Министерство образования и науки Российской Федерации ФБГОУ ВПО « Кубанский Государственный технологический университет» Армавирский механико-технологический институт Кафедра внутризаводского электрооборудования и автоматики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к учебно-исследовательской лабораторной работе №4

« ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ОТ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ПРИ

СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА»

для студентов специальности 140610 - Электрооборудование и электрохозяйства

предприятий, организаций и учреждений.

Армавир 2009

1. Техника безопасности

1. До начала выполнения лабораторной работы необходимо ознакомиться с общими правилами техники безопасности и поведения в лаборатории теплотехники.

2. Проверить наличие и исправность заземления опытной установки, а так же состояние изоляции токоведущих частей.

3. Включение установки в сеть производить только после ознакомления с её устройством и методикой проведения опыта с разрешения преподавателя.

4. При проведении работ нельзя касаться руками клем, находящихся под напряжением.

2. Цель работы и задание на ее выполнение

1. Целью работы является определение опытным путем коэффициента теплоотдачи от горизонтальной трубы при свободной конвекции в зависимости от средней величины температурного напора.

2. Задание:

• определить среднее значение коэффициента теплоотдачи α_cр от горизонтальной трубы;

обработать результаты опыта в критериях подобия и записать критериальное уравнение теплоотдачи от трубы в виде Nu_m = С (Gr • Pr)_mⁿ;

• составить отчет о проделанной работе.

3. Перечень материалов и оборудования.

Экспериментальная установка (см. рисунок 1) состоит из горизонтальной латунной трубы 1, длинной / = 1500 мм и наружным диаметром d = 24,8 мм. Внутри трубы находится трубчатый электронагреватель 2 типа ТЭН, обеспечивающий примерно равномерный нагрев ее по длине. Для уменьшения тепловых потерь в осевом направлении труба с торцов закрыта теплоизоляционными пробками 3. Подводимая к электронагревателю энергия преобразуется в тепло и передается с поверхности трубы в окружающую среду. В установившемся тепловом режиме можно считать, что мощность, потребляемая электронагревателем из сети W₃h , и мощность теплового потока Q , отдаваемая поверхностью трубы в окружающую среду, равны между собой.

W_3H = Q,Bt (1)

Измерение потребляемой электронагревателем мощности производится ваттметром 4, а регулирование ее осуществляется автотрансформатором 5. Для измерения температуры теплоотдающей поверхности трубы в нее зачеканено 6

термопар 6 а, б, в, г, д, е на равном расстоянии друг от друга по длине трубы. Величину температуры показывает термоэлектрический термометр 7. С помощью переключателя 8 он может подключаться к любому из термопар. Температура окружающей среды измеряется термометром 9, расположенным в дали от опытной трубы. Установка оборудована автоматическим выключателем сети 11 и сигнальной лампочкой 10.

Рисунок 1 - Принципиальная схема экспериментальной установки.

1 - латунная труба; 2- трубчатый электронагреватель (ТЭН); 3-теплоизоляционная пробка; 4 - ваттметр; 5 - автотрансформатор; 6 а, б, в, г, д, е -термопары; 7 - термометр; 8 - переключатель термометра; 9 - ртутный термометр окружающей среды; 10 - сигнальная лампочка; 11 - автоматический выключатель сети.

4. Краткие сведения из теории

Если между отдельными частями газов и жидкостей в некотором объеме

возникает разность температур, то установится и разность плотностей. Это вызовет

движение газов и жидкостей, так как более нагретые части, имея меньшую плотность, начнут "всплывать" в общей массе. Такое движение называется свободным или свободной конвекцией.

Для расчета конвективного теплообмена применяется закон Ньютона-Рихмана, в соответствии с которым мощность теплового потока Q от стенки к окружающей среде (газу, жидкости) пропорциональна площади F поверхности тела и разности температур между поверхностью стенки t_П и среды t_B (в нашем случае воздуха)

,BT (2)

Коэффициент пропорциональности а в этом уравнении является коэффициентом теплоотдачи. Он численно равен плотности теплового потока q на границте стенка-газ (жидкость), отнесенной к разности температур At = t_П - t_B, т.е.

, (3)

где Δt - температурный напор,⁰ С.

Коэффициент теплоотдачи зависит от большого числа факторов: от физических параметров газа (жидкости) скорости движения, температуры, формы и размеров твердого тела, состояния его поверхности, ориентации этой поверхности в пространстве и т.д. Ввиду небольшой протяженности поверхности горизонтальной трубы в вертикальном направлении картина изменения коэффициента теплоотдачи выглядит не так характерно, как на вертикальной трубе.

Коэффициент теплоотдачи определяют экспериментально, с привлечением теории подобия. Конвективный теплообмен при свободном движении газа (жидкости) в неограниченном пространстве описывается критериальным уравнением вида

Nu_m = С (Gr • Pr)_mⁿ (4)

где

- критерий Нуссельта; (5)

- критерий Грасгафа; (б)

- критерий Прандтая; (7)

l - определяющий размер. Для горизонтальной трубы это диаметр трубы d, м;

- коэффициент теплопроводности, Вт / (м • °С);

- коэффициент объемного расширения;

T_m ⁼ t_m + 273 - определяющая температура (температура пограничного слоя), °К

где t_П и t_B - соответственно температуры поверхности трубы и окружающего воздуха, ⁰ С;

g - ускорение силы тяжести, м/с² ;

а - коэффициент температуропроводности среды, м²/с;

Ср - теплоемкость в; кДж / (кг • °С)

- плотность среды в кг / м³;

v - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с.

В зависимости от режима движения коэффициенты Сиn, входящие в уравнение (4), определяют из табл. 2 приложения.