CC BY
28
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2017, том 60, №11-12_
ФИЗИКА
УДК 536.7+544.971
З.Низомов, Ф.М.Мирзоев*, Б.Н.Гулов**
ОЦЕНКА ВКЛАДА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И КОНВЕКТИВНОГО ОБМЕНА В КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ АЛЮМИНИЯ РАЗЛИЧНОЙ ЧИСТОТЫ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ ВОЗДУШНОМ ТЕПЛООТВОДЕ
Филиал Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
в г. Душанбе,
Таджикский технический университет им. академика М.С.Осими, Таджикский национальный университет
(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Т.Х.Салиховым 08.09.2017 г.)
Методом охлаждения исследована зависимость температуры алюминия разной чистоты в диапазоне температур от 300 до 873 К от времени. Выявлено, что процесс охлаждения образцов связан с тепловым излучением и конвективным обменом. Показано, что с повышением температуры доля теплового излучения в охлаждении металлов увеличивается.
Ключевые слова: охлаждение, тепловое излучение, конвективный обмен, температурная зависимость, алюминий.
В работе [1] было выяснено, что основными составляющими коэффициента теплоотдачи при естественном воздушном теплоотводе алюминия, меди и цинка являются конвективный обмен и тепловое излучение. В данной работе приводится оценка этих вкладов в режим охлаждения алюминия разной степени чистоты производства компании ГУП ТАлКо. В табл. 1 приведен элементный состав исследованных образцов по результатам спектрального анализа, проведенного в физической лаборатории компании.
Таблица 1
Состав компонентов
Химический состав компонентов, %
Марка (проба) Si Fe Cu Mn Mg Zn Ga Ti Al
0.33 0.096 0.079 0.003 0.0042 0.0067 0.0132 0.0098 0.0094 99.7881
30300 0.328 1.905 0.0057 0.013 0.0063 0.013 0.0096 0.0105 97.7194
АК-03 5.9 1.17 0.033 0.01 0.02 0.02 0.016 0.009 92.822
АК -71 8.2 1.76 0.37 0.01 0.22 0.18 0.01 0.03 89.25
Методом охлаждения [2] исследована зависимость температуры образцов от времени в диапазоне температур от 300 до 873 К. Исследуемые образцы имели цилиндрическую форму диаметром 16 мм и высотой 30 мм. Вся обработка результатов измерений производилась с помощью программы,
Адрес для корреспонденции: Низомов Зиёвуддин. 734042, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. М. Назар-шоева, 7, ДФ НИТУ «МИСиС». E-mail: nizomov@mail.ru
на MS Excel. Графики строились с помощью программы Sigma Plot. Полученные экспериментальные данные описываются уравнением [3]:
T = T +(T -T0)+(T2 -T0), (1)
где T0 - температура окружающей среды, T1- T0, T2 — T0 - амплитуда первого и второго процессов охлаждения, / и т2 - постоянная охлаждения. Дифференцируя (1), получаем уравнение для скорости охлаждения:
dT_ dт
f дт AT ^
Ajt 01 -т/у A102 -T/2
V т1 T2
(2)
АГо! АТ02
где - и--соответственно амплитуды скоростей охлаждения в первом и втором процессе.
Г1 Г2
Экспоненциальная зависимость Т(г) в формуле (1) показывает, что теплота передается одновременно двумя способами и количество передаваемого тепла пропорционально площади поверхности образца, разности температур тела и окружающей среды и соответствующему коэффициенту теплоотдачи при любом механизме переноса теплоты (теплопроводность, конвекция или лучеиспускание). Для определения коэффициента теплоотдачи применяют экспериментальный метод исследования. Согласно закону Ньютона-Кирхгофа CmdT = —а,3 (Т — Т0) ёг , где С - удельная теплоёмкость, т и S - соответственно масса и площадь образца. Отсюда получим: Ст-= —а8 (Т — Т0),
ёг
dT
где а = ах + а2 и — = dт
г
dT
с
+
у dт Ji у dт у 2
-| . Количество теплоты, уходящего за счет конвективного об-
( dT Л
мена, равно Cm - I = — ayS (Ty— T0), а за счет теплового излучения равно
у
i
dт Jy
Ст -| = — а2Б (Т2 — Т0) . Используя значения скорости охлаждения и удельной теплоёмкости
I ёг) 2
Ст Г £ )
(табл. 2), вычисляем коэффициент теплоотдачи а1 (Т) = ^^—и коэффициент излучения
Ст Г ^
ЛтЛ ^ ^
а2 (Т ) =
S (T — T0) ■
Значения коэффициентов в уравнении CP (Г - 300) = а0 + Ьо (Г - 300) + с0 (Г - 300)2 + ¿0(Г - 300)3
Таблица 2
ao bo -co d0, 10-7
AK03 887.0758 0.4883 0.0005 8.6012
AK71 878.3526 0.4931 0.0005 8.5536
0.33 902.5725 0.4737 0.0004 8.6394
30300 893.8240 0.4755 0.0004 8.7160
На рис. 1-4 приведены температурные зависимости коэффициентов теплоотдачи а1 и излучения а2 для алюминия разной чистоты.
