Практические задания к работе

I. Исследование конвективного теплообмена на свободных поверхностях и в замкнутом объеме

1. Исследование процесса свободной конвекции

а) Исследование свободной конвекции около вертикальной пластины

Процесс теплообмена изучается при использовании двух одинаковых пластин равной толщины, изготовленных из одного материала, находящихся в свободном потоке воздуха. Между пластинами располагается плоский электрический нагреватель. Предусмотрено наличие регулятора напряжения. Симметричность системы обусловливает теплоотдачу с внешних поверхностей каждой из пластин. Температуру поверхностей измеряют хромель-алюмелевыми термопарами в 3-5 точках. Их горячие спаи привариваются к поверхностям пластин, холодный спай термостатируется при комнатной температуре. При этом термопарами измеряется избыточная температура поверхности пластин, т.е. непосредственно температурный напор. Потребляемая мощность определяется по электрическому току и сопротивлению нагревательного элемента.

С помощью регулятора напряжения устанавливается определенная величина силы тока. По достижении установившегося теплового режима определяются сила тока, термоэдс термопар или значения температуры в различных точках поверхности, температура окружающего воздуха. Местное значение плотности теплового потока практически не изменяется по высоте пластины и вычисляется по измеренным значениям тока и сопротивления. Плотность теплового потока, участвующего в конвективном теплообмене, определяют как разность полной плотности потока и радиационной составляющей плотности потока.

Полную плотность потока находят из соотношения

.

Плотность теплового потока, обусловленную тепловым излучением поверхности, рассчитывают по уравнению

,

где с _пр – приведенная излучательная способность стенки, Т_ст – средняя абсолютная температура поверхности стенки, Т_с – абсолютная температура окружающих тел.

Локальный коэффициент теплообмена определяется из соотношения

,

где q_o – полная плотность теплового потока; q_p – радиационная составляющая плотности теплового потока; q_x – конвективная составляющая плотности потока; DT – температурный напор.

1). Используя уравнения (3) и (4), рассчитать локальные значения коэффициента теплообмена. Сравнить эти значения с экспериментальными значениями a_х.

2). Зная критическое значение величины (Gr×Pr)_кр, рассчитать величину расстояния l _кр, соответствующее переходу ламинарного течения в турбулентное. Рассчитать величину коэффициента теплообмена для области турбулентного течения, используя уравнение (7). Сравнить рассчитанное значение с экспериментально полученной величиной.

3). По полученным значениям локальных коэффициентов теплообмена построить графики зависимости a_x = f(x) и T_сx = F(x). Объяснить эти зависимости.

Построить график зависимости Nu_x = j(Gr×Pr), аппроксимировать полученную кривую степенной функцией (Nu_х=c(Gr×Pr)ⁿ). Определить коэффициенты с и п и сравнить полученное критериальное соотношение с известными уравнениями для ламинарного и турбулентного режимов, соответствующих условиям эксперимента.

б) Исследование свободной конвекции в условиях замкнутого объема

1). Нагреть одну из стенок дома, дождаться установления стационарного режима теплообмена.

Рассчитать величину Gr_x. Установить вид теплообмена стенки с воздухом в объеме. Рассчитать величину (Gr×Pr), определить коэффициент конвекции e_к. Рассчитать значение эквивалентного коэффициента теплопроводности, используя данные таблицы Приложения. Измерив температуру противоположной стенки, рассчитать величину плотности теплового потока, передаваемого от нагретой стенки к холодной через слой воздуха. Объяснить уменьшение интенсивности теплообмена при больших значениях (Gr×Pr).

2). Измерить температуру внутренней поверхности стенки на разной высоте от пола и температуру воздуха внутри объема. Рассчитать температурный напор и локальные значения коэффициента теплообмена. Сравнить интенсивность теплообмена на свободной поверхности и в замкнутом объеме при аналогичных краевых условиях.

3). Рассчитать значения величины (Gr×Pr). Определить области ламинарного, турбулентного течения и область торможения. Рассчитать высоту зоны торможения по уравнению (9) и сравнить полученное значение с экспериментальным. Рассчитать среднее значение коэффициента теплообмена по уравнению (10) и сравнить его с полученным в эксперименте.

