Teplo_Koval

Лабораторна робота № 2. "Визначення коефіцієнта тепловіддачі від горизонтальних труб різних діаметрів, виготовлених з однакового матеріалу."

Мета роботи: Робота призначена для поглиблення знань з теорії процесу конвективного теплообміну. Встановлення залежності коефіцієнта тепловіддачі від температури і діаметра труби або площі її поверхні (поверхні тепловіддачі).

Основні теоретичні положення

Конвективний теплообмін (тепловіддача) є процесом передачі тепла від твердої поверхні до газу чи рідини, або навпаки, від рідини чи газу до поверхні. Механізм тепловіддачі включає в себе теплопровідність всередині тонкого шару нерухомого газу або рідини біля поверхні (прикордонний шар) і конвекцію, тобто спосіб передачі тепла, пов’язаний з переміщенням макроскопічних об’ємів газу або рідини.

Закони, які описують процес теплопровідності в прикордонному шарі викладені в підручнику.

Конвекція може бути вільною або вимушеною. При вимушеній конвекції переміщення нагрітих до різної температури об’ємів рідини відбувається під дією якого-небудь стороннього джерела руху (насоса, вентилятора, компресора та інш.)

Вільна конвекція виникає при дотриманні двох умов.

1.Наявності різниці температур, і, отже, різниці густин у об’ємі теплоносія. У досліджуваному випадку різниця температур створюється між поверхнею труби і навколишнім середовищем.

2.Наявності поля тяжіння. Необхідність цієї умови можна пояснити наступним чином: якщо в об’ємі теплоносія, що має температуру t1, виник певний об’єм з температурою t2, то його густина стає або більше (t2 < t1), або менше (t2 > t1) в порівнянні з початковою. Тоді розглянутий об’єм, який має температуру t2, в силу закону Архімеда буде або підніматись, або опускатися відносно всього об’єму теплоносія, тому що він став легшим або важчим навколишніх шарів газу або рідини. Але поняття "легкий" і "важкий" справедливі в полі сил тяжіння. За його відсутності (у невагомості) вільна конвекція не виникає.

Одним з найважливіших завдань розрахунків конвективного теплообміну є визначення кількості тепла, яке віддається або отримується тієї чи іншої поверхнею теплообміну. Це кількість тепла визначається за

11

законом Ньютона:

де F – поверхня тепловіддачі; k – основна характеристика конвективного теплообміну як при вільній, так і під час вимушеної конвекції. Цей коефіцієнт носить назву коефіцієнта тепловіддачі і представляє собою кількість тепла, що віддано або прийняте одиницею поверхні в одиницю часу при різниці температур між поверхнею і теплоносієм в один градус. Отже, його розмірність Дж/(м²·с·град)=Вт/м²·град. Визначення величини k викликає значні труднощі, так як k залежить від багатьох факторів, наприклад, геометрії поверхні, властивостей теплоносія, температури та ін.

Величина k визначається зазвичай з критеріальних рівнянь, отриманих на підставі теорій подібності і розмірностей. Наприклад, тепловіддача в умовах вимушеної конвекції описується рівнянням

Поняття про критерії подібності, що входять в рівняння (2.2), (2.3), (2.4) вводиться за допомогою спеціальної теорії,що має назву теорія подібності. Їх фізичний зміст пояснений в табл. 2.1.

У критеріях Нуссельта, Грасгофа, Рейнольдса міститься величина, яка має назву визначальним лінійним розміром l. Вибір цього розміру для кожного конкретного випадку проводиться таким чином, щоб було враховано той шлях, який проходить теплоносій поблизу поверхні, що нагрівається (охолоджується). Наприклад, повітря вздовж вертикальної труби проходить шлях, який дорівнює довжині труби, а горизонтальну трубу повітря обтікає з діаметру. Значить, в першому випадку l дорівнює довжині труби, а в другому діаметру.

