4 Порядок выполнения рабоы
4.1 Ознакомиться с конструкцией лабораторной установки. Проверить наличие воды в кожухе теплообменника и включить электронагреватель.
4.2 После закипания воды включить вентилятор и полностью открыть заслонку (наибольший расход воздуха).
4.3 Подождать появления стационарного теплового режима, который характеризуется неизменностью показания всех термометров во времени при постоянном расходе воздуха, такой режим наступает обычно через 3…5 минут после включения вентилятора.
4.4 Измерить температуры, перепад давления, занести их в таблицу наблюдений. Измерения повторить 3 раза с интервалами 1 мин. Результаты измерения занести в таблицу 8.2.
4.5 Изменяя положение заслонки, провести измерения для 5-ти различных расходов воздуха, в соответствии с п. 8.4.4.
4.6 Выключить вентилятор и электронагреватель.
4.7 Обработать полученные результаты, определить коэффициент теплопередачи и построить в общих осях координат графики К=ƒ(ω) по опытным данным и α2=ƒ(ω) по расчёту.
4.8 Сделать вывод о соответствии опытных и расчетных данных, объяснить вид полученной зависимости и указать пути снижения погрешности опыта.
5 Обработка результатов опыта
Рассчитываются следующие величины:
Средняя температура потока воздуха в процессе теплообмена, 0С:
(8.3)
где
-
температуры воздуха на входе и выходе,
0С.
Плотность воздуха на входе () и при средней температуре (ρ):
(8.4)
где ρ0=1,293 кг/м3 - плотность воздуха при нормальных условиях;
Т2’ и Т2 - абсолютные температуры воздуха на входе и средняя, К;
РБ - атмосферное давление, кПа.
Массовый расход воздуха, кг/с:
(8.5)
где ∆р - перепад давлений на диафрагме, мм. вод. ст.
Тепловой поток, передаваемый в теплообменнике воздуху, Вт:
Ф=m·ср·( t2” - t2’), (8.6)
где ср=1000 Дж/(кг·К)-массовая теплоёмкость воздуха.
Коэффициент теплопередачи для тонкостенной трубы определяется из уравнения (8.1), в котором А - площадь теплообмена определяется по внутреннему диаметру (d = 53 мм) и длине (l=750 мм) трубы теплообменника; t1 и t2 - температуры кипящей воды и средняя для воздуха. Средняя скорость воздуха в теплообменникt, м/с:
m(1, (8.7)
где А1 - площадь сечения трубы теплообменника, м2.
По результатам обработки строится график К=ƒ(ω).
Относительная погрешность при определении коэффициента теплопередачи определяется по формуле:
;
(8.8)
где
∆Б,
t,
∆(∆р), ∆d,
∆l
- абсолютное
погрешности измерения атмосферного
давления, температуры, перепада давления
на диафрагме, диаметра и длины (см.
введение). Определение коэффициента
теплопередачи расчетным путем
Для оценки эксперимента полученные по результатам опыта коэффициенты теплопередачи сравниваются со значениями К, рассчитанными для каждого расхода воздуха на основе теории теплообмена. Для тонкостенной трубы можно применить формулу (8.2).
В нашем случае термическое сопротивление теплоотдачи от кипящей воды к стенке 1/α1 и термическое сопротивление стенки δ/λ несравненно меньше, чем термическое сопротивление теплоотдачи от стенки воздуху 1/α1. Поэтому, в условия нашего эксперимента можно принять:
К≈ α2.
Для расчета воспользуемся теорией подобия. Воздух внутри трубы движется под действием вентилятора, вынужденно. Для турбулентного движения воздуха в каналах критериальное уравнение имеет следующий вид:
,
(8.9)
где Nu=α·d/λ - критерий подобия Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи, в него входит искомая величина - коэффициент теплоотдачи - α;
Re=ω·d/γ - критерий подобия Рейнольдса, характеризующий режим вынужденного движения жидкости или газа;
d - внутренний диаметр трубы, м; d=53 мм;
λ - теплопроводность, Вт/(м2·К);
γ - кинематическая вязкость, м2/с;
ω - средняя скорость потока воздуха, м/с;
εl - коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи на начальном участке трубы, если l/d<50, то εl берётся из приложения Г.
Для длинных труб (l/d>50) принимается εl=1.
Физические параметры воздуха (λ, γ) берутся из приложения В по средней температуре воздуха t2.
Из уравнения (8.9) определяется критерии Нуссельта и, затем, коэффициент теплоотдачи:
α2=Nu·λ/d. (8.10)
Расчетные значения α2=φ(ω) строятся для сравнения на одном графике с опытными данными.