Propagarea caldurii prin convectie reprezinta un proces complex de transmitere a caldurii, proces care are loc intre un fluid aflat in miscare si un corp solid. Pentru exprimarea fluxului de caldura care se transmite se utilizeaza relatia lui Newton :

in care:

reprezinta fluxul de caldura transmis, in W ;

t_f - temperatura medie a fluidului care scalda suprafata corpului

solid, in ^oC ;

t_p - temperatura medie a suprafetei corpului, in ^oC ;

A - aria suprafetei de contact dintre fluid si corpul solid, in m² ;

a - coeficientul de convectie termica, in W / (m^2× K) .

Dintre marimile care intra in alcatuirea relatiei lui Newton, determinarea coeficientului de convectie termica a prezinta dificultatile cele mai mari, intrucat acesta depinde de o serie de factori printre care: viteza de miscare a fluidului, temperatura fluidului si a peretelui corpului solid, conductivitatea termica a stratului limita de fluid, caldura specifica a fluidului, masa specifica a fluidului, viscozitatea fluidului, forma si dimensiunile suprafetei de contact, etc. Din aceasta cauza, pentru determinarea coeficientului de convectie termica a , nu se folosesc relatii analitice ci relatii deduse cu ajutorul teoriei similitudinii. Aceasta teorie permite utilizarea relatiilor obtinute pe model la fenomenul asemenea cu modelul, relatii in care intervin ca variabile marimi independente de unitatile de masura, numite invarianti sau criterii de similitudine.

Astfel, pentru anumite cazuri practice, particulare, s-au determinat relatiile criteriale care guverneaza fenomenele respective .

Schimbul de caldura intre un agent primar si un altul secundar prin intermediul unui fascicul de tevi este un caz de transmitere a caldurii des utilizat in practica industriala. In proiectarea si verificarea schimbatoarelor de caldura care folosesc astfel de fascicule de tevi, una dintre marimile principale care trebuie determinate este coeficientul de convectie termica a de la tevile fasciculului la agentul secundar, coeficient ce intra in alcatuirea relatiei coeficientului global de schimb de caldura k.

Determinarea in acest caz a coeficientului de convectie termica mediu, se efectueaza utilizand relatia criteriala:

Nu = 0,32 × C × Re^0,61× Pr^0,31 , (10.2)

in care:

Nu este criteriul de similitudine Nusselt care caracterizeaza schimbul de caldura prin convectie;

C - coeficient a carui valoare se da in figura 10.3;

Re - criteriul de similitudine Reynolds;

Pr - criteriul de similitudine Prandtl.

10.2. Descrierea instalatiei

Instalatia experimentala pentru determinarea coeficientului mediu de transmitere a caldurii prin convectie termica de la tevile unui fascicul la agentul secundar, aerul, este prezentata in figura 10.1.

Instalatia se compune dintr-un ventilator centrifugal 2 antrenat de un motor electric 1, care aspira aerul din mediul inconjurator si il refuleaza in rezervorul tampon 3. Din rezervorul tampon aerul trece mai departe intr-un canal paralelipipedic 4, care in tronsonul din mijloc are montat un fascicul de tevi 13, compus din tevi cu diametrul exterior d_e = 22 mm si de lungime

1 = 250 mm. Dispozitia tevilor in fascicul este in esichier, valorile pasurilor transversale si longitudinale, precum si dimensiunile canalului, fiind date in figura 10.2.

Agentul primar, cu circulatie intratubulara este inlocuit in instalatie cu rezistente electrice, introduse in interiorul tevilor si legate la reteaua de energie electrica prin intermediul unor borne 11.

Temperatura determinanta, utilizata in stabilirea marimilor care intra in componenta criteriilor de similitudine Nu, Re si Pr, este temperatura medie din fascicul. Pentru masurarea acestui parametru se folosesc termistoare plasate in apropierea tevilor, temperatura fiind masurata cu un termometru electronic 8, prin comutarea aparatului pe fiecare punct de masurare.

