3. Опытная установка и методика проведения эксперимента

Установка для исследования теплоотдачи при свободном движении жидкости (рис.3.1) размещена в большой комнате с достаточно устойчивой температурой.

Объектом исследования является вертикально расположенная труба 1, выполненная из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Внутри трубы размещен электрический нагреватель 2 из нихромовой проволоки. Проволока равномерно намотана на фарфоровую трубку, покрытую слоем электрической изоляции из асбеста. Внешний диаметр нагревателя близок к внутреннему диаметру опытной трубы. Это сделано для уменьшения воздушного зазора, ухудшающего теплообмен между нагревателем и трубой. Торцы опытной трубы защищены тепловой изоляцией 3. Тепловой поток от трубы определяется по расходу электрической энергии, потребляемой нагревателем. Мощность нагревателя регулируется лабораторным автотрансформатором 4 и измеряется ваттметром 5 с классом точности не ниже 0, 25.

Рис. 3.1. Схема опытной установки для исследования теплоотдачи при свободном движении воздуха.

Для измерения температуры поверхности трубы в её стенку зачеканены спаи двенадцати хромель-алюмелевых термопар 6 с диаметром электродов 0,5·10^-3 м. Поскольку наиболее равномерное распределение температуры имеет место в средней части трубы, то здесь термопары размещены реже, чем на концах.

Показания термопар записываются на ленте двенадцати канального точечного самопишущего потенциометра КСП-4 класса точности 0,25.

Температура воздуха измеряется вдали от опытной трубы с помощью ртутного термометра.

Все измерения проводятся при установившемся тепловом состоянии трубы. Это состояние характеризуется неизменностью во времени значений температур поверхности трубы, которые регистрируются на ленте самопишущего потенциометра КСП-4. После того как такое тепловое состояние установится, с ленты самописца снимают значения температур и фиксируют мощность электронагревателя, соответствующую данному режиму. Для перехода на новый температурный режим системы необходимо изменить с помощью автотрансформатора мощность электрического нагревателя. При выполнении работы опыты проводятся на трех режимах со средней температурой стенки трубы в пределах от 300К до 500К.

4. Обработка результатов опытов

После проведения эксперимента опытные данные обрабатываются в следующей последовательности:

Средний коэффициент теплоотдачи при свободном движении воздуха вычисляют по формуле (1):

,

где: d – диаметр исследуемой трубы [м];

l – длина трубы [м];

- среднее значение температуры поверхности трубы [K];

температура воздуха вдали от трубы [К].

Тепловой поток, передаваемый опытной трубой путем конвекции, определяется по уравнению

Q_к = Q – Q_л.

Здесь Q – полное количество тепла, которое выделяется внутри трубы и передается во внешнюю среду путем конвекции и излучения. Оно определяется из равенства

Q = W,

где W – мощность, потребляемая электронагревателем трубы [Вт].

Количество тепла, передаваемое путем теплового излучения, определяется расчетным путем:

Q_л = С·F· ,

где: С =0,9 [Вт/м²·К] – коэффициент, характеризующий излучательную способность поверхности трубы;

F – площадь поверхности трубы [м²];

и - абсолютные температуры опытной трубы и окружающего

воздуха [K].

В качестве средней температуры поверхности опытной трубы принимается средняя арифметическая из измерений в нескольких точках.

Относительная ошибка в определении среднего значения коэффициента теплоотдачи определяется из выражения:

,

где через Δ обозначены абсолютные ошибки измерения отдельных величин.

Для распространения полученных результатов по величине коэффициента теплоотдачи на другие подобные процессы необходимо расчетные данные обобщить и представить в виде уравнения подобия (2). Поскольку для воздуха величина критерия Pr не зависит от давления и мало зависит от температуры, то уравнение (2) принимает вид:

Nu = f(Gr). (3)

При обработке опытных данных в числа подобия Nu и Gr следует подставлять значения теплофизических свойств воздуха (λ и ν), выбранные по таблице 1 для среднего значения температуры Т_м = ( ) / 2.

Таблица 4.1

Т, K	300	340	380	420	460	500
λ,	2,7	3,0	3,3	3,6	3,9	4,2
ν,	17	21	25	29	33	37

Коэффициент объемного расширения для воздуха β = 1 / Т_м. Диаметр трубы является характерным размером d [м].

По данным замеров для каждого режима определяют , и W. Затем вычисляют Q_л, Q_к, α, Nu, Gr.

Все замеренные и вычисленные величины заносят в протокол испытаний.

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

№ п/п	Т1 К	Т2 К	W Вт	Q Вт	Qл Вт	Qк Вт	α	Nu	Gr

Зависимость (3) между критериями Nu и Gr приближенно может быть принята степенной:

Nu = A·Grⁿ,

где постоянная А и показатель степени n определяются по экспериментальным данным. Для этого в логарифмической системе координат lg Nu – lg Gr наносят значения, полученные из опыта. Так как в этой системе координат уравнение lg Nu = lg A + lg Gr является прямой линией, то по экспериментальным точкам проводится прямая, по которой определяют величины постоянной А и показателя степени n (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Графический способ установления коэффициентов степенной зависимости между переменными критериями Nu и Gr.