Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ

1. Цель работы

а) закрепление знаний по теории тепломассообмена и получение навыков проведения теплофизических измерений;

б) определение значения среднего коэффициента теплоотдачи трубы при свободной конвективной теплоотдаче.

2. Пояснение к работе

Свободным называется движение теплоносителя, обусловленное разностью плотностей нагретых и холодных слоев. Соответственно свободной конвективной теплоотдачей называется теплоотдача, имеющая место при свободном движении теплоносителя относительно теплоотдающей (тепловоспринимающей) стенки. Количества теплоты отводимой от стенки, зависит от скорости движения теплоносителя относительно стенки. При свободной конвективной теплоотдаче эта скорость прямо пропорциональна разности температур стенки и теплоносителя. Интенсивность теплоотдачи зависит также от теплофизических свойств теплоносителя, формы теплоотдающей поверхности, ее пространственного положения и от ряда других факторов.

Количество теплоты, отдаваемое поверхностью, рассчитывается из уравнения Ньютона-Рихмана:

Q_k = a F Dt,

где: a - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²×К;

F – площадь поверхности стенки, м²;

Dt = (t_c – t_в) – разность температур теплоотдающей (тепловоспринимающей) стенки и теплоносителя, ^оС.

В настоящей лабораторной работе исследуется процесс теплоотдачи от стенки трубы к воздуху помещения лаборатории при свободной теплоотдаче. В частности исследуется зависимость коэффициента теплоотдачи трубы при различных пространственных положениях трубы.

3. Описание экспериментальной установки

В установку, схема которой приведена на рис. 5, входят:

труба – 1, нагреваемая вмонтированным во внутрь электрическим нагревателем (электроспиралью) – 2. Потребляемая при этом мощность регулируется при помощи лабораторного автотрансформатора (ЛАТР – 1) – 3 и рассчитывается по показаниям вольтметра – 4 и амперметра – 5. Для измерения температуры стенки трубы на ней закреплено пять термопар – 6, соединенных при помощи переключателя ПМТ-7 с зеркальным гальванометром – 8. Гальванометр отградуирован в мВольтах, поэтому для определения температуры на лабораторном столе имеется график перевода мВольт в ⁰С. Температура воздуха в лаборатории измеряется при помощи обычного ртутного термометра. Размеры трубы лабораторной установки: диаметр – d = 35 мм, а длина – l = 1 м.

4. Методика проведения опыта

4.1. Определяется значение коэффициента теплоотдачи от трубы в зависимости от её пространственного положения Для этого труба последовательно устанавливается горизонтально, вертикально и под углом 45 ^о и в каждом положении трубы проводится комплекс измерений в соответствии с пунктом 4.3.

2. Включается электронагреватель и устанавливается автотрансформатором желаемое напряжение - U£ 100 Вольт. При этом автоматически устанавливается сила тока I.

3. После достижения в трубе стационарного температурного поля, приближение к которому определяется малым изменением температуры стенки трубы (не более 0,5 ^оС в минуту по термопаре № 3 – примерно через 3 мин после фиксации трубы в соответствующем положении), проводятся измерения ЭДС всех пяти термопар. Усредненные значения термоЭДС переводятся в ^оС при помощи графика, имеющегося на лабораторном столе. При определении истинной температуры стенки трубы необходимо учесть, что термопары показывают температуру относительно холодного спая. В данном случае «холодный спай» находится при температуре помещения. Показания приборов записываются в таблицу наблюдений.

Таблица измерений

Положение трубы	Температура стенки трубы, tс, оС					Показания электроприборов		Температура воздуха, оС
	№№ термопар					напряжение, U, В	сила тока, I, А
	1	2	3	4	5
горизонтал.
45 о
вертикальн

Рис.5 Схема установки для исследования теплоотдачи трубы при свободной конвекции

5. Обработка результатов опыта

Количество теплоты, отдаваемое стенкой трубы путем конвекции, определяется из соотношения

Q_k = Q – Q_л,

где: Q = U×I, Вт – полное количество теплоты, получаемое трубой от электроподогревателя (от спирали);

, Вт

- теплота, отдаваемая трубой путем излучения;

где: С_пр – приведенный коэффициент излучения трубы;

e = 0,6 – степень черноты окисленной латуни;

С₀ = 5,67 Вт/(м²×К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Т_ст = (t_cт + 273,15), К – абсолютная температура наружной поверхности трубы;

– средняя температура наружной поверхности трубы;

Т_в = (t_в + 273,15), К – абсолютная температура воздуха,

F = pdl, м² – наружная поверхность трубы.

Окончательно

После выполнения измерений и расчетов оформляется протокол лабораторной работы по образцу предыдущих работ.

6. Контрольные вопросы

6.1. Как будет изменяться коэффициент теплоотдачи трубы , если её поместить в паток воздуха, движущегося поперек трубы? Ответ обосновать соответствующими расчетами.

6.2. Как меняется коэффициент теплоотдачи от трубы, в зависимости от угла атаки потока теплоносителя? Ответ обосновать соответствующими расчетами.

6.3. Как изменится конвективный коэффициент теплоотдачи, если трубу окрасить в белый цвет? Измениться ли при этом эффективный коэффициент теплоотдачи? Ответ обосновать соответствующими расчетами.

6.4. Как изменится конвективный коэффициент теплоотдачи, если трубу окрасить в черный цвет? Измениться ли при этом эффективный коэффициент теплоотдачи? Ответ обосновать соответствующими расчетами.

