Движении воздуха

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.

ТЕПЛООТДАЧА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ПРИ СВОБОДНОМ

ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

Целью работы является углубление знаний по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости - естественной конвекции, ознакомление с методикой опытного исследования процесса и получение навыков в проведении эксперимента.

В результате работы должны быть усвоены понятия свободного движения жидкости, конвективного теплообмена и коэффициента теплоотдачи: зависимость теплоотдачи от различных факторов.

ЗАДАНИЕ

1. Определить значение коэффициента теплоотдачи a для горизонтальной трубы при свободном движении воздуха и установить его зависимость от температурного напора.

2. Обработать результаты опытов и представить их в обобщенном критериальном виде.

3. Составить отчет по выполненной работе.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Свободным называется такое движение, которое возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости. Такое движение всегда возникает вокруг тела, если температура этого тела отличается от температуры окружающей его среды. Пусть нагретая труба находится в воздухе, тогда устанавливается распределение температуры и свободное движение воздуха. По мере нагревания частицы воздуха становятся легче и поднимаются наверх, а на их место поступают свежие, более холодные. При этом, естественно, тепло, воспринятое частицами воздуха от трубы, переносится ими в окружающее пространство.

Количество перенесенного тепла будет тем больше, чем больше скорость движения воздуха, а скорость движения воздуха будет тем больше, чем больше разность плотностей, т.е. чем больше разность температур нагретых и холодных частиц. Следовательно, теплоотдача тела, в первую очередь, определяется разностью температур тела и окружающей среды или температурным напором. Кроме того, интенсивность теплоотдачи зависит от физических свойств среды, от формы и положения тела и других факторов.

В настоящей работе требуется установить влияние лишь температурного напора.

Интенсивность конвективной теплоотдачи, т.е. коэффициент теплоотдачи a, определяется из следующего соотношения:

(22)

где Q_k - количество тепла, переданное нагретым телам путем конвекции, Вт; F - площадь поверхности тела, м²; T_c - температура поверхности тела, К; Т_ж - температура жидкости (газа), К. Следовательно, чтобы найти значение a по уравнению (22), необходимо знать Q_к, T_c, Т_ж, F.

Коэффициент теплоотдачи a зависит от многих факторов: от скорости движения, свойств потока (вязкости, плотности, удельной теплоемкости, теплопроводности), формы и размеров тела, внешней турбулентности, температуры потока и стенки и других факторов. Большое число факторов, влияющих на коэффициент теплоотдачи, затрудняет получение расчетных соотношений для его определения. Во многих случаях натурный эксперимент остается единственным способом получения закономерностей, определяющих теплоотдачу. Для того чтобы результаты экспериментов можно было использовать для расчетов не только исследованных явлений, но и всех явлений, подобных исследованным, их представляют в форме критериальных уравнений.

ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ

Рис. 10 Схема опытной установки

Опытная установка (рис. 10) размещена в большой комнате с достаточно устойчивой температурой. Объектом исследования является алюминиевая труба диаметром d = 60 мм и длиной l = 1540 мм, расположенная горизонтально. Внутри трубы имеется электрический нагреватель из нихромовой ленты. Эта лента наматывается на фарфоровую или металлическую трубку, покрытую электрической изоляцией на асбесте. Сверху обмотка нагревателя также покрывается слоем электрической изоляции на асбесте и после этого нагреватель закладывается внутрь опытной трубы, во избежание воздушного зазора, ухудшающего теплообмен между нагревателем и опытной трубой. Торцы опытной трубы защищены тепловой изоляцией.

Энергия выделяется по длине трубы равномерно. Количество выделяемого тепла и передаваемого в окружающую среду определяется по расходу электрической энергии. Потребляемая электронагревателем мощность регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора и измеряется точным ваттметром.

Для измерения температуры теплоотдающей поверхности в стенке трубы заложено шесть термопар (хромель-копелевых). Расстояние между спаями всех термопар приняты одинаковыми. На схеме спаи условно размещены вдоль одной образующей трубы. В действительности они расположены со сдвигом на 60°. Это сделано для учета изменения температуры по периметру трубы.

В качестве электрической изоляции термопар могут служить самые различные материалы, например фарфоровые, стеклянные трубочки и др. При выборе электрической изоляции необходимо учитывать температурные условия ее работы. Электроды термопар выведены к переключателю. Термопары имеют общий холодный спай, помещенный в сосуд с тающим льдом. ЭДС. термопар измеряются с помощью комбинированного цифрового прибора Щ-4313, принцип работы которого описан выше. Градуировочная таблица термопар приведена в приложении. Температура воздуха измеряется вдали от опытной трубы с помощью ртутного термометра.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

После ознакомления с описанием опытной установки необходимо заготовить форму протокола для записей наблюдений, проверить правильность включения измерительных приборов и наличие льда в сосуде для холодного спая термопар. После того как преподаватель проверил схему, можно приступить к проведению опыта. Все опытные измерения проводятся при строго установившемся тепловом состоянии установки. Это состояние характеризуется неизменностью показаний приборов во времени и устанавливается через 30¸50 мин. после включения или изменения тока. Поэтому, установив мощность нагревателя, надо следить за тем, чтобы она не изменялась и время от времени измерять температуру трубы. После того как тепловое состояние для данного режима установится, необходимо провести несколько записей показаний всех приборов через каждые 8-10 мин. Для перехода на новый температурный режим необходимо изменить расход электроэнергии. Для выполнения работы в полном объеме необходимо провести опыты при трех-четырех различных температурах стенки трубы в пределах от 50 до 150°. Во время опыта дверь комнаты надо держать закрытой, а самим сидеть на месте. Данные опыта занести в бланк замера.

