Переходный режим (2320Re104).

При переходном режиме для определения среднего коэффициента теплоотдачи используется уравнение Михеева для турбулентного режима с введением поправки на переходный режим.

, (4)

где - поправка на переходный режим, которая устанавливается экспериментально.

Зависимость от критерия Рейнольдса представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Re	2500	3000	4000	5000	6000	8000	10 000
	0,40	0,57	0,72	0,81	0,88	0,96	1,00

При вынужденном течении жидкости внутри круглой трубы в качестве определяющего размера используется внутренний диаметр трубы d_вн, а в случае трубы произвольной формы сечения – эквивалентный диаметрd_экв, который определяется как:

, (5)

где - площадь поперечного сечения трубы;

- периметр сечения.

В качестве определяющей температуры принимается среднее значение между температурой стенки и температурой основного потока:

(6)

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА.

Изучение процесса вынужденной конвекции в трубе проводится на лабораторной установке, реализующей метод имитационного моделирования реальных физических процессов. В состав установки входит управляющая ПЭВМ, соединенная с пультом управления и рабочим участком, имитирующим реальный объект исследования. Схема установки с системами электрического питания и измерения представлена на рис. 4.

1-рабочий участок трубы; 2-вентилятор; 3-тумблер включения вентилятора; 4-регулятор вентилятора; 5-тумблер включения электрического нагревателя; 6-регулятор мощности электрического нагревателя; 7-вольтметр цепи электрического нагревателя с цифровым индикатором; 8-трубка Пито ; 9-цифровой индикатор перепада давления на трубке Пито; 10-цифровой индикатор перепада давления по длине трубы; 11-датчик измерения температуры воздуха на входе в рабочий участок; 12-датчик измерения температуры воздуха на выходе из рабочего участка; 13-датчики измерения температуры стенки трубы по длине рабочего участка; 14-цифровой индикатор температуры.

Рис. 4. Схема рабочего участка лабораторного стенда для изучения процесса теплообмена при вынужденном движении воздуха в трубе.

Рабочий участок 1 представляет собой трубку из нержавеющей стали с внутренним диаметром d_вн= 8,5 мм и длинойL= 720 мм, через которую с помощью вентилятора 2 прокачивается воздух. Расход воздуха изменяется регулятором вентилятора 4. Динамический напорH, создаваемый вентилятором, измеряется с помощью трубки Пито 8 и регистрируется цифровым индикатором 9. Нагрев рабочего участка осуществляется посредством электрического тока, пропускаемого через трубку, мощность которого изменяется регулятором 6. Для оценки мощности в цепь электрического нагревателя включен вольтметр с цифровым индикатором 7. Падение давления за счет гидравлического сопротивления рабочего участкаPопределяется посредством цифрового индикатора 10. Температура воздуха на входе в рабочий участок и выходе из него измеряется посредством температурных датчиков 11 и 12. Для измерения температуры стенки по длине трубки

(Т₁…Т₁₀) используются температурные датчики 13, расположенные на наружной поверхности трубки. Показания всех датчиков температуры могут выводиться последовательно на цифровой индикатор температуры 14. КоординатыX_iдатчиков температуры, установленных на трубке, отсчитываемые от входа в трубку, и длины участковL_i, соответствующих каждому температурному датчику, приводятся в таблице 2.

Таблица 2.

№ датчика	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Xi, мм	25	45	85	155	250	370	490	610	695	715
Li, мм	25	30	55	82,5	107,5	120	120	102,5	52,5	25

Для измерения барометрического давления и температуры воздуха в помещении лаборатория должна быть оснащена барометром и комнатным термометром.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Включить установку в сеть и вступить в диалог с программой выполнения работы, заложенной в компьютер.

2. Включить тумблер 3 работы вентилятора.

3. Плавно вращая ручку регулятора вентилятора 4, установить малый расход воздуха. Для оценки величины расхода использовать показания цифрового индикатора 9.

4. Включить тумблер 5 нагрева рабочего участка.

5. Плавно вращая ручку регулятора мощности 6, устанавливается выбранный режим нагрева, что контролируется по цифровому индикатору вольтметра 7.

6. С помощью датчиков температуры 13 по показаниям цифрового индикатора температуры 14 определить температуру стенки по длине трубы.

7. С помощью датчиков температуры 11 и12 по показаниям цифрового индикатора температуры 14 определить температуру воздуха на входе и выходе из рабочего участка.

