1. Введение

Цель работы - изучение процесса конвективного теплообмена.

Задачи:

·    установить зависимости коэффициента теплоотдачи  от температуры и диаметра трубы или площади её поверхности (поверхности теплоотдачи);

·    определить коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 от двух горизонтальных труб различного диаметра, выполненных из одинакового материала;

·    установить, как влияет величина диаметра трубы на коэффициент теплоотдачи. Ввиду того, что длина труб одинакова, площадь боковой поверхности труб определяется только значением диаметра, следовательно, установив зависимость , одновременно устанавливается вид зависимости ;

·    установить зависимость от температуры поверхности трубы, построить график зависимости.

 

2. Теория

Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости, или, наоборот, от жидкости или газа к поверхности.

Механизм теплоотдачи включает в себя теплопроводность внутри тонкого неподвижного слоя газа или жидкости у поверхности (пограничный слой) и конвекцию, т.е. способ передачи тепла, связанный с перемещением макрообъемов газа или жидкости.

Процесс теплопроводности в пограничном слое подчиняется законам, изложенным в работе №1.

Конвекция может быть свободной или вынужденной. При вынужденной конвекции перемещение различно нагретых объемов жидкости происходит под действием какого-либо постороннего источника движения (насоса, вентилятора, компрессора и т.д.)

Свободная конвекция возникает при соблюдении двух условий:

1. Наличие разности температур, и, следовательно, разности плотностей в объеме теплоносителя. В исследуемом случае разность температур создается между поверхностью трубы и окружающей средой.

2. Наличие поля тяготения. Необходимость этого условия становится ясной из следующих соображений: если в объеме теплоносителя, имеющего температуру t1, возник некоторый объем с температурой t2, то плотность последнего объема становится либо больше (если t2 < t1), либо меньше (t2 > t1) по сравнению с первоначальной. Тогда рассматриваемый объем, имеющий температуру t2, в силу закона Архимеда, будет либо всплывать, либо опускаться относительно всего объема теплоносителя, т.к. он стал легче или тяжелее окружающих слоев газа или жидкости. Но понятия «легкий» и «тяжелый» справедливы в поле сил тяготения. При его отсутствии (в невесомости) свободная конвекция не возникает.

Одной из важнейших задач расчетов конвективного теплообмена является определение количества тепла, отдаваемого или принимаемого той или иной поверхностью теплообмена.

Это количество тепла определяется по закону Ньютона:

(2.1)

.

Здесь  – основная характеристика конвективного теплообмена, как при свободной, так и при вынужденной конвекции. Этот коэффициент носит название коэффициента теплоотдачи и представляет собой количество тепла, отдаваемое или принимаемое единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и теплоносителем в один градус. Следовательно, его размерность Дж/(м2·с·град)=Вт/м2·град. Определение величины  представляет значительные трудности, т.к.  зависит от многих факторов, например, геометрии поверхности, свойств теплоносителя, температуры и т.д.

Величина  определяется обычно из критериальных уравнений, полученных на основании теорий подобия и размерностей. Например, теплоотдача в условиях вынужденной конвекции описывается уравнением

(2.2)

,

а в условиях свободной конвекции

(2.3)

,

в частности для газов,

(2.4)

В уравнениях (2.2), (2.3), (2.4) Nu-критерий Нуссельта, который служит для определения коэффициента теплоотдачи :

(2.5)

.

Понятие о критериях подобия, входящих в уравнение (2.2), (2.3), (2.4) вводится при помощи специальной теории, называемой теорией подобия. Их физический смысл объяснен в таблице 2.2.

