Величина l0 представляет собой сумму всех компонентов теплопереноса, не зависящих от u (скорости потока). Существенным составляющим в нее входит теплоперенос при неподвижной среде в слое lоэ. При возникновении естественной конвекции, этот компонент теплопереноса также необходимо учитывать.

Вводя критерии Рейнольдса и Прандтля, зависимость (XVI) можно преобразовать к безразмерному виду:

lr/lг = l0/lг + В Reэ Pr (XVII)

где В = В0 6 (1-e)/4F.

В таком виде зависимость для теплопроводности в зернистом слое предложена в работах многих исследователей. Величины l0 и B могут быть определены из эксперимента.

При рассмотрении слоя из теплопроводных зерен необходимо также учитывать дополнительный механизм теплопереноса, связанный с конвективным теплообменом между жидкостью и зернами. Для составляющей теплопередачи через зерна получено выражение, которое можно представить в виде:

где Nu=ad/lг, а a - коэффициент теплообмена между зернами и газом текущим через слой.

Методы определения коэффициентов теплопроводности в зернистом слое с движущейся газовой (жидкой) фазой

Опубликовано значительное число работ по определению коэффициентом теплопроводности в зернистом слое с принудительной конвекцией газа. Можно выделить несколько типовых методов определения коэффициентов теплопроводности, использованных в этих работах:

I Определение продольного коэффициента теплопроводности ll при встречном направлении газа и теплоты. Последний создается обогревом верхнего и нижнего торца зернистого слоя источником, не мешающим движению газов, например, пластинчатым электронагревателем или инфракрасной лампой. Стенки аппарата тщательно изолируют, температуру слоя измеряют в нескольких сечениях на оси аппарата и у стенки. В эксперименте осуществлется одномерный поток теплоты и уравнение (XV) принимает вид:

Его решение можно представить так: mº-d(lnt)/dx=CPG/ll

Величину ll определяют по графику температуры в слое, построенном в полулогарифмических координатах. Модификация описанного метода-создание спутных потоков теплоты и газа при использовании торцевого холодильника вместо нагревателя.

Эксперимент можно осуществить только в области малых значений Reэ: при больших скоростях газа необходим источник теплоты высокой интенсивности, что может исказить одномерный поток ее. Кроме того, при больших скоростях газа зона теплового влияния источника соизмерима с размером зерна, и принятая квазигомогенная модель слоя нарушается.

II. Определение радиального коэффициента теплопроводности lr при одномерном потоке по радиусу аппарата. При этом источник теплоты - электронагреватель - расположен в трубке по оси аппарата либо обогревается внешняя стенка аппарата; внутренняя трубка охлаждается водой. Температуру газа на входе поддерживают равной температуре на выходе. В этом случае распределение температуры слоя по радиусу такое же, как для цилиндрической стенки, и коэффициент теплопроводности определяют по формуле:

где Q - общее количество теплоты, передаваемое через слой; L - высота слоя; t1 и t2 - температуры слоя на расстояниях от оси r1 r2.

III. Совместное определение радиального и продольного коэффициентов теплопроводности в зернистом слое. Определение lr и ll проводят по результатам измерения температур в трубе с зернистым слоем, охлаждаемой снаружи, при параллельном и встречном направлении потоков тепла и газа. В торце цилиндрического аппарата помещен электронагреватель, создающий равномерный тепловой поток. Стенки аппарата охлаждаются интесивным потоком воды. В зернистом слое создается двумерное температурное поле. Каждый опыт проводят при двух направлениях потока газа, имеющего одинаковую скорость.

Практическая часть. Задачи по теплопроводности.

1. Для определения коэффициента теплопроводности сыра методом пластины (см. рис.1.) через слой продукта, имеющего форму диска диаметром 150 мм, толщиной 12 мм, направляют тепловой поток Q=14.8 ккал/час.

Температура обогреваемой поверхности диска 40оС, на охлаждаемой 6оС.

Рассчитать коэффициент теплопроводности сыра. Ответ: l=0.30ккал/м×час×град.

Рис.1. Прибор для определения теплопроводности материала методом пластины.

1-сыр; 2-охладитель; 3-электронагреватель.

Решение

Уравнение теплопроводности для установившегося потока через однослойную плоскую стенку:

где r - термическое сопротивление стенки.

Отсюда

2. Какой максимальной толщины слой льда может образоваться на поверхности пресного водоема, если средняя температура на верхней поверхности льда будет сохранятся -10оС, ежечасная потеря тепла водой через лед составляет 24.1 ккал/м2×час, а коэффициент теплопроводности льда l=1.935 ккал/м×час×град. Какова будет потеря тепла с 1 м2 поверхности льда при толщине его 1.0 м, если температура на верхней поверхности останется прежней? Ответ: d=0.8 м; q=19.3 ккал/м2час.

Решение

Для однослойной плоской стенки:

Так как образование льда будет продолжаться до тех пор, пока на внутренней поверхности льда не установится температура 0оС, то в рассматриваемом случае:

При одинаковых температурных условиях:

т.к. Dt1=Dt2, следовательно,