1307

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается?

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Какими методами измеряется температура в данной работе? СибАДИ4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?

5. По как м пр знакам можно судить о стационарном режиме теплообмена с окружающей средой?

6. Как осуществляется выбор контрольной оболочки рассматриваемой термод нам ческой системы?

7. Дайте формул ровку и математическое выражение уравнения первого закона термод намики, используемого для решения задачи данного опыта.

8. Укаж те спосо ы определения величин, входящих в уравнение 1-го закона термод намики, используемого для решения задачи данного опыта, с полным о основанием используемых расчетных формул.

9. Какие существуют методы и приборы для измерения температуры, давления и расхода?

10. Как определяется плотность воздуха в условиях лабораторной установки?

11. Какие виды конвекции существуют, в чем их различие?

12. В чем сущность "Теории подобия" и как с ее помощью определяются коэффициенты теплоотдачи?

13. Как составляются критериальные уравнения?

14. Составьте в общем виде критериальные уравнения для вынужденной свободной (естественной) конвекции.

15. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для свободной конвекции?

16. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для вынужденной конвекции?

17. Что такое "определяемый" и "определяющий" критерий?

18. Как выбирается определяющий (характерный) размер и определяющая температура при расчете критериев подобия?

21

Лабораторная работа 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ

1. Цели работы. Определение экспериментальным путем на лабоСибАДИраторной установке коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции в неогран ченном пространстве. Изучение методики обработки опытных данных с применением теории подобия и составления критер ального уравнения по результатам эксперимента. Построение кривой зменен я локального коэффициента теплоотдачи по высоте

цилиндра.

2. Основные положения. Теплообмен в условиях естественной конвекц осуществляется при местном нагревании или охлаждении среды, находящейся в ограниченном или неограниченном пространстве [2–4]. Этот в д конвективного переноса теплоты играет преимущественную роль в процессах отопления помещений и имеет значение в различных о ластях техники. Например, нагревание комнатного воздуха отопительными при орами, а также нагревание и охлаждение ограждающих конструкций помещений (стены, окна, двери и пр.) осуществляется в условиях естественной конвекции.

Естественная конвекция возникает в неравномерно нагретом газе или жидкости, находящейся в ограниченном или неограниченном пространстве, и может влиять на конвективный перенос теплоты в вынужденном потоке среды. В больших масштабах свободное перемещение масс среды, вызванное различием ее плотностей в отдельных местах пространства, осуществляется в атмосфере земли, водных пространствах океанов морей т.д.

За счет естественного движения нагретого воздуха в зданиях осуществляется его вентиляция наружным воздухом. сследованием свободной конвекции занимался еще М.В. Ломоносов, который применил подъемную силу нагретых масс воздуха для устройства вентиляционных шахт, а также для перемещения газов в пламенных печах. К настоящему времени достаточно полно изучен естественный конвективный теплообмен для тел простейшей формы (плита, цилиндр, шар), находящихся в различных средах, заполняющих пространство больших размеров по сравнению с размерами самого тела.

Характер свободного течения среды относительно поверхности на-

22

гретого тела бывает как ламинарным, так частично или полностью турбулентным.

На рис. 3.1 показан характер движения и изменение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции вдоль вертикальной поверхности (а) и у вертикального цилиндра большой высоты (б). На некотором расстоянии от нижнего конца поверхности или трубы перемещение слоев воздуха теряет ламинарный характер, возникают отдельные локонообразные массы, появляются искривленные струйки, которые далее дробятся на более мелкие, и восходящий поток воздуха приобретает турбулентный характер с ламинарным пристенным подслоем. Рис. 3.1 является хорошей иллюстрацией развития и перехода лами-

t – температурный напор (разность температур между теплоотдающей средой и окружающей средой).

Свободный конвективный теплообмен тел в различных средах, находящихся в неограниченном пространстве, экспериментально изучался различными исследователями.

23

Опыты проводились с телами простейшей формы (плиты, цилиндры, шары) с размерами от 15 мк (проволоки) и до 16 м (шары) в различных средах (различные газы и жидкости).

Результаты исследований обобщались с помощью характерных для этого явления критериев Nu, Gr и Pr, что находится в полном соответ-

ствии с теорией подобия и аналитическим решением задачи. Изменение физических параметров в пограничном слое удается учесть введением кр тер ального отношения PrП / PrСТ , представляющего отно-

СибАП ДП И

сительное зменен е параметров переноса и a в пределах измене-

ния температуры среды: tП – температура потока окружающей среды, t Т – температура среды на границе со стенкой.

