книги из ГПНТБ / Смольский Б.М. Нестационарный теплообмен

С этой целью к установке п образцу предъявлялись следующие требования.

1. Необходимо термостатпровать образец при темпе­ ратуре to-

2. Затем помещать его в поток с постоянной темпера­ турой t-,к. Разность температур (tm—fo) должна быть по' возможности большей.

3. За время переноса равномерное распределение тем­ пературы образца не должно изменяться.

4.Необходимо помещать образец в поток жидкости..

Вэтом случае ожидался более сильный нестационарный

эффект, чем в случае потока газа.

5. Гидродинамические условия должны быть постоян­

ными в течение опыта и от опыта к опыту.

6. Необходимы образцы различной длины и из раз­ личных металлов, чтобы исследовать влияние свойств об­ разца, или, что то же самое, скорости изменения темпе­ ратуры на нестационарный коэффициент теплообмена.

Экспериментальная установка по исследованию ие- • стационарного теплообмена цилиндрической вырезки из плоскопараллельной пластины с потоком жидкости со-

89>.

стояла (рис. 21) из двух термостатов, осциллографа, источника питания постоянным током, потенциометра, сосуда Дьюар.а, отметчика времени и аккумулятора.

Термостаты использовались для установления началь­ ной температуры образца и исследования теплообмена в условиях его нагрева потоком жидкости.

Для регистрации изменения температур в ряде точек

.образцов во времени с помощью термопар использовал­ ся лучевой осциллограф типа Ң-700.

Контроль за начальным и конечным распределением -температур стенки образцов осуществлялся -потенцио­ метром типа ПП-0,05.

В качестве экспериментальных образцов использова-

вают изменения коэффициента теплопроводности от 63,5 до 390 вт/м • ПС и параметра ср от 1620 до 3470 кдж/м3Х

*

Устройство экспериментального образца показано на рис. 22. Боковая поверхность цилиндров и торец (при А' = 0) теплоизолировались так, чтобы теплообмен на этих поверхностях практически исключался. Свойства некото­ рых изоляторов приведены в табл. 6.

На металлический цилиндр 1 (рис. 22) надевались эбо­ нитовые втулки, которые соприкасались с ним только

090

Рис. 22. Схема экспериментального образца (цилиндргогескаявырез1ка из плоскоііараллельной пластины)’

91

Т а б л и ц а 6

имелась воздушная прослойка. Такой же воздушный за­ зор имелся между втулками 2 н внешним кожухом 3, из­ готовленным также из эбонита. Во внутренних втулках были просверлены отвеостия 4 для термопарных прово­ дов. Весь экспериментальный образец прикреплялся к крышке 5, изготовленной из органического стекла. Крыш­ ка позволяла фиксировать положение образца в термо­ стате в горизонтальной плоскости. Высота внешнего кожуха также выдерживалась постоянной для всех образ­ цов. Таким образом, расположение как одного образца (при повторении опытов), так и всех других эксперимен­ тальных образцов в термостате было одинаковым. Для предотвращения проникновения.влаги в образец места соприкосновения его с изоляцией вблизи торцов покры- ■вались клеем БФ-2.

Таким образом, собранные образцы представляли со­ бой модель бесконечной металлической плоскопарал­ лельной пластины.

На глубине 1,0—1,5 мм от боковой поверхности ме­ таллического образца были заделаны спаи хромель-копе- левых термопар. Спаи термопар находились в плоскостях

пающее в образец, должно было распространяться вдоль

•оси цилиндра. При этом должны быть исключены какиелибо перетечки тепла по диаметру образца или тепловое воздействие между цилиндром и его изоляцией.

92

Чтобы проверить отсутствие передачи тепла через изоляцию, были проведены специальные опыты с медным цилиндром длиной 6= 25 мм (рис. 23). На расстоянии 5 мм от поверхности теплообмена в медном образце были заделаны две термопары: одна на глубине 0,5 мм 1, вторая на глубине 3,5 мм 2 от боковой поверхности об­ разца. На противоположном теплоизолированном торце

Рис. 23. Схема расположения термопар в образце при оценке подво­ да тепла через изоляцию

цилиндра одна термопара 3 была на расстоянии 1,0 мм от боковой поверхности, вторая 4 —'в центре образца. В изоляции также были заделаны термопары. На внут­ ренней теплоизоляционной втулке на расстоянии 7 мм от оси находились спаи двух термопар: на высоте 7 мм 5 и на высоте 27 мм 7 от поверхности теплообмена. На тех же самых расстояниях по высоте были еще две термо­ пары 6 и 8 на внешней поверхности внутренних эбонито­ вых втулок {d='25 мм). Показания этих термопар при нагреве образца в течение 40 сек приведены на рис. 24.

По показаниям термопар были определены количест­ ва тепла, накопленные в изоляции и образце к концу

•опыта при т=40 сек.

Оценка показала, что доля количества тепла Qn3/Qo6p, которое может передать изоляции медный образец, не превышала 1,53%. При этом предполагалось, что 'все

•тепло, поступившее в Изоляцию, передано ей медным об-

93

разцом, а Максимальная температура изоляции вблизи торца принята средней для всей изоляции.

