6.2. Схемы и описание установки

Воздух, который в рассматриваемом случае является рабочим телом, забирается компрессором 1 из окружающей среды (см. рис. 9). Параметры воздуха в окружающей среде измеряются ртутным барометром и термометром, расположенными на панели 11.

Далее поток воздуха через сечение 0 – 0 направляется в воздухомерное устройство 2 типа «труба Вентури». Количество проходящего воздуха регулируется заслонкой 3. По системе соединительных трубопроводов поток воздуха поступает во входное сечение I – I исследуемого участка горизонтальной металлической трубы 5. К потоку воздуха, проходящему через компрессор, на участке от сечения 0 – 0 до сечения I – I подводятся работа сжатия и тепло за счет охлаждения электродвигателя компрессора, поэтому его температура повышается и измеряется погружной термопарой 6 в комплекте с потенциометром. С помощью U-образных манометров, расположенных на панели 4, измеряются разрежение в «горле» воздухомера и давление в сечении «на выходе из компрессора – на входе в горизонтальную трубу». Горизонтальный участок трубы нагревается за счет электрического тока, подводимого через трансформатор 9.

Температура на выходе из трубы в сечении II – II измеряется погружной термопарой 7 в комплекте с потенциометром. Мощность теплового потока, затраченная на нагрев трубы, определяется по показаниям амперметра и вольтметра, расположенных на панели 10. Температура трубы измеряется контактной термопарой 12 в комплекте с потенциометром.

При достижении стационарного режима показания всех необходимых приборов записываются в протокол наблюдений (табл. 12). Стационарность режима контролируется по показанию прибора для измерения температуры трубы.

6.3. Обработка результатов измерений

1) Атмосферное давление вычисляется с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле, Па:

25

. (107)

2) Перепад давления воздуха в воздухомере, Па,

, (108)

где = 1000 кг/м³ – плотность воды в U-образном вакуумметре.

Таблица 12

Протокол наблюдений

Измеряемая величина	Обозна- чение	Единица измерения	Номер опыта
			1	2	3
Температура воздуха при входе в трубу (сечение I – I)	t1	С
Температура воздуха при выходе из трубы (сечение II – II)	t2	С
Температура трубы	tтр	С
Разряжение вакуумметра (горло воздухомера)	Н	мм вод. ст.
Напор пьезометра (после компрессора)	Нн	мм вод. ст.
Напряжение и сила тока, потребляемого на нагрев трубы	Uн	В
	Iн	А
Барометрическое давление	В	мбар
Температура окружающей среды	tокр	С

3) Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера, кг/м­­­­³,

. (109)

4) Расход воздуха, кг/с,

. (110)

26

5) Абсолютное давление в сечении I – I, Па,

, (111)

где Н_н – напор пьезометра (после компрессора).

6) Плотность воздуха по состоянию на входе в горизонтальную тру- бу, кг/м³,

, (112)

где t₁ – температура воздуха при входе в трубу (сечение I – I), С.

7) Плотность воздуха по состоянию на выходе из горизонтальной трубы, кг/м³,

, (113)

где t₂ – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II – II), С.

8) Значение энтальпии воздуха в сечениях I и II определяется по общему уравнению, кДж/кг,

h_j = c_p t_j , (114)

где с_р = 1,006 кДж/(кгК) – теплоемкость воздуха при постоянном давлении;

t_j – температура в рассматриваемом сечении, С;

j – индекс рассматриваемого сечения (I – I, II – II).

9) Средняя скорость потока в сечениях I – I и II – II определяется по общему уравнению, м/с:

, (115)

где F = 0,00135 м² – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечения I – I и II – II;

– плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м³.

27

10) Мощность теплового потока, переданного естественной конвекцией от наружной поверхности трубы, Вт,

. (116)

11) Мощность теплового потока, выделенная на участке от сечения I – I до сечения II – II находится по показаниям вольтметра и амперметра, Вт:

, (117)

где I_н – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, А;

U_н – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, В.

12) Расчетные значения коэффициента теплообмена для вынужденной конвекции находим с учетом уравнения (104) или (105) по формуле, Вт/(м²К):

. (118)

При вычислении критериев подобия и коэффициента теплоотдачи по формуле (118) все теплофизические свойства воздуха рассчитывается по определяющей температуре – средней температуре потока в трубе, равной ; определяющим размером в формулах является внутренний диаметр d_вн трубы, равный 0,0415 м.

13) Расчетное значение коэффициента теплообмена для свободной конвекции вычисляется по выражению, Вт/(м²К):

. (119)

При вычислении критериев подобия и коэффициента теплоотдачи по формуле (119) все теплофизические свойства воздуха находятся по определяющей температуре – средней температуре потока , окружающего трубу, равной ; определяющим размером в формулах является наружный диаметр трубы d_нар, равный 0,0455 м.

28

14) Изменение энтальпии воздуха по потоку в системе, Дж/кг,

. (120)

15) Изменение кинетической энергии потока воздуха в трубе, Дж/кг,

. (121)

16) Интерполяционные формулы для расчета теплофизических свойств сухого воздуха в зависимости от температуры:

теплопроводность, Вт/(мК), –

; (122)

кинематическая вязкость, м²/с, –

; (123)

критерий Прандтля Pr –

. (124)

Результаты расчетов записываются в табл. 13.

Таблица 13

Результаты расчетов

Измеряемая величина	Обозна- чение	Единица измерения	Номер опыта
			1	2	3
1	2	3	4	5	6
Атмосферное давление	Ратм	Па
Перепад давления воздуха в воздухомере		Па
Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера		кг/м3
Расход воздуха	G	кг/с

29

Окончание табл. 13

1	2	3	4	5	6
Плотность воздуха в сечении I – I		кг/м3
Средняя скорость потока воздуха в сечении I – I		м/с
Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение II)		кг/м3
Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение II)		м/с
Теплота, вносимая электрическим током в систему (нагрев трубы)	Qэ	Вт
Изменение энтальпии воздуха по потоку в системе (трубе)		Дж/кг
Изменение кинетической энергии потока воздуха в трубе		Дж/кг
Теплота, передаваемая потоку воздуха в трубе	Q1	Вт
Теплота, передаваемая воздуху, окружающему трубу	Q2	Вт
Средний температурный напор в условиях внутреннего теплообмена		С
Средний температурный напор в условиях внешнего теплообмена		С
Критерий Рейнольдса	Reж	–
Критерий Прандтля в условиях вынужденной конвекции	Pr1ж	–
Критерий Нуссельта в условиях вынужденной конвекции	Nu1ж,d	–
Критерий Грасгофа	Grж	–
Критерий Прандтля в условиях естественной конвекции	Pr2ж	–
Критерий Нуссельта в условиях естественной конвекции	Nu2ж,d	–
Коэффициент теплоотдачи в условиях внутреннего теплообмена (вынужденная конвекция)		Вт/(м2К)
Коэффициент теплоотдачи в условиях внешнего теплообмена (свободная конвекция)		Вт/(м2К)

30