Лабораторная работа №5

Теплоотдача трубы при свободном движении воздуха

Цель работы – углубление знаний по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости или газа (природной конвекции), ознакомление с методикойэкспериментального исследования процесса и получения навыков в проведении экспериментов.

В результате работы должны быть усвоены основные понятия конвективного теплообмена – коэффициент теплоотдачи, виды конвекции, факторы, которые влияют на процесс теплоотдачи.

Конвективным теплообменом (теплоотдачей) называется одновременный перенос теплоты теплопроводностью и конвекцией от поверхности твёрдого тела к жидкости или газу и наоборот, от жидкости или газа к поверхности твёрдого тела. Конвективный тепловой поток Q_к с поверхности твёрдого тела площадью F с температурой к жидкости или газу с температуройопределяется по закону теплоотдачи (Ньютона-Рихмана)

(5.1)

где - коэффициент теплоотдачи (теплообмена) от стенки к жидкости или наоборот.

Конвекция может быть свободной и вынужденной. Свободным называется движение, которое возникает в результате разницы плотности нагретых и холодных частей жидкости. Такое движение всегда возникает около тела, если температура его отличается от температуры окружающей среды в гравитационном поле. Пусть, например, нагретая труба находится в воздухе. Тогда устанавливается неравномерное распределение температуры и свободное движение воздуха. При этом, естественно, теплота, принятая воздухом от трубы, переносится ним в окружающее пространство.

Количество перенесённой теплоты будет тем больше, чем больше разница плотностей, то есть разница температур нагретых и холодных слоёв воздуха. Итак, теплоотдача тела в первую очередь определяется разницей температур тела и окружающей среды . Кроме того, интенсивность теплоотдачи зависит также от формы, геометрических размеров, расположения поверхности в пространстве, физических особенностей среды (), режима движения и ряда других факторов. В данной работе надо установить влияние только температурного напора. Экспериментально коэффициент теплоотдачи определяется по закону теплоотдачи (Ньютона-Рихмана):

(5.2)

Итак, чтобы найти значение с уравнения (5.2), надо знать

Описание установки

Исследовательская установка рис.22 расположена в большой комнате с постоянной температурой. Объектом исследования является полированная стальная труба 7, помещённая горизонтально (d=14мм – внутренний диаметр; l = 845 мм – длина трубы) или вертикально (d=14мм – внутренний диаметр; l = 706 мм – длина трубы). В середине трубы находится электронагреватель 8. Энергия выделяется по длине трубы равномерно. Тепловой поток от трубы к воздуху в стационарном режиме определяют по показаниям ваттметра 9. Мощность, которую потребляет электронагреватель регулируют с помощью лабораторного автотрансформатора 10. Для измерения температуры стенки, которая отдаёт теплоту, на внешней поверхности труб кладут 6-7 медь-константановых термопар 6. Термопары расположены вдоль двух противоположных образующих цилиндра. Электроды термопар выведены к переключателю 5. Термопары имеют общий холодный спай, размещённый в пробирке с маслом 3. Масло имеет температуру окружающей среды. ЭДС термопар измеряют вольтметром 4. Измеренная в опытах ЭДС соответствует разнице температур:

(5.3)

Температуру воздуха измеряют на расстоянии от исследуемой трубы ртутным термометром.

Рис.22 Схема исследовательской установки для определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха.

1 – пробирка с маслом; 2 – холодный спай; 3 – ртутный термометр; 4 – вольтметр; 5 – переключатель; 6 – горячие спаи термопар; 7 – труба; 8 – нагреватель; 9 – ваттметр; 10 – автотрансформатор.

Выполнение работы и обработка результатов исследования.

После ознакомления с описанием исследовательской установки надо подготовить форму протокола для записи наблюдений, проверить правильность включения измерительных приборов и наличие масла в посудине 1 холодного спая термопар. После проверки схемы преподавателем можно начинать опыт. Все измерения выполняют при стационарном тепловом режиме установки, который характеризуется неизменностью показаний устройств во времени и устанавливается через 30-50 мин после включения либо изменения тока. Установив точность нагревателя надо убедиться, что установка на стационарный режим. Для этого вольтметром фиксируют показания одной из термопар через каждые 3 мин. Как только показания термопар начнут повторяться, можно считать, что установка вышла на стационарный режим. После этого вольтметром измеряют показания других термопар, мощность ваттметром, температуру окружающей среды термометром, установленным в пробирке с маслом.

Для перехода на новый температурный режим надо изменить напряжение на нагревателе автотрансформатором. Для выполнения работы в полном объёме надо провести опыты при 3-х – 4-х разных температурах стенки в интервале 10...50°С. Во время опытов двери комнаты надо закрыть, а студентам сидеть на месте. Результаты измерений и расчётов надо занести в таблицу 5.

Внимание!!! Включает и выключает электрический ток преподаватель!!!

Для обработки можно использовать только данные, которые были получены при установленном тепловом состоянии системы. Обычно берут средние значения показателей приборов 3-х последних записей. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от трубы у воздуху вычисляют по закону теплоотдачи:

(5.3)

где l – длина исследовательской трубки, м; d - диаметр, м; - средняя разница между температурами поверхности трубы и окружающей среды. Конвективный тепловой поток определяют как разницу между общим тепловым потоком и потоком излучения по равенству:

(5.4)

где Q – общий тепловой поток от поверхности трубы к воздуху и равняется мощности нагревателя.

Излучаемый поток, который передаётся трубкой тепловым излучением, определяется:

(5.5)

где С_зв – сведённый коэффициент излучения, Т_ст , Т_пов – абсолютные температуры исследовательской трубы и окружающей среды; - внешняя поверхность исследовательской трубы, м². Поверхность окружающих тел намного больше, чем поверхность исследовательской трубы. Поэтому можно считать, что сведённый коэффициент излучения С_зв равен коэффициенту излучения С исследовательской трубы. Для стальной слабополированной трубы можно взять С = 1,0 Вт/(м ²К ⁴). Расчётную температуру исследовательской трубы определяют по среднеарифметическому значению ЭДС термопар, расположенных

Таблица 5

Диаметр трубы ; Длина трубы ; Площадь поверхности трубы
№ п/п	Наименование величин	Формула	Номер опыта
1	Мощность нагревателя	N=Q, вт
2	ЭДС термопар
3	Среднеарифметическое значение ЭДС
4	Температура холодного спая	tхс
5	ЭДС холодного спая	Eхс
6	Средняя ЭДС рабочих спаев термопар
7	Средняя температура поверхности трубы
8	Температура воздуха	tпов Tпов = tпов+273
9	Средний температурный напор
12	Излучаемый тепловой поток
13	Коэффициент теплоотдачи
14	Теплопроводность воздуха
15	Кинематическая вязкость воздуха
16	Число Нуссельта
17	Число Грасгоффа
18	Число Релея

на поверхности трубы и температуры холодного спая по градиентной зависимости. В первичной обработке результаты опыта представляют в виде зависимости и строят соответсвтующий график. Зависимостьобобщает результаты проведённых опытов. Для распространения полученных результатов на другие подобные процессы надо обобщить расчётные данные и представить их в критериальном виде:

(5,6)

где - критерий Нуссельта;

- критерий Грасгоффа;

- критерий Прандтля;

- определяющий размер, для горизонтальної труби – диаметр, а для вертикальной – высота;

- теплопроводность воздуха;

- кинематическая вязкость воздуха.

Для каждого опыта рассчитывают численные значения критериев и по методу наименьших квадратов определяют значение коэффициентовв зависимости (5,6). Полученные точки наносят на графикв логарифмическом масштабе, и строят зависимость.