Переходный режим (2320£Re£104)

При переходном режиме для определения среднего коэффициента теплоотдачи используется уравнение Михеева для турбулентного режима с введением поправки на переходный режим.

, (4)

где - поправка на переходный режим, которая устанавливается экспериментально.

Зависимость от критерия Рейнольдса представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Re							10 000
	0,40	0,57	0,72	0,81	0,88	0,96	1,00

При вынужденном течении жидкости внутри круглой трубы в качестве определяющего размера используется внутренний диаметр трубы d_вн, а в случае трубы произвольной формы сечения – эквивалентный диаметр d_экв, который определяется как:

, (5)

где - площадь поперечного сечения трубы;

- периметр сечения.

В качестве определяющей температуры принимается среднее значение между температурой стенки и температурой основного потока:

(6)

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА.

Изучение процесса вынужденной конвекции в трубе проводится на лабораторной установке, реализующей метод имитационного моделирования реальных физических процессов. В состав установки входит управляющая ПЭВМ, соединенная с пультом управления и рабочим участком, имитирующим реальный объект исследования. Схема установки с системами электрического питания и измерения представлена на рис. 4.

1-рабочий участок трубы; 2-вентилятор; 3-тумблер включения вентилятора; 4-регулятор вентилятора; 5-тумблер включения электрического нагревателя; 6-регулятор мощности электрического нагревателя; 7-вольтметр цепи электрического нагревателя с цифровым индикатором; 8-трубка Пито; 9-цифровой индикатор перепада давления на трубке Пито; 10-цифровой индикатор перепада давления по длине трубы; 11-датчик измерения температуры воздуха на входе в рабочий участок; 12-датчик измерения температуры воздуха на выходе из рабочего участка; 13-датчики измерения температуры стенки трубы по длине рабочего участка; 14-цифровой индикатор температуры.

Рис. 4. Схема рабочего участка лабораторного стенда для изучения процесса теплообмена при вынужденном движении воздуха в трубе.

Рабочий участок 1 представляет собой трубку из нержавеющей стали с внутренним диаметром d_вн = 8,5 мм и длиной L = 720 мм, через которую с помощью вентилятора 2 прокачивается воздух. Расход воздуха изменяется регулятором вентилятора 4. Динамический напор DH, создаваемый вентилятором, измеряется с помощью трубки Пито 8 и регистрируется цифровым индикатором 9. Нагрев рабочего участка осуществляется посредством электрического тока, пропускаемого через трубку, мощность которого изменяется регулятором 6. Для оценки мощности в цепь электрического нагревателя включен вольтметр с цифровым индикатором 7. Падение давления за счет гидравлического сопротивления рабочего участка DP определяется посредством цифрового индикатора 10. Температура воздуха на входе в рабочий участок и выходе из него измеряется посредством температурных датчиков 11 и 12. Для измерения температуры стенки по длине трубки

(Т₁ …Т₁₀) используются температурные датчики 13, расположенные на наружной поверхности трубки. Показания всех датчиков температуры могут выводиться последовательно на цифровой индикатор температуры 14. Координаты X_i датчиков температуры, установленных на трубке, отсчитываемые от входа в трубку, и длины участков L_i, соответствующих каждому температурному датчику, приводятся в таблице 2.

Таблица 2.

Для измерения барометрического давления и температуры воздуха в помещении лаборатория должна быть оснащена барометром и комнатным термометром.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

3.1. Включить установку в сеть и вступить в диалог с программой выполнения работы, заложенной в компьютер.

3.2. Включить тумблер 3 работы вентилятора.

3.3. Плавно вращая ручку регулятора вентилятора 4, установить малый расход воздуха. Для оценки величины расхода использовать показания цифрового индикатора 9.

3.4. Включить тумблер 5 нагрева рабочего участка.

3.5. Плавно вращая ручку регулятора мощности 6, устанавливается выбранный режим нагрева, что контролируется по цифровому индикатору вольтметра 7.

3.6. С помощью датчиков температуры 13 по показаниям цифрового индикатора температуры 14 определить температуру стенки по длине трубы.

3.7. С помощью датчиков температуры 11 и12 по показаниям цифрового индикатора температуры 14 определить температуру воздуха на входе и выходе из рабочего участка.

3.8. С помощью цифрового индикатора 10 определить потери давления по длине рабочего участка.

3.9. Не изменяя мощности электрического нагревателя, установить большой расход воздуха. Для оценки величины расхода использовать показания цифрового индикатора 9.

3.10.Выполнить измерения температуры, соответствующие заданному режиму согласно п.п. 3.6-3.7.

3.11.Повторить измерения согласно п.п. 3.3-3.8 при 2-х режимах, соответствующих постоянному расходу воздуха и различным значениям мощности электрического нагревателя.

