ЗАДАНИЕ № 1.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

Процессы, основанные на отводе теплоты потоком газа или жидкости, широко применяются в криомедицинских системах. В этом случае поток движется принудительно, а процесс отвода теплоты называется вынужденной конвекцией. Эффективность отвода теплоты описывается коэффициентом теплоотдачи вынужденной конвекции. Расчет α_вк является основой моделирования процессов в ряде криомедицинских систем.

Для примера рассчитывается коэффициент теплоотдачи в криотерапевтической системе со слабовынужденной конвекцией (ω ≤ 1 м/с). Выполнение расчета начинается с ввода необходимых данных (см. рис. 28) на новом листе «Вынужденная конвекция» книги «Коэффициент теплоотдачи».

Рис. 28. Исходные данные к расчету α_вк

На основании исходных данных определяются свойства газа при температуре T₁(см. рис. 29).

Рис. 29. Свойства газа при заданной температуре

Свойства вычисляются автоматически, посредством функции «СМЕЩ» (см. выше). По известным величинам c_p, µ, λ рассчитывается значение критерия Прандтля [1]. Затем вычисляется значение критерия Рейнольдса (см. рис. 30):

Рис. 30. Вычисление критерия Рейнольдса

По значению критерия Рейнольдса определяем характер течения газа вдоль объекта охлаждения. Граничные значения приведены в табл.2

Таблица 2

Значение констант для вычисления критерия Нуссельта

с учетом характера течения газового потока

Характер течения газового потока	Re	Коэффициенты
Характер течения газового потока	Re	А	n	m
Ламинарный	< 10⁴	0,33	0,5	0,33
Переходный	10⁴ ÷ 4×10⁶	0,30	0,65	0,35
Турбулентный	>4×10⁶	0,0296	0,8	0,43

В зависимости от режима выбираются коэффициенты в выражении для расчета критерия Нуссельта:

Для выбора коэффициентов используем функцию «ЕСЛИ» (см. рис. 31) [3].

Рис. 31. Выбор коэффициентов для расчета критерия Нуссельта

После этого выполняется вычисление значений критерия Нуссельта и коэффициента теплоотдачи (см. рис. 32).

Рис. 32. Расчет критерия Нуссельта икоэффициента теплоотдачи

Аналогично примеру по определению α_ек, для дальнейшей работы необходимо составить комплексную формулу для расчета α_вк. Для этого сначала заменяем в ячейках расчета Pr и Re ссылки на ячейки со свойствами (B11:B13) функциями «СМЕЩ», которые ранее обеспечивали вычисление c_p, µ, λ (см. рис. 33). Эти действия удобнее сделать, копируя формулу в буфер обмена и вставляя ее в форматирующую ячейку.

Рис. 33. Составная формула для расчета значения Re

Затем для вычисления констант и критерия Нуссельта выполняем замену ячеек B16:B21 на формулы, содержащие ссылки на исходные данные.

После выполненных преобразований формула, содержащаяся в ячейке В23 (см. рис. 34) связана только с ячейками, содержащими ссылки на исходные данные (ячейки В5, В6 и В7).

Рис. 34. Комплексная формула для расчета значения коэффициента теплоотдачи

В таком виде комплексную формулу можно скопировать в любую другую ячейку, при этом связи между исходными данными и комплексной формулой сохраняется (см. рис. 35).

Представление всего алгоритма расчета в виде комплексной формулы, размещенной в одной ячейке, расширяет число возможных вариантов использования алгоритма.

Рис. 35. Перенос комплексной формулы в произвольную ячейку данного листа

Исходные данные и ячейка Е8 образуют расчетный модуль, который можно скопировать на произвольное место на любом листе данной книги (см. рис. 36).

Рис. 36. Перенос модуля расчета α_вк на новое место

При выполнении численных экспериментов в редакторе Excel, значения α_вк надо рассчитывать на каждом шаге по времени. Для этого удобнее располагать значения Т₁,ω₁и Y₂ в одной строке с функцией α_вк. Комплексную формулу можно относительно просто отредактировать, заменяя в формуле для α_вк адреса ячеек с исходные данные расчета на новые ссылки – В32 на В36, В33 на С36 и В34 – D36 с помощью команды «Заменить» (см. рис. 37).

Рис. 37. Изменение исходных данных для расчета значения α_вк

Изменяя исходные данные, можно получить соответствующие значения α_вк (см. рис. 38). Комплексная формула превращена в удобный инструмент для проведения численных экспериментов.

Рис. 38. Выполнение расчетов α_вк с помощью комплексной формулы

Посредствам комплексной формулы α_вк = f (Т₁, ω₁, Y₂) необходимо выполнить вычислительный эксперимент по оценке влияния параметров процесса на интенсивность теплоотдачи при вынужденной конвекции. Для этого необходимо:

1. Исследовать зависимости α_вк = f (ω₁) при Т₁= const и Y₂= const.

Для выполнения эксперимента задаем постоянные значения Т₁и Y₂, например: Т₁=140 К, Y₂=1,0 м. Затем на свободном месте листа «Вынужденная конвекция» формируем вертикальный массив 0,1< ω₁ < 1,0 м/с, с шагом изменения скорости ∆ ω₁< 0,1 м/с. Далее требуется получить таблицу табулирования функции: α_вк = f (ω₁).

Для этого копируем комплексную формулу α_вк для первого значения ω_i в соседнюю ячейку и изменяем адреса ячеек, содержащие исходные данные с помощью команды «Найти и заменить». Для правильного копирования формулы на весь диапазон изменения ω_i необходимо использовать абсолютные ссылки на ячейки, содержащие значения Т₁ и Y₂.

Используя «Мастер диаграмм», строим график функции α_вк = f (ω₁) при Т₁= const и Y₂= const.

2. Аналогичным образом вычисляем массив данных для функции α_вк = f (Т₁) при ω₁= const и Y₂= const, где 80 ≤ Т₁≤ 180 К, ∆Т₁=1 К, ω₁=1 м/с, Y₂=1,0 м.

3. Затем выполняем расчет для построения графика α_вк = f (Y₂) при Т₁= const и ω₁= const, где 1,0 ≤ Y₂≤ 2,0 м, ∆ Y₂=0,1 м, Т₁= 140 К, ω₁=1 м/с.

На основе построенных графиков необходимо определить фактор, в наибольшей степени влияющий на интенсивность теплоотдачи.

Отчет о лабораторной работе должен содержать указанные преподавателем графические материалы и письменные комментарии о результатах, полученных в численном эксперименте. Отчет состоит из двух частей: Excel – книги с выполненными расчетами в электронном виде (задания 1.2 и 1.3) и документа Word в печатном виде.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исаченко В.А., Осипова А.С., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981– 416 с.

2. Акулов А.А., Борзенко Е.И., Зайцев А.В. Теплофизические свойства криопродуктов. Учебное пособие для вузов. СПб.: Политехника, 2001. – 243с.

3. Додж М., Стинсон К. Эффективная работа с Microsoft Excel – СПб.: Питер, 2004 г. – 1056 с.

Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 97; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 45

Мы поможем в написании ваших работ!