6.5. Как изменится коэффициент теплоотдачи трубы, если её поместить в воду той же температуры, что и температура воздуха в помещении? Ответ обосновать соответствующими расчетами.

6.6. В каком случае и с какой целью делается внешнее оребрение трубы?

6.7. В каком случае и с какой целью делается внутреннее оребрение труб?

6.8. Какие методы интенсификации процесса теплоотдачи используются на практике?

6.9. Что делается для уменьшения теплоотдачи от труб? В каком случае это однозначно достигается, а в каком наблюдается противоположный эффект?

6.10. Как устроена экспериментальная установка? Какие величины, с какой целью и как измеряются в опыте?

6.11. Какие факторы влияют на интенсивность теплоотдачи при свободном движении воздуха относительно трубы? Запишите общий вид соответствующего критериального уравнения.

6.12. Как в лабораторной работе определяется количество теплоты, отдаваемое от трубы конвекцией?

6.13. От чего зависит и как рассчитывается значение приведенного коэффициента излучения? Почему в лабораторной работе e_пр = e₁?

6.14. Как определяется количество теплоты, отдаваемое излучением? Какое допущение при этом принято?

15. Какие числа подобия входят в критериальные уравнения, для опре

деления коэффициентов теплоотдачи при вынужденной и свободной конвекции? Запишите общий вид соответствующих критериальных уравнений.

6.16. Дайте определение понятиям теплоотдача и теплопередача. Какими коэффициентами характеризуются эти процессы? Какой из этих процессов является составляющим другого?

Таблица. Теплофизические свойства воды при атмосферном давлении на линии насыщения

єt,oC	p, бар	r, кг/м3		i, кДж/кг		cp, кДж/ (кг.K		l, Вт/ (м.K)	m.106, Н.с/м2	u.106, м2/с	b*104, 1/К	Pr
0	1,013	999,9		0		4,212		0,560	1788	1,789	–0,63	13,5
10	1,013	999,7		42,04		4,191		0,580	1306	1,306	+0,70	9,45
20	1,013	998,2		83,91		4,183		0,597	1004	1,006	1,82	7,03
30	1,013	995,7		125,7		4,174		0,612	801,5	0,805	3,21	5,45
40	1,013	992,2		167,5		4,174		0,627	653,3	0,659	3,87	4,36
80	1,013	988,1		209,3		4,174		0,640	549,4	0,556	4,49	3,59
60	1,013	983,1		251,1		4,179		0,650	469,9	0,478	5,11	3,03
70	1,013	977,8		293,0		4,187		0,662	406,1	0,415	5,70	2,58
80	1,013	971,8		335,0		4,195		0,669	355,1	0,365	6,32	2,23
90	1,013	965,3		377,0		4,208		0,676	314,9	0,326	6,95	1,97
100	1,013	958,4		419,1		4,220		0,684	282,5	0,295	7,52	1,75
110	1,43	951,0		461,4		4,233		0,685	259,0	0,272	8,08	1,60
120	1,98	943,1		503,7		4,250		0,686	237,4	0,252	8,64	1,47
130	2,70	934,8		546,4		4,266		0,686	217,8	0,233	9,19	1,35
140	3,61	926,1		589,1		4,287		0,685	201,1	0,217	9,72	1,26
150	4,76	917,0		632,2		4,313		0,684	186,4	0,203	10,3	1,17
160	6,18	907,4		675,4		4,346		0,681	173,6	0,191	10,7	1,10
170	7,92	897,3		719,3		4,380		0,676	162,8	0,181	11,3	1,05
180	10,03	886,9		763,3		4,417		0,672	153,0	0,173	11,9	1,03
190	12,55	876,0		807,8		4,459		0,664	144,2	0,165	12,6	0,965
200	15,55	863,0		852,5		4,505		0,658	136,4	0,158	13,3	0,932
210	19,08	852,8		897,7		4,555		0,649	130,5	0,153	14,1	0,915
220	23,20	840,3		943,7		4,614		0,640	124,6	0,148	14,8	0,898
230	27,98	827,3		990,2		4,681		0,629	119,7	0,145	15,9	0,888
240	33,48	813,6		1037,5		4,76		0,617	114,8	0,141	16,8	0,883
250	39,78	799,0		1085,7		4,87		0,605	109,0	0,137	18,1	0,884
260	46,94	784,0		1135,7		4,98		0,593	105,9	0,135	19,7	0,892
270	55,05	767,9		1185,3		5,12		0,578	102,0	0,133	21,6	0,905
280	64,19	750,7		1236,8		5,30		0,565	98,1	0,131	23,7	0,917
290	74,45	732,3		1290,0		5,50		0,548	94,2	0,129	26,2	0,944
300	85,92		712,5		1344,9		5,76	0,532	91,2	0,128	29,2	0,986
310	98,70		691,1		1402,2		6,11	0,514	88,3	0,128	32,9	1,05
320	112,90		667,1		1462,1		6,57	0,494	85,3	0,128	38,2	1,14
330	128,65		640,2		1526,2		7,25	0,471	81,4	0,127	43,3	1,25
340	146,08		610,1		1594,8		8,20	0,446	77,5	0,127	53,4	1,42
360	165,37		574,4		1671,4		10,10	0,431	72,6	0,126	66,8	1,70
360	186,74		528,0		1761,5		14,65	0,367	66,7	0,126	109	2,66
370	210,53		450,5		1892,5		40,32	0,338	56,9	0,126	264	6,80