teplotech
.pdf
6
|
11 |
12 |
|
|
|
||
|
|
t |
|
|
1 |
6 |
|
2 |
3 |
||
|
4 |
5 |
7 |
|
9
A
8
10 
v
~220 В
Рис.1. Схема лабораторной установки:
1-- асбоцементная труба; 2, 3, 4, 5 -- датчики температуры; 6 -- торцевые теплоизолирующие заглушки; 7 -- электронагреватель; 8 -- вольтметр; 9 -- амперметр; 10 -- автотрансформатор; 11 -- преобразователь сигналов датчиков температуры; 12-- показывающий прибор
Система измерения температуры включает четыре датчика температуры 2, 3, 4, 5, два из которых установлены на внутренней поверхности трубы, а два - на наружной, преобразователь 11 и показывающий прибор 12. В качестве последнего служит цифровой вольтметр или автоматический потенциометр.
Во время выполнения работы не оставлять включенную установку без присмотра и следить, чтобы напряжение и сила тока не превышали предельных значений, указанных на пульте установки или названных преподавателем. При появлении искрения в токоведущих частях установки или запаха гари немедленно прекратить работу на установке и сообщить о неисправности преподавателю или лаборанту.
7
5.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ
ИОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
5.1.Включить в сеть автотрансформатор и установить указанное преподавателем или лаборантом напряжение U на нагревательном элементе.
5.2.Включить в сеть питание системы измерения температуры, и с периодичностью 5 мин фиксировать показания одного из датчиков температуры. Дождаться выхода установки на стационарный тепловой режим. С учетом точности измерения температуры можно считать, что стационарным является режим, при котором различие в значениях температуры между двумя последовательными замерами
не превышает 1 °С.
5.3. На установившемся тепловом режиме зафиксировать значения напряжения U , силы тока I и показания всех четырех датчиков температуры. Измеренные значения занести в раздел опытных данных табл. 5.1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Геометрические параметры установки: D1 = |
мм; D2 |
= |
мм; L = м. |
|
||||||||||||
|
|
Опытные данные |
|
|
|
|
Результаты расчетов |
|
||||||||
U |
I |
|
t1−1 |
t1−2 |
|
t2 −1 |
t2 −2 |
|
Q |
tc1 |
|
tc2 |
|
λ |
|
|
В |
А |
|
°С |
°С |
|
°С |
°С |
|
Вт |
°С |
|
°С |
|
Вт/(м К) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.4. Вычислить величину теплового потока через стенку трубы, исходя из предположения, что через нее рассеивается вся теплота, выделяемая нагревателем:
Q = U I . |
(5.1) |
5.5. Найти средние значения температур внутренней и наружной поверхностей трубы как среднеарифметические показаний соответствующих датчиков:
tc1 = 0,5 (t1−1 + t1−2 ); tc2 = 0,5 (t2 −1 + t2 −2 ). (5.2)
5.6. Вычислить значение теплопроводности асбоцемента по формуле (3.7). При расчете коэффициента формы использовать значения геометрических параметров установки, указанные на ее пульте. Записать значения геометрических параметров в табл. 5.1.
Проверить, попадает ли найденное значение λ в диапазон, характерный для теплоизоляционных и строительных материалов: λ = 0,02K3,0 Вт/(м К) . Результаты расчетов по пунктам 5.4 ... 5.6 занести в табл. 5.1.
5.7. Оценить предельную относительную погрешность δλ определения теплопроводности при заданной точности измерения величин, входящих в формулу (3.7.). Для оценки погрешности использовать формулу [4]
δλ = |
U |
+ |
|
I |
+ |
tc1 + tc2 |
+ |
L |
+ |
D1 |
D1 + D2 |
D2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(5.3) |
||||||
U |
I |
|
t |
c1 |
− t |
c2 |
L |
D D |
2 |
ln(D |
2 |
D ) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
||||
8
где U, I , tc1 и т.д. – абсолютные погрешности измерения соответствующих величин. С учетом точности методов измерений и приборов, использованных в лабо-
раторной установке, принять, |
что |
U = ±2 В , |
I = ±0,125 А , |
t = ±0,5 К , |
|
L = |
D = ±1мм . |
|
|
|
|
5.8. Оценить, какая дополнительная погрешность в определении λ возникла |
|||||
бы, если для заданного отношения диаметров D1 и D2 пренебречь кривизной |
|||||
стенки |
трубы и рассматривать |
эту |
стенку как плоскую с площадью, равной |
||
π L (D1 + D2 )
2 . Для оценки сравнить найденное выше в п.5.6 значение тепло-
проводности со значением, вычисленным по формуле (3.7) для плоской стенки такой же толщины, что и данная цилиндрическая.
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
6.1.Отчет оформляется на листах формата А4 в соответствии с образцами, имеющимися в лаборатории.
6.2.Отчет должен содержать:
1)цель работы;
2)схему установки;
3)таблицу 5.1;
4)расчет теплопроводности асбоцемента по методу цилиндрического слоя;
5)расчет предельной относительной погрешности определения теплопроводности;
6)расчет теплопроводности без учета кривизны стенки;
7)выводы.