12

В розглянуті критерії подібності входять також властивості теплоносія: λ – коефіцієнт теплопровідності, v – коефіцієнт кінематичної в'язкості і β – коефіцієнт об'ємного розширення. Ці параметри, а також критерій Прандтля вибираються з довідникових таблиць. Коефіцієнт об'ємного розширення для повітря можна також визначити з виразу:

Слід зазначити, що кількість теплоти Q, яку передає труба в навколишній простір, визначається за потужністю, що споживає електронагрівач. Це кількість тепла передається навколишнього середовища шляхом теплообміну і радіації (випромінювання).

Коефіцієнт тепловіддачі k обчислюється (для подальшого визначення критерію Нуссельта) за часткою конвективної складової теплового потоку:

У свою чергу, конвективна складова теплового потоку Qk визначається

13

де – приведена ступінь чорноти (вибирається з довідникової літератури) Необхідно обчислити коефіцієнт тепловіддачі з класичного рівняння

(2.7) і порівняти його з дослідним значенням.

Експериментальна установка, принципова схема якої зображена на рис. 2.1 призначена для встановлення залежності коефіцієнта тепловіддачі від температури і діаметра труби або площі її поверхні (поверхні тепловіддачі). Досліджувані тіла представляють собою дві горизонтальні труби виконані з однакового матеріалу з різними діаметрами dl = 15 мм и d2 = 20 мм. Довжини труб однакові і дорівнюють L = 460 мм.

Рис. 2.1 Схема експериментальної установки

14

Всередині трубок розміщені електронагрівачі з ніхромового дроту, які є джерелом тепла. Тепловий потік розподіляється рівномірно по довжині труби. При стаціонарному режимі все тепло, що виділяється внаслідок електронагріву, передається через поверхню труби до навколишнього середовища. Повна тепловіддача Q з поверхні труби визначається за витратою електроенергії. Споживана потужність електроенергії регулюється за допомогою автотрансформаторів і вимірюється амперметром і вольтметром або ватметром.

Для зменшення втрат тепла з торців трубки мають теплоізоляційні заглушки (12). Для вимірювання температури поверхні в стінках кожної з трубок закладено по 5 – мідь-константових термопар (№№ 1-5 перша труба і №№ 7-11 друга труба). Термопари по черзі підключаються до вимірювального приладу (13) за допомогою перемикача (14).

Порядок проведення досліду

1.Перед проведенням досліду необхідно встановити ціни поділки шкали ваттметра, діаграмної стрічки потенціометра, визначити барометричний тиск

ітемпературу навколишнього середовища по кімнатному барометру та термометру.

2.Повільним обертанням рукоятки автотрансформатора встановити по ватметру необхідну потужність нагрівача (температуру стінки) для першого досліду. При цьому необхідно протягом всього досліду стежити за показанням ваттметра. У випадку відхилення його показань від обраної потужності повільним обертанням рукоятки автотрансформатора встановити початкове значення.

3.Стежити за зміною температури на поверхні труб в контрольних точках термопар. При настанні стаціонарного теплового режиму (значення температур термопар постійні в часі), провести вимірювання і занести до протоколу потужності нагрівача за шкалою ваттметра, значення температур за шкалою потенціометра, а також значення температури навколишнього повітря за шкалою лабораторного термометра.

4.Дослід повторити в трьох режимах, що відрізняються величиною теплового потоку, що виділяється трубами. Всі вимірювання необхідно проводити в стаціонарному режимі. Час, необхідний для встановлення стаціонарності нового режиму, складає приблизно 5-10 хвилин.

Результати показань занести в таблицю 2.3.

15

5. Обробка результатів досліду.

Визначити коефіцієнти тепловіддачі 1 и 2 від двох горизонтальних труб різного діаметру, виконаних з однакового матеріалу.

Встановити, як впливає величина діаметра труби на коефіцієнт тепловіддачі. З огляду на те, що довжина труб однакова, площа бічної поверхні труб визначається тільки значенням діаметра, отже, встановивши залежність = f(d), одночасно встановлюється вид залежності = f(F).

Встановити залежність від температури поверхні труби. Побудувати графік залежності = f(t).

6. Розрахувати похибку, зробити висновки.

16

Лабораторна робота № 3. "Визначення коефіцієнтів тепловіддачі від горизонтальних і вертикальних труб однакового діаметра, виготовлених з однакового матеріалу."

