- •Техническая термодинамика. Лабораторная работа №1. Определение термодинамических характеристик воды и водяного пара.
- •Описание установки.
- •Лабораторная работа № 2 Определение теплоёмкости воздуха при атмосферном давлении.
- •Изохорная массовая теплоёмкость воздуха по уравнения Майера составляет
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №3 Исследование изохорного процесса
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №4 Градуирование термопар
- •Описание установки
- •Лабораторная работа №5
- •Контрольные вопросы
- •Определение коэффициента теплопроводности методом плиты (метод двух образцов)
- •Описание установки
- •Выполнение работы и обработка результатов исследование
- •Контрольные вопросы
Лабораторная работа №5
Теплоотдача трубы при свободном движении воздуха
Цель работы – углубление знаний по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости или газа (природной конвекции), ознакомление с методикойэкспериментального исследования процесса и получения навыков в проведении экспериментов.
В результате работы должны быть усвоены основные понятия конвективного теплообмена – коэффициент теплоотдачи, виды конвекции, факторы, которые влияют на процесс теплоотдачи.
Конвективным
теплообменом (теплоотдачей) называется
одновременный перенос теплоты
теплопроводностью и конвекцией от
поверхности твёрдого тела к жидкости
или газу и наоборот, от жидкости или
газа к поверхности твёрдого тела.
Конвективный тепловой поток Qк
с
поверхности твёрдого тела площадью F
с
температурой
к жидкости или газу с температурой
определяется по закону теплоотдачи
(Ньютона-Рихмана)
(5.1)
где
-
коэффициент теплоотдачи (теплообмена)
от стенки к жидкости или наоборот.
Конвекция может быть свободной и вынужденной. Свободным называется движение, которое возникает в результате разницы плотности нагретых и холодных частей жидкости. Такое движение всегда возникает около тела, если температура его отличается от температуры окружающей среды в гравитационном поле. Пусть, например, нагретая труба находится в воздухе. Тогда устанавливается неравномерное распределение температуры и свободное движение воздуха. При этом, естественно, теплота, принятая воздухом от трубы, переносится ним в окружающее пространство.
Количество
перенесённой теплоты будет тем больше,
чем больше разница плотностей, то есть
разница температур нагретых и холодных
слоёв воздуха. Итак, теплоотдача тела
в первую очередь определяется разницей
температур тела и окружающей среды
.
Кроме того, интенсивность теплоотдачи
зависит также от формы, геометрических
размеров, расположения поверхности в
пространстве, физических особенностей
среды (
),
режима движения и ряда других факторов.
В данной работе надо установить влияние
только температурного напора
.
Экспериментально коэффициент теплоотдачи
определяется по закону теплоотдачи
(Ньютона-Рихмана):
(5.2)
Итак,
чтобы найти значение
с
уравнения (5.2), надо знать
![]()
Описание установки
Исследовательская установка рис.22 расположена в большой комнате с постоянной температурой. Объектом исследования является полированная стальная труба 7, помещённая горизонтально (d=14мм – внутренний диаметр; l = 845 мм – длина трубы) или вертикально (d=14мм – внутренний диаметр; l = 706 мм – длина трубы). В середине трубы находится электронагреватель 8. Энергия выделяется по длине трубы равномерно. Тепловой поток от трубы к воздуху в стационарном режиме определяют по показаниям ваттметра 9. Мощность, которую потребляет электронагреватель регулируют с помощью лабораторного автотрансформатора 10. Для измерения температуры стенки, которая отдаёт теплоту, на внешней поверхности труб кладут 6-7 медь-константановых термопар 6. Термопары расположены вдоль двух противоположных образующих цилиндра. Электроды термопар выведены к переключателю 5. Термопары имеют общий холодный спай, размещённый в пробирке с маслом 3. Масло имеет температуру окружающей среды. ЭДС термопар измеряют вольтметром 4. Измеренная в опытах ЭДС соответствует разнице температур:
(5.3)
Температуру
воздуха
измеряют на расстоянии от исследуемой
трубы ртутным термометром.
Р
ис.22
Схема исследовательской установки для
определения коэффициента теплоотдачи
при свободном движении воздуха.
1 – пробирка с маслом; 2 – холодный спай; 3 – ртутный термометр; 4 – вольтметр; 5 – переключатель; 6 – горячие спаи термопар; 7 – труба; 8 – нагреватель; 9 – ваттметр; 10 – автотрансформатор.
Выполнение работы и обработка результатов исследования.
