2. Экспериментальная часть

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.

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

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 трубы d = 20…50 мм, длина трубы L = 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.

2.1.2. Порядок выполнения работы

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

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

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

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

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

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 (прил. 1), определяют значения температуры поверхности цилиндра в соответствующих точках.

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

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

Таблица 1

Барометрическое давление P₀ = Па.

Температура окружающей среды t_f = C.

№ режима

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

2.1.3. Обработка результатов измерений

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

, Вт, (10)

где U – напряжение электрического тока, В;

R – электрическое сопротивление трубы, Ом:

, (11)

где l – длина трубы, м;

–площадь поперечного кольцевого сечения трубы, м2;

(12)

d – наружный диаметр трубы, м;

d₀ = d – 2 – внутренний диаметр трубы, м; (13)

r – удельное электрическое сопротивление материала трубы. Для нержавеющей стали r определяется в зависимости от температуры:

, Омм; (14)

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

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

n – количество измерений в сечении трубы.

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

, Вт, (15)

где с₀ = 5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

 = 0,5 – степень черноты поверхности цилиндра;

Т_wср – средняя по контуру поперечного сечения температура поверхности трубы, К;

Т_f – температура окружающей среды, К;

F = dl – площадь наружной поверхности трубы, м².

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

, Вт. (16)

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

, Вт/м ². (17)

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

, Вт/(м²град). (18)

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 Рr = 0,72.

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

, К.

Физические свойства среды определяются в зависимости от температуры.