16365

Исследование сложного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №4. Исследование сложного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции Цель работы: расчетное и экспериментальное определение основных характеристик сложного теплообмена количества теплоты передав...

Русский

2013-06-20

511 KB

26 чел.

Лабораторная работа №4. 

Исследование сложного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом в условиях свободной конвекции

Цель работы: расчетное и экспериментальное определение основных характеристик сложного теплообмена - количества теплоты, передаваемого от ее поверхности тепловым излучением и конвекцией, коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы и степени черноты ее поверхности.

Основные сведения

Существует три основных механизма переноса тепла, каждый из которых имеет свою физическую природу, описывается своими законами и уравнениями, имеет свои методы расчета и экспериментального исследования. Это - теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. В явлениях теплообмена тел с окружающей средой все эти механизмы чаще всего действуют одновременно. Если известны некоторые характеристики, поддающиеся теплотехническим измерениям, то могут быть выявлены, а затем и скорректированы в нужном направлении действия того или иного механизма переноса тепла.

Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу и основным фактором, определяющим интенсивность теплообмена, является разность температур.

Различают свободную и вынужденную конвекцию. Вынужденная конвекция возникает под действием внешних сил при движении тела в неподвижной среде или при обтекании его сплошным потоком жидкости или газа. В отличие от этого свободная или естественная конвекция возникает исключительно за счет разности температур тела и окружающей среды и локализована в небольшой области вокруг тела, называемой пограничным слоем. Жидкость или газ, нагреваясь или охлаждаясь в этом слое, изменяет свою плотность и за счет действия выталкивающих Архимедовых сил начинает двигаться, интенсифицируя теплообмен по сравнению с чистой теплопроводностью.

Описание экспериментальной установки

Рабочая часть установки представляет собой платформу, на которой закреплены 4 трубы одинаковой длины с различными размерами и отражающими характеристиками наружных поверхностей, определяющих теплообмен излучением – окисленной, полированной и закрашенной в белый цвет (рис. 1). Внутри каждой трубы установлен трубчатый нагреватель диаметром 12 мм с сопротивлением 48 Ом. Пространство между нагревателем и внутренней поверхностью трубы заполнено воздухом, являющимся диатермической средой. Для уменьшения контактных утечек тепла  трубы закреплены в кольцах стоек на тонких стержнях. Для контроля температуры поверхности обеих труб используются  современные цифровые датчики со встроенными системами усиления и калибровки выходного сигнала.

На общей платформе установлен лабораторный автотрансформатор, с помощью которого регулируется напряжение, подаваемое на электронагреватели, и согласующее устройство для его ввода на вход аналого-цифрового преобразователя компьютерной системы измерения.

Схема экспериментальной установки

1-ЛАТР с измерительным трансформатором; 2- индикатор напряжения; 3- трубчатые электронагреватели, 4 – воздушный конвектор, 5 – термопары поверхности труб, 6 – алюминиевая труба с полированной поверхностью диаметром 16 мм, 7 – труба с окрашенной поверхностью диаметром 25 мм, 8 - труба с полированной поверхностью диаметром 25 мм, 9 - труба квадратного сечения 25х25 мм.

Рисунок 2. Лицевая панель компьютерной системы измерения

Порядок проведения работы

  1.  Ознакомиться со схемой лабораторной установки и расположением приборов. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о проведенной работе, в которую внести название и цель работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки, готовую таблицу 1 и таблицу 3 для записи результатов измерений и вычислений коэффициента теплоотдачи.
  2.  Подключить стенд к сети 220 В и включите его автоматом «Сеть».
  3.  Включить компьютер и подключить USB разъема стенда к нему.
  4.  Вызвать программу сбора и обработки данных лабораторной работы Пуск → MeasLAB → «Сложный теплообмен» и запустить ее кнопкой «Пуск» на лицевой панели, после чего автоматически запускается цикл непрерывных измерений.
  5.  В программе на лицевой панели выберите трубу, с которой будет проводиться работа.
  6.  Кнопкой «ВК1» на панели включить ЛАТР регулирования мощности нагрева труб.
  7.  После установления стационарного режима с помощью пирометра (прибора, который дистанционно определяет температуру тел) определить степень черноты поверхности трубы по формуле

,

где  - температура, которую показывает пирометр,  - температура поверхности трубы, определяемая с помощью термопары, Тж- температура воздуха.