Таблица 2.1

Основные критерии подобия

Наименование

критерия

Формула

 

Что характеризует

 

1. Критерий Нуссельта

 

интенсивность теплообмена на границе «стенка-жидкость»

2. Критерий Рейнольдса

 

соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости

3. Критерий Грасгофа

 

соотношение подъемных сил и вязкости

4. Критерий Прандтля

 

физические свойства жидкости

 

 

В критериях Нуссельта, Грасгофа, Рейнольдса содержится величина, называемая определяющим линейным размером . Выбор этого размера для каждого конкретного случая производится так, чтобы был учтен тот путь, который проходит нагреваемый (охлаждаемый) теплоноситель около поверхности. Например, воздух вдоль вертикальной трубы проходит путь, равный длине трубы, а горизонтальную трубу воздух обтекает по диаметру. Значит, в первом случае  трубы, а во втором  .

В упомянутые критерии подобия входят также свойства теплоносителя: – коэффициент теплопроводности,  - коэффициент кинематической вязкости и β – коэффициент объемного расширения. Эти параметры, а также критерий Pr, выбираются из таблицы 4.4. Коэффициент объемного расширения для воздуха может также определяться из выражения

(2.6)

.

Таблица 2.2

Коэффициенты в критериальных уравнениях

от 0 до 5·102

 

1,18

 

0,125

 

от 5·102 до 2·107

 

0,54

 

0,25

 

от 2·107 и выше

 

0,135

 

0,33

 

Следует отметить, что количество тепла Q, передаваемое трубой в окружающее пространство, определяется по мощности, потребляемой электронагревателем. Это количество тепла передается окружающей среде путем теплообмена и радиации (излучения).

Коэффициент теплоотдачи  вычисляется (для последующего определения критерия Нуссельта) по доле конвективной составляющей теплового потока:

(2.7)

.

В свою очередь, конвективная составляющая теплового потока  определяется как полный тепловой поток за вычетом радиационной составляющей :

(2.8)

(2.9)

,

где  – приведенная степень черноты (см. таблицу 4.4);

 Со = 5,67 Вт/(М2 К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи  по классическому уравнению (2.7) и сравнить его с опытом.

3. Оборудование и инструменты

3.1. Активные клавиши

Для работы в этой лабораторной работе применяются следующие клавиши:

W, S, A, D – для перемещения в пространстве;

F2, E – аналоги средней клавиши манипулятора (при первом нажатии берется объект, при последующем – ставится);

Ctrl – присесть;

F10 – выход из программы.

Рис. 3.1. Активные клавиши клавиатуры

Рис. 3.2. Функции манипулятора

Левая клавиша мыши (1) - при нажатии и удерживании обрабатывается (поворачивается, переключается) тот или иной объект.

Средняя клавиша (2) - при первом нажатии (прокрутка не используется) берется объект, при последующем – ставится (прикрепляется).

Правая клавиша (3) - появляется курсор–указатель (при повторном - исчезает).

Примечание: При появившемся курсоре невозможно перевести взгляд вверх и стороны.

3.2. Лабораторная установка

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 3.3. Исследуемые тела представляют собой трубы, выполненные из одинакового материала и имеющие различные диаметры d1 = 18 мм  и d2 = 20 мм.

Длина труб L=460 мм, расположение – горизонтально. Внутри трубок размещены электронагреватели из нихромовой проволоки, служащие источником тепла. Тепловой выделяемое электронагревателем, передается через поверхность трубы в окружающую среду.

Полная теплоотдача Q с поверхности трубы определяется по расходу электроэнергии. Потребляемая мощность электроэнергии регулируется реле-регулятором и измеряется амперметром и вольтметром.

Рис. 3.3. Схема экспериментальной установки

1 – тумблер включения/выключения реостата; 2 – реле-регулятор; 3 - амперметр;

4 – вольтметр; 5 – испытательные элементы установки с термопарами; 6 – блок питания;

7 – контроллер CompactRIO + модули MIO 9481; 8 – промышленный монитор

Для измерения температуры поверхности в стенках каждой из трубок заложено по 5 медь-константовых термопар (№№ 1-5 - первая труба и №№ 6-10 - вторая труба). Термопары поочередно подключаются к измерительному прибору (контроллеру).

