
- •Глава 3. Теплопередача
- •3.1. Лабораторная работа: «Определение коэффициента теплопроводности воздуха методом нагретой нити»
- •3.1.1. Введение
- •3.1.2. Цели и задачи лабораторной работы
- •3.1.4. Контроль знаний студента
- •3.1.5. Программа исследования
- •3.1.5.1. Описание экспериментальной установки
- •3.1.5.2. Проведение опыта
- •3.1.6. Обработка результатов исследования
- •3.1.7. Требования к содержанию отчета по работе
- •3.2. Контрольные задания «Теплопроводность»
- •3.3. Лабораторная работа: «Исследование теплообмена излучением»
- •3.3.1. Введение
- •3.3.2. Цели и задачи лабораторной работы
- •3) Сопоставление полученных результатов с известными литературными данными;
- •4) Составление отчета по выполненной работе.
- •3.3.3. Основные теоретические сведения
- •3.3.4. Контроль знаний студента
- •3.3.5. Программа исследования
- •3.3.5.1. Описание экспериментальной установки
- •3.3.5.2. Проведение опыта
- •3.3.6. Обработка результатов исследования
- •3.3.7. Анализ результатов
- •3.3.8. Требования к содержанию отчета по работе
- •3.4. Контрольные задания «Лучистый теплообмен»
- •3.5. Лабораторная работа: «Исследование коэффициента теплопередачи при вынужденном течении жидкости в трубе круглого сечения»
- •3.5.1. Введение
- •3.5.2. Цели и задачи лабораторной работы
- •3) Составление отчета по выполненной работе.
- •3.5.3. Основные теоретические сведения
- •3.5.3.1 Гладкая труба
- •3.5.3.2 Оребренная труба
- •3.5.4. Контроль знаний студента
- •3.5.5. Программа исследования
- •3.5.5.1. Описание экспериментальной установки
- •3.5.5.2. Подготовка установки к эксплуатации
- •3.5.5.3. Проведение опыта
- •3.5.6. Требования к содержанию отчета по работе
- •3.6. Контрольные задания «Теплоотдача при вынужденной конвекции в трубах»
- •3.7. Лабораторная работа: «Определение коэффициента теплоотдачи при пленочном кипении жидкости на цилиндре»
- •3.7.1. Введение
- •3.7.2. Цели и задачи лабораторной работы
- •4) Составление отчета по выполненной работе.
- •3.7.3. Основные теоретические сведения
- •3.7.4. Методика проведения опыта
- •3.7.5. Подготовка установки к работе (для лаборанта)
- •3.7.6. Программа исследования
- •3.7.6.1. Описание экспериментальной установки
- •3.7.6.2. Проведение опыта
- •3.7.7. Обработка результатов исследования
- •3.7.8. Требования к содержанию отчета по работе
- •3.8. Контрольные задания «Теплоотдача при кипении»
3.7.4. Методика проведения опыта
Из экспериментальных данных определяется величина темпа охлаждения на участке пленочного кипения. Если температура ампулы есть функция времени t = f (τ), тогда:
Где
tτ – температура ампулы (в градусах Цельсия) в момент времени τ.
Нагретая ампула погружается в кипящую воду на 10 – 35 мм в зависимости от того, какой продолжительности должен быть эксперимент. Величина глубины погружения определяет площадь поверхности теплообмена, а соответственно и интенсивность отвода тепла от образца. Если h – глубина погружения образца, тогда площадь поверхности теплообмена складывается из двух составляющих:
где d – внешний диаметр ампулы (25 мм), индексом «1» обозначена поверхность образованная боковой поверхностью ампулы, погруженной на глубину h, а индекс «2» соответствует поверхности дна ампулы.
На участке пленочного кипения темп охлаждения сохраняется постоянным вне зависимости от выбранных моментов времени τ1 и τ2.
Удельные теплоемкости материалов ампулы равны:
Масса ампулы и ее составляющих равны соответственно:
По этим данным не сложно найти величину средней массовой теплоемкости ампулы:
Экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи находится по формуле:
,
где ψ – коэффициент неравномерности распределения температур в теле и принимает значения от 0 до 1. Поскольку термическое сопротивление пленки пара много больше чем у составляющих ампулы, то можно принять (ψ = 1).
Из – за малости рабочего участка, в данной установке, реализуется ламинарное течение паровой пленки.
Базируясь на предположении, что толщина паровой пленки есть толщина пограничного слоя и решая уравнения стационарной теплопроводности, для ламинарного движения пленки Нуссельтом была получена теоретическая формула для нахождения коэффициента теплоотдачи:
,
где: λП – теплопроводность пара (при р = 1 бар: λП = 2,372·10-2 Вт/(м·К));
νП – кинематическая вязкость пара (при р = 1 бар: νП = 20,02·10-6 м2/с);
r – удельная теплота парообразования (при р = 1 бар: r = 2256,8 кДж/кг);
g – ускорение свободного падения (9,80665 м/c2);
ρП – плотность насыщенного пара (при р = 1 бар: ρП = 0,598 кг/м3);
ρЖ – плотность насыщенной жидкости (при р = 1 бар: ρЖ = 958,4 кг/м3);
l0 – характерный размер поверхности теплообмена (в случае дна l0 = d; в случае боковой поверхности l0 = h).
с – поправочный коэффициент на расположение поверхности (в случае горизонтальной поверхности с = 0.72, в случае вертикальной с = 0.943)
Δt – разница температур между поверхностью теплообмена и жидкостью в которую она погружена:
где tC – можно ( учитывая малую толщину стенки ампулы) первом приближении принять равной температуре на её внутренней поверхности.
,
где tВНЕШ – температура внешней термопары, заключенной между медной болванкой и стальным корпусом.
Чтобы найти средний коэффициент теплоотдачи по всей поверхности ампулы, необходимо сложить теплоотдачи по поверхностям, предварительно соотнося их к долям этих поверхностей от общей поверхности ампулы.
Получившиеся результаты не должны расходиться более чем на 5%.
Для оценки величины плотности теплового потока используется соотношение:
,
где средние изменение температур тела во времени на коротком участке можно описать линейными функциями:
Индексы «внутр» и «внеш» соответствуют термопарам заключенным в центре и на поверхности медной болванки.
Вторая критическая плотность теплового потока экспериментально оценивается следующим образом:
.
Сначала по данной формуле находится температура предельного перегрева жидкости, которая как и температура насыщения, является функцией только давления (p – давление в барах). Затем оценивается величина критического температурного напора:
После чего по закону Ньютона – Рихмана можно записать:
,
где αКР2 соответствует значению коэффициента теплоотдачи полученному в результате эксперимента.
При необходимости полученный результат можно сравнить с теоретическим соотношением полученным С.С. Кутателадзе:
где σ – коэффициент поверхностного натяжения (при р = 1 бар: σ = 588,6·10-4 Н/м).