7.1 Общие указания

Для выполнения данной работы необходимо проработать раздел «Конвективный теплообмен» по работам [4,5] и знать его основные положения. Различают два вида движения теплоносителя - вынужденное и свободное. При свободном движении теплоносителя, как правило имеет место ламинарный, а при вынужденном движении - турбулентный режим движения. Интенсивность конвективного теплообмена определяется режимом (характером) движения жидкости (газа). Свободное движение жидкостей (газов) возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных объемов среды. Движение является свободным, если оно возникает вследствие разности плотностей в жидком и газообразном телах. Свободное движение, возникшее в неравномерно нагретой среде из-за различия температур отдельных слоев жидкости или газа сопровождается теплообменом. т.е. свободной конвекцией. Характер движения при свободной конвекции полностью определяется наличием разности температур.

По своему физическому характеру конвективный теплообмен является весьма сложным процессом и зависит от большого числа факторов, определяющих процесс теплоотдачи. Интенсивность теплообмена между жидкостью (газом) и поверхностью нагрева характеризуется коэффициентом теплоотдачи. В общем

случае, коэффициент теплоотдачи является функцией физических параметров среды, характера движения, геометрической формы, размеров и состояния поверхности стенки, температуры стенки, т.е.температурного напора и т.д. Величина коэффициента теплоотдачи численно равна количеству тепла которое отдает или принимает единица поверхности стенки (1м²) за единицу времени (1 с) и при разности температур между стенкой и средой в 1 градус (1К). В общем случае необходимо учитывать также тепло, передаваемое излучением.

В стационарном процессе теплоотдачи от стенки к большому (практически неограниченному) объему газа можно считать, что на некотором расстоянии от стенки газ неподвижен, а его температура постоянна и равна t_ср. Если температура поверхности стенки t _ст > t _ср , то плотность газа вблизи будет меньше, чем вдали от нее, и возникает теплоотдача свободной конвекцией. Вследствие того, что количество тепла, переда­ваемое свободной конвекцией невелико, а температура стенки значитель­но выше температуры окружающей среды, необходимо учесть тепло, пе­редаваемое излучением.

В настоящей работе изучается теплоотдача от металлических труб разного диаметра к воздуху при различных температурных напорах (раз­ности температур стенки и воздуха).

7.2 Методика проведения эксперимента

Исследование теплоотдачи проводите на опытной установке, схема которой приведена на рис. 7.1.

Лабораторная установка состоит из трех металлических трубок 1 одинаковой длины, но разного диаметра. Внутри трубы установлены элек­трические нагреватели 2, которые служат источником тепла. Режим теп­лообмена регулируйте путем изменения мощности электрических нагревателей реостатом 3. Измерение температуры наружной поверхности труб проводите в трех местах термопарами 4, соединенными через многоточечный переключатель 5 с измерительным прибором 6. Холодные спаи термопар помещены в термостат 7. Температуру в термостате и окружающего воздуха измерьте ртутным термометром 8 Мощность, потреб­-­

ляемую нагревателями, определите по показанию ваттметра 9.Опыты проводите в следующей последовательности.

1 Перед началом эксперимента изучите схему опытной установки, после получения допуска к работе приступайте к экспериментам.

2 Включите нагреватели в электрическую сеть и установите соответст-­ вующий режим нагрева их (150 - 200 Вт).

3 В процессе выполнения работы необходимо следить за тем, чтобы воздух около исследуемой трубки был в спокойном состоянии.

4 После установления постоянных температур стенки, т.е. с наступле­нием стационарного режима произведите все необходимые замеры (ЭДС термопар трубок, мощности нагревателей, температур окружающей среды и холодных спаев термопар).

5 При необходимости опыт повторите при другом режиме (по указа­нию преподавателя). Опытные данные занесите в таблицу 7.1.

7.3 Методика обработки опытных данных

Количества тепла, выделяемое нагревателем и проходящее через боковую поверхность трубки, примите равным мощности нагревателя. При этом, теплом, передаваемым с торцевых поверхностей в окружающую среду, пренебречь, так как диаметр трубок намного меньше ее длины.

Суммарный коэффициент теплоотдачи (конвекцией и излучением) определите из уравнения Ньютона – Рихмана

(7.1)

где Q – мощность теплового потока, Вт;

Н - боковая поверхность трубки, м;

t_ст - средняя температура стенки трубы. ^оС;

t_ср - температура окружающего воздуха, ^оС.

Температуру поверхности трубки найдите как среднее арифметическое из трех температур, измеренных в различных точках трубки. Для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией предварительно вычислите коэффициент теплоотдачи излучением по формуле:

(7.2)

где С_о - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела;

С_о = 5,67 Вт /(м². К⁴);

ε - степень черноты поверхности трубки, примите ε = 0,37, если не будет другого указания преподавателя.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией определите как разность между суммарным коэффициентом теплоотдачи и коэффициентом теплоотдачи излучением по уравнению

_(7.3)

Температуру стенки вычислите по формуле

(7.4)

где а - тарировочный коэффициент термопары; а = 23,5 К / (мВ);

Е - ЭДС термопары;

t _хс - температура холодного спая термопары, ^оС, t _хс = t _ср .

7.4 Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1 Титульный лист по установленной форме.

2 Название и цель работы.

3 Основные теоретические положения.

4 Расчетные формулы, результаты измерений и расчетных данных ( в виде таблицы). .

5 Схему опытной установки и краткое ее описание.

6 Выводы о работе.

Контрольные вопросы

1 Дайте краткую характеристику конвективного теплообмена.

2 Особенности теплообмена при вынужденном и свободном движении теплоносителя.

3 В чем физический смысл коэффициента теплоотдачи ? От каких фак­торов зависит его величина ?

4 Напишите основное уравнение конвективного теплообмена.

5 Напишите формулу для определения коэффициента теплоотдачи из- лучением.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Цель - ознакомление с одним из экспериментальных методов определения коэффициента излучения и степени черноты твердого тела (калориметрическим способом).