Академ ком М.А. Михеевым и И.М. Михеевой, на основании обобщен я результатов экспериментального исследования, рекомендуются следующ е формулы для расчета средних критериев тепло-

обмена тел в сво одном потоке.

Для гор зонтальных труб в диапазоне изменения Gr Pr от 103 до

108:

PrCT

и в диапазоне изменения GrП,h PrП > 109 (что отвечает турбулентному течению):

Nu П,h 0,15 CrП РrП 0,33 PrП . PrCT

24

Для газов отношение PrП / PrСТ мало зависит от температуры и его можно принять равным 1.

Для тонких проволок малого размера, для которых выполняется

условие GrП,h PrП < 103, критерий конвективного теплообмена имеет постоянное число:

Nu П,d 0,5.

Эти предельные наименьшие значения критерия Nu отвечают неподвижному погран чному слою, когда теплоотдачу можно вычислить непосредственно по формулам теплопроводности.

Между эт м предельным состоянием полностью заторможенной среды в погран чном слое и рассмотренным выше режимом свободной конвекц , при которой в пограничном слое осуществляется течение среды с равноправным участием инерционных сил и сил внутреннего вязкостного трения, существует режим свободной конвекции с ползущ м течен ем в пограничном слое.

Для этого реж ма с лами инерции можно пренебречь и решить задачу конвект вного теплоо мена в виде зависимости

Nu П,d C GrП,d РrП n .

Определяющим размером является диаметр проволоки d, м, а определяющей температурой – температура потока tП, ОС. Данная формула справедлива для потока воздуха, у которого критерий Pr 0,7 и практически не зависит от температуры. Численное значение коэф-

3. Схема и описание установки. Полная схема экспериментальной лабораторной установки с ее элементами представляется на экране монитора компьютера при выполнении работы, а часть схемы – на рис. 3.2. В установке теплоотдающей стенкой является тонкостенная труба 1 из нержавеющей стали наружным диаметром dН = 40 мм и

25

длиной lТР = 1500 мм. Труба удерживается в вертикальном положении стойкой 2 с двумя кронштейнами. Нижний и верхний торцы трубы закрыты специальными заглушками с целью исключения отвода теплоты через внутреннее пространство трубы. Для исключения влияния случайных потоков воздуха в помещении лаборатории труба оснащена защитным прозрачным цилиндром 3 с открытыми торцами. Диаметр защитного цилиндра во много раз больше диаметра трубы. Нагрев трубы осуществляется от источника электроэнергии 4.

СНа ипанели источникабАДИрасположены: кнопка включения 8, ползунок автотрансформатора 7, индикатора вольтметра 5 и амперметра 6.

Температура стенки трубы измеряется с помощью 10 хромелькопелевых термопар, спаи которых заделаны в стенку трубы по винтовой линии. Отсчет замеров термопар принят от нижнего конца трубы. Координаты термопар lХ приведены на рис. 3.3. Вывод термопар осуществлен через внутреннюю полость трубы далее через верхний торец по кабелю 10 к вторичному прибору 11. Прибор имеет встроенное компенсационное устройство, исключающее необходимость иметь холодные спаи термопар. Температуры регистрируются многоканальным вторичным прибором и при нажатии на кнопки прибора автоматически записываются в протокол наблюдений, представленный на экране монитора компьютера.

26

Параметры окружающей среды регистрируются приборами панели: атмосферное давление – ртутным барометром, температура – термометром. По щелчку правой мышки на показания барометра и термометра значения автоматически заносятся в протокол наблюдений. В этот же протокол автоматически записываются показания вольт-

выполнен я работы перед выключением установки все данные из протоколов на экране должны быть перенесены на доступный вид но-

27

4. Расчетные формулы и расчеты.

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

4. Мощность теплового потока, Вт, через поверхность трубы в окружающую среду за счет теплового излучения определяется по закону Стефана–Больцмана:

где = 0,15 – степень черноты трубы; С0 = 5,67 Вт/(м2 К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; F = 3,14 dТР lТР – теплопередающая поверхность трубы, м2.

28

5.Количество теплоты,

6.Количество теплоты,

29

12. По результатам расчетов строится в соответствующем масштабе в логарифмических координатах график зависимости критерия Num от произведения (Grm Prm) и определяется коэффициент С и показа-

тель степени n по уравнению прямой линии

log(Num) = logC + n log(Grm Prm).

Характер зависимости представить в виде прямой линии. Решив уравнение прямой линии, получить уравнение в явном виде срав-

нить его с табличным значением.

13. Локальный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К), находится из уравнения

30