Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая термодинамика и теплопередача. Лабораторный практикум
.pdf
11
Перепад температур в стенке измерительной трубки обычно составляет
к
Км
Вт
1,5 % от общего перепада t. Потерями теплоты от теплового излучения и
отвода теплоты концами измерительных проволок обычно пренебрегают.
Для исследования теплопроводности сыпучих материалов применяют
также метод шарового слоя, когда образцу придается форма шаровой
стенки. В этом случае коэффициент формы вычисляется по формуле (1.3).
3. Рекомендации студентам по подготовке к лабораторной работе
Подготовка к данной лабораторной работе заключается в изучении
теории теплопроводности по конспектам лекций и знакомстве описания
экспериментальной установки, приведенном далее. Студенту предстоит
определение методом плоского слоя коэффициент теплопроводности и
зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Поэтому в
отчете необходимо привести схему установки и порядок проведения
исследований.
4. Описание экспериментальной установки
Рабочий участок установки (рис. 1.1) состоит из двух образцов 1,
выполненных в форме дисков толщиной = (5,0±0,015) мм и диаметром
140 мм. Образцы помещены между нагревателем 3 и двумя холодильниками
2. Необходимая плотность контакта исследуемых образцов с
соответствующими горячими и холодными поверхностями обеспечивается
применением болтовых соединений и высокой чистотой обработки
соприкасающихся поверхностей.
Нагреватель 3 с электрическим сопротивлением R=41,7 Ом выполнен
из двух соединенных латунных дисков, один из которых служит крышкой, а
другой представляет собой цилиндр с нагревательным элементом 4,
уложенным на поверхность электрического изолятора (листового асбеста).
Для снижения радиальных тепловых потерь нагреватель фиксируе тся по
центру теплоизоляционного кожуха 5, заполненного асбоцементом
(коэффициент теплопроводности кожуха
=0,092
). Кожух высотой
hк=22 мм состоит из двух симметричных полых цилиндров с внешним
диаметром dк=140 мм. В установившемся тепловом режиме теплота из
нагревателя (за исключением радиальных тепловых потерь) проходит через
испытуемые образцы и отводится водой, протекающей через полости
холодильников 2. Корпус холодильника выполнен в виде диска со
спиральными канавками для направленной циркуляции воды. Материал
диска — нержавеющая сталь.
12
Рис. 1.2. Схема измерений:
1, 2 — термопары со стороны холодильников; 3,
6, 4, 5, — термопары со стороны нагревателя; 7
— термопара снаружи теплоизоляционного
кожуха; 8 — автотрансформатор; 9 — вольтметр;
10 — вентиль подачи воды; 11 — прибор
Схема измерений показана на рис.
1.2. Подаваемое на нагреватель
напряжение регулируется
автотрансформатором — 8 и измеряется
комбинированным цифровым прибором —
9.
Рис. 1.1. Оснащение
испытуемых образцов
термопарами:
1— образцы; 2 — холодильники; 3
—корпус нагревателя; 4 —
элемент нагрева; 5 —
теплоизоляционный корпус
Для измерения температуры поверхностей образцов использовано
шесть термопар ТХК (рис. 1.2). Термопары 1 и 2 зачеканены по центру
поверхностей образца со стороны холодильников, а остальные четыре
термопары 3, 6, 4 и 5 расположены на торцовых поверхностях образца со
стороны нагревателя. Кроме того, установлена еще одна термопара 7 –
(показана на рис. 1.2) посредине наружной цилиндрической поверхности
теплоизоляционного кожуха 5 (рис. 1.1). Электродвижущая сила (ЭДС)
термопар измеряется милливольтметром– 12 (см. рис. 1.2), шкала
которого градуирована в °С.
5. Краткое содержание работы, выполняемой в ходе занятия
В ходе занятия группа студентов в составе трех человек выполняет
указания преподавателя по ведению эксперимента. Результаты измерений
13
студенты обязаны записать в журнал наблюдений, выполнить необходимые
с
t
вычисления по ниже приведенной методике.
