprafetei, respectiv aerului înconjurator, Aef – aria efectiva a suprafetei tubului.

Aria efectiva a suprafetei laterale a tubului este:

, (5)

în care D = 60 mm reprezinta diametrul exterior al tubului.