Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве
Представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи вращающегося цилиндрического стержня при генерировании теплоты трения на торце. Получена картина температурного поля по длине цилиндра, и определены локальные и средние коэффициенты конвективной теплоотдачи. На основе обработки полу...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60539 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве / А.Ю. Дреус // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 3. — С. 18-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860270218740236288 |
|---|---|
| author | Дреус, А.Ю. |
| author_facet | Дреус, А.Ю. |
| citation_txt | Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве / А.Ю. Дреус // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 3. — С. 18-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи вращающегося цилиндрического стержня при генерировании теплоты трения на торце. Получена картина температурного поля по длине цилиндра, и определены локальные и средние коэффициенты конвективной теплоотдачи. На основе обработки полученных данных предложено критериальное соотношение для определения среднего числа Нуссельта для рассматриваемого случая.
Представлено результати експериментального дослідження тепловіддачі циліндричного стрижня, що обертається, з урахуванням генерування теплоти тертя на торці. Отримано картину температурного поля за довжиною стрижня, та визначено локальні й середні коефіцієнти конвективної тепловіддачі. На основі обробки даних, що отримані, запропоновано критеріальне співвідношення для середнього числа Нусельта у випадку, що розглядається.
The results of the experimental investigation heat transfer for rotation cylindrical rod under generating of friction heat at the rod end are present. The temperature field is obtained and local and average heat transfer coefficients are determined. On the base of experiments data the relation for Nusselt number is proposed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T19:05:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №318
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 536.2
Дреус А.Ю.
Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ
ВРАЩАЮЩЕГОСЯ СТЕРЖНЯ ПРИ ТОРЦЕВОМ НАГРЕВЕ
Представлено результати ек-
спериментального дослідження
тепловіддачі циліндричного
стрижня, що обертається, з ура-
хуванням генерування теплоти
тертя на торці. Отримано картину
температурного поля за довжиною
стрижня, та визначено локальні й
середні коефіцієнти конвективної
тепловіддачі. На основі обробки
даних, що отримані, запропонова-
но критеріальне співвідношення
для середнього числа Нусельта у
випадку, що розглядається.
Представлены результаты
экспериментального исследования
теплоотдачи вращающегося
цилиндрического стержня при
генерировании теплоты трения
на торце. Получена картина
температурного поля по длине
цилиндра, и определены локальные
и средние коэффициенты конвек-
тивной теплоотдачи. На основе
обработки полученных данных
предложено критериальное соотно-
шение для определения среднего
числа Нуссельта для рассматри-
ваемого случая.
The results of the experimental
investigation heat transfer for rotation
cylindrical rod under generating of
friction heat at the rod end are present.
The temperature field is obtained
and local and average heat transfer
coefficients are determined. On the
base of experiments data the relation for
Nusselt number is proposed.
D – диаметр;
Gr – число Грасгофа;
H – высота стержня;
h – шаг по высоте стержня;
Nu – число Нуссельта;
n – частота вращения;
P – осевое усилие;
Pr – число Прандтля;
Q – количество теплоты трения;
q – тепловой поток вдоль стержня;
Re – число Рейнольдса;
S – площадь рабочего торца;
t – температура;
α – коэффициент теплоотдачи;
λ – коэффициент теплопроводности стержня;
μ – коэффициент трения;
ν – кинематическая вязкость воздуха;
Π – периметр сечения.
Нижние индексы:
х – локальное значение;
kr – критическое значение;
1 – полый стержень;
2 – сплошной стержень;
∞ – окружающая среда.
Введение
Проблема выбора и обеспечения ресур-
сосберегающих режимов работы металлооб-
рабатывающего, сверлильного или бурового
инструмента связана с необходимостью рас-
смотрения теплофизических процессов, про-
текающих на рабочей поверхности. Известно
[1–4], что значительная часть затрачиваемой
на рабочей поверхности мощности не являет-
ся полезной и расходуется на нагрев, что спо-
собствует интенсивному износу инструмента.
