Примерная форма журнала наблюдений

Время, мин.	Напряжение,В	Показания милливольтметра, мВ							Среднее
		1	2	3	4	5	6
0 3 6 … средн.	85 85 … …

Температуры поверхностей образца получают из градировочных таблиц для хромель-алюмелевых термопар.

Температуру внутренней и внешней поверхностей выбрать по максимальной или минимальной температурам в каждом измерении.

6. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

Коэффициент теплопроводности исследуемого материала вычисляет­ся по уравнению

, Вт/(м К),

где - тепловой поток, проходящий через слой изоляции, Вт

= W,

W - мощность, подводимая к электронагревателю, рассчитываемая по напряжению и электрическому сопротивлению нагревателя

,

R = 41 Ом;

U - напряжение, определяемое по вольтметру, В;

d_вн = 0,035 м и d_нар= 0,054 м соответственно внутренний и наружный диаметры слоя изоляции;

ℓ = 1,5 м - длина опытной трубы;

- средняя температура внутренней поверхности при установив­шемся тепловом состоянии, ⁰С;

- то же, для наружного слоя, ⁰С.

Для каждого опыта определить среднюю температуру изоляционного слоя:

,

построить график зависимости

аппроксимируя его прямой. Найти уравнение этой прямой.

Дать статическую обработку полученных экспериментальных данных (приложение 1).

7. УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

а) цель работы и задание;

б) основные теоретические положения;

в) схему установки;

г) журнал наблюдений;

д) обработку результатов опытов;

е) таблицу результатов обработки и график зависимости λ = f(t);

ж) выводы.

8. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ.

Установка оборудована электронагревателем, приборами регули­рования и измерения электрических параметров. Температура поверхности опытной трубы может находиться в интервале 50-250 ⁰С, т.е. тем­пература выше ожогового порога.

1. При выполнении работы не прикасаться к опытной трубе и то­коподводящим проводам.

2. Студентам разрешается пользоваться только рукоятками авто­трансформатора и переключателя термопар.

Литература [1], [2], [3].

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ В ТРУБАХ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Углубление знаний по теории конвективного теплообмена при вы­нужденной конвекции, знакомство с методикой постановки и проведения экспериментальных исследований, получение навыков в применении ста­тистических методов обработки экспериментальных данных на ЭВМ.

2. ЗАДАНИЕ.

Определить зависимость коэффициента теплоотдачи при вынуж­денном движении воздуха в трубе от скорости;

Обработать экспериментальные данные и сравнить полученные значения коэффициентов теплообмена с рассчитанными по критериальным зависимостям;

Составить отчет и защитить его.

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Конвективный теплообмен в целом определяется как мольным, так и молярным переносом энергии. Молярная - теплопроводность неподвиж­ной, условно остановленной среды, а мольная - определяется перено­сом массы. Эмпирический закон Ньютона-Рихмана устанавливает пропор­циональность конвективного переноса тепла температурному напору между подвижной средой и теплообменной поверхностью

(1)

Коэффициент пропорциональности закона Ньютона-Рихмана называ­ется коэффициентом теплоотдачи (коэффициентом конвективного теплообмена между средой и стенкой). Довольно долго уравнение (1) пони­малось как реально существующий закон природы в том смысле, что ве­личина a рассматривалась как физическая константа, зависимая только от природы подвижной среды. В действительности коэффициент теплоот­дачи зависим не только от природы подвижной среды, но и от темпера­турного напора t_ср – t_w , скорости и режима обтекания теплообменной поверхности и т.д. Сохранение традиционной формы записи уравнения (1) можно объяснить ее простотой и удобством при практическом использовании. Коэффициент теплоотдачи

(2)

численно равен количеству тепла, проходящего через единицу поверх­ности, в единицу времени, при температурном напоре между средой и теплообменной поверхностью в один градус. Это определение может служить базой для постановки эксперимента по определению α.

В основе теоретического анализа коэффициента теплоотдачи лежит уравнение связи конвективного и кондуктивного переноса тепла в пограничном слое

(3)

которое получено как следствие существования непосредственно на об­текаемой поверхности слоя подвижной среды с нулевой скоростью (ги­потеза "прилипания"). Этот эффект связан с силами вязкого трения. Поэтому уравнение (3) характеризует с одной стороны конвективный перенос тепла, с другой - кондуктивный перенос в неподвижном слое. Выраже­ние

(4)

дает возможность теоретического определения коэффициента теплоотда­чи. Для этого необходим анализ следующих уравнений:

уравнения энергии, определяющего поле температур и его функции (градиент и др.);

уравнения, характеризующего сплошность обтекания - уравнения неразрывности;

уравнения движения определеющего динамические характеристики подвижной среды.

Решение этой системы уравнений совместно с условиями однозначности дает возможность определить и рассчитать α в соответствии с (4). Однако получение аналитического решения этой системы крайне затруднительно. В связи с этим Нуссельт предложил искать приближен­ное решение этой системы в следующей безразмерной форме:

(5)

Неизвестные коэффициенты с, n, m, k можно определить как тео­ретически, так и экспериментально

, ,

При вынужденной конвекции в трубах экспериментально установлены следующие критериальные зависимости:

Re £2200 – ламинарный режим

(6)

10⁴>Re>2200 – переходный режим

(7)

Re×10-3	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	3,0	4,0	5,0	6,0	8,0	10,0
k0	1,9	2,2	3,3	3,8	4,4	6,0	10,3	15,5	19,5	27,0	33,3

Re ≥10⁴ – турбулентный режим

(8)

Индекс f показывает, что в качестве определяющей взята средняя по сечению температура

(9)

При больших числах Re влияние свободной конвекции на турбулизацию потока пренебрежимо мало. Поэтому критерий Грасгофа выпадает из числа определяющих. Отношение позволяет учесть температурную зависимость теплофизических характеристик подвижной среды. В области умеренных температур . Для развитого турбулентного течения воздуха (Pr = 0,7) уравнение (8) принимает вид

(10)

4. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

Экспериментальная установка (рисунок 3.1) состоит из трубы 1 длиной 330 мм с внутренним диаметром - 18 мм и толщиной стенки - 2 мм. Труба помещена в водяную рубашку 2, температура которой поддерживается 100 ⁰С с помощью нагревателя 3. Напряжение на нагреватель подается от сети (220 В) через выключатель 7 (В) и ав­тотрансформатор 6. Напряжение контролируется вольтметром 5 (V₁). Через исследуемую трубу продувается воздух с помощью вентилятора 8 и электродвигателя 9. Расход воздуха измеряется суживающим

устройством – диафрагмой 10 и U-образным манометром 11. Регулирование расхо­да воздуха осуществляется автотрансформатором 12 и контролируется с помощью вольтметра 13 (V₂).

Температура воздуха на входе и на выходе трубы измеряется спиртовыми стеклянными термометрами 4.

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ.

После изучения инструкции и подготовки журналов наблюдений по­лучить у преподавателя разрешение на проведение работы.

Залить воду в водяную рубашку.

Включение трубчатой печи производится с разрешения преподава­теля.

Включить трубчатую печь. Нагреть воду в водяной рубашке. Уста­новить на ЛАТРе напряжение, при котором поддерживается слабое кипе­ние.

Включить вентилятор и установить произвольно расход воздуха с помощью ЛАТРа. Записать перепад давлений по U-образному манометру и начать замеры

температур воздуха на входе и выходе из трубы через 0,5 мин. в течении 5 мин. (10 замеров).

Установить новый расход воздуха, повторить опыт. Опыт произ­вести на 3-4 расходах воздуха.