8. С помощью цифрового индикатора 10 определить потери давления по длине рабочего участка.

9. Не изменяя мощности электрического нагревателя, установить большой расход воздуха. Для оценки величины расхода использовать показания цифрового индикатора 9.

10. Выполнить измерения температуры, соответствующие заданному режиму согласно п.п. 3.6-3.7.

11. Повторить измерения согласно п.п. 3.3-3.8 при 2-х режимах, соответствующих постоянному расходу воздуха и различным значениям мощности электрического нагревателя.

12. Определяются барометрическое давление и температура воздуха в помещении, соответствующие условиям проведения опыта.

13. Результаты измерений заносятся в таблицу 3.

Таблица 3.

Барометрическое давление B= Па;

Температура в помещении Т_п=С.

№ ре жима

U, В

H, Па

P, Па

Tf

Tw1

Tw2

Tw3

Tw4

Tw5

Tw6

Tw7

Tw8

Tw9

Tw10

Tf

C

1

2

3

4

14. После окончания измерений все регулирующие органы установки приводятся в исходное положение.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Определяется количество теплоты Q, выделяемое на рабочем участке трубы при прохождении электрического тока.

, Вт(7)

где U– напряжение в цепи электрического нагревателя, В;

R– электрическое сопротивление рабочего участкаR= 0,0344 Ом.

2. Определяется массовый расход воздуха

, кг/с (8)

где - динамический напор, Па;

- плотность воздуха на выходе, кг/м³;

- барометрическое давление, Па;

- падение давления на рабочем участке, Па;

- газовая постоянная воздуха;

- коэффициент расхода;

- внутренний диаметр трубки.

3. Определяется средняя температура воздуха

(9)

4. Определяется средняя скорость воздуха на участке нагрева

, м/с (10)

где G– массовый расход воздуха, кг/с;

d_вн- внутренний диаметр трубы, м;

_f– средняя плотность воздуха при температуреT_f, кг/м³(см. Приложение 1).

5. Определяется критерий Рейнольдса

, (11)

где w– средняя скорость воздуха, м/с;

d_вн- внутренний диаметр трубы (определяющий размер), м;

_f– коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуреT_f, м²/с (см. Приложение 1).

6. Вычисляются значения температурного напора T_iв сечениях трубки с координатамиX_i

,C(12)

7. Определяются локальные значения коэффициента теплоотдачи от трубки нагреваемому воздуху

, Вт/(м²С) (13)

где Q- тепловой поток, создаваемый электрическим нагревателем, Вт;

Q_п– тепловой поток, теряемый с наружной поверхности трубки, Вт

(14)

_эф=0,18 Вт/(мС) – эффективный линейный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубки, учитывающий потери теплоты в окружающую среду посредством свободной конвекции и теплового излучения, приходящиеся на 1 м длины трубы;

- средняя температура стенки,С;

- температура воздуха в помещении,С;

L= 0,72 м – длина рабочего участка;

T_i– локальный температурный напор,С;

d_вн– внутренний диаметр трубки, м.

8. Для каждого исследованного режима определяется среднее значение коэффициента теплоотдачи

, Вт/(м²С) (15)

где _i– локальные коэффициенты теплоотдачи. Крайние значения₁и₁₀исключаются вследствие влияния утечек теплоты с торцов рабочего участка.

L_i– длины участков (см. таблицу 2).

9. Для каждого исследованного режима определяется среднее значение критерия Нуссельта.

, (16)

где _f– коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мС), (см. Приложение 1).

10. Для каждого исследованного режима с учетом режима течения потока по критериальным уравнениям (1…4) определяется расчетное значение критерия Нуссельта и сравнивается с экспериментальным.

11. По полученным значениям локальных коэффициентов теплоотдачи _Iдля всех исследованных режимов строится график зависимости_I=f(X_i).

12. На основе анализа построенных графиков сделать выводы о том, какие факторы и как влияют на интенсивность теплоотдачи при вынужденной конвекции в трубе. Какие действия могут быть предприняты с целью интенсификации теплообмена?

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что называется конвективным теплообменом?

2. Что такое свободная и вынужденная конвекция?

3. Какие бывают режимы течения жидкости?

4. Что такое пограничный слой?

5. Как влияет пограничный слой на процесс конвективного теплообмена?