6. Порядок проведения эксперимента, постановки опыта, снятия
замеров и обработка данных эксперимента
Порядок проведения опыта. Необходимо перед включением
установки убедиться, что движок 4 автотрансформатора (рис. 1.3, блок
управления 1в) находится в положении «0». Проверив заземление
установки, включить выключатель на панели управления (рис. 1.3)
тумблером 1 (загорается сигнальная лампочка «сеть»). Нажатием кнопки
2 на панели блока управления 1в подать напряжение в схему
нагревательного элемента 4 (рис. 1.1).
Установить тумблеры измерителя температуры 2в (рис. 1.3):
тумблер 6 в положение «вкл», тумблер 7 в положение «измерение».
Установить переключатель 8 термопар в положение «0» (по оцифровке
на измерителе температуры 2в рис. 1.3).
Считывание показаний измерительных приборов:
– Уровень напряжения на нагревательном элементе по показаниям
вольтметра 5, расположенного на блоке управления 1в.
– Показания температуры в измеряемых точках термопарами по
шкале 9 измерителя температуры 2в.
После регистрации температуры окружающей среды
следует
открыть вентиль 10 (рис. 1.3) охлаждающей воды и отрегулировать
расход воды так, чтобы поплавок в камере трубопровода находился в
нейтральном положении. Затем ручкой автотрансформатора 4 плавно
подать напряжение на нагревательный элемент и установить
напряжение электронагрева U=35 В, регистрируемое вольтметром 5
(рис. 1.3, блок управления 1в).
Через 15 мин после включения нагрева регистрировать показания
всех термопар (не менее 3...4 раз через каждые 5 мин). Следить за
постоянством показаний датчиков при нескольких измерениях.
14
Рис. 1.3. Лабораторный стенд:
1в — блок управления: 1 — тумблер; 2 — кнопка подачи напряжения в схему
нагревательного элемента; 4 — движок автотрансформатора; 3 — выключатель; 5
— вольтметр; 2в — измеритель температуры: 6 — тумблер «вкл», 7— тумблер
«измерение»; 8 — переключатель термопар; 9 — шкала измерителя температуры;
10 — вентиль подачи воды
№
реж.
U, В
Температура, °С
1–го образца
2–го образца
кожуха
1
t
3
t
4
t
2
t
5
t
6
t
7
t
Провести аналогичные замеры температуры на режимах нагрева
при напряжениях U=50В и U=60 В. Измерения на этих режимах
начинать через 15 мин после установки соответствующего напряжения,
регистрируемого вольтметром 5 (рис. 1.3, блок управления 1в).
По окончании эксперимента движком автотрансформатора 4
плавно понизить напряжение до U=0 В на нагревательном элементе,
регистрируемое вольтметром. Выключить подачу напряжения на
нагреватель (выключатель 3), а затем и автоматический
выключатель 1 на панели управления, после чего закрыть вентиль 10
подачи воды.
Результаты измерений записать в журнал наблюдений, составленный
по форме табл.1.1.
Таблица 1.1.
Температура образцов и теплоизоляционного корпуса в зависимости от
напряжения на нагревателе
Обработка результатов измерений
1. Используя средние значения результатов измерений, подсчитать
значения коэффициентов теплопроводности для трех исследованных режимов
по формуле
15
=К(
к
Q-Q
1
ст
t
2
ст
t
F2
R
U
2
1
ст
t
4
1
41i
i
i
t
2
ст
t
2
1
21i
i
i
t
с
Дж
Вт
к
Q
Вт
1
ст
t
2
ст
t
2
м
к
Q
к
7
t
с
t
к
F
б
t
2
ст
t
б
t
1
ст
t
с
t
2
ст
t
к
Км
Вт
2
с
t
б
t
к
F
к
к
р
t
1
ст
t
р
t
с
t
1
ст
t
с
t
с
t
2
ст
t
р
t
2
21
стст
tt
t
a
)/(
–
); К=
; Q=
;
=
;
=
, (1.4)
где К — коэффициент формы, Q— тепловой поток от нагревателя, Q,
=
;
— радиальные тепловые потери,
;
— средняя температура
поверхности образцов со стороны нагревателя (термопары 3, 6, 4 и), К;
— средняя температура поверхности образцов со стороны холодильника
(см. рис. 1.2 термопары 1 и 2), К; R = 41,7 Ом — сопротивление
нагревателя; — толщина образца 1 (см. рис. 1.1), м; F — площадь
поверхности образца 1 (рис. 1.1),
.