Для каждого опыта записываются ЭДС U _i шести термопар, а затем эти значения по градуировочным таблицам переводятся в температуру t₁ ¸ t₆. Температура t_ж (температура воздуха) измеряется непосредственно с помощью ртутного термометра.

ВКЛЮЧЕНИЕ И ВЫКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

ПРОИЗВОДИТСЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ!

Для обработки можно использовать лишь те данные, которые были получены при установившемся тепловом состоянии системы. Обычно берут средние значения показаний приборов из последних трех записей. Для трубы коэффициент теплоотдачи конвекцией вычисляется по уравнению

, (23)

где d- диаметр исследуемой трубы, м;

l - длина трубы, м;

D T = (T_c - T_ж) - средняя разность между температурами поверхности трубы и

окружающего воздуха, К.

Количество тепла, передаваемое опытной трубой путем конвекции, определяются из равенства:

Q_к = (Q - Q_л), (24)

где Q -полное количество тепла, которое выделяется внутри трубы и передается во внешнюю среду путем конвекции и лучеиспускания. Оно определяется по мощности, потребляемой электронагревателем опытной трубы. Q, Qк, Qл измеряются в Вт.

Количество тепла, передаваемое трубой путем теплового излучения Q_л,

определяется по уравнению

,

где С - коэффициент излучения, Вт/(м²×К⁴);

F - поверхность опытной трубы, м²;

T_C1 и T_C2 -абсолютные температуры опытной трубы и окружающих ее тел, К.

Qл – тепловой поток излучением, Вт.

Поверхность окружающих тел во много раз больше, чем поверхность опытной трубы. Поэтому можно принять, что приведенный коэффициент излучения равен коэффициенту излучения опытной трубы. Для алюминиевой слабополированной поверхности можно принять

C = 1,0 Вт/(м²× К⁴).

В качестве расчетной температуры опытной трубы принимается средняя арифметическая величина из измерений в нескольких точках. В первичной обработке результаты опыта представляются в виде следующей зависимости (25) и строится соответствующий график:

(25)

Относительная ошибка в определении коэффициента теплоотдачи определяется:

(26)

где через D обозначены абсолютные ошибки измерения отдельных величин.

Расчетная ошибка опытов, найденная по уравнению (26), должна быть сопоставима с действительной ошибкой опыта (по разбросу опытных точек в графике, построенном по уравнению (25)). Зависимость (25) строго справедлива лишь для данной опытной трубы.

Для распространения полученных результатов на другие подобные процессы необходимо расчетные данные обобщить и представить их в критериальном виде:

, (27)

где — критерий Нуссельта;

— критерий Грасгофа;

— критерий Прандтля;

l - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К);

a - коэффициент температуропроводности воздуха, м²/c;

n -коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/c;

- коэффициент объемного расширения воздуха, 1/град;

g- ускорение силы тяжести, м/с².

Физические параметры воздуха (l, a, n) берутся из табл. 2. по температуре воздуха t_ж вдали от опытной трубки.

Вычисление указанных величин выполняется для каждого температурного режима. По этим данным затем вычисляются критерии подобия Нуссельта, Грасгофа и Прандтля.

Если прологарифмировать уравнение (27), то получим:

Lg Nu = lg C + n× lg(G r× Pr).

В системе координат lg(G r × Pr), lg Nu экспериментальные точки ложатся на прямую линию с тангенсом угла наклона к оси абцисс tg j = n = .

lgNu

a

в

lg (Gr • Pr)

Рис. 11. Обработка экспериментальных данных в координатах lg Nu, lg (Gr×Pr)

После того как будут подсчитаны значения критериев подобия Nu, Gr,Pr для нескольких опытов, найдены lg Nu, lg (Gr×Pr) и построен график, можно найти показатель степени n в критериальном уравнении (27) по формуле

- (а и в берутся из графика с учетом масштаба по осям).

Затем находится константа С из соотношения для любой точки прямой

.

В результате можно записать окончательный вид критериального уравнения теплоотдачи:

(28)

где C и n - уже известные, найденные в результате лабораторной работы, численные значения.

Уравнение (28) справедливо для всех случаев естественной конвекции вокруг горизонтальной трубы в интервале измеренных значений (Gr× Pr).

Таблица 2.

ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет о выполненной работе должен содержать:

1. Краткое описание работы.

2. Принципиальную схему установки.

3. Протокол записи показаний измерительных приборов.

4. Обработку результатов опыта.

5. Графики зависимости теплоотдачи от температурного напора.

6. График в координатах lg Nu, lg (Gr×Pr).

7. Вычисленное значение n и С и окончательную запись критериального уравнения теплоотдачи.

8. Сопоставление результатов опыта с литературными данными.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое естественная и вынужденная конвекция?

2. От каких факторов зависит величина коэффициента теплоотдачи a?

3. Сформулируйте три теоремы подобия.

4. Где и каким образом можно использовать критериальное уравнение?

5. Экспериментальная установка для исследования теплоотдачи при свободной конвекции.

6. Каков физический смысл критериев Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа?

7. Какие явления называют подобными?

8. Каков общий вид критериального уравнения теплоотдачи?

9. Какие величины необходимо измерять в эксперименте?

10. Как определяются постоянные n и С?

11. Где и каким образом можно использовать полученное в результате работы критериальное уравнение теплоотдачи?

ЛИТЕРАТУРА

Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача: Учебник для авиационных вузов.-3-е изд., перераб.- М., Высш. шк., 1991.-С.244, 290-298, 344-348.