2.1. Теплоотдача от горизонтальной трубы (поперечное обтекание).

2.1.1.Описание лабораторного стенда.

Изучение процесса свободной конвекции 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 для изучения процесса свободной конвекции относительно горизонтального цилиндра с системами электрического питания и измерения представлена на рис. 4.

1-рабочий участок; 2- поперечное сечение рабочего участка; 3 – датчики температуры;

4 – переключатель термопар; 5 – регистрирующий прибор для измерения температур;

6 – цифровой индикатор вольтметра; 7 – регулятор напряжения;

8 – выключатель нагрева рабочего участка.

Рис. 4. Схема установки с системами электрического питания и измерения.

Рабочий участок 1 представляет собой металлическую трубу, изготовленную из нержавеющей стали и расположенную горизонтально. Геометрические размеры трубы могут изменяться в следующих пределах: толщина стенки = 0,5…1 мм, наружный диаметр трубыd= 20…50 мм, длина трубыL= 0,5…1 м. Нагрев рабочего участка осуществляется посредством пропускания по нему переменного электрического тока низкого напряжения, который подводится к клеммам на концах трубы. Режимы нагрева плавно изменяются с помощью регулятора напряжения 7. Падение напряжения на концах цилиндра определяется по цифровому индикатору вольтметра 6. Температура наружной поверхности трубы определяется по регистрирующему прибору 5 через многопозиционный переключатель 4. В качестве датчиков температуры используются хромель-копелевые термопары 3, которые устанавливаются в срединном по длине трубы её сечении и располагаются по периметру трубы под различными углами, отсчитываемыми от нижней точки. Для измерения температуры и давления окружающего воздуха лаборатория должна быть оснащена термометром и барометром.

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

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

3.2. Выбрать геометрические параметры (d,L,) рабочего участка.

3.3. Включить тумблер питания измерительных приборов и тумблер нагрева рабочего участка.

3.4. Для контроля интенсивности нагрева исследуемого цилиндра переключатель датчиков температур 4 устанавливается в положение T_w6, соответствующее максимальной температуре поверхности.

3.5 Плавно вращая регулятор нагрева 7, устанавливаются выбранный режим нагрева, что контролируется по цифровому индикатору вольтметра 6.

3.6. С помощью переключателя датчиков температуры 4 по регистрирующему прибору 5 определяются значения термо-ЭДС, развиваемой термопарами, установленными в соответствующих точках по периметру поперечного сечения рабочего участка. Используя градуировочную характеристику хромель-копелевой термопары, (см. Приложение 1) определяются значения температуры поверхности цилиндра в соответствующих точках.

3.7. Плавно вращая регулятор нагрева рабочего участка 7, и контролируя максимальную его температуру, устанавливаются следующие режимы. Измерения проводятся при стационарных тепловых режимах. Количество режимов должно быть не менее 3-х. Результаты измерений заносятся в таблицу 1.

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

Таблица 1.

Барометрическое давление P₀= Па.

Температура окружающей среды t_f=C.

№ режи- ма

U

Показания термопар

tw1

tw2

tw3

tw4

tw5

tw6

мВ

С

мВ

С

мВ

С

мВ

С

мВ

С

мВ

С

1

2

3

4

5

2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Определяется тепловой поток, выделяемый на опытном участке трубы при прохождении электрического тока

, Вт

где - напряжение электрического тока, В;

- электрическое сопротивление трубы, Ом;

,

где - длина трубы, м;

- площадь поперечного кольцевого сечения трубы, м²;

- наружный диаметр трубы, м;

- внутренний диаметр трубы, м;

- удельное электрическое сопротивление материала трубы. Для нержавеющей сталиrопределяется в зависимости от температуры

, Омм;

- средняя по периметру трубы температура поверхности трубы,С;

- значения измеряемых температур по контуру поперечного сечения трубы,С;

- количество измерений в сечении трубы.

2. Определяется тепловой поток, отдаваемый поверхностью трубы в окружающее пространство посредством теплового излучения. Согласно закону Стефана-Больцмана

, Вт

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- степень черноты поверхности цилиндра;

- средняя по контуру поперечного сечения температура поверхности трубы, К;

- температура окружающей среды, К;

- площадь наружной поверхности трубы, м².

3. Определяется тепловой поток, отдаваемый поверхностью трубы посредством конвекции.

, Вт

4. Определяется плотность теплового потока на поверхности трубы, обусловленная теплообменом посредством свободной конвекции

, Вт/м²;

5. Определяется средний коэффициент теплоотдачи от стенки трубы в окружающую среду.

, Вт/(м²град);

6. Определяются значения критериев подобия Нуссельта, Грасгофа, Прандтля.

;;.

Для газов критерий Прандтля слабо зависит от температуры. Значение критерия Прандтля для воздуха принимается независимо от режима .

В качестве определяющей температуры T_m принимается среднее значение между температурой стенки и окружающей среды

, К

Физические свойства среды определяются в зависимости от температуры.