Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория теплообмена. Лабораторный практикум
.pdf
Таблица 2
Расчетная величина
Формула
Опыты
1 2 3
Температурный на-
пор
∆t = tc–t
нас
, оС
Тепловой поток, вы-
деляемый на трубке
Q
=IUэл, Вт
Коэффициент тепло-
отдачи
tF
Q
тр
, Вт/(м
2
К)
Определяющий раз-
мер (рассчитывается
при t
нас
= 100 оС)
,
)r(
Тc
l
насp
2
м
Обратите внимание на раз-
мерности используемых ве-
личин
Число Нуссельта
ж
ж
l
Nu
Логарифм Nu
ж
*
ℓg Nu
*
ж
Плотность теплового
потока на трубке
тр
F
Q
q
, Вт/м
2
Приведенная ско-
рость парообразова-
ния
,
r
q
w
кип
3
10
м/с
Число Рейнольдса
lw
Re
кип
ж
Логарифмы Re*ж
lgRe
*
ж
Число Прандтля
31/
ж
Pr
(
а
Pr
ж
)
31/
ж
Pr
- 41 -
Рис. 5. Зависимость ℓgNu
)Re(lg
)Nu(lg
n
Re
Nu
31/
ж
Pr
1/3
ж
n
PrReсNu
Провести через них наиболее вероятную прямую (рис. 5), урав-
нение которой имеет вид
ℓgNu
*
=ℓgА+nℓgRe*ж,
ж
*
=ℓgА+nℓgRe*ж,
ж
и определить показатель n=tgθ=
, А=
=с
.
Определить постоянную с, решив для произвольной точки, на-
пример, полученной в опыте 1.
Записать полученное уравнение подобия в явном виде:
. (11)
Сравнить полученные значения постоянных с и n в уравнении
(11) со справочными данными в уравнении (5).
Согласно третьей теореме подобия, полученное уравнение по-
добия можно использовать при расчете коэффициента теплоотдачи
при кипении различных жидкостей. Оно справедливо в области изменения определяющих чисел подобия, охваченных в эксперименте. В
данном случае определяющими являются числа Рейнольдса и Прандт-
ля.
4. Рассчитать систематическую погрешность измерения вели-
чин, по которым определяется коэффициент теплоотдачи
.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Характеристика и механизм процесса теплоотдачи при кипе-
нии в большом объеме. Критический радиус паровых пузырьков.
2. Роль паровых пузырьков в процессе кипения, влияние на ин-
тенсивность теплообмена.
- 42 -
3. Режимы кипения. Кризис кипения.
4. Уравнение подобия для расчета коэффициента теплоотдачи
при пузырьковом режиме кипения.
5. Экспериментальная установка и сущность опыта по опреде-
лению α при кипении в большом объеме.
6. Обобщение опытных данных, установление явного вида зави-
симости между числами подобия.
7. Область применения полученного уравнения подобия.
8. Источники погрешностей измерения. Виды погрешностей.
Методика расчета.
Литература:
1. Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел
энерготехнологических процессов и установок: метод указания /
В.А. Аляев [и др.]. – Казань: КГТУ, 2000. – 64 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача /
В.В. Нащокин. – М.: 2008. – 496 с.
3. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова,
А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1975. – 486 с.
- 43 -
Лабораторная работа 4
Вариант
1 2 3 4 5 6 7
Опыт 1
φ
U
, mV
3,3
3,3
3,3
6,0
3,3
3,3
3,3
П, дел.
по ро-
таметру
10
20
30
40
10
20
30
Опыт 2
φ
U
, mV
6,0
6,0
6,0
8,1
6,0
8,1
8,1
П, дел.