6. Что такое участок гидродинамической стабилизации потока и как он влияет на процесс теплообмена в трубе?

7. Какие критериальные уравнения используют для расчета коэффициента теплоотдачи при различных режимах течения?

8. Что такое определяющий размер и определяющая температура и как они определяются при вынужденном течении жидкости в трубе?

9. Какие факторы и как влияют на процесс теплообмена в трубе?

10. Какие меры следует предпринимать для интенсификации теплообмена при вынужденном движении жидкости в трубе?

6. ЛИТЕРАТУРА

4. Теплотехника (п/ред. В.Н. Луканина). – М: Высшая школа, 2000. – 671 с.

5. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М: Высшая школа, 1969. – 560 с.

6. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М: Высшая школа, 1979. – 350 с.

7. «Исследование теплоотдачи при свободной конвекции». Методическое пособие к лабораторной работе по дисциплине «Термодинамика и тепломассообмен» для студентов специальности 150802 «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Составитель Н.А. Овчинников). – Ковров: КГТА, 2005.- 15 с.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ МАТЕРИАЛОВ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель работы: изучить основные закономерности теплообмена излучением, приобрести практические навыки определения показателей, характеризующих способность тел к излучению.

Задание:

1. Определить опытным путем значения коэффициента излучения и степени черноты электропроводящих материалов.

2. Изучить зависимость полученных характеристик от температуры и состояния поверхности.

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Существуют три основных способа переноса теплоты, существенно отличающихся друг от друга по своей физической природе:

• теплопроводность;

• конвекция;

• тепловое излучение.

При теплопроводности носителями тепловой энергии являются микрочастицы вещества – атомы и молекулы, конвекция – это способ переноса тепловой энергии за счет перемещения макроскопических количеств вещества из одной точки пространства в другую.

Излучение– это способ передачи внутренней энергии излучающего тела посредством электромагнитных волн. Все виды излучения имеют одинаковую природу и различаются только длиной волны. Некоторые разновидности излучения в зависимости от длины волны представлены в таблице 1.

Таблица 1

Виды излучения	Длина волны излучения , м
Космическое	0,05·10-12
Рентгеновское	1·10-12... 20·10-9
Ультрафиолетовое	20·10-9... 0,4·10-6
Видимое	0,4·10-6... 0,8·10-6
Тепловое (инфракрасное)	0,8·10-6... 800·10-6
Радиоволны	0,2·10-3... 103

Излучение характеризуется спектром. Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн, т.е. имеют сплошнойспектр излучения с длиной волныот 0 до. Чистые металлы с полированной поверхностью, газы и пары излучают энергию дискретно в определенных интервалах длин волн, т.е. имеютпрерывистыйспектр. Если излучение характеризуется строго определенной длиной волны, то оно называетсямонохроматическим.

Количество энергии излучения Q, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхностьF, называется интегральным потоком излучения.

где E– излучательная способность тела.

Излучательная способностьпоказывает какое количество энергии излучается в единицу времени с единицы поверхности.

Если в излучении присутствуют волны различной длины, то их доля в общей излучательной способности тела характеризуется спектральной излучательной способностьюE_.

Излучение, попадая на поверхность тела, в общем случае может поглощаться, отражаться или пропускаться через него (см. рис. 1).

Рис. 1. Распределение потока теплового излучения при взаимодействии с телом

Способность тела к поглощению, отражению или пропусканию излучения характеризуется следующими показателями:

- поглощательная способность тела;

- отражательная способность тела;

- пропускательная способность тела;

где Q– полный поток теплового излучения, воспринятый телом;

Q_A,Q_R,Q_D– соответственно поглощенный, отраженный и пропущенный поток теплового излучения.

Очевидно, что в общем случае. Возможны следующие частные случаи.

1. Если все излучение, попадая на поверхность тела, поглощается им, то такое тело называется абсолютно черным. В этом случаеA=1,R=0,D=0.

2. Если все излучение, попадая на поверхность тела, отражается им, то оно называется абсолютно белым. В этом случаеR=1,A=0,D=0.

3. Если все излучение, попадая на поверхность тела, пропускается через него, то такое тело называется абсолютно прозрачным или диатермичным. В этом случаеD=1,A=0,R=0.

Реальные тела в той или иной степени обладают всеми этими способностями, поэтому их условно относят к числу так называемых серых тел.

Для расчета процессов теплообмена излучением необходимо знать основные законы теплового излучения.