Теплообмен при свободной конвекции

Лабораторная работа № 2

ТЕПЛООТДАЧА ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА У ПОВЕРХНОСТИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБ.

Задания

1.Определить коэффициент теплоотдачи опытным путем.

2.Результаты обработки опытных данных представить в виде критериальной зависимости.

3.Сравнить полученное критериальное уравнение с известным для данного случая в литературе (см. лабораторную работу 1).

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка для определения коэффициента теплоотдачи при естественном движении воздуха представляет собой вертикально расположенную тонкостенную трубу из легированной стали с наружным диаметром 40 мм и длиной 1600 мм (рис. 2).

x1

Рис. 2. Схема установки:

1 – опытная труба; 2 – передвижные термопары; 3 – микровольтметр; 4 – переключатель термопар; 5 – автотрансформатор; 6 – вольтметр.

11

Нагрев трубы осуществляется с помощью электрического тока. Электрическое сопротивление трубы R = (0,00035 – 0,0195) Ом. Падение напряжения по длине трубы измеряется вольтметром Щ-4313. Потребляемая мощность регулируется автотрансформатором. Торцы трубы закрыты заглушками для устранения отвода тепла через внутреннее пространство трубы. Чтобы исключить влияние движения воздуха, вызванного случайными факторами, рабочий участок трубы защищен стеклом.

В целях снижения потерь тепла в окружающую среду излучением поверхность трубы никелирована, средняя степень черноты поверхности трубы по нормали составляет 0,15.

На поверхности трубы заделаны хромель-копелевые термопары, предназначенные для измерения температуры стенки трубы. Кроме того, вблизи наружной стенки трубы на расстоянии 400 мм друг от друга по вертикали установлены две передвижные термопары для измерения температуры воздуха в пристенном слое. Термопары установлены на опорах, снабженных микровинтами для перемещения, и имеют конус для фиксации расстояния спая термопар от поверхности трубы. Температура регистрируется милливольтметром, градуированным в С, который соединен с термопарами через многопозиционный переключатель.

Методика проведения эксперимента

При выполнении лабораторной работы необходимо получить значения коэффициентов теплоотдачи для трех тепловых режимов. С этой целью определяют тепловые потоки при установившемся стационарном тепловом режиме. Убедившись в наступлении стационарного режима, произвести измерения тока и напряжения, а также температуры окружающего воздуха tж.

Переведя работу установки на новый тепловой режим, произвести измерения по изложенной методике.

Для проведения эксперимента необходимо:

1.Привести в рабочее состояние регулятор мощности, вращая маховик автотрансформатора против часовой стрелки до упора.

2.Включить тумблером установку в сеть.

3.Тумблером включить нагрев рабочего участка. Контрольные лампочки и должны при этом гореть.

4.Вращая ручку автотрансформатора по часовой стрелке, установить по вольтметру напряжение 0,9 В.

5.Измерить с помощью милливольтметра температуры. поверхности рабочего участка в 12 точках, а также температуру окружающего воздуха.

6.Повторить измерения при U=1,4 B; U=1,7 В, переходя на другой режим без перерывов и отключения питания.

12

Журнал наблюдений

13

По окончании эксперимента необходимо:

1.Отключить тумблером напряжение на рабочем участке.

2.Вывести ручку автотрансформатора в нулевое положение.

3.Выключить прибор Щ-4313.

4.Тумблером отключить электропитание установки.

Обработка результатов эксперимента

Результаты экспериментального исследования локальных коэффициентов теплоотдачи могут быть представлены критериальным уравнением:

Nuж = c (Grж Prж)n

Для представления полученных экспериментальных данных в критериальной форме и определения показателя степени (n) и постоянной (с) вначале следует определить суммарный тепловой поток, передаваемый вертикальной трубой, который определяется по формуле:

U 2

Q R , Вт.

Тепловой поток, передаваемый конвекцией, определить по формуле:

Qк=Q – Qл,

где Qл – лучистый тепловой поток, передаваемый трубой путем теплового излучения, Вт,

Среднюю температуру стенки трубы определить из уравнения:

В качестве определяющей температуры принять среднюю температуру пограничного слоя воздуха:

tср tт 2tж .