по ро-
таметру
40
50
60
80
70
80
80
п
жdжd
RecNu
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕСТНОЙ ТЕПЛООТДАЧИ
ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ТУРБУЛЕНТНОМ
ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА В ТРУБЕ
Цель работы: определить значения местных коэффициентов
теплоотдачи к воздуху при вынужденном турбулентном движении в
равномерно обогреваемой круглой трубе (qc=const); построить график
зависимости локальных коэффициентов теплоотдачи от продольной
координаты при данном числе Рейнольдса и объяснить причину их
изменения на начальном участке; провести обобщение опытных данных в виде показательной функции; рассчитать систематическую погрешность определения коэффициента теплоотдачи в опыте (см. разд.
Оценка погрешности эксперимента).
Задание
1. Провести опыты по определению местных коэффициентов
теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении воздуха в
трубе в соответствии с вариантом задания:
2. Провести обобщение результатов измерений для области ста-
билизированного теплообмена в виде уравнения подобия
и сравнить полученное уравнение с уравнением, представленным в
литературе.
- 44 -
Основы теории
Red,l
нач
030
Процессы течения жидкости и теплоотдачи в трубах представ-
ляет большой практический интерес, так как трубы являются элемен-
тами различных теплообменных аппаратов. Трудности возникают при
исследовании течения и теплоотдачи на начальном участке трубы.
Здесь формируются поля скоростей и температур.
В зависимости от условий на входе на начальном участке трубы
может быть реализовано ламинарное или турбулентное течение жидкости.
При ламинарном течении (число Рейнольдса меньше некоторого
критического значения, Re < Re
), на начальном участке плоский
кр
профиль скоростей на входе (при х=0) постепенно по мере формирования пограничного слоя принимает и в дальнейшем сохраняет фор-
му параболы. Длину начального участка l
ламинарном течении можно определить по формуле
откуда при Re = 5000 получаем l
= 150 d. При турбулентном тече-
нач
трубы диаметром d при
нач
,
нии (Re > Reкр) на начальном участке плоский профиль скоростей под
воздействием сил трения трансформируется: в пристенной области он
имеет параболическую форму – здесь происходит ламинарное течение
– ламинарный подслой, а в ядре потока – плоскую форму – здесь сохраняется турбулентное течение жидкости. Длина начального участка
l
трубы при турбулентном течении по экспериментальным данным
нач
составляет l
= 25÷40 d.
нач
Течение в трубе, когда поле скоростей практически не зависит
от характера распределения скоростей на входе, т.е. за начальным уча-
стком l
, называется стабилизированным течением.
нач
От характера формирования гидродинамического пограничного
слоя зависит формирование теплового пограничного слоя, в котором
устанавливается поле температур.
Сразу после входа жидкости в трубу теплообмен может происходить только в тонком слое у ее внутренней поверхности. Здесь ядро
потока не участвует в теплообмене. По мере удаления жидкости от
входа в трубу ядро теряет (или получает) теплоту, и поэтому темпера-
тура на ее периферии уменьшается (или увеличивается), а толщина
теплового пограничного слоя растет.
Участок течения в трубе, на котором поле температур зависит
от условий на входе и на котором происходит нарастание пограничного слоя до заполнения поперечного сечения трубы, называют тепло-
- 45 -
вым начальным участком l
W
а)
б)
х
=f(x)
∞
=const
Рис. 1. Образование пограничного
слоя (а) и распределение местного
коэффициента теплоотдачи (б) при
турбулентном течении жидкости
внутри трубы
. За этим участком течение жидкости
т.нач
становится стабилизированным и коэффициент теплоотдачи не изме-
няется (рис. 1).
В зависимости от конкретных условий ламинарный погранич-
ный слой на начальном учас
тк
е может перейти в турбулентный. Соот-
ветственно, в этом случае стабилизированный режим течения в трубе
будет турбулентным с ламинарным подслоем около стенки (рис. 1а).
С увеличением толщины теплового пограничного слоя у поверх-
ности интенсивность теплоотдачи уменьшается (рис. 1б). В переходной
зоне общая толщина пограничного слоя продолжает возрастать, однако значение
при этом увеличивается, потому что толщина ламинар-
ного подслоя убывает, а в образующемся турбулентном слое тепло
переносится не только теплопроводностью, но и конвекцией, т. е. более интенсивно. В результате суммарное термическое сопротивление
теплоотдаче убывает.
