Лабораторна робота №3
Тепловіддача горизонтальної трубки при вільному русі повітря
Мета роботи - закріпити знання з теорії конвективного теплообміну при вільному русі рідини /природної конвекції/; ознайомитися з методикою експериментального дослідження середньої характеристики процесу, набути навичок проведення дослідів те інтерпретації їх результатів; засвоїти такі ключові поняття: вільний рух рідини, тепловий потік, густина теплового потоку, коефіцієнт тепловіддачі як міра інтенсивності конвективного теплообміну, температурний напір, теплофізичні властивості рідин.
Завдання
1. У процесі виконання експерименту визначити середні коефіцієнти тепловіддачі при вільному русі повітря біля горизонтальної труби залежно від температурного напору “стінка труби - навколишнє повітря”.
2. Розраховувати повну похибку α експериментального визначення в лабораторній роботі.
3. Визначити коефіцієнт тепловіддачі, використовуючи узагальнену критеріальну формулу за умов експерименту та порівняти за графіком отримані результати з дослідними даними.
. 4. На підставі виконаної роботи скласти звіт, який включав; протокол спостережень, схему експериментальної установки, результати розрахунків за експериментальними даними та за критеріальними рівнями , розрахунок похибок.
2. Фізичні основи та формули дій розрахунку середнього коефіцієнта тепловіддачі при вільнії конвекції
Вільний називається рух рідини /газу, крапельної рідини/ під впливом неоднорідного поля масових сил, які прикладаються.до її частинок. Масові сили можуть бути обумовлені зовнішніш полями: гравітаційним, магнітним, електричним.
Вільний рух у гравітаційному полі виникає внаслідок дії різниці густин рідини в різноманітних точках простору. Якщо ця різниця викликана різницею температур поверхні тіла і рідини в розглядуваному об’ємі, то конвективний теплообмін, що виникає при цьому між тілом і рідиною, називають тепловіддачею при вільній конвекції.
Взаемозв’язок процесів руху і теплообміну - характерна особливість явища, що розглядається. Збільшення вказаної різниці температур /температурного напору/ веде до зростання різниці густин рідини і отже, до зростання швидкості її гравітаційного руху.
З явищем теплообміну в умовах природної /вільної/ конвекції доводиться часто зустрічатись при розв'язуванні технічних задач /наприклад, при розрахунку теплових витрат трубопроводів, охолодженні різних виробів при металообробці, тепло- і електроопалювзльних пристроїв тощо/.
У випадку нагрітої труби, що міститься в повітрі, близько розташовані до неї шари повітря нагріваються шляхом теплопровідності. При цьому густина їх зменшується та виникає підіймальна сила, під дією якої нагріте повітря піднімається, а його місце займає холодніше. Якщо геометричні розміри, що характеризують об"єм повітря, досить великі, то взаємодія потоків нагрітого повітря, що піднімається, та Холоднішого, що витісняє нагріте повітря, практично відсутня. Іншими словами, розміри простору, що займає повітря, не впливають на інтенсивність процесу, який в цьому випадку називають вільною конвекцією у великому об’емі.
Інтенсивність тепловіддачі оцінюється коефіцієнтом тепловіддачі -кількістю теплоти,.що віддається або сприймається одиницею поверхні тіла при температурному напорі І К, Вт(м2*К)
де qк - густина теплового потоку, Вт/м2; qк =dQк /dF -тепловий потік, що передається нагрітим тілом шляхом конвекції, Вт; F - площа поверхні тіла, м2; tс , tр - температура відповідно поверхні стінки та рідини /в даному випадку повітря, що оточує трубу/, °С.
За формулою /І/ визначаємо локальні значення α ; якщо необхідно дослідити тепловіддачу в стаціонарних умовах на всій поверхні F то
Заначимо, що коефіцієнт тепловіддачі.є фізичною характеристикою, тобто, отримавши в ході експеримента якісь значення, не можна стверджувати, що відоме значення коефіцієнта тепловіддачі повітря.
Інтенсивність тепловіддачі при вільному русі у великому об’емі залежить: від швидкості руху рідини /ця швидкість буде тим більшою, чим більший температурний напір між стінкой та середовищем/;фізичних властивостей середовища; форми й положення тіла в просторі та ряду інших факторів. Залежно від значення та співвідношення вказаних величин характер руху рідини біля стінки буде різний: при малому температурному напорі переважає ламінарний режим руху, при великому - турбулентний, відповідно до чого змінюється й .тепловіддача. В ці й роботі потрібно встановити вплив температурного напору на інтенсивність тепловіддачі.
Але теорія подібності дозволяє узагальнити відокремлені експериментальні дані у вигляді критеріальних рівнянь. Для крапельних рідин та газів при Pr > 0,7 узагальнена критеріальна формула для обчислення теплообміну при вільній конвекції у великому об’ємі має вигляд
№ П/П |
Режим руху |
Сτ Pτ |
C |
n |
|
1 |
Плівковий |
10-5 |
0,4 |
0 |
|
2 |
Перехідний |
10-15…5*102 |
1,18 |
0,125 |
|
3 |
Ламінарний |
5*102…109 |
0,54 |
0,25 |
|
4 |
Турбулентний |
109…1012 |
0,13 |
0,33 |
У формулі /З/ як характерний розмір для горизонтальних тіл обертання використовується діаметр (l0=d) , а як визначальна температура - середня температура пограничного шару
за якою.в довідкових таблицях знаходять фізичні параметри середовища λ,β,α
Коефіцієнт об'ємного розширення повітря знаходимо за формулою для ідеального газу, І/К: