Теоретические основы теплотехники

Лучистый тепловой поток определяется уравнением Стефана-Больцмана:

Средний по всей поверхности цилиндра коэффициент теплоотдачи с учётом

(3) рассчитывается по формуле

Подобное выражение используется для расчёта локальных коэффициентов теплоотдачи αКi. При этом в него подставляется температурный напор Ti = TПi − TC, К, в соответствующем сечении

С– постоянный коэффициент;

п– показатель степени.

Теплофизические свойства газа, которые подставляются в (8), выбираются по определяющей температуре TC.

IV. описание установки

Теплоотдача от вертикального цилиндра исследуется на установке, общий вид которой приведён на рис. 1.

237

На рабочем столе 1 укреплён вертикальный цилиндр 2. Здесь же смонтированы распределительный блок 3 с сигнальной лампочкой 4, блок мощности 5 с включателем нагрева 6, выключателем 7, контрольными лампами 8 и реостатом 9 автотрансформатора. Блок мощности снабжён цифровым вольтметром 10.

Справа на столе размещён блок измерения температуры 11 с включателем 12, милливольтметром 13, который подключается тумблером 14, и многопозиционным переключателем 15. Установка снабжена передвижными термопарами, перемещаемыми механизмом 16.

Вертикальный цилиндр нагревается электрическим током, подводимым из сети через трансформатор.

Температуры на поверхности цилиндра измеряются с помощью 12 хромелькопелевых термопар (ТХК), припаянных на различной высоте. Расстояния между термопарами указаны на рис. 3.

Две передвижные термопары 13 и 14 (рис. 3) предназначены для измерения температуры воздуха в пристеночном слое.

V. порядок проведения опыта

Перед началом эксперимента все блоки должны быть отключены, ручка реостата 9 должна находиться в крайнем положении против часовой стрелки.

По разрешению преподавателя включаются в сеть распределительный блок 3, блок мощности 5 и блок измерения температуры 11. С помощью регулятора реостата 9 на цифровом вольтметре 10 устанавливается заданное напряжение нагрева вертикального цилиндра. После установления стационарного режима теплообмена многопозиционным переключателем 15 поочерёдно к милливольтметру 13 подключается двенадцать термопар 1 – 12 (рис. 3), установленных на поверхности цилиндра, и две передвижные термопары 13, 14.

Толщина теплового пограничного слоя 4 определяется по шкале измерительных устройств термопар 13 и 14 как расстояние от поверхности цилиндра, на котором температура отличается от температуры невозмущённого потока не более чем на 1%.

Результаты всех измерений заносятся в таблицу 1.

Все измерения повторяются при двух других падениях напряжения на вертикальном цилиндре (Umax = 1,65B).

После окончания экспериментов отключается нагрев цилиндра и вся

установка.

238

VI. обработка результатов измерений

По результатам экспериментальных наблюдений вначале рассчитывается средний коэффициент теплоотдачи αK по уравнению (6). В это уравнение подставляется средняя температура поверхности цилиндра

Затем с помощью уравнения (7) находятся значения локальных коэффициентов теплоотдачи αKi в 12 различных сечениях по высоте цилиндра.

Далее рассчитываются числа подобия Gri, Pri и Nui по уравнению (8), в которое в

качестве характерного размера подставляются координаты сечений.

Для нахождения постоянного коэффициента С и показателя степени n в уравнении

(8) строится график в логарифмической системе координат lgNui – lg(Gri Pri), на

который наносятся полученные значения чисел подобия. Экспериментальные точки графика апроксимируются линейной зависимостью. Тангенс угла наклона этой прямой соответствует показателю степени n. Постоянная С определяется из уравнения (8).

Строится график αKi = f(li) и сравнивается с имеющимися в литературе.

По показаниям термопар 13 и 14 (рис. 2) строятся профили безразмерной температуры пограничного слоя

VII. ВЫВОДЫ

Объясните, почему локальные коэффициенты теплоотдачи αKi изменяются по высоте цилиндра.

239

VIII. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Погрешность измерения коэффициента теплоотдачи определяется следующим образом:

240

СХЕМА УСТАНОВКИ

241

1– рабочий стол,

2– вертикальный цилиндр,

3– распределительный блок,

4– сигнальная лампочка,

5– блок мощности,

6– включатель нагрева,

7 – выключатель,

8– контрольные лампы,

9– реостат автотрансформатора,

10– цифровой вольтметр,

11– блок измерения температуры,

12– включатель,

13а – милливольтметр,

14 – тумблер,

15– многопозиционный переключатель,

16– механизм перемещения термопар.

242

РАБОЧИЙ УЧАСТОК (d = 40 ± 0,1мм,l = 1600± 5 мм)

243

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ТП-3

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА В ТРУБЕ

(Продолжительность лабораторного занятия – 4 часа, домашняя работа – 2 часа)

I. НАЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ

Определение локальных и среднего значений коэффициента теплоотдачи при движении воздуха в трубе. Оценка по данным эксперимента длины участка тепловой стабилизации. Исследование влияния скорости воздуха на коэффициент теплоотдачи. Представление результатов эксперимента на стабилизированном участке в критериальной форме и сравнение с известными в литературе критериальными зависимостями.

II. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Рабочий участок установки (рис. 1) представляет собой трубку 2 из нержавеющей стали (внутренний диаметр – 8 мм, толщина стенки – 0,5 мм). Один конец трубки соединён с атмосферой, а другой шлангом с центробежным вентилятором. На концах трубки припаяны медные шайбы, к которым от понижающего трансформатора подводится электрический ток низкого напряжения для нагрева рабочего участка. Электрическое сопротивление трубки составляет 0,05 Ом.

1, 3 – фторопластовые опоры;

2– трубка из нержавеющей стали;

4– сетка.

На рис. 2 показана схема измерений. Напряжение в сети нагревателя регулируется автотрансформатором “ЛАТР–2М” 2а и регистрируется цифровым комбинированным прибором “Щ–4313” 2б. Температура стенки трубки измеряется десятью термопарами ТХК 2–За — 11–3а, горячие спаи которых припаяны к её наружной поверхности. Координаты горячих спаев, отсчитываемые от входа, приведены в табл. 1:

Табл. 1.

244

Термопарами 1-3а и 12-3а измеряется температура воздуха на входе и выходе из трубки соответственно. Номера термопар, указанные на схеме измерений, соответствуют показаниям на переключателе 3б.

Термо–Э.Д.С. термопар измеряется милливольтметром — 3в с автоматической компенсацией температуры холодных спаев.

Скорость воздуха в рабочем участке измеряется трубкой Пито 1а в комплекте с дифференциальным манометром, усиленный электрический сигнал которого

регистрируется прибором 1в, показывающим величину объёмного часового расхода воздуха, V м3/ч.

Определение величины объёмного расхода по показаниям прибора находится из уравнения:

245