Методические пособия / Лаб.раб. №3. Исследование теплоотдачи при естественной конвекции около горизонтального цилиндра / Методич. указ

Лабораторная работа № 003.

«Исследование теплоотдачи при естественной конвекции около горизонтального цилиндра».

Цель работы: Экспериментально определить коэффициент теплоотдачи на поверхности горизонтально расположенного цилиндра при естественной конвекции в неограниченном пространстве и сопоставление результатов опытов с теоретическими данными.

Описание экспериментальной установки.

Экспериментальная установка состоит из пульта управления с вмонтированными в него контрольно-измерительными приборами, системы электрического питания и рабочего участка.

Рабочий участок (7) представляет собой металлическую трубу, изготовленную из нержавеющей стали, расположенную горизонтально. Нагрев рабочего участка осуществляется посредством пропускания по нему электрического тока низкого напряжения. Электропитание подводится к зажимам на концах трубы. Торцы рабочего участка теплоизолированы. Геометрические размеры рабочего участка приведены в паспортных данных установки. Принципиальная схема рабочего участка представлена на рисунке 2. Для управления интенсивностью электрообогрева рабочего участка предусмотрен автотрансформатор (2). Падение напряжения на рабочем участке измеряется цифровым вольтметром (3).

Для измерения распределения температуры по контуру наружной поверхности трубы установлены хромель-копелевые термопары (5). Горячие спаи термопар привариваются к наружной поверхности трубы в среднем ее сечении и располагаются вдоль образующей контура поперечного сечения трубы под углом, отсчитываемым от нижней (критической) точки.

Схема размещения термопар приведена на установке. Термо-ЭДС термопар измеряется милливольтметром (8). В системе измерения температур поверхности трубы предусмотрен переключатель термопар (7), позволяющий последовательно опрашивать температурные датчики.

Порядок проведения опытов.

Прежде чем включить установку в электрическую сеть, необходимо вывести против часовой стрелки регулятор мощности (5). Затем включить установку в сеть тумблером (1). Тогда загорится контрольная сигнальная лампочка (2), включить подачу питания на измерительные приборы тумблером (3) и подачу напряжения электрического тока тумблером (4). Посредством планового вращения ручки регулятора мощности (5) установить напряжение электрического тока по цифровому вольтметру (6), обеспечивающее заданный температурный режим рабочего участка. Через 10-15 мин. после установления заданной электрической мощности наступает стационарный тепловой режим и производится измерение падения напряжения на рабочем участке по показаниям цифрового вольтметра (6) и реализуется последовательный опрос всех термопар с помощью многопозиционного переключателя (9), снимая показания с милливольтметра (8). Через 2-3 мин. следует повторить измерения и, если показания приборов за этот промежуток времени не изменились, можно перейти к измерениям на других режимах. Температура и давление окружающей среды регистрируются до и после эксперимента, и определяется их среднее значение. Результаты измерений записываются в протокол эксперимента.

По окончании экспериментов вывести ручку регулятора мощности (5) в нулевое положение, выключить тумблеры подачи напряжения (3) и (4) и отключить подачу напряжения на установку.

Обработка результатов измерений

1. Для определения среднего по поверхности трубы коэффициента теплоотдачи используется формула Ньютона.

В рассматриваемых условиях опытов теплота, выделенная на экспериментальном участке в результате пропускания по нему электрического тока Q, отдается в окружающую среду как посредством естественной конвекции Q_к, так и посредством излучения Q_и. Поэтому теплота, отдаваемая поверхностью трубы посредством конвекции Q_к, определяется как разность между теплотой, выделяемой электрическим током Q, и теплотой, отдаваемой посредством лучистого теплообмена Q_и, т.е.

Q_к=Q-Q_и

и соответственно плотность теплового потока q_w определится, как

q_w=Q/F

где F – площадь наружной поверхности трубы;

2. Определяется теплота, выделенная на экспериментальном участке в результате пропускания по нему электрического тока

Q=U²/R

где U – напряжение электрического тока, подаваемого на экспериментальный участок и измеряемое вольтметром в вольтах;

R – электросопротивление трубы:

R=*l/S

где l – длина трубы;

S – площадь поперечного кольцевого сечения трубы:

S=(/4)*(d²-d₀²),

где d – наружный диаметр трубы;

d₀=d-2*s – внутренний диаметр трубы;

s – толщина стенки;

 – удельное электросопротивление материала трубы, для нержавеющей стали, удельное электросопротивление определяется в зависимости от температуры согласно эмпирической зависимости

=7,5*10^-7*[(t_w+273)/273]^0,236,

где t_w – средняя температура трубы:

t_w=(1/n)*t_wi

где t_wi – значение измеряемых температур по контуру поперечного сечения трубы;

n – количество измерений в сечении трубы;

3. Определяется теплота, отдаваемая поверхностью трубы в окружающее пространство посредством излучения согласно закону Стефана-Больцмана

Q_и=5,67**F*[(T_w/100)⁴-(T_f/100)⁴]

где =0,6 – степень черноты;

Т_w – средняя по контуру поперечного сечения температура поверхности трубы, измеренная в Кельвинах;

Т_f – температура среды в Кельвинах;

F – площадь наружной поверхности трубы:

F=*d*l

4. Определяется плотность теплового потока на поверхности трубы, обусловленная теплообменом, посредством естественной конвекции:

q_w=Q_к/F=(Q-Q_и)/(*d*l)

[q_w]=Вт/м²

5. Для каждого температурного режима определяется среднее (по контуру поперечного сечения трубы) значение коэффициента теплоотдачи согласно формуле Ньютона:

=q_w/(T_w-T_f)

[]=Вт/м²*К

6. Определяются критерии подобия:

Nu_f=*d/,

Gr_f=[g**d³*_f²*(T_w-T_f)]/_f²

Pr_f=_f/a_f

где в качестве определяемой температуры используется температура среды Т_f;

Pr_f=0,7 – критерий Прандтля;

g=9,81м/с² – ускорение свободного падения;

 – коэффициент объемного расширения;

=1/Т_f

_f – плотность воздуха, определяемая из уравнения состояния;

_f=p₀/R*T_f

где р₀ – давление окружающей среды в Паскалях;

R=287 Дж/кг*К – газовая постоянная воздуха;

_f – теплопроводность [Вт/м*К];

_f – динамическая вязкость определяемые в зависимости от температуры среды по эмпирическим зависимостям [нс/м²];

_f=0,0245*(T_f/273)^0,82

_f=1,72*10^-5*(T_f/273)^0,683

7. Результаты расчетов сводятся в таблицу.

8. В логарифмических координатах строится зависимость lgNu_f=f[lg(Gr_f*Pr_f)] для среднего (по контуру поперечного сечения трубы) значения критерия Нуссельта. На зависимость наносятся соответствующие экспериментальные значения.

Оценка погрешностей измерений

Среднеквадратичная погрешность измерения суммарного коэффициента теплоотдачи определяется

=(/)=[(2*U/U)²+(R/R)²+(d/d)²+(l/l)²+{(t_cт+t_ж)/(t_ст-t_ж)}²]^1/2

Абсолютные погрешности измерений величин, входящих в уравнение, определяются в соответствии с классом точности используемых приборов. При вычислении погрешности измерения температуры необходимо также учитывать погрешности градуировки термопар.