Разработка методики определения коэффициента теплоотдачи

Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Подсекция «Машины и технологии литейного производства».
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ
НА ГРАНИЦЕ «МЕТАЛЛ-ФОРМА»
Шульгин Д.В., к.т.н. доц. Монастырский В.П.
МГТУ «МАМИ»
[email protected], 8 (926) 571-26-63.
Конвекции тепла всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении
жидкости или газа неизбежно происходило соприкосновение отдельных частиц, имеющих
различные температуры.
Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твёрдого
тела называется конвективной теплоотдачей или теплоотдачей. Обычно при инженерных
расчётах определяют теплоотдачу; знание конвективного теплообмена внутри жидкой среды
может представить при этом косвенный интерес, поскольку перенос тепла внутри жидкости
отражается и на теплоотдаче.
Результирующий поток тепла всегда направлен в сторону уменьшения температур.
При практических расчётах теплоотдачи используют закон Ньютона - Рихмана:
Q = α (tc − t Ж ) F , вт.
(1)
Согласно закону Ньютона - Рихмана тепловой поток Q от жидкости к стенке или от
стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур
∆t = tc − tж , где tс – температура поверхности тела; tж – температура окружающей тело
жидкой или газообразной среды. Разность температур двух сред
tc − t ж называют
температурным напором.
Величины F и ∆t не исчерпывают факторы, влияющие на конкретный процесс
теплообмена между твёрдым телом и жидкой средой. Конкретные условия учитываются
α,
коэффициентом
пропорциональности
называемый
коэффициентом
теплоотдачи.
В общем случае коэффициент теплоотдачи переменен по поверхности и уравнение (1)
должно быть записано для элемента поверхности теплообмена dF. Отсюда следует:
α≡
dQ
q
, вт / м 2 * град.
=
(tc − t ж )dF tc − t ж
(2)
Это тождество следует рассматривать как определение коэффициента теплоотдачи.
Таким образом, коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока q на
поверхности тела, отнесённая к разности температур поверхности тела и окружающей среды.
Коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном
напоре, равном единице.
Теплоотдача является достаточно сложным процессом. Коэффициент теплоотдачи
зависит от достаточно большого количества факторов. В наиболее общем случае α зависит
от следующих факторов:
- от вида теплоносителя и его температуры;
- от температуры напора, вида конвекции и режима течения;
- от состояния поверхности и направления обтекания;
- от геометрии тела;
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
93
Секция 6 «МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Подсекция «Машины и технологии литейного производства».
По-разному протекает процесс теплоотдачи в зависимости от природы возникновения
движения жидкости. Поэтому α - функция процесса теплоотдачи; величина расчётная, а не
табличная; определяется экспериментально.
Основной закон теплоотдачи – уравнение (1) – имеет простой вид. Главная трудность
заключается в определении коэффициента теплоотдачи. Практическое познание процесса
теплоотдачи сводится к определению зависимости α от различных факторов.
В рамках данного доклада предложен метод определения коэффициента теплоотдачи,
суть которого заключается в следующем: формально можно представить, что металл и
кристаллизатор состоят из элементарных объёмов, контакт между которыми может быть не
идеальным.
Рисунок 1 - Схема эксперимента (а) и схема разностной аппроксимации (б). 1 –
металл; 2 – теплоизоляция; 3 – материал формы; 4 – термопары.
В этом случае коэффициенты « λ » будут содержать не только коэффициент
теплопроводности соседних ячеек, но и коэффициент теплоотдачи между элементарными
объёмами. В нашем случае, на границе металл – кристаллизатор присутствует термическое
сопротивление, и коэффициент теплоотдачи отличен от нуля. Определение коэффициента
теплоотдачи так же связано с согласованием решения уравнения теплопроводности с
экспериментальными данными. Расчётная область состоит сразу из двух тел (металл и
кристаллизатор), а варьируется коэффициент теплоотдачи на границе этих тел. Как и в
методе Гриффитса, коэффициент теплоотдачи считается найденным, если показания
термопар вблизи границы металла с кристаллизатором совпадают с решением уравнения
теплопроводности при данном коэффициенте.
МАТЕРИАЛЫ 77-Й МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ААИ
«АВТОМОБИЛЕ- И ТРАКТОРОСТРОЕНИЕ В РОССИИ: ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ И ПОДГОТОВКА
КАДРОВ»
94