5.2 Оформление отчета

Отчет о работе составляется на основе диаграмм записи ЭДС дифференциальных термопар. Отчет должен содержать: название кафедры и лаборатории; фамилию и инициалы студента; номер группы; номер лабораторной работы, ее название и дату выполнения; схему экспериментального стенда; диаграммы записи ЭДС; расчет темпов охлаждения, теплоемкости и коэффициента температуропроводности для каждого интервала температур.

По результатам расчетов построить температурные зависимости теплоемкости и температуропроводности исследуемого материала.

Оценить погрешности измерения.

Сделать выводы по результатам работы.

6. Указания по технике безопасности

При проведении эксперимента необходимо выполнять требования безопасности при работе с жидкими криопродуктами. Переливание жидкого азота допускается только стандартными устройствами.

При выполнении работы следует соблюдать осторожность при работе с электроприборами стенда: напряжение питания 220В.

При появлении любых неисправностей следует обратиться к преподавателю.

7. Вопросы для самоподготовки

1. Что такое регулярный режим охлаждения?

2. Опишите устройство измерительного стенда.

3. Опишите последовательность выполнения работы.

8. Контрольные вопросы

1. Перечислите основные методы определения теплоемкости и коэффициента температуропроводности.

2. В чем особенность используемого в работе метода, его достоинства и недостатки.

3. Какие предельные случаи существуют при регулярном режиме охлаждения? В чем их особенности? Как эти особенности сказываются на распределении температуры?

4. Каковы физические причины полученных температурных зависимостей теплоемкости и температуропроводности для исследуемого вещества?

9. ЛИТЕРАТУРА

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача// М: Энергоиздат. 1981.

2. Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам криогеники.// М.: Энергоатомиздат, 1985.

3. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. // М: Энергия, 1979.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ОПЫТНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОЙ И ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ВОЗДУХА ОКОЛО ТЕЛ РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы — опытное изучение теплообмена при естественной и вынужденной конвекции воздуха, ознакомление с методикой экспериментального исследования интегральных характеристик этих процессов.

2. ВВЕДЕНИЕ

2.1. Свободная конвекция

Свободное движение в жидкости или газе возникает за счет неоднородного распределения в рассматриваемой жидкости массовых сил. Такими силами являются сила тяжести, центробежная сила и др. Наиболее хорошо изучено свободное движение жидкости (газа), вызванное гравитационными силами.

В том случае, когда плотность жидкости зависит температуры, неравномерность пространственного распределения температурного поля приводит к неоднородному распределению плотности, которое, в свою очередь, может приводить движению жидкости. Типичная реализация этого явления имеет место при погружении в жидкость или газ тела, нагретого до температуры, более высокой, чем окружающая его среда. Возникающее при этом движение жидкости называется свободной конвекцией.

Свободная конвекция возникает в том случае, если температура в жидкости или газе падает по направлению снизу вверх, и градиент температуры по абсолютной величине превышает определенное значение, зависящее от коэффициента объемного расширения, удельной теплоемкости жидкости или газа, температуры среды вдали от нагретого тела, и ускорения свободного падения:

, (2.1)

где – удельная теплоемкость жидкости (газа) при постоянном давлении; – температурный коэффициент объемного расширения; Т – температура среды вдали от нагретого тела; g – ускорение свободного падения. Для газа, если его можно считать идеальным, = 1, и условие (2.1) принимает вид

(2.2)

Свободная конвекция сопровождается явлением теплообмена между нагретым телом и окружающей средой. Интенсивность теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи:

, (2.3)

где q – плотность теплового потока; – коэффициент теплоотдачи; – температура нагретой поверхности тела, – температура жидкости (газа) на удалении от нагретой поверхности. Средний (также как и локальный) коэффициент теплоотдачи зависит, очевидно, от теплофизических свойств жидкости, коэффициента объемного расширения, величины температурного напора и от геометрии поверхности теплообмена. Указанная зависимость может быть выражена в безразмерной форме следующим образом:

(2.4)

Безразмерные комплексы могут быть представлены в виде:

– число Нуссельта;

– число Рэлея;

– число Прандтля;

– коэффициент теплопроводности;

– кинематический коэффициент вязкости;

 – плотность жидкости или газа;

– динамический коэффициент вязкости;

– коэффициент температуропроводности;

х – характерный размер нагретого тела;

– коэффициент объемного расширения.

Число Рэлея может быть представлено в виде произведения числа Грасгофа на число Прандтля:

, (2.5)

где – число Грасгофа. При расчете чисел Грасгофа или Рэлея значения свойств жидкости или газа обычно берут при средней температуре .

Постоянные С и п зависят от гидродинамического режима движения жидкости (газа) вблизи поверхности теплообмена. Например, для свободной конвекции около плоской вертикальной поверхности при граничном условии второго рода (q=const) они имеют следующие значения:

а) ламинарный пограничный слой ( )

С = 0,6 n = 1/4

б) турбулентный пограничный слой ( )

С = 0,15 n = 1/3.

Следует отметить, что для промежуточных значений числа Рэлея (переходная ламинарно-турбулентная область) однозначные расчетные рекомендации отсутствуют.

Уравнение (2.4) является ограниченным и не дает полного описания естественной конвекции вблизи тел различной геометрии, поэтому для расширения области его применения вводят поправочный коэффициент K (безразмерную корректирующую функцию). При конвекции в газе поправка (поправка Михеева) не учитывается, и зависимость (2.4) принимает вид:

(2.6)

Если газ можно считать идеальным, то температурный коэффициент объемного расширения рассчитывается по формуле , где – температура газа вдали от нагретого тела, и формула для расчета числа Рэлея принимает вид

. (2.7)

Число Рэлея для идеального газа можно также рассчитать по следующему соотношению:

, (2.8)

где с_v – удельная теплоемкость жидкости (газа) при постоянном объеме; R – индивидуальная газовая постоянная; – средняя температура газа в пограничном слое; р – давление газа. Поскольку атмосферное давление p, как правило, точно не известно, то при обработке экспериментальных данных, полученных в данной лабораторной работе, значение числа Рэлея рекомендуется вычислять по формуле (2.7)

Кинетическая теория газов дает возможность оценить значения коэффициентов теплопроводности газов. Принимая в учет потенциальную энергию взаимодействия молекул газа можно вычислить коэффициент теплопроводности с неплохой точностью. Формула для расчетов теплопроводности газов имеет вид:

, (2.9)

где k – постоянная Больцмана; d_eff – эффективный диаметр соударения молекул; – медленно изменяющаяся функция безразмерной температуры ; ₀ – максимальная энергия притяжения между молекулами (глубина «потенциальной ямы» в потенциале взаимодействия). Значения функции , а также параметров d_eff и ₀ для ряда газов можно найти в [1]. Функция также с достаточной точностью может быть аппроксимирована соотношением

. (2.10)

Поскольку воздух представляет собой смесь газов, формула (2.9) (при d_eff = 3.6 Å и ₀/k = 97.0 K) дает значения теплопроводности воздуха с большой погрешностью (исключая интервал температур 200–260 К), поэтому при обработке результатов экспериментов рекомендуется брать табличные значения коэффициентов переноса.