Таким образом, прогнозирование температур-
ного режима при работе технологического ин-
струмента и расчет режимов, обеспечивающих
эффективное его охлаждение, является важной
инженерной задачей. Однако одной из основ-
ных трудностей, возникающих при примене-
нии расчетных соотношений для определения
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №3 19
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
рабочей температуры, является необходимость
определения коэффициентов конвективной те-
плоотдачи. Несмотря на достаточно большой
накопленный материал по критериальным
уравнениям, позволяющим определять тепло-
отдачу для разных случаев течений охлаждаю-
щей жидкости или газа, использование их, как
показывает практика, не всегда позволяет полу-
чить физически адекватный результат при рас-
чете тепловых режимов бурения или сверления
[1]. Это обусловливает необходимость прове-
дения дополнительных экспериментальных ис-
следований по проблеме. В настоящей работе
представлены результаты исследования тепло-
отдачи при моделировании работы технологи-
ческого инструмента с использованием высоко-
точной технологии бесконтактного измерения
температуры.
Постановка проблемы и формулирование
целей исследований
Задачам контактного взаимодействия с уче-
том тепловыделения от трения и его влияния
на износ посвящено достаточно большое ко-
личество работ, например [2–6]. Заметим, что
различные предлагаемые методики расчета
контактных температур и тепловых потоков не
рассматривают отдельно вопрос об определе-
нии параметров теплоотдачи взаимодействую-
щих тел в окружающую среду. В то же время,
теплообмен инструмента с охлаждающей сре-
дой, во многом определяет эффективность те-
плоотвода от рабочей поверхности и, таким об-
разом, тепловой режим на рабочей поверхности
инструмента. Расчет теплоотдачи может быть
выполнен с использованием критериальных
уравнений, полученных для случая внешне-
го обтекания цилиндра потоком жидкости или
газа приведенных, например в [7]. Однако ука-
занные соотношения получены для условий,
существенно отличных от тех, которые реали-
зуются в задачах контактного взаимодействия
инструмента с рабочей поверхностью.
Существует также ряд критериальных
уравнений, полученных различными исследо-
вателями для вращающихся тел [8, 9]. Следует
отметить, что количество таких работ незначи-
тельно, и в большинстве из них рассматривают-
ся только равномерно нагретые тела, в основ-
ном горизонтально расположенные цилиндры.
Использование коэффициентов теплоотдачи,
рассчитанных на основе формул, приведенных
в указанных работах, дает заниженные значе-
ния в случае расчета теплофизических про-
цессов бурения (сверления). Вопросы, связан-
ные с определением параметров теплоотдачи
для вращающихся вертикальных цилиндров в
условиях совместного влияния вынужденной
и свободной конвекции, в задачах контактно-
го взаимодействия, практически не освящены
в литературе. Расширение базы эксперимен-
тальных данных в этом направлении будет
способствовать совершенствованию расчетно-
теоретического аппарата по изучению теплооб-
мена в таких технологических процессах. Це-
лью настоящей работы является исследование
процесса теплообмена вращающегося стержня
при нагреве его с торца за счет теплоты трения
с окружающей средой.
Одним из современных эффективных мето-
дов определения температурного состояния ис-
следуемого объекта, находящегося в поле непо-
средственного визуального контакта, являются
бесконтактные методы, основанные на инфра-
красных технологиях. Успехи такой измери-
тельной техники (современные тепловизоры)
позволяют проводить высокоточные измерения
и оперативно подготовить и выполнить боль-
шое количество экспериментальных опытов.
В предложенной работе приведены результаты
экспериментов и их анализ по теплоотдаче вер-
тикальных вращающихся стержней, которые
моделировали технологический инструмент,
при их торцевом нагреве.