а В|«ч к)
Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конвективном обмене (1) и коэффициента излучения (2) от
температуры для алюминия пробы 0.33.
Результаты обработки для Л1-0.33. m=16g,h=31mm,d=16mm, t=19.5C.
а2 = 8.2305 + 0.0268(Г - 300) - 7.204610"6 (Г - 300)2 - 2.749210"9(Г - 300)3
R
1.0000
a b c d
Rsqr
0.9999 Coefficient
8.2305 0.0268 -7.2046E-006 -2.7492E-009
Adj Rsqr Standard Error of Estimate
0.9999 0.0173
Std. Error t P VIF
0.0104 794.8778 <0.0001 11.8499<
0.0003 84.7615 <0.0001 272.9261<
2.5095E-006 -2.8709 <0.0076 912.4721<
5.5421E-009 -0.4961 <0.6236 293.2695<
ax = 9.4191 - 0.0050(T -300) +1.132710 5 (T -300)2 -8.497910 9 (T -300)3
R
0.9998
a b c
d
Rsqr
0.9995
Coefficient
9.4191 -0.0050 1.1327E-005
-8.4979E-009
Adj Rsqr Standard Error of Estimate
0.9995 0.0051
Std. Error t P VIF
0.0030 3104.3878 <0.0001 11.8499<
9.2591E-005 -53.8915 <0.0001 272.927<
7.3534E-007 15.4032 <0.0001 912.474<
1.6240E-009 -5.2327 <0.0001 293.270<
11 lit t M " k l
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конвективном обмене (1) и коэффициента излучения (2) от
температуры для алюминия пробы 30300.
Результаты обработки для Л1-30300. m=16g, h=31mm, d=16mm, t=19C.
а2 = 0.0210 (Т — 300) + 4.939310 5 (Т — 300)2 — 6.153410—8 (Т — 300)3
R Rsqr Adj Rsqr Standard Error of Estimate
0.9996 0.9992 0.9992 0.1169
Coefficient Std. Error t P VIF
a 0.0000
b 0.0210 0.0004 59.6355 <0.0001 65.4771<
c 4.9393E-005 1.8608E-006 26.5444 <0.0001 292.8962<
d -6.1534E-008 2.4854E-009 -24.7580 <0.0001 115.8242<
a = 12.0685 - 0.0086(T - 300) +1.215810 6 (T - 300)2 + 8.191310 9 (T - 300)3
R Rsqr Adj Rsqr Standard Error of Estimate
1.0000 1.0000 1.0000 2.5060E-014
Coefficient Std. Error t P VIF
a 12.0685
b -0.0086 c 1.2158E-006
d 8.1913E-009
a, Ri lu' К)
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конвективном обмене (1) и коэффициента излучения (2) от
температуры для сплава АК-71.
Результаты обработки для АК-71. т=16^, h=31mm, d=16mm, t=19C.
а2 = 0.0374(Г - 300) + 7.183310- (Г - 300)2 -1.342910-7 (Г - 300)3
R Rsqr Adj Rsqr Standard Error of Estimate
0.9995 0.9989 0.9989 0.1722
Coefficient Std. Error t P VIF
a 0.0000
b 0.0374 0.0008 47.9262 <0.0001 89.1792<
с 7.1833E-005 4.6052E-006 15.5981 <0.0001 357.7649<
d -1.3429E-007 7.0420E-009 -19.0694 <0.0001 134.3434<
a, = 12.8710-0.0104(T-300)-9.075610 6(T-300)2 + 2.531110 8 (T-300)3
R Rsqr Adj Rsqr Standard Error of Estimate
1.0000 1.0000 1.0000 2.4644E-014
Coefficient Std. Error t P VIF
a 12.8710
b -0.0104
c -9.0756E-006
d 2.5311E-008
Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи при конвективном обмене (1) и коэффициента излучения (2) от
температуры для сплава АК-03.
Результаты обработки для АК-03.т=15^. h=30.5mm, d=16mm, t=23C.
а2 = 0.0284(Г - 300) + 8.312310-Г - 300)2 -1.154910-7 (Г - 300)3
Rsqr Adj Rsqr Standard Error of Estimate
0.9995 0.9990 0.9990 0.1736
Coefficient Std. Error t P VIF
a 0.0000
b 0.0284 0.0009 32.2207 <0.0001 129.6762<
с 8.3123E-005 4.5364E-006 18.3236 <0.0001 460.7888<
d -1.1549E-007 6.2182E-009 -18.5732 <0.0001 162.7097<
a = 12.5382 - 0.0013(T - 300)-2.908610 5 (T - 300)2 + 4.027910"8 (T - 300)3
Зависимость коэффициента теплоотдачи при конвективном обмене 0С1 и коэффициента излучения а2 от температуры описывается уравнением
а = а + Ь(Т — 300) + с(Т—300)2 + ё(Т — 300)3. (3)
В табл. 3 приведены значения а, Ь, с и d в уравнении (3).
Таблица 3
Значения а, Ь, с и d для исследованных образцов.