Мета роботи: Робота призначена для поглиблення знань з теорії процесу конвективного теплообміну. Встановлення якісної залежності коефіцієнта тепловіддачі від геометричного положення поверхні тепловіддачі у просторі.

Основні теоретичні положення

Основні теоретичні положення викладені в лабораторних роботах № 1 та № 2. Для виконання роботи використовується дослідна установка, опис якої приведено лабораторній роботі № 2.

Закони, які описують процес теплопровідності в прикордонному шарі

17

Порядок проведення досліду

1.Перед проведенням досліду необхідно встановити ціни поділки шкали ваттметра, діаграмної стрічки потенціометра, визначити барометричний тиск

ітемпературу навколишнього середовища по кімнатному барометру та термометру.

2.Повільним обертанням рукоятки автотрансформатора встановити по ватметру необхідну потужність нагрівача (температуру стінки) для першого досліду. При цьому необхідно протягом всього досліду стежити за показанням ваттметра. У випадку відхилення його показань від обраної потужності повільним обертанням рукоятки автотрансформатора встановити початкове значення.

3.Стежити за зміною температури на поверхні труб в контрольних точках термопар. При настанні стаціонарного теплового режиму (значення температур термопар постійні в часі), провести вимірювання і занести до протоколу потужності нагрівача за шкалою ваттметра, значення температур

18

за шкалою потенціометра, а також значення температури навколишнього повітря за шкалою лабораторного термометра.

4.Дослід повторити в трьох режимах, що відрізняються величиною теплового потоку, що виділяється трубами. Всі вимірювання необхідно проводити в стаціонарному режимі.

Час, необхідний для встановлення стаціонарності нового режиму, складає приблизно 5-10 хвилин.

Результати показань занести в таблицю 2.3.

5.Обробка результатів досліду.

Визначити коефіцієнти тепловіддачі 1 и 2 від двох труб однакового діаметра, виготовлених з одного матеріалу, одна з яких вертикальна, а друга - горизонтальна. Відзначимо, що, як і в попередніх роботах, на обидві труби подається однакова потужність струму, тобто тепловий потік, що надходить від нагрівача, розташованого усередині труби, однаковий.

Встановити залежність від температури поверхні труби. Побудувати графік залежності = f(t).

6. На підставі даних проаналізувати вплив різних чинників (величини поверхні, температури, розташування поверхні в просторі) на коефіцієнт тепловіддачі і на кількість тепла, що віддається тілом.

Встановити, чи впливає розташування труб в просторі на . Якщо так, то як, якщо ні, то чому?

Розрахувати похибку, зробити висновки.

19

Лабораторна робота № 4. " Визначення коефіцієнта тепловіддачі від горизонтального циліндра до повітря при вимушеному русі повітря."

Мета роботи: Визначення локальних і середнього значень коефіцієнта тепловіддачі при русі повітря в трубі. Оцінка за даними експерименту довжини ділянки теплової стабілізації. Дослідження впливу швидкості повітря на коефіцієнт тепловіддачі. Представлення результатів експерименту на стабілізованій ділянці в критеріальній формі і порівняння з відомими в літературі критеріальною залежністю.

Основні теоретичні положення

Робочою ділянкою установки є трубка з нержавіючої сталі. Один кінець трубки сполучений з атмосферою, а інший – шлангом з відцентровим вентилятором.

Опори в яких закріплена трубка, виготовлені з фторопласту. Вони тепло - та електроізолюють трубку 2 від решти елементів конструкції. На кінцях трубки припаяні мідні шайби, до яких від знижувального трансформатора підводиться електричний струм низької напруги для нагрівання робочої ділянки. Електричний опір трубки складає 0,0344 Ом.

Рис. 4.1 Схема експериментальної установки

На рис. 3.1 показана схема вимірювань. Напруга в колі нагрівача регулюється автотрансформатором ЛАТР-2М -2а і реєструється цифровим комбінованим приладом Щ-4313-26. Температура стінки трубки вимірюється десятьма термопарами ТХК 1-За — 10-За, гарячі спаї яких припаяні до її

20