1.5 Контрольні питання

1. Які критерії є визначальними при конвективному теплообміні?

2. Як впливає швидкість повітря на тривалість охолодження виробу?

3. Що характеризує критерії Грасгофа і Рейнольдса?

4. Фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі α, його розмірність.

5. Аналіз графіків _ = f(t_n) при природній і змушеній конвекції.

Лабораторна робота №2

2 Дослідження конвективного теплообміну в умовах вільного руху газа в необмеженому просторі

Ціль роботи - експериментально визначити коефіцієнт тепловіддачі конвекцією і познайомитися з методикою обробки результатів досліджень у критериальній формі.

2.1 Теоретичні зведення

Вільний рух виникає в результаті теплообміну між нагрітою поверхнею і навколишнім середовищем (повітря, вода, олія і т.інш.) за рахунок різниці густини різних обсягів повітря. Цей процес називається природною або вільною конвекцією. Конвекція може протікати в необмеженому або обмеженому просторі.

Під необмеженим простором розуміють обсяг, розміри якого настільки великі, що теплове збурювання, внесене нагрітим потоком, не поширюється на весь обсяг.

Прикладами вільної конвекції в необмеженому просторі можуть служити: охолодження паропроводів і зовнішніх поверхонь огороджень високотемпературних установок, нагрів повітря від приладів водяного опалення і т.п. У таких випадках для процесів тепловіддачі форма тіла має другорядне значення, а довжина омиваної вільним потоком поверхні - основне.

Теплообмін при вільному русі в необмеженому просторі визначається режимом вільного руху і фізичними властивостями середовища. Критерій Нуссельта і, отже, сумарний коефіцієнт тепловіддачі тіла в навколишнє середовище можна визначити, використовуючи критеріальне рівняння [2]:

(2.1)

де Nu, Gr, Pr - відповідно критерії подоби Нуссельта, Грасгофа і Прандтля.

Постійна С и показник ступеня п, згідно [7], залежать від режиму руху середовища і значення добутку критеріїв (Gr Pr).

Якщо відомі С та п по формулі (2.1 ) легко визначити критерій Нуссельта Nu. Знаючи критерій Нуссельта

знаходять коефіцієнт тепловіддачі , а надаліq - питомий тепловий потік, що віддається тілом у навколишнє середовище, Вт/м²:

.

2.2 Опис експериментальної установки

Дослідження проводять на спеціальній лабораторній установці, зображеної на малюнку 2.1. Як охолоджуване тіло використовується металева трубка 1 (довжина L=1,5м, діаметр d = 0,021 м), усередині якої знаходиться електронагрівник. Для виміру температури труби в її поверхню закріплені п'ять хромель-копелєвих термопар 4, що через перемикач 2 виведені на мілівольтметр 3. Силу струму і напруга нагрівача вимірюють відповідно амперметром 6 і вольтметром 7, а регулюють за допомогою автотрансформатора 5. Температуру навколишнього повітря вимірюють ртутним термометром, що знаходиться на відстані 1 м від нагрівача.

2.3 Порядок виконання роботи

Досвід проводять у наступному порядку.

Треба включити нагрівач 1. За допомогою автотрансформатора 5 установити струм заданої сили і підтримувати його до настання стаціонарного режиму, тобто до встановлення постійної температури на поверхні труби (приблизно 20...30 хв.). Після цього вимірити три рази з інтервалом 2...3 хв. температуру стінки труби в п'ятьох крапках, силу струму, напругу і температуру навколишнього повітря. Це буде режим 1.

Малюнок 2.1 - Схема установки для дослідження конвективного теплообміну в умовах вільного руху в необмеженому просторі.

Аналогічні виміри після настання стаціонарного режиму виконати при двох інших режимах, які задаються викладачем. Дані вимірів занести в таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 - Експериментальні дані

Параметр

Його відобра-ження

Одиниця

1 режим

2 режим

3 режим

1

2

3

Середнє значення температури

1

2

3

Середнє значення температури

1

2

3

Середнє значення температури

Температура повітря

tв

С

Температура стінки труби:

1

t1

С

2

t2

С

3

t3

С

4

t4

С

5

t5

С

Середня температура стінки труби за режим

tст

С

Сила струму

I

А

Напруга

U

В