Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая термодинамика и теплопередача. Лабораторный практикум
.pdf
51
подслое толщиной
1
ст
Т
n
Т
Плотность теплового потока можно
определить по уравнению:
ст
q
=
n
1
nст
ТТ
, (6.1)
где
n
— коэффициент теплопроводности
потока жидкости (воздуха в трубе),
Км
Вт
;
1
— толщина ламинарного подслоя, м;
ст
Т
— температура стенки внутри трубы, К;
n
Т
— температура на границе ламинарного и
турбулентного слоев, К.
Определение параметров
ст
Т
и
n
Т
воздуха в ламинарном подслое трудоемко.
В этой связи лучше воспользоваться
законом Ньютона–Рихмана для определения
поверхностной плотности теплового потока в
стенку от движущегося в трубе нагретого
воздуха:
ст
q
=(
n
Т
–
ст
Т
), (6.2)
где
— коэффициент теплоотдачи,
Км
Вт
2
.
Рис. 6.1. Характер изменения
температуры теплоносителя
(воздуха) в пристеночном слое:
1
– толщина ламинарного
подслоя;
2
– толщина
турбулентного подслоя;
ст
Т
–
температура стенки трубы с
внутренней стороны;
n
Т
–
температура на границе
ламинарного и турбулентного
слоев;
n
Т
– температура
турбулентного слоя.
n
1
1
1
Nu, Re
Nu
d
Км
Вт
2
Nu
Nu
температура потока резко меняется от температуры
стенки
до температуры
теплопроводностью.
(рис. 6.1). Теплота в нём передается
что
ламинарного слоя
Заметим, чем больше кинематическая вязкость воздуха, тем больше будет
толщина
На основании теплового баланса (см. зависимости (6.1) и (6.2)) получается,
≈
/
, а так как с ростом скорости воздушного потока в трубе толщина
уменьшается, то коэффициент теплоотдачи возрастает.
, а коэффициент теплоотдачи
Чтобы обобщить результаты экспериментальных исследований, применим
методы теории подобия. Приведем уравнения конвективного теплообмена к
безразмерному виду, используя критерии подобия:
Число Нуссельта
границе твердое тело — жидкость и он является безразмерным
коэффициентом теплоотдачи, при возрастании коэффициента теплоотдачи
теплоотдачи в результате движения потока воздуха (в нашем случае) к
,
, увеличивается
=
характеризует интенсивность теплообмена на
. Таким образом,
передаче теплоты чистой теплопроводностью.
уменьшится.
, Pr и Gr.
характеризует отношение
52
Число Прандтля
Pr
a
a
Pe
wd
a
Re
wd
3
0
2
gl
v
t
2
v
n
T
1
n
T
Nu
1
C
n
n
Re
m
n
Pr
n
Pr
ст
Pr
Nu
2
C
n
Gr
n
Pr
n
Pr
ст
Pr
n
T
ст
T
1
C
2
C
n
Pr
n
Pr
ст
Pr
Nu
n
n
Re
fw
=
характеризует влияние физических свойств
среды на конвекцию и является мерой подобия полей температур и
скоростей, т.к.
температуропроводность
влияет на характер поля скоростей, а
— на процесс теплообмена. Число Прандтля
получается в результате деления критерия
=
на число
. В
отличие от этих критериев число Прандтля содержит только теплофизические
параметры жидкости.
Число Грасгофа Gr=
силы к силе вязкого трения, которая пропорциональна
— мера отношения удельной подъемной
. Возникновение
подъемной силы при конвекции объясняется разностью плотностей
жидкости. Для идеального газа
объемного расширения, 1/К. Здесь
— температура потока, К.
— термический коэффициент
Уравнение для вынужденной конвекции при турбулентном режиме
движения потока в критериальной форме может быть записано в виде:
где
,
— критерии Прандтля, подсчитанные при температуре потока
и температуре стенки
=
или в виде:
;
(
/
=
(
)к (6.3)
/
)r,
,
— постоянные коэффициенты; n, m, к, r — показатели степени (нижние
индексы означают: n — для потока, ст — для стенки).