Описание эксперимента
и методики обработки результатов
Серия экспериментов по моделирова-
нию процесса работы технологического инст-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №320
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
румента с генерированием теплоты трения
на рабочем торце проводилась в стендовых
ус-ловиях. Экспериментальная установка
была основана на сверлильном станке, а в ка-
честве моделей инструмента использова-
лись два вида стержней (полый и сплошной)
цилиндри-ческой формы. Внешний и внутрен-
ний диаметр полого стержня, изготовленно-
го из стали (коэффициент теплопроводности
λ1 ≈ 30 Вт/(м2·оС)) составляет 12 и 9 мм соот-
ветственно, а диаметр сплошного стержня,
изготовленного из высокотеплопроводного
сплава (λ2 ≈ 120 Вт/(м2·оС)) – 15 мм. Торцевой
нагрев стержней осуществлялся за счет генери-
рования теплоты трения при контакте враща-
ющихся стержней с образцом горной породы
(гранит). Образец горной породы диаметром 58
мм закреплялся на предварительно протариро-
ванных весах, что позволяло фиксировать осе-
вое усилие на стержень. Частота вращения n
(об/мин) фиксировалась тахометром. Погреш-
ность измерения нагрузки составляла от 2,5 %
до 5 %, погрешность измерения частоты вра-
щения – 1 %.
Для получения картины температурного
поля стержня была использована тепловизион-
ная инфракрасная камера AGEMA 570 произ-
водства компании FLIR Systems, прошедшая не-
обходимую метрологическую сертификацию.
Стандартный диапазон измерения для данной
камеры составляет от -20 оС до +550 оС.
Чувствительность камеры составляет 0,1 оС
при точности измерения ± 2 % от диапазона.
Использование инфракрасной камеры для из-
мерения температуры позволило значительно
сократить время на подготовку и проведение
эксперимента, чем это потребовалось бы для
измерения контактными датчиками, например,
термопарами.
Наблюдение за температурой модели при ее
трении о поверхность горной породы выполня-
лось до достижения установившегося теплово-
го режима, после чего фиксировалась картина
температурного состояния модели. После окон-
чания экспериментов полученные термограм-
мы обрабатывались на компьютере с помощью
специального программного обеспечения.
Экспериментальные исследования были
проведены для следующего диапазона режим-
ных параметров. Осевая нагрузка изменялась в
переделах от 20 до 60 кг, частота вращения 600
... 750 об/мин. На рис.1 представлены примеры
термограмм, полученных в результате теплови-
зионной съемки.
Поскольку во время экспериментальных ис-
следований разрушение образца горной породы
было незначительно, то принималось, что вся,
затраченная на контакте, механическая энергия
переходила в тепловую. Замеры частоты обо-
ротов и осевой нагрузки позволяют расчетным
путем определить количество тепла, выделяе-
мого вследствие трения
а) б)
Рис. 1. Примеры полученных термограмм (а) для сплошного стержня;
(б) для полого стержня для Р = 20 кг, n = 750 об/мин.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №3 21
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
.
Расчет локальных коэффициентов теплоот-
дачи выполнялся следующим образом. С помо-
щью специального программного обеспечения
на термограмме по высоте стержня был рас-
смотрен ряд точек с шагом h, в которых фикси-
ровались координата и температура. Учитывая,
что вдоль стержня тепло передается теплопро-
водностью, а с боковой поверхности отводится
конвекцией и, пренебрегая перепадом темпе-
ратуры по толщине стержня, из уравнения ба-
ланса энергии можем записать выражение для
определения локального коэффициента тепло-
отдачи
.
В точке контакта принималось, что
q0 = Q, а тепловые потоки теплопроводности
. Значение среднего коэф-
фициента теплоотдачи определялось соответствен-
но
.
Результаты исследований
и их обсуждение
Полученные в результате обработки тер-
мограмм данные по температуре стержней
(рис. 2, а, 3, а) позволили провести расчет ло-
кальных и средних коэффициентов теплоотда-
чи (рис. 2, б, 3, б).
Для стержня, изготовленного из материа-
ла с меньшей теплопроводностью, наблюдает-
ся резкое падение температуры на начальном
участке до 1 см от точки контакта, а в дальней-
шем градиент температуры практически равен
нулю. Для второго стержня, с более высоким
коэффициентом теплопроводности, стационар-
ное распределение температуры близко к ли-
D P nQ
S
µ ⋅π⋅ ⋅ ⋅
=
2 2
( )
x h x h
x
x
q q
h
t t
− +
∞
−
α =
Π −
/ 2
x h x h
x h
t tq
h
+ −
+
−
= λ
1
x
H
dx
H
α = α∫
нейному. Таким образом, большая часть тепло-
вого потока поступающего на рабочий торец за
счет высокой теплопроводности передается по
высоте, и влияние конвективного теплосъема
с боковой поверхности на тепловое состояние
данного стержня меньше. При максимальных
заданных режимных параметрах для второго
стержня наблюдалось оплавления торца.
