Osnovy_teploperedachi_i_massoobmena_2015

Окончание табл. 3

принимая масштабы по осям одинаковыми и равными:

∆(lgNuж )=∆(lgReж ) = 0,1→2,5 см.

Провести через них наиболее вероятную прямую (рис. 5), уравнение которой имеет вид

lgNuж =lgА+n lgReж ,

и определить показатель

- 173 -

Определить постоянную С, решив уравнение (11) для произвольной точки, например полученной в опыте 1. Сравнить полученные значения постоянных С и n с данными в уравнении (5), взятыми из справочника.

-0,1

-0,2

Рис. 5. Зависимость lgNuж = f (lgReж )

Согласно третьей теореме подобия полученное уравнение подобия можно использовать при расчете коэффициента теплоотдачи при кипении различных жидкостей. Оно справедливо в области изменения определяющих чисел подобия, охваченных в эксперименте. В данном случае определяющими являются числа Рейнольдса и Прандтля.

4. Рассчитать систематическую погрешность измерения величин, по которым определяется коэффициент теплоотдачи .

- 174 -

Контрольные вопросы

1.Характеристика и механизм процесса теплоотдачи при кипении в большом объеме. Критический радиус паровых пузырьков.

2.Роль паровых пузырьков в процессе кипения и их влияние на интенсивность теплоотдачи.

3.Режимы кипения. Кризис кипения.

4.Уравнение подобия для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом режиме кипения.

5.Экспериментальная установка и сущность опыта по определению α при кипении в большом объеме.

6.Обобщение опытных данных, установление явного вида зависимости между числами подобия.

7.Область применения полученного уравнения подобия.

8.Источники погрешностей измерения. Виды погрешностей. Методика расчета.

Литература

1.Теплофизические свойства теплоносителей и рабочих тел энерготехнологических процессов и установок: метод. указания /сост.: В.А. Аляев [и др.]. – Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. 2000. –

64 с.

2.Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учебник / В.В. Нащокин. – М.: Высш. школа, 2008. – 496 с.

3.Исаченко, В.П. Теплопередача: учебник / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1981. – 416 с.

4.Практикум по теплопередаче / А.П. Солодов и [др.] – М.: Энергоатомиздат, 1986 – 296 с.

- 175 -

- 176 -

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕСТНОЙ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ТУРБУЛЕНТНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА В ТРУБЕ

Цель работы: определить значения местных коэффициентов теплоотдачи к воздуху при вынужденном турбулентном движении в равномерно обогреваемой круглой трубе (qc=const); построить график зависимости локальных коэффициентов теплоотдачи от продольной координаты при данном числе Рейнольдса и объяснить причину их изменения на начальном участке; провести обобщение опытных данных в виде уравнения подобия; рассчитать систематическую погрешность определения коэффициента теплоотдачи в опыте (см. разд. Оценка погрешности эксперимента).

Задание

Провести опыты по определению местных коэффициентов теплоотдачи при вынужденном турбулентном движении воздуха в трубе, в соответствии с вариантом задания, взятом из табл. 1.

Основы теории

Процессы течения жидкости и теплоотдачи в трубах представляют большой практический интерес, так как трубы являются элементами различных теплообменных аппаратов. Трудности возникают при исследовании течения и теплоотдачи на начальном участке трубы. Здесь формируются поля скоростей и температур.

- 177 -

В зависимости от условий на входе на начальном участке трубы может иметь место ламинарное или турбулентное течение жидкости.

При ламинарном течении (число Рейнольдса меньше некоторого критического значения, Re < Reкр) на начальном участке профиль скоростей на входе (при х=0) постепенно, по мере формирования пограничного слоя, принимает и в дальнейшем сохраняет форму параболы. Длину начального участка гидродинамической стабилизации lнач трубы диаметром d при ламинарном течении можно определить

участке профиль скоростей под воздействием сил трения трансформируется: в пристенной области он имеет параболическую форму – здесь происходит ламинарное течение (ламинарный подслой), а в ядре потока – плоскую форму (здесь сохраняется турбулентное течение жидкости). Длина начального участка lнач. трубы при турбулентном течении по экспериментальным данным составляет lнач. = 25÷40 d (рис. 1а).

Течение в трубе, когда поле скоростей практически не зависит от характера распределения скоростей на входе, называется начальным участком гидродинамической стабилизации lн.г.

От характера формирования гидродинамического пограничного слоя зависит формирование теплового пограничного слоя, в котором устанавливается поле температур.

Сразу после входа жидкости в трубу теплообмен может происходить только в тонком слое у ее внутренней поверхности. Здесь ядро потока не участвует в теплообмене. По мере удаления жидкости от входа в трубу ядро теряет (или получает) теплоту, и поэтому температура на ее периферии уменьшается (или увеличивается), а толщина теплового пограничного слоя растет.

Участок течения в трубе, на котором поле температур зависит от условий на входе и на котором происходит нарастание пограничного слоя до заполнения поперечного сечения трубы, называют начальным участком тепловой стабилизации lт.нач. За этим участком течение жидкости становится стабилизированным и коэффициент теплоотдачи не изменяется (рис. 1 б).

