Порядок выполнения работы

1. Через лабораторный трансформатор включить ток нагревателя. До уста-новления стационарного теплового состояния системы через каждые 5 - 10 мин производить запись показаний приборов. Опыт считать законченным после того, как показания прибора 6 на протяжении нескольких замеров остаются неизмен-ными. Следующий опыт проводить при другом температурном режиме; для этого нужно автотрансформатором изменить мощность нагревателя 3. Рекомендуется проводить опыты при мощности нагревателя в пределах 100 - 250 Вт.

2. Для обработки используются данные, полученные при установившемся тепловом состоянии системы; обычно берут средние значения показаний прибо-ров из последних трех записей. Данные измерений и расчетов свести в таблицу по форме 2.

Форма 2

Геометрические параметры трубы: d₁=…, мм; d₂=…, мм; l=…, м.

№ оп.	Q,Вт	Е1	Е3	Е1ср	Е2	Е4	Е2ср	t1 оС	t2 оС	Вт/(м·К)
			мВ			мВ

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

По измеренным Е_1ср и Е_2ср (средние значения ЭДС термопар, закрепленных на внутренней и наружной поверхностях цилиндрического слоя исследуемого материала) из градуировочной таблицы П.6 найти температуры t₁ и t₂. Вычислить коэффициент теплопроводности исследуемого материала:

, Вт/(м·К). (6)

Полученное из уравнения (6) значение коэффициента теплопроводности следует отнести к средней температуре исследуемого материала.

Определив для трех разных режимов опыта, построить график зависи-мости коэффициента теплопроводности от средней температуры исследуемого материала.

4. Содержание отчета

Заполненная форма, расчеты и график.

Литература: [2], с. 12…14.

Лабораторная работа 3 теплоотдача горизонтальной и вертикальной труб при свободном движении воздуха

1. Цель работы

Определение коэффициентов теплоотдачи горизонтальной и вертикальной труб при свободном движении воздуха, установление их зависимости от темпе-ратурного напора; сравнение опытных данных с расчетными, полученными из уравнений подобия.

2. Основные теоретические положения

Процессы теплообмена, связанные с движением жидкостей, соприкаса-ющихся с поверхностью твердых тел, получили название конвективного тепло-обмена. В этом случае перенос теплоты осуществляется одновременным дейст-вием теплопроводности и конвекции.

Различают два вида конвекции: свободную и вынужденную. Свободная конвекция, изучаемая в данной работе, возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости или газа, когда температура поверхности тела отличается от температуры окружающей среды. Чем больше эта разность температур, тем интенсивнее процесс свободного конвективного теплообмена. Теплообмен зависит также от физиических свойств среды, формы и положения тела и ряда других факторов.

В основе тепловых расчетов конвективного теплообмена лежит формула Ньютона-Рихмана:

, (7)

где - количество теплоты, отданное поверхностью нагрева жидкости, Вт; F - площадь поверхности нагрева, м²; t_с - t_ж - разность температур поверхности тела и жидкости, К; - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К). Коэффициент теплоотдачи определяет интенсивность конвективного теплообмена и представляет собой количество теплоты, отданное среде поверхностью в 1 м² в единицу времени при разности температур между поверхностью нагрева и средой в 1 градус.

В современном учении о конвективном теплообмене принято обрабатывать данные эксперимента в виде безразмерных комплексов, называемых числами подобия. Эта обработка позволяет распространять опытные данные исследуемого явления на группу ему подобных. Примером такой обработки служит уравнение подобия, предложенное М. А. Михеевым [2] для случая теплоотдачи горизон-тальной трубы при свободной конвекции воздуха:

, (8)

где - число Нуссельта, позволяющее рассчитать теплообмен у стенки трубы; - число Грасгофа, учитывающее действие подъемных (архимедовых) сил, возникающих при нагреве жидкости у стенки; Pr_ж = ν_ж / а_ж – число Прандтля, характеризующее физические свойства окружающей среды. Здесь: α- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К); - кинематический коэф-фициент вязкости, м²/с; а_ж - коэффициент темперотуропроводности жидкости, м²/с; - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м·К); - коэффициент объемного расширения, равный для газов 1/Т_ж, 1/К; g - ускорение свободного падения, м/с²; d - диаметр трубы, м.

Физические параметры ( ) при вычислении чисел подобия Грасгофа и Нуссельта и величину числа Прандтля выбирают из приложения П.1 по темпера-туре окружающего воздуха; в качестве определяющего размера принимается диаметр трубы.

По вычисленному числу Нуссельта рассчитывается среднее расчетное значе-ние коэффициента теплоотдачи для случая горизонтальной трубы.

При достаточной протяженности вертикальной поверхности, вдоль которой перемещается поток воздуха при свободной конвекции, в нижней части трубы имеет место ламинарное течение в пристенном слое воздуха, которое затем нару-шается, образуя переходный режим, а далее полностью преобразуется в турбулентное. Эти последовательные превращения режимов зависят от темпера-турного напора , а также от протяженности омываемой поверхности.

Для теплообмена вертикальной трубы, омываемой свободным потоком воздуха, М. А. Михеевым [2] рекомендованы следующие уравнения подобия:

при 10³ < (Gr_h,ж·Pr_ж) < 10⁹ (ламинарный режим)

Nu_h,ж=0,76 (Gr_h,ж Pr_ж)^0,25; (9)

при (Gr_h,ж Pr_ж) > 10⁹ (турбулентный режим)

Nu_h,ж=0,15 (Gr_h,ж Pr_ж)^0,33. (10)

В качестве определяющего линейного размера при расчете числа Грасгофа принимают высоту трубы h. Для вычисления числа Нуссельта по формулам (9, 10) физические параметры воздуха (ν_ж , λ_ж), входящие в числа подобия, и величину числа Прандтля находят по температуре воздуха t_ж из приложения П.1. Вычислив число Нуссельта, определяют среднее расчетное значение коэффи-циента теплоотдачи α для случая теплообмена вертикальной трубы при свобод-ной конвекции.

Индексы d, h, ж в уравнениях подобия обозначают определяющий размер – диаметр d, высоту трубы h и определяющую температуру - температуру воздуха t_ж.