Pentru determinarea vitezei de circulatie a aerului inainte de fasciculul de tevi, se utilizeaza tubul Pitot 7 cuplat cu micromanometrul 5. Folosindu-se relatia :

se obtine:

, (10.4)

in care:

p_d este presiunea dinamica a aerului inainte de fasciculul de tevi,

in N / m²;

w - viteza aerului inainte de fasciculul de tevi, in m / s ;

r - masa specifica a aerului inainte de faciculul de tevi, in kg/m³.

Pentru determinarea masei specifice a aerului r se utilizeaza relatia:

, (10.5)

unde:

r _o este masa specifica a aerului in conditii normale, in kg / m³_N ,

r _o = 1,2928 kg / m³_N ;

T_o - temperatura la starea normala, in K , T_o = 273 K ;

T_a = t_a + 273 - temperatura aerului inainte de fasciculul de tevi, in K;

p_o - presiunea aerului la starea normala, in N / m² ,

p_o = 101325 N / m² ;

- presiunea statica a aerului inainte de fasciculul de tevi, in N/m²;

p_b - presiunea barometrica, in N / m² .

Instalatia mai este prevazuta cu doua termometre cu lichid 9 si 12 pentru masurarea temperaturii aerului inainte si dupa fasciculul de tevi, precum si cu racordurile 6 si 10 pentru prelevarea presiunilor statice

inainte de fasciculul de tevi si in sectiunea minima de trecere a aerului prin fascicul.

Dupa verificarea instalatiei se pune sub tensiune motorul 1 care antreneaza ventilatorul 2 si asigura circulatia unui debit de aer prin instalatie. Cu ajutorul clapetei 4 se stabileste un anumit regim de curgere al aerului. In continuare, se pun sub tensiune rezistentele electrice din tevile fasciculului. Pentru prevenirea accidentelor este obligatoriu ca manevrele sa se efectueze in ordinea amintita mai sus. Dupa stabilirea unui regim stationar de transfer de caldura se noteaza presiunea dinamica a aerului inainte de fasciculul de tevi p_d, presiunile statice si , temperatura t_a a aerului inainte de fascicul, temperaturile aerului in fascicul t_i si presiunea barometrica p_b.

10.4. Prelucrarea si interpretarea rezultatelor

Debitul masic de aer, care este vehiculat prin instalatie si care este acelasi atat inainte de fasciculul de tevi cat si in sectiunea minima de trecere a aerului prin fascicul, este dat de relatia:

in care:

A este aria sectiunii transversale a canalului, in m² ,

A = L× l = 0,23 × 0,25 = 0,0575 m²;

Din figura 10.2 rezulta:

A_min = L× l - n× d_e× l = 0,23 × 0,25 – 3 × 0,022 × 0,25 = 0,041 m², unde n este numarul de tevi din sectiunea transversala prin fascicul ;

w_min - viteza aerului in sectiunea minima de trecere a aerului prin

fascicul, in m / s ;

T_am - temperatura medie a aerului din fascicul, masurata cu

ajutorul termistoarelor, in K .

Din relatia precedenta se determina viteza aerului in sectiunea minima de trecere prin fascicul:

[ m/s] . (10.7)

Criteriile de similitudine Re si Pr precum si conductivitatea termica l care intra in componenta criteriului Nu, se determina pentru temperatura medie a fluidului, marimea caracteristica fiind diametrul exterior al unei tevi din fascicul. Viteza se considera cea care se refera la suprafata minima de trecere a aerului prin fascicul, folosindu-se in acest sens relatiile:

, (10.8)

, (10.9)

in care:

n este vascozitatea cinematica a aerului, in m² / s . Valorile lui n si

l se dau in tabelul 10.1 in functie de temperatura.

Tabelul 10.1 Proprietatile fizice ale aerului uscat la presiunea starii normale fizice

Marimile masurate precum si cele calculate se centralizeaza in tabelul 10.2.

Tabelul 10.2 Valori masurate si calculate