В зависимости от конкретных условий ламинарный пограничный слой на начальном участке может перейти в турбулентный. Соответственно в этом случае режим течения в трубе будет турбулентным с

- 178 -

ламинарным подслоем около стенки (рис. 1а). С увеличением толщины теплового пограничного слоя у поверхности интенсивность теплоотдачи уменьшается (см. рис. 1б). В переходной зоне общая толщина пограничного слоя продолжает возрастать, однако значение при этом увеличивается, потому что толщина ламинарного подслоя убывает, а в образующемся турбулентном слое тепло переносится не только теплопроводностью, но и конвекцией, то есть более интенсивно. В результате суммарное термическое сопротивление теплоотдачи убывает.

После стабилизации толщины ламинарного подслоя в зоне развитого турбулентного режима коэффициент теплоотдачи вновь начинает убывать из-за возрастания суммарной толщины пограничного слоя. После стабилизации суммарной толщины пограничного слоя коэффициент теплоотдачи становится неизменным ( =const).

=f(x) ∞=f(x)

x

б

Рис. 1. Образование пограничного слоя (а) и распределение местного коэффициента теплоотдачи (б) при турбулентном течении жидкости внутри трубы.

Необходимо отметить, что длина промышленных теплообменных аппаратов соизмерима с длиной начального участка гидродина-

- 179 -

мической и тепловой стабилизации, после которого коэффициент теплоотдачи остается неизменным. Уравнения подобия, рекомендуемые для расчета коэффициента теплоотдачи , справедливы для стабилизированного теплообмена, наступающего за начальным участком гидродинамической и тепловой стабилизации. Поэтому при расчетах теплообменных аппаратов надо учитывать влияние изменения =f (x/l) на начальном участке трубы на средний коэффициент теплоотдачи по всей длине трубы. Турбулентное течение жидкости или газа в трубе может иметь место при значениях числа Рейнольдса Re>104.

Основные положения теории подобия явлений конвективного теплообмена см. в лабораторных работах №№ 1, 2.

Описание экспериментальной установки

а

- 180 -

l=0,65 м

a

б

Рис. 2. Стенд к лабораторной работе (а) и схема экспериментальной установки (б): 0 – термопара холодного спая; 11 – термопара, измеряющая температуру воздуха на выходе из опытной трубки; 1÷10 – термопары, измеряющие температуру стенок опытной трубки в соответствующих сечениях (см. табл.1.); I – опытная трубка; II – входная ка-

мера; III – выходная камера; IV – ротаметр; V – регулирующий вентиль; VI – силовой трансформатор; VII – автотрансформатор (регулятор напряжения); VIII – переключатель термопар; IX – переключатель измеряемой величины; X – вольтметр; XI – трансформатор тока; XII – выключатель

Теплообмен осуществляется в тонкостенной трубке I из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (рис. 2) с внутренним диаметром dвн = 6,5 мм, внешним диаметром dн =7,7 мм и общей длиной 0,788 м. Электрическое сопротивление трубки R=0,0435 Ом. Длина трубки, к которой подводится напряжение, равна 0,65 м. Расход воздуха, протекающего по трубке, регулируется вентилем V и измеряется с помощью ротаметра IV. Опытная трубка подключена к понижающему силовому трансформатору VI, первичная обмотка которого через регулятор

- 181 -

напряжения VII (ЛАТР) соединена о сетью переменного тока через выключатель XII. Напряжение на концах опытной трубки измеряется цифровым вольтметром X в В. Для измерения температуры воздуха на выходе из трубки в выходной камере III установлена термопара 11. Температуры стенки трубки в различных ее сечениях по длине измеряются с помощью хромель-алюмелевых термопар 1 10, горячие спаи которых имеют один общий холодный спай 0, помещенный во входную камеру II. Таким образом измерение температуры наружной поверхности стенки трубки и температура воздуха на выходе из камеры III производится относительно температуры воздуха, поступающего во входную камеру II. Поэтому цифровой вольтметр X фиксирует ЭДС

вольтметра е (mV) приближенно определяются tсх tж 25 еmv и tж tж 25 еmv , где tсх – температуры стенки трубки в сечениях

1 10, t ж – температура воздуха на входе в камеру II, снимается по

термометру, установленному во входном трубопроводе, t ж - темпера-

тура воздуха на выходе из камеры III. е, mv – показания милливольтметра в положениях переключателя термопар 1 10 и 11. Так как ЭДС хромель-алюмелевых термопар изменяется линейно в зависимости от температуры то показания прибора (е, mv)·умножаются на коэффициент 25. Температуру внутренней поверхности трубки с малой погрешностью можно принять равной температуре наружной поверхности ввиду малой толщины стенки трубки (tсв = tсн). Координаты горячих спаев термопар, приваренных к наружной поверхности трубки, отсчитываемые от входного сечения, приведены в табл. 2. Последовательное подключение всех термопар к цифровому вольтметру Х осуществляется переключателем термопар VIII типа ПМТ-2.