Формула (1.4) получена из соотношения (1.2) для плоского слоя
применительно к рабочему участку (см. рис. 1.1), на котором исследуются
сразу два образца.
Радиальные тепловые потери, входящие в уравнение (1.4), определяются
по формуле:
где
=
(
–
)
+(
–
)/3;
=0,13
+0,09
+0,73
, (1.5)
— коэффициент теплоотдачи со стороны торцовой поверхности кожуха,
;
— температура окружающей среды,
о
С;
— температура крепежных
болтов, оС;
Коэффициент теплоотдачи
где
– полученные из аналитического решения задачи стационарного
=0,039 м2 — площадь наружной торцовой поверхности кожуха.
вычисляется по формуле
3,31+0,0024(
+
);
=
+0,30(
–
)–0,06(
–
), (1.6)
двумерного температурного поля изоляционного кожуха.
Полученные значения теплопроводности следует относить к средней
температуре
исследуемого образца.
2. Определив значения для трех режимов, построить зависимость
=a+tb. (1.7)
3. Определить материал исследуемых образцов, сопоставив
коэффициенты
и b с соответствующими значениями для различных
материалов, данные о которых приведены в табл.1.2.
7. Техника безопасности
Проверить заземление всех приборов стендовой установки. Перед
включением приборов в сеть подать воду в холодильники образцов. По
окончании работы и выключении приборов из сети выдержать паузу в
течение 3…5 мин и закрыть вентиль 10 (см. рис. 1.3).
16
8. Исходные данные для работы
a
Материал
a
,
Вт
мК
b
4
10
2
Вт
мК
Асбест
0,107
1,9
Асбестовый картон
0,157
1,4
Асбослюда
0,134
1,51
Асбоцемент
0,088
1,28
Вермикулит
0,072
2,9
Войлок шерстяной
0,047
20
Вулканит
0,092
1,74
Сталь аустенитного класса
13,8
155
2
1
2
22
22
21
22
стстк
к
tt
t
d
d
QQ
QQ
Q/Q
RRUU //2
2
1
2
2
Тn
ttt
Q/Q
d
п
t
Т
t
U
п
t
Т
t
к
Q
R
Таблица 1.2.
Коэффициенты
и b для различных материалов
9. Методика анализа полученных результатов
Оценка погрешностей измерений [4]. В соответствии с расчетной
формулой (1.4) и зависимостью (1.8) среднеквадратическая ошибка
определения теплопроводности подсчитывается по формуле
;
где
=
— относительная погрешность измерения теплового потока;
;
, (1.8)
— толщина образца, м; d — диаметр образца, м; абсолютные погрешности:
— определения толщины образца, м; t — определения температуры, оС;
— определения диаметра образца, м;
,
— измерения температуры
и погрешность тарировки термопар соответственно, оС.
Максимальные погрешности измерений
,
, входящие в уравнение
(1.8), определяются классом измерительных приборов; максимальную
погрешность тарировки термопар можно принять равной
погрешностями определения радиальных тепловых потерь
электрического сопротивления нагревателя
при определении ошибки
=±0,5
о
С, а
и
измерения теплопроводности можно пренебречь.