Образец а Ь с. 10—5 ±10—88
А1-30300 а1 12.0685 -0.0086 -0.1215 0.8191
а2 0.0000 0.0210 4.9393 6.1534
АК-71 а1 12.8710 -0.0104 -0.9075 2.5311
а2 0.0000 0.0374 7.1833 -1.3429
АК-03 а1 12.5382 -0.0013 -2.9086 4.0279
а2 0.0000 0.0284 8.3123 -1.1549
А1-0.33 а1 9.4191 -0.0050 1.1327 -0.8498
а2 8.2305 0.0268 -0.7205 -0.2749
Для сравнения на рис. 5 и 6 приведен вклад теплового излучения и конвективного обмена для исследованных образцов.
и|. Ним" К)
Рис.5. Зависимость коэффициента конвективного обмена от температуры для образцов алюминия
различной степени чистоты.
О 100 200 V» 400 500 600
Рис.6. Зависимость коэффициента теплового излучения от температуры для образцов алюминия
различной степени чистоты.
Как видно из рисунков, естественное воздушное охлаждение имеет низкий коэффициент конвективного обмена - до 9 - 13 Вт/(м2К) и уменьшается с температурой и с ростом чистоты алюминия и концентрации кремния. Коэффициенты теплового излучения для пробы 0.33 и 30300 близки, а для
а
сплавов АК с ростом концентрации кремния увеличиваются. По формуле x = —2100% , где а = а1+
а
а2, оценивали долю теплового излучения в общей теплоотдаче. На рис. 7 приведена температурная
зависимость доли теплового излучения в охлаждении для алюминия разной чистоты.
а. (а,»«.).»•
Т-КК». К
0 100 200 300 400 £00 600 700
Рис.7. Температурная зависимость доли теплового излучения в охлаждении для алюминия разной чистоты.
Как видно из рисунков, с повышением температуры при естественном охлаждении доля теплового излучения увеличивается. Например, для алюминия марки АК71 при 870 К тепловое излучение составляет около 70% от общего охлаждения. При понижении температуры до 500 К оно составляет 40% и при 400 К - 20%.
Поступило 13.09.2017 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Низомов З., Саидов Р.Х., Шарипов Дж.Г. Механизм охлаждения алюминия А7, меди и цинка при естественном воздушном теплоотводе.- Вестник Таджикского национального университета (научный журнал). Сер. естествен. н., 2017, вып.1(1), с. 99-103.
2. Низомов З., Гулов Б.Н., Саидов Р.Х., Авезов З. Измерение удельной теплоемкости твердых тел методом охлаждения.-Вестник Таджикского национального университета, 2010, №3(59), с.136-141.
3. Низомов З., Гулов Б.Н., Саидов Р.Х. Теплоемкость алюминия марки A5N, его сплавов с кремнием, медью и редкоземельными металлами.-Доклады Академии наук Республики Таджикистан, 2014, т. 57, №11-12, с. 843-849.
З.Низомов, Ф.М.Мирзоев*, Б.Н.Гулов**
БАХОДИХЙ БА САХМИ АФКАНИШОТИ ХАРОРАТЙ ВА МУБОДИЛАИ КОНВЕКТИВЙ ДАР КОЭФФИЦИЕНТИ ГАРМИДИХИИ АЛЮМИНИЙИ ТОЗАГИАШ ГУНОГУН ХАНГОМИ ГАРМИДИХИИ ТАБИИ ДАР ХАВО
Филиали донишго^и миллии тадкцкртии технологии «МИСиС» дар ш. Душанбе, *Донишго%и техникии Тоцикистон ба номи академик М.С.Осими, **Донишго%и миллии Тоцикистон
Бо усули хунуккуни вобастагии харорати алюминийи тозагиаш гуногун дар худуди аз 300 то 873К аз вакт, тадкик карда шудааст. Муайян карда шудааст, ки хунуккуни дар раванди аз хисоби афканишоти хароратй ва мубодилаи конвективй ба амал меояд ва бо зиёдшавии харорат сахми афканишоти хароратй дар хунукшавй меафзояд.
Калима^ои калиди: хунукшавй, афканишоти уароратй, мубодилаи конвективй, вобастаги аз температура, алюминий.
Z.Nizomov, F.M.Mirzoev*, B.N.Gulov** EVALUATION OF THE CONTRIBUTION OF THERMAL RADIATION AND CONVECTIVE EXCHANGE IN THE HEAT TRANSFER COEFFICIENT OF ALUMINUM OF DIFFERENT PURITY WITH NATURAL AIR COOLING
Branch of National research technological University "MISiS" in Dushanbe, Tajik technical University named after academician M.S.Osimi, Tajik national University
By the method of cooling the dependence of temperature of aluminum with different purity in the temperature range from 300 to 873 K with time was investigated. It is revealed that the cooling process of the samples is associated with thermal radiation and convective exchange. It is shown that with increasing temperature the proportion of thermal radiation in the cooling of metals increases.
Key words: cooling, thermal radiation, convective exchange, temperature dependence, aluminum.