Уравнение (6.3) для газа в широком диапазоне температур
отношении (
/
) ≈ 1 преобразуется к виду
=С
, (6.4)
≈ 0,7 и
где С — новая постоянная.
При выполнении лабораторной работы требуется определить значение
коэффициента теплоотдачи для трех различных скоростей движения
воздуха в трубе, установить влияние коэффициента теплоотдачи от скорости
потока =
, обобщить полученные результаты, представив их в виде
критериального уравнения.
3. Рекомендации по подготовке к лабораторной работе
К моменту начала работы студентов установка должна быть включена
за 30…40 мин. Установившееся тепловое состояние установки наступает не
ранее, чем через 30мин после начала ее работы. Установившееся тепловое
состояние установки зависит от тепловой нагрузки и от скорости истечения
воздуха в трубе. Рекомендуется выдерживать аналогичную паузу после
53
изменения параметров работы установки, необходимых для последующих
Вынужденное движение воздуха
осуществляется вентилятором 9 и
регулируется с помощью реостата 8.
Расход воздуха измеряется по
величине падения давления воздуха
на диафрагме 10, которое
регистрируется дифференциальным
манометром.
Величина мощности, отдаваемой
нагревателем, регистрируется
ваттметром 5 и изменяется
нагрузочным реостатом 6, В трубе
регистрируются температуры
воздуха на выходе термометром 4,
температуры наружной и внутренней
стенок трубы на выходе 3 и на входе
термопарами 11.
Рис. 6.2. Установка для определения
коэффициента теплоотдачи при
вынужденном движении воздуха
f
замеров при проведении эксперимента.
4. Описание экспериментальной установки
Установка для определения коэффициента теплоотдачи при вынужденном
движении воздуха состоит (рис. 6.2) из трубы с внутренним диаметром 100 мм,
внутри которой находится цилиндрический электрический нагреватель 2
диаметром 60 мм.
5. Краткое содержание работы, выполняемой в ходе занятия
Определить значение коэффициента теплоотдачи
виде и сравнить их со значениями, приведенными в технической литературе.
замеров и обработки данных эксперимента
подключения всех приборов и проверки схемы преподавателем можно
приступать к проведению опытов. После проведения каждого опыта
изменяют скорость движения воздуха при новом режиме работы вентилятора,
выдерживая его до достижения установившегося теплового состояния
(30…40 мин). Испытания проводят для трех значений скоростей движения
воздуха. Результаты эксперимента заносят в табл. 6.1.
от скорости движения воздуха внутри трубы.
Результаты обработки опытных данных представить в обобщенном (критериальном)
Составить отчет по выполненной работе.
6. Порядок проведения эксперимента, постановки опыта, снятия
После ознакомления с опытной установкой, проверки, правильности
и его зависимость =
54
Протокол испытаний
Наименование, обозначения
Единица
измерения
Режимы
1 2 3
Температура воздуха в помещении,
6
Т
K
Давление воздуха в помещении,
в
p
кПа
Показания ваттметра,
W
Вт
Показания дифманометра,
h
кПа
Температура
внутренней стенки
трубы
на входе,
1
Т
K
на выходе,
2
Т
K
Температура
наружной стенки
трубы
на входе,
3
Т
K
на выходе,
4
Т
K
Температура потока воздуха на выходе из
трубы,
5
Т
K
QW
кВт
в
Q
G
р
с
5
Т
6
Т
с
кг
р
с
в
Т
5
Т
6
Т
Ккг
кДж
G
À
h
в
ТR
p
~
3
м
кг
h
кПа
в
Т
кПа
Ккмоль
кДж
В процессе экспериментальных исследований определяют:
Таблица 6.1
мощность, подводимую к электронагревателю;
показания дифференциального манометра;
температуру воздуха и давление в помещении;
температуру внутренней и наружной стенок трубы на входе;
температуру внутренней я наружной стенок трубы на выходе потока;
температуру потока воздуха на выходе из трубы;
количество теплоты, переданной нагревателем
,
.
Количество теплоты уносимой воздухом (без учета лучеиспускания)
=
где G — массовый расход теплоносителя (воздуха),
(
–
),
;
— массовая
изобарная теплоемкость воздуха (принимается для температуры
=0,5(
+
)),
.