Контрольные вопросы
1. При каких условиях однозначности можно получить решение
уравнения Лапласа (1.1) для одномерного случая?
2. В чем преимущество используемого рабочего участка по сравнению с
участком с односторонним нагревом образца?
17
3. Дайте общую характеристику используемого метода определения
теплопроводности.
4. Какие и какими приборами производятся измерения при выполнении
работы?
5. Назовите основные причины возможных погрешностей данного
эксперимента.
6. Поясните физический смысл величин, входящих в закон Фурье, их
единицы измерения.
7. Как определить тепловой поток через плоскую однослойную стенку
при стационарном режиме.
18
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.
ст
Pr
Pr
æ
Gr
æ
Nu
к
Q
к
ст
t
в
t
к
Км
Вт
2
ст
t
C
o
в
t
C
o
ст
t
в
t
C
o
F
2
м
к
ст
t
в
t
к
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ
ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА
Продолжительность 2 ч
1. Задачи исследования
Задачей работы является углубление знаний по теории теплопередачи при
естественной конвекции
ознакомление с методикой опытного исследования процесса и
,
получения навыков в проведении эксперимента.
2. Краткие теоретические сведения
Вид теплообмена характеризуется малой интенсивностью теплоотдачи,
т.к. вызван различными плотностями холодных и горячих частиц среды
вследствие разности температур между средой и стенкой аппарата.
Теплообмен происходит в испарительных батареях рефрижераторных
камер, грелках судовых помещений, в процессе отвода теплоты в
окружающую среду нагретыми поверхностями аппаратов и трубопроводов.
Критериями, определяющими этот вид теплообмена, являются
критерии подобия: числа Прандтля
,
и число Грасгофа
.
Определяемым критерием в этом случае является число Нуссельта
.
Свободной конвекцией [3] называется движение, вызываемое массовыми
(объемными) силами. Одной из таких сил является подъемная, возникающая
вследствие разности плотностей жидкости в различных точках объема. Если эта
разность плотностей обусловлена разностью температур тела, помещенного в
жидкость, и самой жидкости, то возникающий при этом теплообмен называется
теплоотдачей при свободной конвекции. Интенсивность теплообмена при этом
определяется разностью температур тела и жидкости (температурным напором),
физическими свойствами жидкости и геометрическими факторами (формой, размером
и положением тела в пространстве). Количество теплоты, которым обменивается тело с
окружающей его жидкостью в единицу времени, может быть подсчитано по уравнению
=
(
где
— коэффициент теплоотдачи,
— температура воздуха (жидкости),
между стенкой и жидкостью,
Коэффициентом
характеризуется интенсивность теплообмена между телом
–
)F, (2.1)
;
— температура стенки,
; (
;
— поверхность теплообмена,
–
температурный напор
) —
.
;
и омывающей его жидкостью.
Требуется путем эксперимента определить
для трех вариантов тепловых нагрузок горизонтальной трубы рассчитать
температурный напор
(
–
. Для
) и
19
этого необходимо по формуле (2.1) вычислить среднее значение коэффициента
к
к
ст
t
в
t
ж
Nu
ж
Pr
ж
Gr
ж
Pr
ст
Pr
ж
Nu
ж
Pr
ст
Pr
ж
Gr
ж
Nu
ж
Pr
ж
Gr
пг
t
ст
t
в
t
ст
Pr
ж
Pr
ст
t
в
t
ж
Pr
ст
Pr
ж
Nu
ж
Pr
ж
Gr
теплоотдачи
, а затем установить влияние на этот коэффициент температурного
напора. Зависимость
только для исследования в опыте с горизонтально расположенной трубой. Для
получения общей закономерности, характеризующей подобные процессы теплообмена,
необходимо обобщить экспериментальные данные, представив их в виде
критериальной зависимости.