В обоих случаях наблюдается достаточно
сложное поведение локальных коэффициентов
теплоотдачи (рис. 2, б и рис. 3, б). Отсутствие
четких закономерностей в поведении локаль-
ных коэффициентов теплоотдачи наблюдалось
во всех опытах. Такое крайне неравномерное
распределение теплоотдачи может быть обу-
словлено рядом причин. Значительным пере-
падом температуры по высоте, наложением вы-
нужденной и свободной конвекции, многими
трудно учитываемыми факторами, например,
неравномерностью чистоты обработки поверх-
ности по высоте.
Таким образом, можно говорить о сложно-
сти определения использования на практике ло-
кальных значений коэффициентов теплоотдачи.
В то же время значения среднего коэффициен-
та теплоотдачи, как для разных экспериментов,
так и для разных стержней, сохранялись одного
порядка.
Для перехода от результатов, полученных
на одной модели исследуемого объекта, к дру-
гим моделям, а также к реальному инструмен-
ту, следует соблюдать определенные критерии
подобия. Для конвективного теплообмена та-
кими критериями являются числа Рейнольдса,
Грасгофа и Прандтля. Как уже отмечалось, в
рассмотренной задаче теплоотвод от боковой
поверхности будет осуществляться как за счет
свободной так и вынужденной конвекции. Со-
гласно данным Андерсена и Саундерса, приве-
денными в [8], влияние вращения на теплоот-
дачу горизонтального цилиндра начинается с
определенных значений чисел Рейнольдса
.
GrRe 0,55
Prkr =
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №322
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 2. Распределение температуры (а) и локальных коэффициентов теплоотдачи (б)
по высоте полого стержня.
Рис. 3. Распределение температуры (а) и локальных коэффициентов теплоотдачи (б)
по высоте сплошного стержня.
Превышение числа Рейнольдса критическо-
го значения наблюдалось во всех эксперимен-
тах. При этом число Рейнольдса определяется
.
Таким образом, следуя представленной в
[8] методологии по определению теплоотдачи,
критериальное уравнение для среднего числа
Нуссельта представлялось в виде комбинации
трех выше указанных критериев. На основе
обработки результатов экспериментальных
исследований предлагается следующее урав-
нение для расчета среднего числа Нуссельта
.
Представленное уравнение удовлетвори-
тельно описывает теплоотдачу цилиндрическо-
го стержня при его торцевом нагреве в диапазо-
не чисел Рейнольдса 60 ≤ Re ≤ 103 и Грасгофа
Gr ≤ 5·105 .
Выводы
В представленной работе исследованы про-
цессы нагрева и охлаждения цилиндрического
стержня при его торцевом нагреве. Экспери-
менты выполнены с использованием современ-
ных бесконтактных методик измерения тем-
2
Re D nπ
=
ν
( ) 0,3331,043Nu 4,149 Re Gr Pr = ⋅ + ⋅
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2010, т. 32, №3 23
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
пературы инфракрасной камерой. Результаты
исследований позволили получить соотноше-
ние для определения коэффициента конвектив-
ной теплоотдачи, что может быть использовано
для верификации соответствующих расчетных
методик. Экспериментальные данные по рас-
смотренной задаче с использованием бескон-
тактных измерений получены впервые.
Автор благодарен сотрудникам ЗАТ «ЕК
Днепрооблэнерго» за предоставление инфра-
красной камеры для проведения эксперимен-
тальных работ, студентам и сотрудникам
кафедры прикладной газовой динамики и
тепломассообмена Днепропетровского нацио-
нального университета, оказавшим помощь в
проведении экспериментальных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кожевников А.А. Тепловой фактор при
бурении скважин. / А.А. Кожевников, С.В. Го-
шовский, А.Ю. Дреус и др. – К.: УкрГГРИ,
2008. – 166 с.