После стабилизации толщины ламинарного подслоя в зоне развитого турбулентного режима коэффициент теплоотдачи
вновь на-
чинает убывать из-за возрастания суммарной толщины пограничного
слоя. После стабилизации суммарной толщины пограничного слоя ко-
эффициент теплоотдачи становится неизменным,
=const.
Необходимо отметить, что длина промышленных теплообменных аппаратов соизмерима с длиной начального участка гидродинамической и тепловой стабилизации, после которого коэффициент теп-
лоотдачи остается неизмен-
ным. Уравнения подобия
[1, 2, 3], рекомендуемые для
расчета коэффициента тепло-
отдачи
, справедливы для
стабилизированного теплооб-
мена, наступающего за на-
чальным участком тепловой и
гидродинамической стабили-
зации. Поэтому при расчетах
теплообменных аппаратов надо учитывать влияние изме-
нения =f(x/l) на начальном
участке трубы на средний ко-
эффициент теплоотдачи по
всей длине трубы.
- 46 -
Стабилизированное турбулентное течение жидкости или газа в
Рис. 2. Схема экспериментальной установки:
0 – 12 – номера термопар, измеряющих температуру: 0, 11, 12 – воздуха на вхо-
де и выходе из опытной трубки, и в лаборатории, соответственно; 1 – 10 – сте-
нок опытной трубки в соответствующих сечениях (см. табл. 1.); I – опытная
трубка; II – входная камера; III – выходная камера; IV – ротаметр; V – регули-
рующий вентиль; VI – силовой трансформатор; VII – автотрансформатор;
VIII – переключатель термопар; IX – переключатель измеряемой величины;
X – вольтметр; XI – измерительный шунт; XII – выключатель
b b
a
a
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
11
Выход
III
II
IV V Вход
~ 220 B
VII VI
b b I
тр
a
a
U
э.д.с.
0
.
.
.
.
.
12
12
VIII
IX
X
I
ХII
ХI
x
трубе может иметь место при значениях числа Рейнольдса Re > 104.
Основные положения теории подобия явлений конвективного
теплообмена представлены в материалах к лабораторной работе 1.
Описание экспериментальной установки
Теплообмен осуществляется в тонкостенной трубке I (рис. 2) с
внутренним диаметром dвн = 6,5 мм из нержавеющей стали
12Х18Н10Т. Расход воздуха, протекающего по трубке, регулируется
вентилем V и измеряется с помощью ротаметра IV. Опытная трубка
подключена к понижающему силовому трансформатору VI, первичная
обмотка которого через регулятор напряжения VII (ЛАТР) соединена о
сетью переменного тока через выключатель XII. Разность потенциалов
- 47 -
на концах опытной трубки и ток, протекающий по ней, с помощью
№
п/п
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
х,
мм
16,2
30
55
75
95
125
195
320
515
620
x/l
0,025
0,0461
0,0846
0,1154
0,146
0,1923
0,3
0,4923
0,792
0,9538
измерительного шунта измеряются цифровым вольтметром X. Для из-
мерения температуры воздуха на входе в трубку и на выходе из нее во
входной II и выходной III камерах установлены термопары 0 и 11, со-
ответственно. Температуры стенки трубки в различных сечениях по
длине измеряются с помощью хромель-алюмелевых термопар 1–10.
Координаты горячих спаев термопар на стенке трубки, отсчитываемые
от входного сечения, приведены в табл. 1. Последовательное подключение всех термопар к цифровому вольтметру X осуществляется через
переключатель термопар VIII типа ПМТ–2.
Таблица 1
Порядок выполнения работы
1. Перед включением установки убедиться, что ручка регулятора напряжения VII выведена против часовой стрелки до упора, ручка
переключателя IX находится в положении Uтp и род измеряемой прибором X величины в положении «~» (перем. ток).