Массовый расход воздуха:
=
, =
,
где А = 0.45∙10
–4м2
— переводной коэффициент;
— показания дифференциального манометра,
— молярная масса воздуха;p,
соответственно
, К; R универсальная газовая постоянная,
— плотность воздуха,
;
;
— давление и температура воздуха в трубе,
.
55
Количество теплоты, передаваемое стенке трубы
ст
Q
Q
в
Q
кВт
Ft
Q
ст
t
5
Т
6
Т
1
Т
2
Т
dl
м
с
м
нарm
dd
G224
m
d
нар
d
Наименование, обозначения
Единицы
измерения
Режим испытаний
1 2 3
1
2
3 4 5
Плотность воздуха,
3
м
кг
Поверхность теплообмена,
F
2
м
Теплоемкость воздуха,
р
с
Ккг
кДж
Расход воздуха,
G
с
кг
Скорость потока,
w
с
м
Количество теплоты, уносимой воздухом,
в
Q
Вт
Количество теплоты, отданное стенке трубы,
ст
Q
Вт
Коэффициент теплоотдачи,
Км
Вт
2
Кинематическая вязкость потока,
с
м
2
Число
Re
lnRe
Коэффициент теплопроводности,
Км
Вт
Число
Nu
ln Nu
Постоянная
n
Постоянная
Ñ
Средняя величина коэффициента теплоотдачи за один режим
испытаний
=
–
,
.
=
диаметр трубы,
, где
; l=
= 0,5[(
0.7м – мерный участок трубы.
Средняя скорость потока воздуха в трубе
где
= 0,1 м — внутренний диаметр трубы;
= 0,06 м — наружный диаметр нагревателя.
Подсчитанные результаты заносят в табл. 6.2.0
Протокол результатов расчета по данным испытаний
+
) – (
+
)];F=
; d — средний
,
: w=
,
Таблица 6.2
56
Строится зависимость
fw
Nu
n
n
Re
Re
wd
Nu
d
в
Т
Км
Вт
в
Т
с
м
2
ln Nu
ln Nu
n
ln
ln Nu
2
ln Nu
1
ln Nu
2
Re
1
Re
=
. Эта зависимость справедлива лишь для
исследованной опытной трубы.
7. Техника безопасности
Перед выполнением лабораторной работы проверить заземление всех
приборов стендовой установки.
Перед включением приборов в сеть необходимо следовать
рекомендациям, приведенным в лабораторной работе № 1.
По окончании работы и выключении приборов из сети понизить
нагрузку на нагревательный элемент, выдержать паузу в течение 3…5 мин.
Опасаться удара лопастью вентилятора.
Выполнение лабораторной работы не разрешается одному студенту.
Соблюдать чистоту, порядок и дисциплину во время испытаний .
О неисправностях приборов, лабораторной установки сообщить
преподавателю или лаборанту.
8. Исходные данные для работы
Исходными данными для работы являются
(см. табл. 6.1) и результатов расчета по данным испытаний (см. табл. 6.2).
бланки протоколов испытаний
9. Методика анализа полученных результатов
Для получения обобщенной зависимости необходимо получить уравнение вида (6.4):
где
=С
— коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре
и — кинематическая вязкость воздуха при средней температуре
,
,
=
,
потока,
потока,
(выбираются по табл. 2.1 физических параметров воздуха (см.
лабораторную работу №2)).
Строится график зависимости
=f[ln(Re)], по которому
определяются значения постоянных С и n следующим образом.
На графике через экспериментальные точки, используя метод наименьших
квадратов, проводим прямую линию (рис. 6.3). Уравнение (6.4) представим в виде
=lnС+
точки (1 и 2) и находим соответствующие им
определим по следующему выражению: n=(
(Re).Произвольным образом на полученной линии выбираем две
и ln(Re). Постоянную n
–
)/[ln(
)–ln(
)].
57
Постоянную
2
Nu
n
n
Re
n
ln
3
Re
3
Re
n
3
1
n
Re
ln
3
Re
ln Nu
Критериальное уравнение,
полученное при обработке
опытных данных, сравнивается с
соответствующим уравнением,
приведенным в технической
литературе.