7.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1.Какой способ переноса теплоты называется теплопроводностью? Какова физическая картина передачи теплоты теплопроводностью в различных веществах?
2.Что называется температурным полем? Как в общем виде записывается уравнение температурного поля? Чем отличаются стационарные и нестационарные температурные поля?
3.Что называется изотермической поверхностью? В каком направлении относительно изотермической поверхности происходит наиболее резкое изменение тем-
пературы? Что понимается под градиентом температуры?
4.Что понимается под тепловым потоком, плотностью теплового потока, линейной плотностью теплового потока?
5.Как формулируется и математически выражается закон Фурье для теплопровод-
ности? По какой причине в его записи появляется знак минус?
6.Как называют коэффициент, входящий в запись закона Фурье? В чем его физический смысл и в каких единицах он измеряется?
7.Какие факторы влияют на величину теплопроводности материалов? Как обычно выражается зависимость теплопроводности от температуры?
8.Как изменяется теплопроводность углеродистых сталей с увеличением содержа-
ния в них углерода? Как влияют на величину теплопроводности металлов присадки
9
итермообработка?
9.Какие материалы называются теплоизоляционными, как и почему теплопроводность теплоизоляционных материалов зависит от их пористости и влажности?
10.Как записывается дифференциальное уравнение теплопроводности в прямо-
угольной и цилиндрической системах координат? Как называется входящий в дифференциальное уравнение теплопроводности коэффициент и в чем его физический смысл?
11.Что такое термическое сопротивление, и как оно связано с теплопроводностью материала?
12.Как определить термическое сопротивление многослойной стенки, если извест-
ны сопротивления ее слоев?
13.Как подсчитать температуру на любой промежуточной изотермической поверхности плоской и цилиндрической стенок?
14.В чем заключается существо стационарных методов определения теплопровод-
ности? В чем преимущества и недостатки стационарных методов?
15.Какие величины необходимо измерять при определении теплопроводности методом цилиндрического слоя? По какой формуле вычисляется теплопроводность при использовании этого метода?
16.Какие условия необходимо обеспечить при определении теплопроводности ме-
тодом цилиндрического слоя?
|
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ |
1. |
Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая |
школа, 1980. – С. 306-324. |
|
2. |
Стационарная теплопроводность: Методические указания к изучению материала |
КОМ №7./ Сост. Злотин Г. Н., Малов В. В. – ВолгГТУ. – Волгоград, 1992. – 29 с.
3.Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – С. 7-31.
4.Злотин Г. Н. Тепломассообмен. – ВолгГТУ. – Волгоград: 1977. – С. 41 – 80.
5.Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена / Под ред. Вукаловича М. П. – М.: Энергия, 1969. – 392 с.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА «ТЕПЛОТЕХНИКА И ГИДРАВЛИКА»
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ
ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ ТРУБЫ ПОТОКОМ ВОЗДУХА
Методические указания к лабораторной работе №10
РПК
«Политехник»
Волгоград
2006
УДК 536.24 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ
ПОПЕРЕЧНОМ ОБТЕКАНИИ ТРУБЫ ПОТОКОМ ВОЗДУХА: методические указания к лабораторной работе №10 / сост. Г. Н. Злотин, В. А. Ожогин, Е. А. Федянов, А. А. Буров: Волгоград гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2006. – 15 с.
Излагаются цель и содержание работы. Даются рекомендации по изучению теоретического материала к лабораторной работе, ее выполнению и обработке опытных данных. Приводятся вопросы для самоконтроля.
Предназначены в помощь студентам университета, изучающим теорию теплообмена.
Ил. 2. Табл. 3. Библиогр.: 4 назв.
Рецензент С. Н. Шумский
Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета.
© Волгоградский государственный технический университет, 2006
1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1.Ознакомление с методом экспериментального определения коэффициента теплоотдачи.
1.2.Приобретение навыков обработки результатов теплотехнических экспериментов.
1.3.Освоение методики применения теории подобия для обобщения экспериментальных данных о конвективном теплообмене.
2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1.Измерение температур на поверхности трубы и воздуха на входе и выходе из камеры, расхода воздуха и величины передаваемого через стенку трубы теплового потока при установившемся тепловом режиме.
2.2.Вычисление значений среднего для трубы коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении воздуха.
2.3.Обработка и представление результатов опытов в виде обобщенного уравнения подобия.
2.4.Построение графика, иллюстрирующего зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости потока воздуха.
3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ
Конвективный теплообмен представляет собой совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в жидкостях1. Для инженерных расчетов наиболее характерен конвективный теплообмен между поверхностью твердого тела и омывающей ее подвижной средой (жидкостью или газом), называемый теплоотдачей.
Для расчетов процессов теплоотдачи используют формулу Ньютона – Рихмана:
Q = α(tст − tж )F , |
(3.1) |
1 В теории теплообмена под термином «жидкость» подразумевают тела, находящиеся не только в капельно–жидком, но и в газообразном состоянии.
