Визначення коефіцієнта тепловіддачі поверхні пластини в умовах природної та вимушеної конвекції

Мета роботи:

1. Експериментально визначити коефіцієнт тепловіддачі поверхні тонкого диска ( пластини) в умовах природної конвекції.

2. Дослідити вплив примусового обдуву на коефіцієнт тепловіддачі.

Теоретичні відомості

Тепловіддача – один із видів теплообміну між поверхнею тіла та оточуючим середовищем.

Розрізняють три механізми обміну тепловою енергією між тілами та всередині тіл:

- теплопровідність (кондукція) – механізм передачі теплоти у твердому непрозорому тілі, який базується на русі вільних зарядів та коливанні вузлів кристалічної гратки;

- конвекція – передача теплоти у рідкому або газоподібному середовищі разом з рухом самого середовища;

- теплове випромінювання – механізм, що базується на випромінюванні і розповсюдженні електромагнітних хвиль так званого теплового або інфрачервоного діапазону довжин ( 0,76 – 100 мкм) і має місце як у прозорих середовищах, так і у вакуумі.

Кількісні параметри процесів теплообміну для перелічених трьох його механізмів відповідно описуються:

а) законом теплопровідності Фур’є:

q_т = - λ , (1)

де q_т – густина теплового потоку (Вт/м²); – коефіцієнт теплопровідності матеріалу тіла (Вт/К∙м); – градієнт температури.

б) законом конвективного теплообміну (закон Ньютона-Ріхтера):

q_к= , (2)

де – коефіцієнт тепловіддачі (Вт/К∙м²); – різниця між температурами поверхні твердого тіла і потоку рідини чи газу, що його омиває. При примусовому обдуванні (омиванні) тіла конвекція називається вимушеною.

в) законом Стефана-Больцмана:

q_в= R=А (3)

де – стала Стефана-Больцмана; А – коефіцієнт, який характеризує поглинальну здатність тіла з температурою Т. Для абсолютно чорного тіла А = 1. Для реальних (сірих) тіл він є меншим за одиницю.

Якщо враховувати можливість теплообміну як конвекцією, так і випромінюванням, то для повної кількості тепла, яке втрачає тіло,

q= q_к+ q_в= ( ) = , (4)

де – коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням; – сумарний коефіцієнт тепловіддачі.

У більшості практичних задач розрахунку теплообміну перелічені механізми мають місце одночасно – це так звані задачі складного теплообміну.

Часто в таких випадках для інженерних розрахунків використовують рівняння (4), де сумарний коефіцієнт тепловіддачі знаходиться експериментально. Такий підхід можна застосовувати лише у випадку невисоких температур тіл, що обмінюються теплотою, і невеликих різниць температур.

Прилади і обладнання: джерело постійного струму; амперметр; вольтметр; тонкий диск з мідним нагрівачем на поверхні; повітродувка; датчик температури; мілівольтметр, анемометр.

Методика вимірювання та опис установки

Робочу формулу для підрахування отримаємо з рівняння (4):

, (5)

де Q – потужність, що виділяється у нагрівачі (Q=I·U); S – площа поверхні диску; t_T, t_пов – температури тіла і повітря відповідно.

Для знаходження температури поверхні диска доцільно скористатись термометром опору, що служить нагрівачем

t_T = , (6)

Остаточно робоча формула матиме вигляд:

, (7)

де R₀ – опір нагрівача при 0⁰С; – температурний коефіцієнт опору.

Для міді, з якої виготовлено нагрівач, ≈ 0,004 .

Схема установки наведена на рис. 1. Установка складається з

плоского диска, на який нанесено плоский нагрівач з міді у вигляді “змійки” (1). Нагрівач живиться від джерела постійного струму (2). Регулювання струму, який проходить крізь нагрівач, здійснюють реостатом (3).

Т емпературу повітря, яким проводиться обдув, вимірюють термопарою (4), яка з’єднана з мілівольтметром (5).

Хід роботи

1. Закріпити диск, як показано на рис. 1.

2. Приєднати до нагрівача джерело живлення і вимірювальні прилади, як показано на схемі.

3. Встановити напругу на клемах нагрівача, яка б забезпечувала перегрів диску на 8-10⁰С відносно повітря.

4. Дочекавшись припинення зміни струму у схемі, зняти покази вольтметра і амперметра.

5. Збільшити напругу на клемах нагрівача так, щоб забезпечити перегрів диска на 13-15⁰С. Після досягнення стаціонарного стану (покази амперметра незмінні!) вимірити напругу і силу струму.

6. Ще раз збільшити напругу на клемах нагрівача, забезпечивши перегрів диска на 18-20⁰ С.

7. Провести розрахунки за формулою (7) для всіх трьох випадків і підрахувати його середнє значення. Дані занести в таблицю.

№ з/ч	J, A	U, B	tпо,, 0С	S, м2	Ro, Ом
1
2
3

8. Встановити прилад для примусового обдуву диску повітрям. Регулюючи швидкість повітря, що обдуває диск, для трьох її значень (найменша, середня, найбільша) повторити процедуру визначення коефіцієнту тепловіддачі. Побудувати графік залежності коефіцієнта тепловіддачі від швидкості обдування.