Рис. 3.4. Экспериментальный элемент:

1 – медная труба; 2 – изоляция; 3 – нагревательный элемент

 

4. Порядок проведения работы

4.1. Необходимые правила

1. Перед проведением лабораторных работ студенты обязаны ознакомиться с правилами по технике безопасности и строго соблюдать их.

2. Перед проведением лабораторной работы необходимо ознакомиться с ее содержанием, повторить или изучить теоретический материал данного раздела.

3. В черновую тетрадь заносятся: схема установки, таблицы для записи наблюдений, расчетные уравнения, технические данные измерительных приборов.

4. Необходимые измерения производятся при установившемся тепловом режиме (не менее 30-40 секунд после включения установки) и записываются в соответствующие графы журнала наблюдений.

5. При выходе приборов из строя или при обнаружении неисправности немедленно сообщить об этом лаборанту или преподавателю.

6. После проведения измерений производится черновая обработка результатов опыта, которые предоставляются преподавателю на подпись.

7. Отчет о лабораторной работе составляется к следующему занятию.

8. Студенты, не предоставившие отчеты, к следующей лабораторной работе не допускаются.

4.2. Проведение опыта

После ознакомления с теорией и устройством установки можно приступить к проведению эксперимента. Работа выполняется в двух режимах, отличающихся величиной теплового потока, выделяемого трубами. Оба режима должны быть стационарными.

1. После включения установки при помощи реле-регулятора устанавливается температура согласно задания преподавателя.

2. Убедившись, что режим работы установки стационарный (установившийся), проводится не менее 3-х замеров с интервалом 1-2 минуты.

После снятия необходимых параметров 1-го режима установка переводится в следующий режим.

Время, необходимое для установления стационарности нового режима, составляет примерно 30-60 секунд.

Данные замеров заносятся в журнал наблюдений – таблица 4.1. Режим рассчитывается по таблице 4.2.

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.1

Журнал наблюдений

 

Режим 1

Элемент 1

Элемент 2

Номер замера

1

2

1

2

Напряжение на нагревателе U, В

 

 

Сила тока на нагревателе I, А

 

 

Тепловой поток Q=U·I/2, Вт

 

 

Температуры поверхности труб

 

 

 

Номер термопары

Эл. 1

Эл. 2

1

6

 

 

 

 

2

7

 

 

 

 

3

8

 

 

 

 

4

9

 

 

 

 

5

10

 

 

 

 

Среднее значение температуры

 

 

Температура воздуха

 (показания ДТВ)

 

 

Расчет работы ведется по табл. 4.2.

Таблица 4.2

Расчетная таблица к работе № 3

Наименование величин

 

Расчетные формулы

Режим 1

Режим 2

Эл. 1

Эл. 2

Эл. 1

Эл. 2

Температура

пов-сти трубы

-

 

 

 

 

Температура

окр. среды

-

 

 

 

 

Тепловой поток

-

 

 

 

 

Поверхность трубы

 

 

 

 

Величина лучистого

теплового потока

 

 

 

 

Конвективная

составляющая теплового

потока

 

 

 

 

Коэффициент

теплоотдачи опытный

 

 

 

 

Коэффициент кинематической вязкости

-

 

 

 

 

Критерий Прандтля

-

 

 

 

 

Коэффициент

теплопроводности

-

 

 

 

 

Коэффициент объемного

расширения

 

 

Температуры поверхности труб

 

 

 

Номер термопары

Эл. 1

Эл. 2

1

6

 

 

 

 

2

7

 

 

 

 

3

8

 

 

 

 

4

9

 

 

 

 

5

10

 

 

 

 

Среднее значение температуры

 

 

Температура воздуха

 (показания ДТВ)

 

 

Расчет работы ведется по табл. 4.2.