После ознакомления с описанием исследовательской установки надо подготовить форму протокола для записи наблюдений, проверить правильность включения измерительных приборов и наличие масла в посудине 1 холодного спая термопар. После проверки схемы преподавателем можно начинать опыт. Все измерения выполняют при стационарном тепловом режиме установки, который характеризуется неизменностью показаний устройств во времени и устанавливается через 30-50 мин после включения либо изменения тока. Установив точность нагревателя надо убедиться, что установка на стационарный режим. Для этого вольтметром фиксируют показания одной из термопар через каждые 3 мин. Как только показания термопар начнут повторяться, можно считать, что установка вышла на стационарный режим. После этого вольтметром измеряют показания других термопар, мощность ваттметром, температуру окружающей среды термометром, установленным в пробирке с маслом.
Для перехода на новый температурный режим надо изменить напряжение на нагревателе автотрансформатором. Для выполнения работы в полном объёме надо провести опыты при 3-х – 4-х разных температурах стенки в интервале 10...50°С. Во время опытов двери комнаты надо закрыть, а студентам сидеть на месте. Результаты измерений и расчётов надо занести в таблицу 5.
Внимание!!! Включает и выключает электрический ток преподаватель!!!
Для обработки можно использовать только данные, которые были получены при установленном тепловом состоянии системы. Обычно берут средние значения показателей приборов 3-х последних записей. Коэффициент теплоотдачи конвекцией от трубы у воздуху вычисляют по закону теплоотдачи:
(5.3)
где
l
– длина
исследовательской трубки, м;
d
-
диаметр, м;
- средняя разница между температурами
поверхности трубы и окружающей среды.
Конвективный тепловой поток определяют
как разницу между общим тепловым потоком
и потоком излучения по равенству:
(5.4)
где Q – общий тепловой поток от поверхности трубы к воздуху и равняется мощности нагревателя.
Излучаемый поток, который передаётся трубкой тепловым излучением, определяется:
(5.5)
где
Сзв
– сведённый
коэффициент излучения, Тст
,
Тпов
– абсолютные температуры исследовательской
трубы и окружающей среды;
- внешняя поверхность исследовательской
трубы, м2.
Поверхность окружающих тел намного
больше, чем поверхность исследовательской
трубы. Поэтому можно считать, что
сведённый коэффициент излучения Сзв
равен
коэффициенту излучения С
исследовательской
трубы. Для стальной слабополированной
трубы можно взять
С
= 1,0
Вт/(м 2К
4).
Расчётную температуру исследовательской
трубы
определяют по среднеарифметическому
значению ЭДС термопар, расположенных
Таблица 5
|
Диаметр
трубы
Площадь
поверхности трубы
| ||||
|
№ п/п |
Наименование величин |
Формула |
Номер опыта | |
|
|
| |||
|
1 |
Мощность нагревателя |
N=Q, вт |
|
|
|
2 |
ЭДС термопар |
|
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
|
|
| ||
|
3 |
Среднеарифметическое значение ЭДС |
|
|
|
|
4 |
Температура холодного спая |
tхс |
|
|
|
5 |
ЭДС холодного спая |
Eхс |
|
|
|
6 |
Средняя ЭДС рабочих спаев термопар |
|
|
|
|
7 |
Средняя температура поверхности трубы |
|
|
|
|
8 |
Температура воздуха |
tпов Tпов = tпов+273 |
|
|
|
9 |
Средний температурный напор |
|
|
|
|
12 |
Излучаемый тепловой поток |
|
|
|
|
13 |
Коэффициент теплоотдачи |
|
|
|
|
14 |
Теплопроводность воздуха |
|
|
|
|
15 |
Кинематическая вязкость воздуха |
|
|
|
|
16 |
Число Нуссельта |
|
|
|
|
17 |
Число Грасгоффа |
|
|
|
|
18 |
Число Релея |
|
|
|
на
поверхности трубы
и температуры холодного спая по
градиентной зависимости. В первичной
обработке результаты опыта представляют
в виде зависимости
и строят соответсвтующий график.
Зависимость
обобщает результаты проведённых опытов.
Для распространения полученных
результатов на другие подобные процессы
надо обобщить расчётные данные и
представить их в критериальном виде:
(5,6)
где
-
критерий Нуссельта;
-
критерий Грасгоффа;
-
критерий Прандтля;
-
определяющий размер, для горизонтальної
труби – диаметр, а для вертикальной –
высота;
-
теплопроводность воздуха;
-
кинематическая вязкость воздуха.
Для
каждого опыта рассчитывают численные
значения критериев
и по методу наименьших квадратов
определяют значение коэффициентов
в зависимости (5,6). Полученные точки
наносят на график
в логарифмическом масштабе, и строят
зависимость
.
