Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ

И ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ВОЗДУХА

НА ОХЛАЖДЕНИЕ НАГРЕТЫХ ЗАГОТОВОК

1. Цель и задачи работы

Экспериментальное изучение процесса охлаждения заготовки путем наблюдения за изменением ее температуры при естественной (свободной) и искусственной (вынужденной) конвекции. Определение коэффициента теплопередачи.

2. Основы теории

Охлаждение металлической заготовки происходит вследствие передачи тепла от поверхности заготовки в окружающую среду за счет конвекции и лучеиспускания.

Сущность передачи тепла конвекцией (соприкосновением) заключается в том, что молекулы движущейся среды (жидкости, газа), соприкасаясь с телом, отдают его поверхности тепло, или, наоборот, отнимают тепло от поверхности, в зависимости от того, где выше температура – тела или жидкости (газа).

От причины, вызывающей движение среды, различают естественную (свободную) и искусственную (вынужденную) конвекции.

При естественной (свободной) конвекции теплопередача происходит в среде, движение которой возникло в результате изменения плотности в различных ее частях, например, естественное охлаждение внешней поверхности стенок печей в среде окружающего воздуха.

Вынужденная (искусственная) конвекция – это движение воздуха от внешних причин (например, вентилятор). При вынужденной конвекции теплоотдача происходит интенсивнее, так как с повышением скорости среды большее количество частиц среды приходит в соприкосновение с телом в единицу времени, движение переходит от ламинарного в турбулентное. При этом потоки среды, движущиеся не параллельно поверхности тела, а под углом, энергично его омывают и передача (отбор) тепла конвекцией будет тем больше, чем больше этот угол.

Тепловой поток при теплопередаче конвекцией считают пропорциональным разности температур поверхностей тела и окружающей среды.

Излучение или лучеиспускание – этот вид теплопередачи связан с распространением в пространстве электромагнитных волн. На поверхности излучаемого тела тепловая энергия преобразуется в электромагнитные колебания, которые, попадая на поверхность какого-либо тела, опять превращаются в тепловую энергию.

Интенсивность лучеиспускания определяется температурой тела. Таким образом, тепло, отдаваемое излучением и конвекцией, поверхностью тела за время , определяется по формуле:

, (1)

где – приведенный коэффициент излучения; и – температура поверхности твердого тела в и соответственно; – коэффициент теплоотдачи конвекцией; – площадь поверхности тела; - продолжительность теплоотдачи.

Первое слагаемое представляет тепло, отдаваемое поверхностью тела лучеиспусканием, а второе – тепло, отдаваемое конвекцией.

Эту формулу можно представить в другом виде:

, (2)

где

.

Общее количество теплоты, отданное заготовкой при ее охлаждении, можно определить:

, (3)

где – масса заготовки, ; и – средние теплоемкости металла заготовки в начале и конце интервала нагрева, ; и – температура заготовки в начале и конце охлаждения.

Средний коэффициент теплопередачи за каждый пятиминутный опыт и за все время охлаждения может быть определен по формуле

, (4)

где - средняя температура поверхности заготовки за каждый опыт или за все время охлаждения, ; - температура окружающего воздуха, ; F – площадь поверхности заготовки, ; - время теплопередачи, .

Расчетное значение температуры заготовки в конце охлаждения можно определить по формуле аналитической зависимости

, (5)

где - температура поверхности заготовки в начале охлаждения, ; – температура среды, ; – коэффициент, определяемый по графику Д.В. Будрина (рисунок);

,

где - средний коэффициент теплопередачи за все время охлаждения, ; – масса заготовки, ; – средний коэффициент теплоемкости в рассматриваемом интервале температур; – площадь поверхности заготовки, ; - время охлаждения, .

Лабораторная установка состоит из электровентилятора АОН-21/4, муфельной электрической печи сопротивления МП-2У, питающего и электроизмерительного щитов, на которых размещены клеммы для постоянного подключения печи, пакетный выключатель, вольтметр и амперметр, клеммы для подключения термопар, электронный регулятор и переключатель термопар. Щит выключается специальным рубильником с тепловым реле.