Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

3.4. Описание эксперимента по определению коэффициента теплоотдачи со стороны воздуха к сфере

Для определения коэффициента теплоотдачи к сфере, на кафедре «Техника низких температур» им. П.Л. Капицы Университета Машиностроения был проведен эксперимент, на Рисунке 3.14. представлен стенд.

Рисунок 3.14. Экспериментальный стенд по определению теплоотдачи к сфере:
1 – компрессорно-конденсаторный агрегат; 2 – вентилятор; 3 – шелковая нить;
4 – металлическая сфера; 5 – охлаждаемая вода; 6 – термопара
Полый металлический шар (d = 40х2 мм) заполнялся водой и в центре сферы устанавливался датчик температуры. Композиция подвешивалась перед воздухоохладителем и затем шар обдувался холодным воздухом. Производились замеры температуры воздуха в камере и воды в шаре, скорости воздуха, изменения температуры воды с течением времени в шаре. Опыт повторялся многократно, что бы исключить погрешность.
Далее по уравнению (3.5) находили коэффициент теплоотдачи от воздуха к сфере:

(3.5)

где – масса воды в сфере, кг; – теплоемкость воды, = 4187 Дж/(кг·К); – начальная температура воды, К; – конечная температура воды, К; – время начальной температуры, с; – время конечной температуры, К; F – площадь сферы, ; – средняя температура воды, К; – температура воздуха, К; – коэффициент теплоотдачи от воздуха к сфере, Вт/(·К)]; – толщина стенки шара, м; – коэффициент теплоотдачи от воды, Вт/(·К)], – коэффициент теплопроводности материала шара, Вт/(м·К).
Расчетные данные определяли по уравнению (3.6):

(3.6)

где – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·К); d – диаметр сферы, м; Nu – число Нуссельта.
Для определения уравнения расчета числа Нуссельта, был проведен анализ работ разных авторов.
В работе [52] представлены уравнения передачи тепла, полученные на основе экспериментов с одиночными каплями, ансамблем капель и с распылительными аппаратами. Для удобства анализа эти уравнения сведены в Таблицу 4.
Таблица 4

№	Уравнение	Диапазон изменения критерия Re	Автор
1		Re = 0 – 2000	Ранц, Маршалл
2		Re = 0.7 – 2000	Сокольский
3		–	Кадаки
4		Re = 50 – 2500	Борисенко
5		Re > 200	Джонстон
6		Re = 200 – 3000	Вырубов
7		Re = 5 –	Кацнельсон
8		Re = 20 – 15000	Эккерт
9		Re = 17 – 10000	Мак-Адамс
10		Re = 5 – 5000	Дрэйк

Далее полученное экспериментальное значение сравнивали с расчетными коэффициентами теплоотдачи разных авторов. Более близкое к опытным данным оказалось уравнени Дрэйка – , расхождение от эксперимента было в пределах 7%.