Теплофизические параметры воздуха определяются из табл. 3. Затем вычисляются значения критериев Grж и Prж, а также значения Nuж на основании экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи .

Общий вид критериального уравнения для свободной конвекции:

Nuж = c (Grж Prж)n .

14

Определим коэффициенты с и n графоаналитическим способом. Логарифмируя выражение Nuж = c (Grж Prж)n получаем:

lnNuж = lnc + n ln(Gr Pr). Принимая lnNuж = y, ln(Gr Pr)=x, имеем y = lnc + n x.

Графиком полученного линейного уравнения является прямая рис 3., где n – тангенс угла наклона прямой к положительному направлению оси абсцисс, а lnс – отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат. Для нахождения параметров прямой необходимо нанести значения lnNuж и ln(Gr Pr) (минимум для трех тепловых режимов) на координатную сетку и провести прямую приблизительно через эти точки так, чтобы она лежала возможно ближе к каждой из нанесенных точек. Затем взять две произвольные точки на этой прямой (возможно дальше одна от другой) и подставить их координаты в соотношение y = lnc + n x.

Из полученной системы двух уравнений находят с и n.

lnNuж

После этого необходимо сравнить полученное критериальное уравнение с известным в теплотехнической литературе (см. табл. 1).

15

Контрольные вопросы

1.Что Вы понимаете под естественной конвекцией?

2.Напишите уравнение Ньютона-Рихмана и поясните величины, входящие в него.

3.Что называют коэффициентом теплоотдачи и какова его размерность?

4.Перечислите факторы, оказывающие влияние на интенсивность конвективного теплообмена.

5.Перечислите основные критерии, используемые для решения задач конвективного теплообмена в условиях естественной конвекции.

6.Каков общий вид критериального уравнения для определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении жидкости у поверхности тел?

7.Покажите, какие величины входят в критерии Нуссельта, Грасгофа, Прандтля.

8.Какие Вам известны методы определения коэффициента теплоотдачи, их достоинства и недостатки?

9.Какие формы переноса тепла определяют конвективный теплообмен?

10.Наличие каких сил, действующих в жидкости, является необходимым условием возникновения свободной конвекции?

11.При какой определяющей температуре принимают параметры жидкости в данной работе?

12.Как зависит коэффициент теплоотдачи от диаметра трубы?

13.Что Вы подразумеваете под определяющим размером и температурой?

14.Какие величины следует измерять при экспериментальном определении коэффициента теплоотдачи?

15.Как определить коэффициенты С и n в критериальном уравнении

Nuж = c (Grж Prж)n ?

Библиографический список

1.Теплотехника. / под ред. В. Н. Луканина – М.: Высшая школа, 2000.

2.Зотов, В.В. Теплопередача – М.: МГУПБ, 1999.

3.Зотов, В.В. Теплотехника. учебно-справочное пособие/ В.В. Зотов, Г.С. Руденко. – М.: МГУПБ, 2004.

4.Руденко, Г.С.Теплотехника. справ. данные/ Г.С. Руденко, С.М. Камзолов – М.: МГУПБ, 2001.

5.Конвективный теплообмен при свободном и вынужденном движении жидкости./ Под ред. С. И. Ноздрина. – М.: МИПБ, 1989.

16

6.Лабораторный практикум по термодинамике и теплопередаче: Учебное пособие для энергомашиностроительных вузов / В. Н. Афанасьев, А. А. Афонин, С. И. Исаев и др.; Под редакцией В. И. Крутова, Е. В. Шишлова. – М.: Высшая школа, 1988.

7.Данко, П.Е. Высшая математика в упражнениях и задачах. Ч. II: учеб. пос. для студентов втузов. 5-е изд., испр./ П.Е. Данко, А.Г. Попов, Т.Я. Кожевникова. – М.: Высшая школа, 1998.

17