Teplo_Koval

зовнішньої поверхні. Координати гарячих спаїв термопар, відлічувані від входу, приведені нижче:

де і – номер термопари; Xі – координата гарячого спаю; Lі – довжина ділянки труби, відповідної і-її термопарі.

Термопарами 12-За і 11-За вимірюється температура на вході і виході з трубки відповідно. Для перемішування повітря перед термопарою 11-За встановлена сітка. Номери термопар, вказані на схемі вимірювань, відповідають позиціям на перемикачі 36. Термо - е.р.с. термопар вимірюється мілівольтметром МВУ6-41А-Зв з автоматичною компенсацією температури холодних спаїв.

Рис. 4.2 Загальний вигляд установки ТП-3.

1-контрольна лампа; 2,3-тумблер; 4,5-ручки регуляторів напруги; 5-регулятор частоти обертання електродвигуна; 6-тумблер відцентрового вентилятора; 7- заслінка; 1в-міліамперметр; 2бцифровий вольтметр; 3в-мілівольтметр; 4в – міліамперметр.

Швидкість повітря в робочій ділянці вимірюється трубкою Піто 1а в комплекті з диференціальним манометром ДМ-ЭР2-16 посилений електричний сигнал якого реєструється мілівольтметром М1730-1в. За допомогою другого дифманометра ДМ-ЭР2-46, сигнал з якого поступає на міліамперметр М1730-4в, вимірюється падіння тиску на робочій ділянці.

Регулювання швидкості повітря здійснюється зміною частоти обертання електродвигуна вентилятора регулятором напруги, а також за допомогою заслінки, що забезпечує підсос повітря через отвір в трубопроводі, що сполучає вентилятор з робочою ділянкою.

21

На рис.4.2 показаний загальний вигляд установки з зазначенням розташування органів регулювання і вимірювання.

Порядок проведення досліду

Переконатися, що ручки регуляторів напруги 4 і 5 на панелі приладів (рис.4.2) виведені проти годинникової стрілки до упора тумблером 2 на панелі управління включити установку в мережу (спалахує контрольна лампочка 1).

Включити відцентровий вентилятор натисненням тумблера 6 і за допомогою регулятора частоти обертання електродвигуна 5 і заслінки 7 встановити перепад тиску Δр =71 мм вод. ст., вимірюється дифманометром, дані якого в мм вод. ст. фіксуються з міліамперметра 1в.

Тумблером 3 включити коло нагрівання робочої ділянки і встановити за допомогою ручки автотрансформатора 4 падіння напруги, що не перевищує 1,5 В, яке вимірюється цифровим вольтметром 2б.

Переконавшись в настанні стаціонарного теплового режиму по стабільності свідчень термопар, записати свідчення всіх 12 термопар по мілівольтметру 3в, шкала якого градуйована в °С.

Мембранним дифманометром, електричний сигнал з якого подається на міліамперметр їв, градуйований в мм вод. ст., зміряти динамічний тиск Δр, що показується трубкою Піто, а дифманометром блоку тиску по міліамперметру 4в зміряти падіння тиску Δh по довжині робочої ділянки.

За допомогою цифрового вольтметра 2б заміряти падіння напруги на робочій ділянці, а барометром - тиск навколишнього середовища.

Результати вимірювань занести в журнал спостережень за формою:

Критеріальне рівняння для визначення коефіцієнта тепловіддачі при вимушеній квазиізотермічній (Тст/Тр ≈ 1) турбулентній течії рідини ( R е р ≥104, Рrр≥0,7) на основній ділянці (ділянці стабілізованої течії) труби має вигляд:

22

При меншому значенні числа Rep R е p , тобто в так званій перехідній області течії (2300 ≤ Rep ≤ 104), тепловіддача може бути розрахована по наступній залежності:

При обчисленні критеріїв подібності, які входять в рівняння (4.1), (4.2), в якості визначального розміру приймають діаметр труби d = 45мм, а в якості визначальної температури – середню температуру рідини tp; ср – середня швидкість, м/с.

Для представлення отриманих експериментальних даних в критеріальній формі необхідно:

1. Визначити тепловий потік Q (Вт) на робочій ділянці по формулі:

p /[R(t11 273)] густина повітря у вимірювальному перерізі, кг/м3;

р= В - h абсолютний тиск повітря у вимірювальному перерізі, Па;

В - барометричний тиск, Па; Δh - падіння тиску на робочій ділянці, Па;

R = 287 Дж/(кг К) – газова постійна повітря; F = d l – площа поверхні труби;= 0,96 – коефіцієнт, отриманий за результатами градуювання витратомірного пристрою.

