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

28 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

30812. ПОТОКИ И ПРОЦЕССЫ 13.25 KB
  Процесс обеспечивает программу всем что ей нужно для работы включая один поток. Этот стандартный поток основной поток используется для выполнения кода программы. Основной поток типичного процесса начинает работу с точки входа и продолжает выполняться в соответствии со всеми циклами условными операторами и вызовами функций. Основной поток завершается вместе с завершением процесса.
30813. Гонки и тупики 11.15 KB
  Пусть Поток 1 получил доступ к ресурсу и изменил его в своих интересах; затем активизировался Поток 2 и модифицировал этот же ресурс до завершения Потока 1. Поток 1 полагает что ресурс остался в том же состоянии что и был до переключения. Тупики имеют место тогда когда поток ожидает ресурс который в данный момент принадлежит другому потоку.
30814. Создание таблиц для базы 18.26 KB
  Создание таблиц для базы Важным моментом при создании базы данных является распределение информации между полями записи. Очевидно что информация может быть распределена между полями различным образом. После того как определены поля записи необходимо выполнить распределение полей по таблицам. В простой базе данных все поля можно разместить в одной таблице.
30815. Создание модуля данных 23.7 KB
  Создание модуля данных Для размещения компонентов доступа к данным в приложении баз данных желательно использовать специальную форму модуль данных класс TDtModule. Обратите внимание что модуль данных не имеет ничего общего с обычной формой приложения ведь его непосредственным предком является класс TComponent. В модуле данных можно размещать только невизуальные компоненты. Модуль данных доступен разработчику как и любой другой модуль проекта на этапе разработки.
30816. Доступ к базе данных (таблице) 19.97 KB
  Доступ к базе данных таблице Доступ к базе данных обеспечивают компоненты Dtbse Tble Query и DtSource значки которых находятся на вкладках Dt ccess и BDE палитры Компонент Dtbse представляет базу данных как единое целое т. совокупность таблиц а компонент Tble одну из таблиц базы данных. Компонент DtSource источник данных обеспечивает связь компонента отображенияредактирования данных например компонента DBGrid и источника данных в качестве которого может выступать таблица компонент Tаblе или результат выполнения SQLзапроса к...
30817. Для сохранения целостности пользователь может наложить ограничения на процессы вставки удаления или обнов. 12.09 KB
  Для сохранения целостности пользователь может наложить ограничения на процессы вставки удаления или обновления данных в базе. База данных состоит из различных объектов таких как таблицы виды домены сохраненные процедуры триггеры. Объекты базы данных содержат всю информацию о ее структуре и данных.
30818. ADO, провайдеры ADO 11.36 KB
  DO позволяет представлять данные из разнообразных источников реляционных баз данных текстовых файлов и т. Провайдеры DO обеспечивают соединение приложения использующего данные через DO с источником данных сервером SQL локальной СУБД файловой системой и т. Для каждого типа хранилища данных должен существовать провайдер DO. Провайдер знает о местоположении хранилища данных и его содержании умеет обращаться к данным с запросами и интерпретировать возвращаемую служебную информацию и результаты запросов с целью их передачи приложению.
30819. Генератор отчетов Rave Reports 5.0 18.73 KB
  Компоненты для создания отчетов Генератор отчетов Rve Reports 5.0 Генератор отчетов Rve Reports 5.0 разработан фирмой Nevron и входит в состав Delphi 7 в качестве основного средства для создания отчетов. Он состоит из трех частей: ядро генератора отчетов обеспечивает управление отчетом и его предварительный просмотр и отправку на печать.
30820. Доступ к общим данным 17.87 KB
  Доступ к общим данным Строки являются записями а столбцы полями таблицы базы данных. Класс tdtset обеспечивает возможность редактирования набора данных а также предоставляет средства для перемещения навигации по записям. Этот класс инкапсулирует в себе функциональные возможности borlnd dtbse engine bde процессора баз данных фирмы borlnd. Класс tbdedtset имеет класспотомок tdbdtset в котором определены дополнительные свойства и методы обеспечивающие возможность связывания набора данных с физическими таблицами базы данных.