Дослідження тепловіддачі в разі вільної конвекції

Мета – експериментально визначити коефіцієнти тепловіддачі від труби до навколишнього середовища, визначити сталу і показник степеня в критеріальному рівнянні.

Принципова схема лабораторної установки показана на рис. 4.1. Тепловий потік від зовнішньої поверхні циліндричної труби 1 довжиною  і діаметром d, мм до навколишнього повітря утворюється електронагрівником 2, потужність якого регулюється регулятором 10 і контролюється електроприладами 4 і 5. Торці труби закриті заглушками 3. Температура на поверхні труби в різних точках по довжині і периметру вимірюється термопарами 6, які через перемикач 7 з’єднані з потенціометром 8. Температура навколишнього повітря вимірюється термометром в лабораторії. Оскільки холодні спаї термопар мають температуру навколишнього середовища, то їх покази є різницею між температурою стінки труби і температурою повітря. Дослідна труба може бути розташована як горизонтально, так і вертикально.

Порядок виконання дослідів такий. Викладач або лаборант вмикають в роботу електронагрівник і задають певний режим роботи за показаннями електроприладів. Вимірювання здійснюють в разі досягнення усталеного режиму (withstand mode) (показання термопар залишаються сталими за часом). Дані вимірювань записують в журнал спостережень. Виконують кілька дослідів для різних навантажень електронагрівника (температури стінки труби).

Обробка результатів

Показання термопар усереднюють і за допомогою формули (1.1) визначають різницю температур між стінкою і навколишнім середовищем в градусах Цельсія.

Тепловий потік за рахунок випромінювання труби, Вт:

Q_b = dС_t[(0,01T_c)⁴ – (0,01T_п)⁴], (4.1)

де С_т = 1, 67 Вт/м²К⁴ - приведений коефіцієнт випромінювання труби;

Т_с і Т_п - абсолютні температури стінки труби і повітря в лабораторії.

Конвективний тепловий потік від поверхні труби, Вт:

Q_k = IU – Q_b . (4.2)

Коефіцієнт тепловіддачі розраховують на наведеною нижче методикою. З додатків Б і Д для відповідної температури повітря визначають його фізичні властивості: , Вт/(мК); , м²/с; r і обчислюють визначальні критерії.

Критерій Грасгофа:

Сr = g    *³ t/ ^; (4.3)

де g - прискорення вільного падіння, м²/с;

β - коефіцієнт термічного розширення:  = 1/Т, К^-1;

* - визначальний розмір, м;

t – перепад температур між стінкою і навколишнім середовищем;

 - коефіцієнт кінематичної вязкості, м²/с.

Рисунок 4.1 - Схема лабораторної установки

Таблиця 4.1 – Журнал спостережень

№ досліду	Показання електро-приладів		Показання термопар, мВ					Середня термо-ерс, Е,мВ	Різниця температур, t,С	Температура повітря tп C
	І, А	U ,В	1	2		3	4
1 2 3

Критерій Релея визначається як добуток критерію Грасгофа на критерій Прандтля:

Ra = GrPr. (4.4)

Шуканий теоретичний критерій Нуссельта визначається з критеріального рівняння:

Nu = 0,15 (Gr· Pr)^0,33. (4.5)

Коефіцієнт тепловіддачі α_практ визначається з формули :

Q= αFt. (4.6)

За визначеним коефіцієнтом тепловіддачі обчислюють практичний критерій Нуссельта за формулою:

Nu_практ = _практ/ . (4.7)

Якщо коефіцієнти тепловіддачі, які визначені експериментально та із критеріальних рівнянь збігаються, то роботу вважають закінченою. Якщо різниця між ними суттєва, то на підставі дослідних даних будують залежність Nu_практ =f(Ra) в логарифмічних координатах та із графіка цієї критеріальної залежності визначають значення С і показника степеня n в критеріальному рівнянні Nu = СRaⁿ.

Отримані значення С і n залежно від критерію Ra і положення труби (горизонтальне або вертикальне) порівнюють з довідковими і визначають їх розбіжність. Експериментальні дані подають у вигляді залежності

_практ  f (t) i роблять обґрунтовані висновки.

Зміст звіту

1. Схема установки.

2. Звітна таблиця.

3. Розрахунок.

4. Графічна інтерпретація розрахунків.

5. Висновки.

Контрольні запитання

1. Що розуміють під вільною і вимушеною конвекцією?

2. Що характеризує коефіцієнт тепловіддачі та від яких величин він залежить?

3. Яке призначення теорії подібності?

4. Що характеризують критерії Gr, Pr, Ra ?

5. Запишіть вираз для критерію Грасгофа, вкажіть розмірність всіх величин, які до нього входять.

6. Запишіть вираз для критерію Рейнольдса, вкажіть розмірність всіх величин, які до нього входять.

7. Запишіть вираз для критерію Нуссельта, дайте розмірність і означення всіх величин, які до нього входять.

8. Поясніть суть механізму конвективного теплообміну і як він відображається в критерії Нуссельта?

9. Чи є коефіцієнт тепловіддачі фізичною характеристикою теплоносія і чому?

10. Як впливає діаметр труби на інтенсивність теплообміну в разі вільної конвекції?

11. Запишіть критеріальне рівняння для вільної конвекції при обтіканні зовнішньої поверхні труб.

Лабораторна робота № 5