2. Резников А.Н. Теплофизика процессов
механической обработки материалов./ А.Н.
Резников – М.: Машиностроение, 1981. – 279 с.
3. Алексеев Л.А. Об энергии на долоте и ее
реализации. / Л.А. Алексеев, Г.Г. Ишбаев // Сб.
науч. трудов ИСМ НАН Украины «Породораз-
рушающий и металлообрабатывающий инстру-
мент – техника и технология его изготовления и
применения», вип.11, 2008.– С.56 – 58.
4. Александров В.М. Контактная задача для
тел с покрытием с учетом нелинейного трения,
износа и тепловыделения от трения // Изв. РАН.
Механика твердого тела. – 2003 – №4 – С.128 –
135.
5. Максимович В.Н. Плоская термоупругая
задача с учетом тепловыделения / В.Н. Мак-
симович, Ю.И. Бабей, П.Б. Кратюк // Фіз.–хім.
механіка матеріалів. – 1986 – № 6 – С.76 – 81.
6. Дреус А.Ю. О моделировании процессов
теплопереноса на забое при бурении скважи-
ны/ А.Ю. Дреус, А.А. Кожевников, А.И. Чайка
// Промышленная теплотехника. – 2007. – Т. 29,
№3. – С.29 – 35.
7. Лыков А.В. Тепломассообмен. – М.: Энер-
гия, 1978. – 480 с.
8. Дорфман Л.А. Гидродинамическое сопро-
тивление и теплоотдача вращающихся тел. М.:
Физматгиз, 1960. – 260 с.
9. Васильев А.Н. Об исследовании теплооб-
мена вращающегося цилиндра при вынужден-
ной конвекции / А.Н. Васильев, В.В. Голубев
// Инж.-физ. журнал. – 1981. – №3, Т.41. –
С. 414 – 421.
Получено 15.12.2009 г.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-60539 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T19:05:48Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дреус, А.Ю. 2014-04-16T11:09:12Z 2014-04-16T11:09:12Z 2010 Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве / А.Ю. Дреус // Промышленная теплотехника. — 2010. — Т. 32, № 3. — С. 18-23. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60539 536.2 Представлены результаты экспериментального исследования теплоотдачи вращающегося цилиндрического стержня при генерировании теплоты трения на торце. Получена картина температурного поля по длине цилиндра, и определены локальные и средние коэффициенты конвективной теплоотдачи. На основе обработки полученных данных предложено критериальное соотношение для определения среднего числа Нуссельта для рассматриваемого случая. Представлено результати експериментального дослідження тепловіддачі циліндричного стрижня, що обертається, з урахуванням генерування теплоти тертя на торці. Отримано картину температурного поля за довжиною стрижня, та визначено локальні й середні коефіцієнти конвективної тепловіддачі. На основі обробки даних, що отримані, запропоновано критеріальне співвідношення для середнього числа Нусельта у випадку, що розглядається. The results of the experimental investigation heat transfer for rotation cylindrical rod under generating of friction heat at the rod end are present. The temperature field is obtained and local and average heat transfer coefficients are determined. On the base of experiments data the relation for Nusselt number is proposed. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве Experimental study of heat transfer rotating rod under heating on the end Article published earlier |
| spellingShingle | Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве Дреус, А.Ю. Тепло- и массообменные процессы |
| title | Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве |
| title_alt | Experimental study of heat transfer rotating rod under heating on the end |
| title_full | Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве |
| title_fullStr | Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве |
| title_full_unstemmed | Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве |
| title_short | Экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве |
| title_sort | экспериментальное исследование теплоотдачи вращающегося стержня при торцевом нагреве |
| topic | Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet | Тепло- и массообменные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/60539 |
| work_keys_str_mv | AT dreusaû éksperimentalʹnoeissledovanieteplootdačivraŝaûŝegosâsteržnâpritorcevomnagreve AT dreusaû experimentalstudyofheattransferrotatingrodunderheatingontheend |