в) Исследование свободной конвекции около горизонтальной пластины

В работе изучается теплообмен пластины с воздухом при свободной конвекции. На поверхности пластины реализуется условие q=const. Исследуемая пластина нагревается электрическим нагревателем. Температура поверхности измеряется термопарами в 3-5 точках по длине пластины.

Измерить температуру пластины и воздуха с помощью термопар. Используя соответствующий коэффициент, найденный в таблице 2, рассчитать величину коэффициента теплообмена, используя уравнение (8).

г) Исследование свободной конвекции около горизонтальной пластины в замкнутом объеме

Осуществить нагрев пола в модели. Рассчитать величину (Gr×Pr). Определить наличие или отсутствие замкнутых конвективных потоков внутри объема. В стационарном режиме теплообмена измерить температуру поверхности пола и воздуха в объеме. Измерив величину плотности теплового потока, отдаваемого полом окружающему воздуху, рассчитать среднее значение коэффициента теплообмена. Сравнить полученный результат с аналогичным для свободной поверхности.

Исследование теплообмена при вынужденной конвекции

а) Исследование вынужденной конвекции при продольном обтекании свободной поверхности

В работе изучается местная теплоотдача при вынужденном продольном обтекании пластины потоком воздуха. На поверхности пластины реализуется условие q=const. Нагревание пластины осуществляется электрическим нагревателем. Температура поверхности измеряется термопарами в 3-5 точках по длине пластины. Пластину помещают в канал, через который вентилятором прокачивают воздух.

В электрической цепи пластины устанавливается определенная сила тока (2-5 А). По достижении установившегося теплового режима с помощью трубки Пито или термоанемометра определяют скорость потока. Измеряют значения температуры на поверхности пластины и температуру воздуха в комнате. Локальный коэффициент теплообмена рассчитывают по формуле

.

Плотность теплового потока постоянна вдоль поверхности пластины. Ее можно определить, зная силу электрического тока, сопротивление и размеры пластины.

Изменяя скорость движения воздушного потока, рассчитать значение критерия Рейнольдса. Зная значение Re_кр, определить области ламинарного и турбулентного течения среды. Используя соотношение (12), рассчитать величину коэффициента конвективного теплообмена для ламинарной области течения. Установив величину х_кр, рассчитать значение a для турбулентной области течения по уравнению (13).

б) Исследование вынужденной конвекции в условиях замкнутого объема

Нагреть пол в модели дома, установив такую же мощность на нагревательном элементе, что и в случае свободной поверхности. Включив вентилятор, осуществить режим вынужденной конвекции. Рассчитать значение коэффициента конвективного теплообмена и сравнить его с аналогичным для свободной поверхности.

II. Исследование способов интенсификации процессов теплообмена и создания комфортных тепловых условий в помещении

1. Включить нагревательный элемент, предварительно рассчитав тепловую мощность, необходимую для нагревания заданного объема воздуха до температуры, превышающей комнатную на 10-20°С. С помощью контрольного датчика убедиться в установлении стационарного режима теплообмена.

С помощью 8 термопар, расположенных на разных расстояниях от стенок и на разной высоте от пола, измерить температуры внутри объема (распределение температуры по высоте и в плане помещения). Построить графики зависимости температуры от указанных геометрических параметров.

После проведения измерений возвратить систему в первоначальное состояние.

2. Включить два нагревательных элемента, расположенных у противоположных стенок. При достижении стационарного режима определить распределение температур в объеме и сравнить его с предыдущим.

3. Включить вентилятор. Сравнить распределение температуры и время достижения стационарного режима с предыдущим.

4. Включить нагревательный элемент с ребристой поверхностью. Сравнить интенсивность теплообмена (по времени достижения стационарного режима) и распределение температуры в данном случае с экспериментом 1.

5. Включить два нагревательных элемента с ребристой поверхностью. Сравнить интенсивность теплообмена и распределение температуры с экспериментом 2.

6. Используя нагреваемый пол, сравнить температурное поле с распределением температур в случае 2.

Сделать вывод об эффективности обогрева замкнутого объема при использовании различных нагревательных элементов.