Применяя методы теории подобия к математическому описанию конвективного
теплообмена при свободном движении жидкости, можно получить критериальное
уравнение для теплоотдачи при свободной конвекции в виде степенной функции
где
C — коэффициент;, n, m — показатели степени;
подсчитанные при различных температурах, для жидкости и стенки
соответственно;
пограничного слоя
— число Нуссельта для жидкости при температуре пограничного слоя;
Числа
=f(
=C (
— число Грасгофа.
,
,
=0,5(
+
–
), полученная таким образом, справедлива
)n(
определяются для жидкости при температуре
), а числа
/
и
)m, (2.2)
,
— числа Прандтля,
— для жидкости при
температуре стенки
воздуха)
Для воздуха в широком интервале температур число Прандтля практически не
изменяется, поэтому в выполняемой работе отношение
направление теплового потока, обращается в единицу. В этом случае критериальное
уравнение (2.2) упрощается:
3. Рекомендации по подготовке к лабораторной работе
После ознакомления с опытной установкой, проверки правильности
включения измерительных приборов, можно приступить, к проведению опытов. Все
измерения проводить на установившемся тепловом состоянии установки. После его
достижения производят несколько замеров показаний приборов, через каждые 3…5 мин
и результаты заносят в протокол испытаний. Учитывая неизбежность случайных
ошибок наблюдения, для каждого режима производят по три измерения, а затем
вычисляют среднее значение искомых величин.
Отчет по выполненной работе должен содержать следующее:
1) краткое описание работы;
2) принципиальную схему установки;
.
и для возмущенной жидкости (в нашем случае
=C (
/
)n. (2.3)
, характеризующее
20
3) протокол записи показаний измерительных приборов и обработки результатов
к
ж
Nuln
ж
Pr
ж
Gr
Крайние спаи термопар находятся на
расстоянии 100 мм от торцов трубы. Все
термопары подключены к автоматическому
потенциометру типа KПC–4,
с помощью
которого определяются температуры.
Для определения количества теплоты,
выделяемого электронагревателем 4 и
передаваемого трубой в окружающий воздух за
время опыта, служит ваттметр 3 или амперметр
с вольтметром. Мощность, потребляемую
электронагревателем, регулируют
посредством автотрансформатора 2.
Температура воздуха окружающей среды
измеряется термометром, расположенным вне
пределов воздействия тепловых потоков. Для
получения удовлетворительных результатов
установка в помещении лаборатории
поддерживается постоянная температура.
Рис. 2.1. Схема опытной установки:
1 — труба; 2 — автотрансформатор; 3 —
ваттметр; 4 — электронагреватель; 5 —
измерительный прибор
к
ст
t
в
t
опыта (протокол испытаний);
4) графики зависимости теплоотдачи от температурного напора a.
=f(t) и
зависимости между числами подобия:
=f[ln(
)];
5) сопоставление результатов опыта с данными литературных источников.
4. Описание экспериментальной установки
Опытная установка (рис. 2.1) состоит из трубы 1 и представляет собой
горизонтальный полый алюминиевый цилиндр длиной 1200 мм с наружным
диаметром 30 мм. Внутри трубы помещен электронагреватель 4 в форме цилиндра.
Внутреннее пространство между электронагревателем и трубой заполнено опилками
алюминия, служащими для исключения внутренней конвекции и для
равномерного распределения теплоты по длине трубы.
Для измерения
температуры теплоотдающей поверхности трубы в ней заложено шесть хромель–
копелевых термопар 6. Спаи термопар расположены на равных расстояниях друг от друга
с равномерным шагом по окружности тру
бы в 60°
и по ее длине.
5. Краткое содержание работы, выполняемой в ходе занятия
Определить значение коэффициента теплоотдачи и его зависимость от
температурного напора на горизонтальной трубе при свободном движении воздуха,
возникающем под воздействием сил гравитации. Построить график зависимости
=f(
–
).
Результаты обработки опытных данных представить в обобщенном
(критериальном) виде и сравнить с существующими критериальными зависимостями.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]