Звіт про роботу

1. Результати всіх вимірів та розрахунків занести до таблиці 4.1.

Таблиця 4.1

№ з/п

Вимірювана величина

δAl , м

δбет., м

Al , Вт/(мК)

бет., Вт/(мК)

t1 , оС

t2 , оС

t3 , оС

R1, м2К/Вт

R2, м2К/Вт

N, Вт

τ, хв.

tст.ср., оС

tпов., оС

α , Вт/(м2К)

Sст. , м2

Sк , м2

Qн , Вт

Qα , Вт

Q , Вт

1

2

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5.

Визначення коефіцієнта тепловіддачі при вільному і вимушеному русі повітря в горизонтальній трубі

МЕТА РОБОТИ: Ознайомлення з методикою експериментального визначення коефіцієнта тепловіддачі при вільному і вимушеному русі гарячого повітря.

При виконанні роботи необхідно набути такі знання і вміння:

ЗНАННЯ: Теорії конвективного теплообміну для випадків природної та вимушеної тепловіддачі.

ВМІННЯ: Визначати експериментальним шляхом коефіцієнт тепловіддачі для вільного та вимушеного руху повітря в горизонтальній трубі.

ОБЛАДНАННЯ І МАТЕРІАЛИ – експериментальна установка, термометри.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ.

В теплообмінних апаратах, які застосовуються для багатьох технічних та побутових цілей перенос енергії у вигляді теплоти залежить від характеру переміщення середовища (рідкого або газоподібного теплоносія). Вільний рух теплоносія виникає за рахунок різниці температур і, як наслідок, різниці густин в окремих точках цього середовища. Звичайно швидкості переміщення середовища дуже малі.

Тепловіддача при вільному русі теплоносія має місце при нагріванні повітря приміщення опалювальними приладами. В техніці цей вид теплообміну зустрічається в парових котлах і в різних теплових установах.

Кількість теплоти, яка віддається тілом при конвективному теплообміні може бути визначена по формулі Ньютона-Ріхмана:

Q =  S  t; (1)

де  – коефіцієнт тепловіддачі; S – площа поверхні тіла, що віддає тепло; t – температурний натиск (різниця між середніми температурами поверхні і теплоносія).

Коефіцієнт тепловіддачі є характеристикою інтенсивності теплопереносу і залежить від багатьох факторів: температури і шорсткості тіла, температури і швидкості руху повітря та ін.

Щоб дослідити вплив на процес конвективного теплообміну будь-якого з факторів, останні треба зберегти незмінними, що неможливо зробити з причини великої кількості змінних. Вирішити ці проблеми дозволяє теорія подібності, за допомогою якої розмірні фізичні величини об'єднуються в безрозмірні комплекси. При цьому число комплексів менше числа величин з яких вони були складені.

Таким чином, замість встановлення залежності коефіцієнта тепловіддачі від усіх вказаних факторів визначається зв'язок між певними безрозмірними комплексами величин, характерними для даного випадку теплообміну. Ці комплекси називаються критеріями подібності.

Для випадку природної конвекції такими критеріями подібності є:

1. Критерій Нуссельта або критерій тепловіддачі:

Nu = ( d)/ , (2)

де  — коефіцієнт тепловіддачі;  — коефіцієнт теплопровідності середовища; d – характерний геометричний розмір, у даному випадку – зовнішній діаметр труби.

Критерій Нуссельта можна розглядати як відношення густини дійсного теплового потоку, визначеного через коефіцієнт тепловіддачі , до густини теплового потоку, який би мав місце в умовах чистої теплопровідності в прошарку товщиною δ, тобто

Nu =  / ( / δ). (3)

Звідси випливає, що критерій Nu характеризує збільшення інтенсивності теплообміну внаслідок конвекції порівняно з чистою теплопровідністю у нерухомому середовищі. При Nu =1 процес теплообміну був би ідентичний чистій теплопровідності у прошарку товщиною δ ;

2. Критерій Грасгофа, або критерій підйомної сили:

Gr = (g β  t d³ )/  ², (4)

де g – прискорення вільного падіння; β – температурний коефіцієнт об'ємного розширення газу або рідини, К^-1; t – розрахунковий температурний натиск (різниця температур стінки і повітря);  – кінематична в'язкість рідини, м²/с.

