Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой.

2. Проверить готовность установки к работе: присоединение к экспериментальному стенду ЛАТР.

3. Включить установку и с помощью ЛАТР установить силу тока I=0,3…0,4A (или напряжение U=40…50В).

4. Измерять температуры на внутренней и внешней поверхностях цилиндра через каждые 5 мин. Показания приборов (амперметра, вольтметра и логометра) заносить в подготовленную форму протокола испытаний (таблицу 1).

5. При достижении стационарного (установившегося) режима, когда температура в одной и той же точке в течение 5 мин изменяется не более чем на 1-2ºС, перейти на следующий режим.

6. Повторить эксперимент при I=0,6…0,7A, U=80…90В и при I=0,9…1,0A, U=100…120В.

Таблица 1 - Протокол испытаний

№ опыта	Сила тока I, A	Напряжение U, B	Температура, оС
			внутренней поверхности					наружной поверхности
			1	2	3	4	сред-няя	1	2	3	4	сред-няя

Обработка результатов эксперимента

1. Тепловая мощность, выделившаяся в электронагревателе и подведенная к исследуемому материалу

W=IU, Вт (9)

2. Тепловой поток, прошедший через слой материала в форме цилиндра

, Вт (10)

3. Коэффициент теплопроводности материала

, Вт/мК; (11)

где d₁ и d₂ – соответственно внутренний и наружный диаметры цилиндра, заполненного исследуемым материалом, м; l – длина трубы, м; t_вн и t_нар – средние значения температуры на внутренней и наружной поверхности цилиндрической стенки в установившемся режиме.

Содержание и оформление отчета по работе

1. Цель работы, основные понятия и расчетные формулы.

2. Принципиальную схему установки.

3. Протокол испытаний.

4. Обработку результатов испытаний.

5. График зависимости коэффициента теплопроводности от температуры , где t_ср – средняя температура исследуемого материала ().

Практические задания для самостоятельного изучения данной темы

Исходные данные для выполнения заданий по данной теме принимаются по двум последним цифрам зачетной книжки из приложения Б.

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Дать определения «теплообмен», «конвекция», «температурное поле», «стационарный тепловой режим», «нестационарный тепловой режим», «теплопроводность».

2. Сформулируйте закон Фурье.

3. Что представляет собой уравнение температурного поля при стационарном режиме?

4. Как изменяется теплопроводность твердых и жидких веществ с повышением температуры?

5. Физический смысл коэффициента теплопроводности.

6. Что называется эквивалентной теплоповодностью?

7. Что такое термическое сопротивление теплопроводности тела?

8. Как определить линейное термическое сопротивление теплопроводности цилиндрической стенки?

9. Как определяются температуры между слоями в многослойной цилиндрической стенке?

Литература

[1, с.90-93]; [2, с.306-347]; [4, с.134-151]; [8, с.4-10].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Теплоотдача при свободном движении воздуха

Цель работы: изучить теорию теплоотдачи при свободном движении жидкости (газа) в неограниченном пространстве; экспериментально определить коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции; получить навыки в проведении экспериментальных работ и обработке опытных данных.

Задание

1. Определить значение коэффициента теплоотдачи для горизонтальной цилиндрической трубы при различных тепловых режимах.

2. Обработать экспериментальные данные и представить их в обобщенном виде.

3. Составить отчет о выполненной работе.

Основные теоретические положения

Теплоотдача - перенос теплоты между двумя непосредственно соприкасающимися телами, сопровождающееся переносом массы. Одно тело - это жидкость, под которой подразумеваются как капельные жидкости, так и газы; другое тело - стенка.

Свободное движение – это движение, возникающее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости (газа). Это движение возможно, если температура тела, около которого движется жидкость, отличается от температуры окружающей среды. Свободное движение жидкости может быть как ламинарным, так и турбулентным. При ламинарном (слоистом) движении струи жидкости не пульсируют и в своем течении повторяют очертание канала или стенки; при турбулентном – происходит постоянное перемешивание жидкости, скорость жидкости в каждой точке переменна и часто изменяется по величине и направлению. Режим движения определяется физическими свойствами жидкости, геометрическими размерами тела, вдоль которого движется жидкость, и разностью температур поверхности тела и жидкости.

Теплота, воспринимаемая жидкостью от поверхности тела, переносится в окружающее тело пространство. Согласно закону Ньютона-Рихмана, тепловой поток Ф от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена и разности температур между температурой твердой стенки и температурой жидкости

Ф=αF(t_ст -t_ж), (1)

где Ф - тепловой поток, Вт;

F- площадь стенки, м²;

t_ст, t_ж- температуры стенки и жидкости, ^оС;

α- коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К.

Процесс теплоотдачи количественно и качественно характеризуется коэффициентом теплоотдачи α, который зависит от ряда факторов: физических свойств омывающей поверхность жидкости (плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности и др.), формы и размеров поверхности, природы возникновения движения среды, скорости движения. Как видно, α является функцией большого числа переменных, и найти эту функцию аналитическим путем в общем виде не представляется возможным. Поэтому для расчета процесса теплоотдачи используют теорию подобия, которая позволяет вместо размерного уравнения представлять коэффициент теплоотдачи в форме зависимостей, состоящих из безразмерных комплексов.

Критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при свободном движении в неограниченном пространстве, имеет вид

, (2)

где Nu_ж – критерий (число) Нуссельта:

, (3)

Gr_ж – критерий (число) Грасгофа:

, (4)

Pr – критерий (число) Прандтля:

, (5)

c – постоянный множитель критериального уравнения;

n – показатель степени;

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К ;

d – диаметр трубы, м ;

λ – теплопроводность жидкости (газа), Вт/мК;

g– ускорение свободного падения – 9,81 м/с²;

β – коэффициент объемного расширения, , 1/К;

Δt – температурный напор, Δt=t_ст –t_ж, К;

ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

а – коэффициент температуропроводности, м²/с.

Gr_ж и Pr_ж определяется при температуре жидкости, Pr_ст – при температуре стенки.

Для газов число Прандтля практически величина постоянная, не зависящая от температуры. Поэтому для данной работы, где теплота передается воздуху, критериальное уравнение будет связывать два числа подобия, т.е. иметь следующий вид:

(6)

Схема экспериментальной установки

Установка для определения коэффициента теплоотдачи (рисунок 1) состоит из металлической трубы 1 (d=0,072м, l=0,625м), внутри которой находится электронагреватель 2, закрытый трубкой 3, торцовой изоляции 4, термопар 5, установленных по винтовой линии по внешней поверхности металлической трубы, гнезда 6 соединения которых выведены на панель экспериментального стенда лабораторного автотранспорта (ЛАТР) 7, амперметра 8, вольтметра 9, логометра 10.