3. Враховуючи, що при нагріві робочої ділянки в стаціонарних умовах:

23

температура рідини (повітря) по довжині трубки х змінюється за лінійним законом, визначити середню температуру рідини з формули:

де p B середній абсолютний тиск рідини по довжині робочої ділянки, Па; R = 287 Дж/(кг К) – газова постійна повітря;

5. Обчислити значення температурного напору в перетинах трубки з

де хi координати гарячих спаїв термопар, м; t12 tнс С; tнс - температура навколишнього середовища С.

6. Визначити локальні значення коефіцієнтів тепловіддачі по формулі:

де Qв - втрати теплоти із зовнішньої поверхні робочої ділянки в оточуюче середовище за рахунок вільної конвекції, випромінювання і кінцевих втрат; підраховується за формулою:

При визначенні середнього значення коефіцієнта тепловіддачі значення1 та 10 внаслідок впливу витоків теплоти з торців робочої ділянки виключаються з розглядання.

8. По отриманих локальних значеннях коефіцієнта тепловіддачі визначити основну ділянку труби (ділянка стабілізованої течії), де коефіцієнт тепловіддачі i, перестає залежати від умов на вході в трубу.

24

9. Підрахувати значення коефіцієнтів тепловіддачі на основній ділянці труби по залежності (4.2), в якій число Рейнольдса визначається по масовій витраті М і середній густині рідини p:

іпорівняти отримані результати з експериментальними значеннями .

10.Побудувати графік залежності (4.2) в логарифмічних координатах, на який нанести отримані експериментальні значення, відповідні основній ділянці труби для досліджених режимів.

Контрольні питання

1.Що називається коефіцієнтом тепловіддачі?

2.Як впливає швидкість руху повітря на процес тепловіддачі від нагрітої труби до повітря?

3.Який критерій є визначальним при дослідженні процесу теплообміну?

4.В чому полягає закон тепловіддачі Ньютона?

5.Який фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі?

6.Як визначити середній температурний тиск по довжині труби?

7.Як визначається швидкість руху повітря в трубі?

8.Наведіть приклад застосування вимушеного теплообміну в процесах сільськогосподарського виробництва.

25

Лабораторна робота № 5. "Визначення коефіцієнта тепловіддачі від вертикального циліндра до повітря при вільному русі повітря."

Мета роботи: Визначення локальних коефіцієнтів тепловіддачі на поверхню вертикальної труби в умовах природної конвекції. Узагальнення результатів дослідів і представлення їх у вигляді критеріальної залежності.

Основні теоретичні положення

Робоча ділянка установки є тонкостінною трубою з нержавіючої сталі 12Х18Н10Т із зовнішнім діаметром d = (40±0,1) мм і завдовжки l = (1600±5) мм, розташована вертикально. Труба нагрівається електричним струмом, що підводиться до труби через трансформатор від зовнішньої мережі. Електричний опір труби Rz = (0,0195±0,00035) Ом визначено в процесі виготовлення установки.

Електроживлення підводиться до затискачів на кінцях труби, до цих же затискачів приєднаний вольтметр Щ-4313-26, який вимірює падіння напруги U по довжині труби. Електрична потужність регулюється автотрансформатором.

Температура стінки труби вимірюється за допомогою 12 хромелькопелевих термопар (ТХК), спаї яких закладені в стінку труби по гвинтовій лінії. Відлік номерів термопар прийнятий від нижнього кінця труби. Вивід термопар здійснений через внутрішню порожнину труби і далі через верхній торець. Торці закриті заглушками для усунення відведення теплоти через внутрішній простір труби. Поблизу зовнішньої стінки труби на відстані 400 мм один від одного по вертикалі встановлено дві пересувні термопари для вимірювання температури повітря в пристіночному шарі.

Температури реєструються мілівольтметром МВ46-41А, шкала якого проградуйована в °С. Мілівольтметр має компенсаційний пристрій, що виключає необхідність мати холодний спай в середовищі з нульовою температурою. Термопари з'єднуються з мілівольтметром через багатопозиційний перемикач 1б. Температура навколишнього повітря вимірюється ртутним термометром.

На рис.2.1. представлений загальний вигляд експериментальної установки з вказівкою органів управління і вимірювальних приладів.

Перед початком досліду необхідно переконатися, що ручка регулятора потужності 2а на панелі приладу виведена проти годинникової стрілки до упора. Включити установку в мережу тумблером 2 (спалахує контрольна

26

Рис. 5.1 Загальний вигляд установки ТГІ-2.

(1,2-тумблер; 3,4-контрольні лампи; 1б-багатопозиційний перемикач; 1в-шкала мілівольтметра; 2а-ручка реостата; 2б-цифровий вольтметр.