Замечание. При определении температуры пирометром его необходимо располагать над трубой так, чтобы рукоятка пирометра была параллельна трубе, а луч лазера падал на поверхность трубы перпендикулярно.

В настоящей работе на примере нагретых горизонтальных труб необходимо определить тепловую мощность, выделяемую трубчатым электронагревателем внутри каждой трубы Q  и рассчитать тепловые потоки, отдаваемые  в окружающую среду тепловым излучением Qл и конвекцией QK. В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы ее тепловой баланс выражается соотношением:

                                        Q = QK + Qл                                              (1)

где Q = U2/R - тепловая мощность, выделяемая электронагревателем, (Вт).

В эксперименте тепловой поток QK, отдаваемый окружающему

воздуху поверхностью трубы конвекцией определяется как

                                                  QK =  Q  - Qл .                                                                  (2)

   

Теоретически он равен

                                  QK =   F  ( tс - tж )                                       (3)

                                         

Здесь -коэффициент теплоотдачи, (Вт/м2К), определяемый в эксперименте,

F= d2l  - площадь поверхности трубы, (м2), d2 = 0,025 м - ее наружный диаметр, l = 0,6 м - длина,

tс , tж - температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (С).

Поток тепла, отдаваемый поверхностью трубы в окружающую среду тепловым излучением, определяется по закону Стефана-Больцмана как   

                                               (4)

где - степень черноты наружной поверхности трубы,  

С0 =5,67 Вт/м2 К4 - коэффициент теплового излучения абсолютно черного тела,

Тс,, Тж -температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (К).

Измерив напряжение U и электрическое сопротивление нагревателя,  температуры наружной поверхности tс  и окружающей среды – tж и зная степень черноты поверхности , можно экспериментально определить коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы.

                              ,                                               (5)

  где      QK =Q   - Qл .        

Значение коэффициента теплоотдачи может также быть рассчитано, если известна величина безразмерного числа Нуссельта (). Откуда . Безразмерное число Нуссельта определяется с помощью критериального уравнения  

                                        Nu = C (GrPr)n ,                                          (6)

где С и n постоянные величины, зависящие от режима свободной конвекции, полученные обобщением результатов большого количества экспериментов проведенных различными исследователями (табл. 1).

Nu – безразмерное число Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на границе твердое тело- жидкость.

Pr – безразмерное число Прандтля характеризует теплофизические свойства жидкости.

Gr - безразмерное число Грасгофа характеризует подъемные силы, обусловленные разностью плотностей нагретых и холодных частей жидкости, находящейся в гравитационном поле:

                  ,                 (7)

где .

Таблица 1. Значения величин С и n в критериальном уравнении (6)

Режим свободной конвекции

(GrPr)

С

n

Ламинарный

103 -2107

0,54

0,25

Турбулентный

3•107 - 1015

0,135

0,33

Таблица2. Результаты измерений и вычислений

№№

п/п

Измеренные и вычисляемые параметры

, м2

tж,

оС

tc,

оС

Qоб,

Вт

Qл,

Вт

Qк,

Вт 

αэксп,

Вт/м2К

Gr

Nu

αрасч,

Вт/м2К

Полированная труба диаметром 25 мм

1

Окрашенная труба диаметром 25 мм

1

Вывод

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58298. Склад числа 4. Чотирикутник. Розпізнавання геометричних фігур. Написання цифр 32.5 KB
  Мета: формування в учнів вміння порівнювати числа; познайомити з чотирикутником; вчити розпізнавати геометричні фігури й називати їх; вдосконалювати навички усної лічби; розвивати спостережливість увагу логічне мислення.
58302. Склад числа 5. Порівняння чисел у межах 5. Позначення чисел на числовому відрізку. Написання цифр. Порівняння висоти предметів 33 KB
  Мета: продовжувати роботу над формуванням в учнів уміння порівнювати числа предмети; закріплювати знання складу числа 5; вдосконалювати вміння писати цифри; вчити знаходити число на числовому відрізку; розвивати в учнів спостережливість увагу...