3.12. Определяются барометрическое давление и температура воздуха в помещении, соответствующие условиям проведения опыта.

3.13. Результаты измерений заносятся в таблицу 3.

Таблица 3.

Барометрическое давление B = Па;

Температура в помещении Т_п = °С.

3.14. После окончания измерений все регулирующие органы установки приводятся в исходное положение.

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

4.1. Определяется количество теплоты Q, выделяемое на рабочем участке трубы при прохождении электрического тока.

, Вт (7)

где U – напряжение в цепи электрического нагревателя, В;

R – электрическое сопротивление рабочего участка R = 0,0344 Ом.

4.2. Определяется массовый расход воздуха

, кг/с (8)

где - динамический напор, Па;

- плотность воздуха на выходе, кг/м³;

- барометрическое давление, Па;

- падение давления на рабочем участке, Па;

- газовая постоянная воздуха;

- коэффициент расхода;

- внутренний диаметр трубки.

4.3. Определяется средняя температура воздуха

(9)

4.4. Определяется средняя скорость воздуха на участке нагрева

, м/с (10)

где G – массовый расход воздуха, кг/с;

d_вн- внутренний диаметр трубы, м;

r_f – средняя плотность воздуха при температуре T_f, кг/м³ (см. Приложение 1).

4.5. Определяется критерий Рейнольдса

, (11)

где w – средняя скорость воздуха, м/с;

d_вн- внутренний диаметр трубы (определяющий размер), м;

n_f – коэффициент кинематической вязкости воздуха при температуре T_f, м²/с (см. Приложение 1).

4.6. Вычисляются значения температурного напора DT_i в сечениях трубки с координатами X_i

, °C (12)

4.7. Определяются локальные значения коэффициента теплоотдачи от трубки нагреваемому воздуху

, Вт/(м²×°С) (13)

где Q- тепловой поток, создаваемый электрическим нагревателем, Вт;

Q_п – тепловой поток, теряемый с наружной поверхности трубки, Вт

(14)

a_эф=0,18 Вт/(м×°С) – эффективный линейный коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубки, учитывающий потери теплоты в окружающую среду посредством свободной конвекции и теплового излучения, приходящиеся на 1 м длины трубы;

- средняя температура стенки,°С;

- температура воздуха в помещении, °С;

L = 0,72 м – длина рабочего участка;

DT_i – локальный температурный напор, °С;

d_вн – внутренний диаметр трубки, м.

4.8. Для каждого исследованного режима определяется среднее значение коэффициента теплоотдачи

, Вт/(м²×°С) (15)

где a_i – локальные коэффициенты теплоотдачи. Крайние значения a₁ и a₁₀ исключаются вследствие влияния утечек теплоты с торцов рабочего участка.

L_i – длины участков (см. таблицу 2).

4.9. Для каждого исследованного режима определяется среднее значение критерия Нуссельта.

, (16)

где l_f – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м×°С), (см. Приложение 1).

4.10.Для каждого исследованного режима с учетом режима течения потока по критериальным уравнениям (1…4) определяется расчетное значение критерия Нуссельта и сравнивается с экспериментальным.

4.11. По полученным значениям локальных коэффициентов теплоотдачи a_I для всех исследованных режимов строится график зависимости a_I = f (X_i).

4.12. На основе анализа построенных графиков сделать выводы о том, какие факторы и как влияют на интенсивность теплоотдачи при вынужденной конвекции в трубе. Какие действия могут быть предприняты с целью интенсификации теплообмена?

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Что называется конвективным теплообменом?
2. Что такое свободная и вынужденная конвекция?
3. Какие бывают режимы течения жидкости?
4. Что такое пограничный слой?
5. Как влияет пограничный слой на процесс конвективного теплообмена?
6. Что такое участок гидродинамической стабилизации потока и как он влияет на процесс теплообмена в трубе?
7. Какие критериальные уравнения используют для расчета коэффициента теплоотдачи при различных режимах течения?
8. Что такое определяющий размер и определяющая температура и как они определяются при вынужденном течении жидкости в трубе?
9. Какие факторы и как влияют на процесс теплообмена в трубе?
10. Какие меры следует предпринимать для интенсификации теплообмена при вынужденном движении жидкости в трубе?

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Теплотехника (п/ред. В.Н. Луканина). – М: Высшая школа, 2000. – 671 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М: Высшая школа, 1969. – 560 с.
3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М: Высшая школа, 1979. – 350 с.
4. «Исследование теплоотдачи при свободной конвекции». Методическое пособие к лабораторной работе по дисциплине «Термодинамика и тепломассообмен» для студентов специальности 150802 «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Составитель Н.А. Овчинников). – Ковров: КГТА, 2005.- 15 с.