1307

наклоном температурной кривой по толщине тепловой изоляции?

10. Дайте определение понятию термического сопротивления стенки.

11. Как зависит коэффициент теплопроводности различных веществ (металлов, неметаллов, жидкостей газов) от температуры? Ответ обосновать.

12. Сформулируйте основной закон теплопроводности. В чем его сущность?

13. Каковы основные трудности тепловых расчетов при переносе теплоты теплопроводностью?

14. Как влияет форма стенки на величину её термического сопротивления?

11

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА НА ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

1. Цели работы. Изучение процессов теплообмена при

свободной и вынужденной конвекции на горизонтальном трубопроводе. Экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи и сравнен е х с выч сленными по критериальным уравнениям.

СибАДИ1 2 1 2

2. Основные положения. При знании величины мощности теплового потока Q в теплообмене поверхности с обтекающей ее средой станов тся возможным определение коэффициента тепло-

пературный напор.

В услов ях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровода существует контакт с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны – естественной конвекции. Обозначим мощность теплового потока при вынужденной конвекции Q1, а при естественной конвекции – Q2 и соответственно коэффициенты теплоотдачи a1 и

a2.

Введем также обозначения: FВН – внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при вынужденной конвекции; FНАР – внешняя поверхность трубопровода, обменивающаяся те-

а также заданы FВН и FНАР. В нашем случае из опыта становится возможным определение коэффициентов α1ОП и α2ОП, которые затем мо-

гут быть сравнены со значениями α1РАСЧ и α2РАСЧ, полученными из соответствующих характеру теплообмена критериальных уравнений.

Электрический ток при прохождении по трубе совершает работу, которая полностью переходит в теплоту QЭ. Тогда уравнение первого

12

закона термодинамики как частный случай закона сохранения энергии приобретает вид

где Q1 – мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы; Q2 – мощность теплового потока, переданная воз-

При выполнении расчетов следует иметь в виду, что изменение потенциальной энергии потока равно нулю техническая работа, совершаемая потоком, также равна нулю.

Тогда

Для расчета средних значений коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене в воздушной среде рекомендуются следующие формулы на основе критериальных уравнений.

Для расчета средних величин критериев Нуссельта конвективного теплообмена потока воздуха в трубах уравнения:

а) для ламинарного режима Re < 2·103:

13

б) для развитого турбулентного режима Re > 104:

СибАслучае рабочим веществом, за ираетсяДкомпрессоромИ1 из окружающей среды (рис. 2.1). Параметры воздуха в окружающей среде измеряются ртутным барометром и термометром, расположенными на панели 11 «Окружающая среда».

Для гор зонтальных труб при естественной конвекции в неограниченном пространстве в диапазоне изменения (Gr·Pr) от 103 до

108:

Далее поток воздуха через сечение 0−0 направляется в воздухомерное устройство 2 типа «труба Вентури». Количество проходящего воздуха регулируется заслонкой 3. По системе соединительных трубопроводов поток воздуха поступает во входное сечение I−I исследуемого участка горизонтальной металлической трубы 5. К потоку воздуха, проходящему через компрессор, на участке от сечения 0−0 до сечения I−I подводится работа сжатия теплота за счет охлаждения электродвигателя компрессора, поэтому его температура повышается и измеряется погружной термопарой 6 в комплекте с потенциометром. С помощью U-образных манометров, расположенных на панели 4 «Статические напоры», измеряются разрежение в «горле» воздухомера и давление в сечении на выходе из компрессора – на входе в горизонтальную трубу. Горизонтальный участок трубы нагре-

14

вается за счет электрического тока, подводимого через трансформатор 9.

Температура на выходе из трубы в сечении II−II измеряется погружной термопарой 7 в комплекте с потенциометром. Мощность те-

При достижении стационарного режима показания всех необходимых приборов заносятся в протокол наблюдений (табл. 2.1). О стационарности режима можно судить по показанию прибора для измерения температуры трубы.

15

4.Расчетные формулы и расчеты.

1.Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; H – показание вакуумметра (горло воздухомера), переведенное в м вод.ст.

3. Плотность воздуха, кг/м3, по состоянию в «горле» воздухомера

( рАТМ р) , В R·(tОКР 273)

16

где R – газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/(кг К). 4. Расход воздуха, кг/с,

G0,525·10 3 · В· р.

5.Абсолютное давление, Па, в сечении I–I:

СибАДр1 рАТМ g H Н , И

где HН – показан е пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.

6. Плотность воздуха, кг/м3, по состоянию на входе в горизонтальную трубу:

1 R·(t1 р1 273) ,

где t1 – температура воздуха при входе в трубу (сечение I–I),ОС.

7. Плотность воздуха по состоянию на выходе из горизонтальной трубы:

2 R·(tр2 ТМ273) ,

где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II–II), ОС. 8. Значение энтальпии воздуха, кДж/кг, в сечениях I и II определя-

ется по общему уравнению:

hj cP t j ,

где cР – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·О ); tj – температура в рассматриваемом сечении, ОС; j – индекс рассматриваемого сечения (I или II).

9. Средняя скорость потока, м/с, в сечениях I–I и II–II вычисляется по общему уравнению:

Wj ( jG F) ,

где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений I–I и II–II и равная 1,35·10-3 м2; ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3; j − индекс рассматриваемого сече-

ния (I–I или II–II).

17

10. Мощность теплового потока, Вт, переданного вынужденной конвекцией от внутренней поверхности трубы, находится с учетом (2.4) по формуле

Q1 G·( h ЭКИН ).

11. Тогда с учетом формулы (2.3) мощность теплового потока, Вт,

переданного естественной конвекцией от наружной поверхности трубы:

Сибопределяющей температуреАД− средней температуреИпотока в трубе,

Q2 Q" Q1.

12. Мощность теплового потока, выделенная на участке от сечения I–I до сечен я II–II, находится по показаниям вольтметра и ампер-

метра:

QЭ U Н IН ,

где IН – с ла тока, потре ляемая на нагрев трубы, А; UН – напряже-

ние, подаваемое на нагрев тру ы, В.

равной tП = 0,5·(t1 + t2); определяющим размером в формулах является внутренний диаметр трубы dВН = 0,0415 м.

14. Расчетные значения коэффициента теплоотдачи для свободной конвекции находим по формуле

2РАСЧ Nu2п,d .

dНАР

18

При вычислении критериев подобия по уравнению и коэффициента теплоотдачи по формуле все теплофизические свойства воздуха вычисляются по определяющей температуре − средней температуре потока, окружающего трубу, равной tП = 0,5·(tХ + tОКР); определяю-

щим размером в формулах является наружный диаметр трубы dНАР =

=0,0455 м.

15.Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таб-

19

20