где Q – тепловой поток, т. е. количество теплоты, передаваемое за единицу времени, Вт; α – коэффициент теплоотдачи, характеризующий интенсивность процесса теплообмена, Вт/(м2·К); tст – температура поверхности тела (стенки), °С; tж – температура жидкости, омывающей тело, °С; F – площадь поверхности теплообмена, м2.
Коэффициент теплоотдачи зависит от большого числа факторов:
|
α = f (w,tж,tст,λ,cp,ρ, ,Φ,l1,l2 ,l3...), |
(3.2) |
где |
w – скорость течения жидкости относительно поверхности; |
|
λ, |
cp , ρ , µ – теплофизические характеристики жидкости: теплопровод- |
|
ность, теплоемкость, плотность, вязкость; Φ – фактор формы; l1, l2, l3 – размеры поверхности.
Ввиду сложной зависимости коэффициента теплоотдачи от многих переменных найти его значение аналитическим путем в большинстве случаев не представляется возможным. Численное решение системы дифференциальных уравнений, описывающих процесс теплоотдачи, требует значительных вычислительных ресурсов и оказывается трудоемким и дорогостоящим. Как правило, при выполнении инженерных расчетов числовые значения коэффициента теплоотдачи определяют, используя обобщенные экспериментальные данные, представленные в форме уравнений подобия. Эти уравнения получены на основе теории подобия физических явлений и связывают между собой значения безразмерных величин – чисел подобия.
Так, например, для определения α при поперечном обтекании цилиндрических труб вынужденным потоком жидкости используется уравнение по-
добия следующего вида |
|
|
|
|
|
|
|
Nuж, d = C Re |
n |
|
m Prж |
0,25 |
|
||
ж, d Pr |
|
|
|
, |
(3.3) |
||
Prст |
|||||||
где С, n, m – числовые коэффициенты; |
Nuж, d – число подобия Нуссельта, |
||||||
характеризующее интенсивность теплоотдачи; Reж, d – число Рейнольдса,
4
определяющее режим движения жидкости; Prж , Prст – числа подобия Прандтля, характеризующие физические свойства жидкости при температурах tст и tж , соответственно.
|
Prж |
0,25 |
||
Множитель |
|
Pr |
|
характеризует зависимость коэффициента тепло- |
|
|
ст |
|
|
отдачи от направления теплового потока.
Индекс «ж» в (3.3) указывает на то, что за определяющую температуру принята средняя температура жидкости tж , а индекс «ст» – на то, что определяющей является температура поверхности стенки tст . Под определяющей понимается та температура, при которой берутся значения параметров, характеризующих физические свойства жидкости (λ, ν и др.). Индекс "d" говорит о том, что в качестве определяющего линейного размера принят наружный диаметр омываемой трубы.
В уравнении подобия число Нуссельта является определяемым, так как его выражение содержит искомый коэффициент теплоотдачи:
Nuж, d |
= |
α d , |
(3.4) |
|
|
λж |
|
где λж – теплопроводность жидкости при температуре tж ; d – наружный диаметр трубы.
Выражение для числа Рейнольдса имеет вид |
|
|||
Reж, d |
= |
w d |
, |
(3.5) |
|
||||
|
|
νж |
|
|
где νж – кинематическая вязкость жидкости при температуре tж .
Значения числа Прандтля берут из таблиц физических свойств жидкости или находят как отношение вязкости и температуропроводности жидкости при заданной температуре. Для газов число Pr слабо зависит от температуры и практически целиком определяется его атомностью. Поэтому примени-
5
тельно к газам можно принять Pr = const и Prж = 1. В этом случае уравнение Prст
подобия (3.3) принимает вид
Nuж, d = C Re |
n |
|
ж, d . |
(3.6) |
В данной лабораторной работе требуется на основе экспериментальных данных найти числовые значения коэффициента С и показателя степени n в уравнении (3.6). Имея уравнение подобия (3.6) с конкретными значениями коэффициентов С и n, можно вычислить α для всех случаев теплоотдачи при поперечном омывании трубы потоком воздуха, подобных исследованному процессу.
Методика определения коэффициента теплоотдачи α с использованием уравнений подобия заключается в следующем. Вначале по заданным условиям обтекания воздухом цилиндра рассчитывают Re. Затем проверяют выполнение условий подобия – рассчитанное значение Re должно находиться в пределах того диапазона, для которого получено уравнение подобия. Если условие подобия выполняется, то из уравнения подобия, в данном случае из (3.6), определяют число Nuж, d , а затем вычисляют α :
α = |
λж |
Nu |
ж, d |
. |
(3.7) |
|
|||||
|
d |
|
|
||
|
|
|
|
||
При определении коэффициента теплоотдачи экспериментальным путем используют формулу Ньютона – Рихмана, из которой
α = |
Q |
. |
(3.8) |
|
|
||||
(tст − tж) F |
||||
|
|
|
Величины, входящие в формулу (3.8), определяют из опыта (см. пункты 6.1 – 6.8).
6