Критерій Грасгофа відіграє помітну роль тільки при вільному русі середовища. Для газів підйомна сила визначається різницею температур, а для парогазової суміші ще й вологовмістом. При вимушеному турбулентному русі впливом вільного руху знехтують, внаслідок чого критерій Gr = 0;

3. Критерій Прандтля, або критерій фізичних властивостей рідини:

Рr =  / а; (5)

де а – коефіцієнт температуропровідності (характеризує здатність речовини вирівнювати температуру), м²/с.

Критерій Прандтля дорівнює відношенню двох коефіцієнтів молекулярного переносу  / a. Перший з них характеризує перенос імпульсу за допомогою внутрішнього тертя; другий – за допомогою теплопровідності. Таким чином, критерій Прандтля показує співвідношення між полями швидкості й температури.

Між вказаними критеріями існує однозначна залежність:

Nu= f (Gr; Pr). (6)

Для ідеальних газів можна вважати Pr = const, оскільки Рr практично не залежить від тиску і температури і для даного газу визначається його атомністю. Тому залежність між критеріями дещо спрощується і має такий вигляд:

Nu = f (Gr); (7)

4. Критерій Рейнольдса:

Re = ( d) /  , (8)

де  - середня швидкість повітря в трубі;  - кінематична в'язкість повітря.

Критерій Рейнольдса характеризує відношення між силами інерції і тертя в потоці газу.

Якщо рух середовища створюється вимушено від вентилятора або насоса: він називається вимушеним. При вимушеному русі, як і при вільному, характеристикою інтенсивності теплообміну є коефіцієнт тепловіддачі, який можна визначити аналогічно вільному рухові, виходячи із формули Ньютона-Ріхмана, або за допомогою критеріального рівняння.

Для вимушеного руху гарячого повітря всередині горизонтальної труби критеріальне рівняння буде мати вигляд:

Nu= 0,021 Re_n^0.8Рr_n^0.43 (Рr_n / Рr_ст)^0.25. (9)

Визначивши критерій Нуссельта, можна знайти коефіцієнт тепловіддачі , оскільки він входить до його виразу (3):

 = (Nu )/d, (10)

де  — коефіцієнт тепловіддачі;  - коефіцієнт теплопровідності середовища (повітря).

Значення  і  вибирають з відповідної таблиці довідника в залежності від температури повітря (табл.. 5.4). Середню температуру повітря розраховують за формулою:

t_сер.n = t_cт+ t, (11)

де t_cт – температура стінки;  t – середньологарифмічний температурний натиск. Останній параметр визначають із співвідношення:

t = (t' (t''/t' - l)) / ln (t''/t'), (12)

де t' – температурний натиск (різниця між температурами гарячого повітря і стінки) на одному кінці труби, а t'' – на іншому, причому t' >t''.

Критерій Прандтля Pr=  / a у меншій мірі залежить від температури, тому, прийнявши для повітря Pr ≈ 0,7 , одержуємо:

Nu =0,018 Rе_n^0,8. (13)

Експериментальна установка для лабораторії роботи(рис. 5.1) являє собою — пустотілу стальну трубу 5 зовнішнім діаметром d = 100 мм і довжиною l = 600 мм. Труба розміщена горизонтально так, що повітряний простір вільно дотикається з нею. Всередині труби розміщений електричний нагрівач 4, який рівномірно виділяє тепло по всій її довжині Кількість теплоти, яка витрачається на нагрів труби, визначається за електричною потужністю, яку споживає нагрівач Q_к = N. ЇЇ легко підрахувати, за показами амперметра і вольтметра Q_к = I U. Регулювання потужності здійснюється лабораторним автотрансформатором (ЛАТР). Для вимірювання температури поверхні використовуються рідинні термометри 2, які вставляються у спеціальні отвори труби.

Рис. 5.1. Схема установки для визначення коефіцієнта тепловіддачі.

1 – ЛАТРи, 2 – рідинні термометри, 3 – вентилятор, 4 – електронагрівач,

5 – труба.

Для створення вимушеного руху повітря в трубі встановлено вентилятор 3. Регулюючи напругу ЛАТРом можна змінювати швидкість обертання лопаток і відповідно міняти швидкість руху гарячого повітря всередині труби. Швидкість потоку повітря визначають з таблиці градуювання вентилятора (Табл.. 5.1). Температуру оточуючого повітря вимірюють за допомогою лабораторного термометра.

Табл..5.1.