Отчет по выполненной
работе должен содержать:
Краткое описание работы
Принципиальную схему
установки.
Протокол записи
результатов наблюдений и их
обработки.
Рис. 6.3. график зависимости
ln Nu
=f[ln(Re)]
ln Nu
можно определить двумя путями:
С
где
С=
(
/
или lnС= –
) — значение, когда
осью абсцисс на рис. 6.3).
(
), тогда С=
=
,
=0 (в точке 3 пересечения линии с
Графики зависимости
Сопоставление результатов опыта с данными, приведенными в технической
литературе, и выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Объясните физическую сущность конвективного о теплообмена;
2. Объясните физическую сущность процесса теплоотдачи при вынужденном
движении воздуха;
3. Что представляет собой коэффициент теплоотдачи ?
4. Каково влияние режима движения жидкости, ее физических свойств,
температурного напора на интенсивность теплообмена?
5. Внешняя и внутренняя задачи конвективного теплообмена при
вынужденном движении жидкости;
6. Три режима движения жидкости при вынужденной конвекции. Каковы
границы режимов для внутренней и внешней задачи?
критериального уравнения.
7. Поясните методы интерполяции и получения постоянных
=f[ln(Re)], =f(w).
58
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
с
с
8
103
с
м
d
На пути луча в запыленной среде в слое
толщиной
dx
частицами поглощается энергия
dE
. Она равна произведению падающей энергии
Е
на суммарную площадь поперечного сечения
всех частиц слоя толщиной
dx
. Эта площадь
есть произведение поперечного сечения
4
2
d
одной частицы на их число
n
.
Число частиц в единице объема среды равно
отношению их массы
ч
с
(
3
м
кг
) к массе одной
частицы плотностью
ч
:
1
n
=
3
6
d
с
ч
ч
.
Число частиц в объеме слоя толщиной
dx
(и
площадью 1м2): n=
1
n
dx
.
Рис. 7.1. Перенос энергии
плоскопараллельным лучом в
продуктах сгорания твердого
топлива
ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВ
Продолжительность 2 ч
1. Задачи исследования
Изучение спектральных характеристик излучения газов
2. Краткие теоретические сведения
Тепловое излучение есть результат превращения внутренней энергии
тел в энергию электромагнитных колебаний. Энергия тепловых лучей
(волны), попавших на другое тело, частично им поглощается, превращаясь во
внутреннюю энергию. Так осуществляется лучистый теплообмен между
телами. Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных
волн характеризуется длиной волны
скорость света (в вакууме
=
и частотой колебаний
).
=
, где с —
Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу.
При температуре тел, с какими обычно имеют дело в технике, основное
количество энергии излучается при
=0,880 мкм. Эти лучи принято называть
тепловыми (инфракрасными). Большую длину имеют радиоволны, меньшую
— волны видимого (светового, 0,4–0,8 мкм), ультрафиолетового,
рентгеновского и гамма-излучения.
Рассмотрим перенос энергии плоскопараллельным лучом в продуктах
сгорания твердого топлива, содержащих частицы золы. Луч направлен вдоль
оси х (рис. 7.1) [4], [6]. Площадь сечения луча примем равной 1 м
энергия луча при входе в среду равна Е
пыли сферическими и одинаковыми диаметром
. Для простоты считаем частицы
н
и абсолютно черными.
2
, тогда
59
Тогда
dE
Е
4
2
d
3
6
d
с
ч
ч
dx
Е
d
с
ч
ч
5,1
dx
E
dE
d
с
ч
ч
5,1
dx
Н
Е
Е
Е
Н
Е
exp
ч
ч
d
с
5,1
x
ч
ч
d
с
5,1
l
Е
Н
Е
l
e
x
l
e
l
эф
l
Отсюда
Интегрируя это выражение от начального значения
текущего
Обозначив величину (
=–
, получим
=–
=–
. (7.1)
.
(при x=0) до
=
(
). (7.2)
) через , а толщину слоя среды через
получим
=
. (7.3)
Этот закон экспоненциального ослабления излучения в
лучепоглощающей среде носит название закон Бугера: коэффициент
ослабления увеличивается с ростом массовой концентрации частиц и
уменьшением их размеров.