2. Включить цифровой измерительный прибор X для его прогрева в течение 5 мин (не менее).
3. В соответствии с вариантом задания по ротаметру устано-
вить расход воздуха П.
4. Включить установку (переключатель XII).
5. В соответствии с вариантом задания установить разность по-
тенциалов на трубке.
6. Перевести переключатель IX в положение ЭДС, род изме-
ряемой прибором X величины в положение «=»(постоянный ток), переключатель термопар VIII в положение 11.
7. Построить график стационарности (рис. 3). Для этого через
каждые 2 мин записывать показания вольтметра (ЭДС термопары).
При установлении неизменности показаний прибора в течение 6 мин
(т.е. наступлении стационарного режима) произвести измерения ЭДС
термопар 0 – 12, устанавливая переключатель VIII в соответствующее
положение (0 – 12).
- 48 -
Измеряе-
мая
величина
φ
U
φ
I
e0
e1
e2
e3
e4
e5
e6
e7
e8
e9
e10
e11
e12
П
Показания
прибо-
ров в
опытах
1
2
i
c
x
t
q
c
q
жiiвнci
ttt
Стационарный режим
Рис. 3 График стационарности (образец)
e, mV
,мин
8. Установить переключатель IX в положение I
, род измеряе-
тp
мой прибором X величины в положении «~» и измерить силу тока.
9. Измеренные величины занести в табл. 2.
10. Для определения истинных значений напряжения, силы тока
и температур использовать следующие соотношения:
Uтp = 0,1 φU , В;
Iтp = 2 φI , А;
t = 27,3 ei, С,
где φ , e – показания цифрового вольтметра в mV.
11. Провести опыт при втором тепловом режиме в соответствии
с заданием.
Таблица 2
Обработка опытных данных
1. Для каждого опыта требуется вычислить коэффициент теп-
лоотдачи в десяти сечениях трубы по формуле
где
– плотность теплового потока в данном сечении;
средний температурный напор в данном сечении.
,Вт/(м
- 49 -
2
К), (1)
–
Если принять во внимание, что температура стенки трубки по
ld
Q
F
Q
q
вн
c
Q
поттртр
QIUQ
пот
Q
пот
Q
)tt(ldQ
occнпот
3
1058 ,d
н
650,l
c
t
oc
t
)tt(,)tt(,,,Q
occoccпот
087065010581435
3
c
q
l
x
)tt(tt
i
'
ж
"
ж
'
жiж
вн
н
вн
нcвнcc
c
d
d
lnd
)tt(
q
2
длине изменяется незначительно, то обогрев ее можно считать равно-
мерным (qc = const), при этом полагая, что местная и средняя плотно-
сти теплового потока приблизительно одинаковы. Поэтому
, Вт/(м
где F– площадь внутренней поверхности трубки;
2
), (2)
– тепловой поток
на внутренней поверхности трубки:
, Вт. (3)
Здесь
U
тр
и
Iтр – падение напряжения и сила тока на трубке;
– потери теплоты от наружной поверхности трубки в окружаю-
щую среду.
может быть определен из соотношения
, (4)
где
– коэффициент теплоотдачи при свободном движении от на-
ружной поверхности горизонтальной трубки к воздуху;
– наружный диаметр трубки;
м – длина трубки;
– средняя
м
температура наружной поверхности стенки;
– средняя температура
воздуха в помещении.
Принимаем
~ 5 Вт/(м2*К). Тогда из (4) получаем
. (5)
Учитывая, что при
= const, средняя температура воздуха внут-
ри трубки по ее длине изменяется линейно и ее можно рассчитать по
уравнению
, (6)
где t
и t
ж
– температуры воздуха во входной и выходной камерах.
ж
Температура внутренней поверхности трубки t
в 10 сечениях
с вн
может быть определена из соотношения
.
- 50 -
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]