лампа 3).

Включити нагрів робочої ділянки тумблером 1 (спалахує контрольна лампа 4), Обертаючи ручку реостата 2а за годинниковою стрілкою, встановити по цифровому вольтметру 2б падіння напруги на робочій ділянці, рівне 0,9 В.

Спостерігаючи протягом 10... 20 хв. за показниками термопар по шкалі мілівольтметра 1в переконатися у встановленні стаціонарного режиму роботи установки і записати падіння напруги на робочій ділянці, показники 12 термопар і ртутного термометра, що фіксує температуру навколишнього повітря.

Заміряти температури в прикордонному шарі термопарами.

Повторити вимірювання при "двох інших режимах (при напрузі 1,4 В і 1,7 В).

Після закінчення досліду відключити робочу ділянку (тумблер 1). Відключити установку тумблером 2.

Порядок проведення досліду

Переконатися, що ручка регулятора потужності 2а на панелі приладу виведена проти годинникової стрілки до упора. Включити установку в мережу тумблером 2 (спалахує контрольна лампа 3).

Включити нагрів робочої ділянки тумблером 1 (спалахує контрольна

27

лампа 4). Обертаючи ручку реостата 2а за годинниковою стрілкою, встановити по цифровому вольтметру 26 падіння напруги на робочій ділянці, рівне 0,9 В.

Спостерігаючи протягом 10...20 хв. за показниками термопар по шкалі мілівольтметра їв переконатися у встановленні стаціонарного режиму роботи установки і записати падіння напруги на робочій ділянці, показники 12 термопар і ртутного термометра, що фіксує температуру навколишнього повітря.

Виміряти температури в прикордонному шарі термопарами 13-1а і 14-1а. Повторити вимірювання при двох інших режимах (при напругах 1,4 В і 1,7 В) і результати вимірювань занести в журнал спостережень, складений за

формою:

Результати експериментального дослідження локальної тепловіддачі при природній конвекції на поверхні вертикального циліндра так само, як і у разі горизонтального циліндра, можуть бути представлені критеріальним рівнянням:

де в якості характерного розміру вибрана довжина li циліндра.

Для представлення отриманих експериментальних даних в критеріальній формі і визначення показника ступеня п і постійної С необхідно:

1. Визначити електричну потужність, підведену до робочої ділянки.

2.Визначити середню температуру стінки труби:

i 1

28

3. Підрахувати конвективний тепловий потік Q (Вт) від стінки труби за формулою:

де Qпр – тепловий потік, переданий навколишньому середовищу шляхом випромінювання з робочої ділянки, що розраховується за виразом:

де – ступінь чорноти робочої поверхні, дорівнює 0,15; tпов – температура повітря в лабораторії, С.

Робоча поверхня теплообміну для труби Fp обчислюється з виразу:

формулою:

Qk , (Вт/(м2 К)) (5.7)

idзн li tстi tпов

5.Знайти значення визначальної температури (середню температуру рідини) з формули:

теплофізичні параметри (коефіцієнт теплопровідності – λ, коефіцієнт кінематичної в’язкості – ) і підрахувати значення об'ємного коефіцієнта розширення

29

Релея: Ra m Grm Prm .

8. Нанести отримані значення критеріїв подібності на графік, побудований в логарифмічній системі координат lg (Num), lg (GrPr)m i апроксимувати експериментальні точки лінійною залежністю.

9.Визначити постійні п і С, що входять в критеріальне рівняння, і порівняти їх з даними з довідникових джерел.

10.За даними термопар t13 i t14 побудувати безрозмірні профілі температури прикордонного шару:

де ti – виміряні значення температур в перетинах прикордонного шару, °С; уi – відстань від поверхні труби, м;

δт – товщина теплового прикордонного шару, м.

Товщина теплового прикордонного шару звичайно визначається як відстань від стінки, на якому температура відрізняється від температури незбуреного потоку не більше ніж на 1%.

Порівняти отриманий профіль температур з теоретичним:

Контрольні питання

1.Який вид теплообміну називається природною конвекцією?

2.Напишіть рівняння Ньютона.

3.Що називається коефіцієнтом тепловіддачі, його фізичний зміст?

4.Від яких параметрів залежить коефіцієнт тепловіддачі?

5.Як узагальнюються результати експериментів з дослідження теплообміну при природній конвекції?

6.Які критерії є визначаючими для даного виду конвекції?

7.Як визначається при проведенні експерименту кількість теплоти, що віддається поверхнею труби повітрю за рахунок природної конвекції?

8.Як на підставі експериментів визначається вид критеріального рівняння?

9.Напишіть критеріальне рівняння, отримане в результаті проведеного експерименту.

30