Изрис. 24 видно также, что показания термопар в точках 1 II 2, 3 и 4 отличались между собой только в пре­ делах погрешности измерения'. Это значит, что отсутст­ вует радиальный градиент температур по радиусу образ­ ца, а следовательно, и теплообмен на боковой поверхно­ сти экспериментального образца.

ö

Порядок проведения опытов сводился к следующему. Включались оба термостата, и жидкость нагревалась в одном до температуры 27 °С, а во втором — до 97 °С. Экспериментальный образец опускался в жидкость с температурой 27 °С и выдерживался в термостате до того момента, пока начальная температура не оказывалась одной и той .же во всех точках образца. Это обеспечива­ ло начальное условие t(x, 0) =const. Контроль за началь­ ной температурой осуществлялся по показаниям потен­ циометра. Затем образец переносился в термостат с тем­ пературой 97 °С и регистрировался процесс его нагрева в течение 1—2 мин. Для переноса экспериментального тела и погружения его в термостат требовалось пример­ но 1,5—2 сек. За такой промежуток времени при началь­ ной температуре образца, близкой к комнатной, в нем не могло произойти существенного перераспределения тем­ ператур.

94

За начало процесса с большой точностью может быть принят момент отклонения показания термопары, вво­ дившейся в жидкость вместе с образцом. Она прикрепля­ лась к его крышке, располагалась вдоль теплоизолирую­ щего кожуха, и ее горячий спай находился на уровне плоскости, где происходил теплообмен с образцом. Дан­ ные по нескольким опытам усреднялись, и, таким обра­

зом, получались зависимости температуры в ряде точек от времени.

Найденные из опыта зависимости t = f(x, т) (рис. 25) являлись первичными экспериментальными данными и

üt°С

во

40

20

О

Рис. 25. Зависимость температуры в разных сечениях образца от времени: а — х=6; б — .ѵ=0; в — 5 мм от поверхности теплообмена; г — 25 мм от поверхности теплообмена; 1 — медь, 6=0.005 .и; 2 —

0,025; 3 — 0,05; 4 — алюминий, 6= 0,05 м; 5 — олово, 6=0,05 м

95

использовались в дальнейшем для определения теплово­ го потока на поверхности и коэффициента теплообмена.

Тепловой поток подсчитывался по формуле (2.38), анализ которой дан в гл. II. Как видно из формулы, не­ обходимо было предварительно найти функцию, описы­ вающую изменение температуры на поверхности тепло­ обмена во времени. Эта зависимость определялась мето­ дом последовательных приближений с помощью формулы (2.31). Зная распределение температур в теле в определенный момент времени, оценивалась темпера-

. тура на поверхности для этого же момента времени п по формуле (2.31) находились значения температур в раз­ ных точках образца. Расчет повторялся несколько раз, пока отклонение экспериментальных температурных кри­ вых от расчетных с использованием найденной зависимо­ сти для температуры поверхности не превышало 0,5%.

Кроме того, чтобы вычислить q„ по формуле (2.38), необходимо было также аппроксимировать формулами найденные из опыта зависимости температуры от време­ ни на задних теплоизолированных торцах цилиндров. Проделанные расчеты показали, что зависимости темпе­ ратуры от времени в различных сечениях образца достаточно точно описывались выражениями вида

і = А[ 1— ехр(—йт)].

Рис. 26. Зависимость теплового потока от времени для образцов из меди разной длины: 1 — 6= 0,005 л; 2 — 0,025; 3 — 0,05

«6

Коэффициенты температуропроводности а и тепло­ проводности X материалов образцов брались при средней температуре образца за время нагрева.

Тепловой поток в медный цилиндр длиной 5 мм, кроме описанного выше способа, подсчитывался также по экс­ поненциальному методу (2.18). Результаты расчета теп­ ловых потоков приведены на рис. 26, 27.

Рис. 27. Изменение теплового потока во времени в зависимости от материала образца (6=0,05 л): 1 — медь, 2 — алюминии, 3 — олово

Из графиков видно, что на величину теплового потока, являющегося функцией времени, оказывают влияние-раз­ мер экспериментального образца п теплоемкость мате­ риала. Для одного и.того же момента времени увеличе­ ние длины цилиндров и параметра ср приводит к возрас­ танию теплового потока.

После построения зависимости теплового потока от времени в полулогарифмических координатах (рис. 28) были получены прямые линии. Следовательно, можно за­ писать следующее выражение:

Коэффициент А в формуле (ЗЛО) сразу находится из рис. 28 и является одинаковым для всех образцов. Из ри­ сунка видно, что наклон прямых линий зависит от пара­ метра 1/бСр. Зависимость tg а от 1/бср оказалась прямой

линией, исходящей из начала координат (рис. 29). Эго позволило найти коэффициент В в формуле (3.10). Таким образом, была получена обобщенная зависимость для теплового потока от времени, длины образца и параметра с,о, которая отличалась от известных зависимостей для квазистационарных условий:

Максимальная погрешность приведенной формулы со­ ставляет 18%.

Рис. 29. Зависимость тангенса угла наклона прямых на рис. 28 от па­ раметра 1/бср

98