Коэффициент поглощения слоя запыленной среды толщиной
=l равен
,
А=(Ен–Е)/ Е
=1–
н
. (7.4)
Таким образом, коэффициент поглощения (а, следовательно, и степень
черноты) слоя запыленной среды, в отличие от твердого тела, зависит от его
толщины и концентрации пыли.
В реальных системах процесс передачи лучистой энергии отличается
тем, что частицы имеют различные размеры, степень черноты которых не
равна единице, а луч не плоскопараллельный. Поэтому действительное
значение
и величина
, заменяемая на величину
(эффективная длина
луча или эффективная толщина поглощающего слоя), определяются из
эксперимента и приводятся в справочниках.
Процесс распространения лучистой энергии в газовой (незапыленной)
среде имеет много общего с описанным процессом распространения лучистой
энергии в запыленной среде. Здесь роль пылинок играют молекулы газа,
концентрация которых увеличивается с ростом давления газа.
Различные газы обладают различной способностью излучать и
поглощать энергию. Одно– и двухатомные газы (кислород, азот и др.)
практически прозрачны для теплового излучения. Значительной
способностью излучать и поглощать энергию излучения обладают
многоатомные газы: диоксид углерода СО
и серы SО
2
, водяной пар Н2О,
2
аммиак NН3 и др. Наибольший интерес представляют сведения об излучении
СО2 и водяного пара, возникающих при сгорании топлив. Интенсивностью их
излучения в основном определяется теплообмен раскаленных газообразных
продуктов сгорания с обогреваемыми телами в топках.
60
Газы являются селективными излучателями. Участки спектра, в
г
OH
E
2
3
T
2
CO
E
5,3
T
г
l
г
2
СО
ОН
2
которых газ излучает и поглощает энергию, называют полосами излучения
(поглощения). В световой (видимой) части спектра СО
и пары Н
2
О не
2
излучают и не поглощают энергию. В коротковолновой части спектра газы
поглощают и излучают хуже, чем в длинноволновой.
С ростом температуры, когда максимум излучения смещается в
область коротких волн, степень черноты уменьшается. Поскольку степень
черноты газа
существенно зависит от температуры, «закон четвертой
степени» Стефана–Больцмана строго не выполняется. Так, плотность потока
излучения
~
, а
~
.
Выше отмечалось, что излучение газов носит объемный характер.
Способность газа излучать энергию изменяется в зависимости от плотности и
толщины газового слоя. Чем выше плотность излучающего компонента
газовой смеси, определяемая парциальным давлением р, и чем больше
толщина слоя газа l, тем больше молекул принимает участие в излучении и
тем выше его излучательная способность и коэффициент поглощения.
Поэтому степень черноты газа
от произведения р
или приводят в номограммах. Поскольку полосы
обычно представляют в виде зависимости
излучения диоксида углерода и водяных паров не перекрываются, степень
черноты содержащего их топочного газа в первом приближении можно
считать по формуле
Излучение "чистых" продуктов сгорания (Н2О, С0
=
+
. (7.5)
и др.)
2
характеризуется инфракрасной частью спектра. Имеющиеся в продуктах
сгорания раскаленные твердые частицы (зола и т. п.) придают пламени
видимую окраску, и его степень черноты может быть большой, достигая
значений 0,6…0,7. Поэтому при сжигании твердых, жидких, и газообразных
топлив, особенно при выделении сажи (горение с недостатком воздуха)
основное количество теплоты в топках передается излучением пламени.
Излучение горящего пламени (факела) при теплообмене в топках
рассчитывается по специальным формулам.
3. Рекомендации по подготовке к лабораторной работе
При изучении лучистого теплообмена в продуктах сгорания целесообразно
определить спектральные характеристики источников излучения. С этой целью
используют современные спектроскопические приборы. Основные рекомендации
по подготовке к лабораторной работе изложены в разделе «Краткое содержание
работы, выполняемой в ходе занятия».
4. Описание экспериментальной установки
Для определения спектральных характеристик источников излучения
используется двухтрубный спектроскоп призматического типа (рис. 7.2). Он
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]