Таблица 4.2

Расчетная таблица к работе № 3

Наименование величин

 

Расчетные формулы

Режим 1

Режим 2

Эл. 1

Эл. 2

Эл. 1

Эл. 2

Температура

пов-сти трубы

-

 

 

 

 

Температура

окр. среды

-

 

 

 

 

Тепловой поток

-

 

 

 

 

Поверхность трубы

 

 

 

 

Величина лучистого

теплового потока

 

 

 

 

Конвективная

составляющая теплового

потока

 

 

 

 

Коэффициент

теплоотдачи опытный

 

 

 

 

Коэффициент кинематической вязкости

-

 

 

 

 

Критерий Прандтля

-

 

 

 

 

Коэффициент

теплопроводности

-

 

 

 

 

Коэффициент объемного

расширения

 

 

 

 

Критерий Нуссельта

 

 

 

 

Критерий Грасгофа

 

 

 

 

Произведение

-

-

 

 

 

 

Расчетный критерий

Нуссельта

 

 

 

 

а) показатель

 

 

 

 

 

б) постоянная

(выбирается из таблицы 2.2)

 

 

 

 

 

Коэффициент

теплоотдачи (расчетный)

 

 

 

 

Таблица 4.3

Справочные данные

Материал и характер поверхности

Алюминий полированный

225-575

0,039-0,067

Алюминий шероховатый

26

0,055

Алюминий окисленный при 600 0С

200-600

0,11-0,19

Дюралюминий окисленный

50-150

0,36-0,37

Дюралюминий полированный

50-150

0,061-0,062

Железо окисленное гладкое

125-525

0,78-0,82

Латунь полированная

245-355

0,028-0,031

Латунь тусклая

50-350

0,22

Медь полированная

115

0,023

Медь окисленная при 600 0С

200-600

0,57-0,65

Медь окисленная при 300 0С

50-200

0,2-0,4

Серебро полированное

225-625

0,02-0,603

Штукатурка известковая

10-90

0,91

Бумага

20

0,8-0,9

Сажа ламповая

40-370

0,95

Снег

-

0,96

Масляные краски

100

0,92-0,96

Таблица 4.4

Физические параметры воздуха

0

0,0244

13,28

0,707

10

0,0251

14,16

0,705

20

0,0259

15,06

0,703

30

0,0267

16,00

0,701

40

0,0276

16,96

0,699

50

0,0283

17,25

0,699

60

0,0290

18,97

0,696

70

0,0296

20,02

0,694

80

 

 

 

 

Критерий Нуссельта

 

 

 

 

Критерий Грасгофа

 

 

 

 

Произведение

-

-

 

 

 

 

Расчетный критерий

Нуссельта

 

 

 

 

а) показатель

 

 

 

 

 

б) постоянная

(выбирается из таблицы 2.2)

 

 

 

 

 

Коэффициент

теплоотдачи (расчетный)

 

 

 

 

Таблица 4.3

Справочные данные

Материал и характер поверхности

Алюминий полированный

225-575

0,039-0,067

Алюминий шероховатый

26

0,055

Алюминий окисленный при 600 0С

200-600

0,11-0,19

Дюралюминий окисленный

50-150

0,36-0,37

Дюралюминий полированный

50-150

0,061-0,062

Железо окисленное гладкое

125-525

0,78-0,82

Латунь полированная

245-355

0,028-0,031

Латунь тусклая

50-350

0,22

Медь полированная

115

0,023

Медь окисленная при 600 0С

200-600

0,57-0,65

Медь окисленная при 300 0С

50-200

0,2-0,4

Серебро полированное

225-625

0,02-0,603

Штукатурка известковая

10-90

0,91

Бумага

20

0,8-0,9

Сажа ламповая

40-370

0,95

Снег

-

0,96

Масляные краски

100

0,92-0,96

Таблица 4.4

Физические параметры воздуха

0

0,0244

13,28

0,707

10

0,0251

14,16

0,705

20

0,0259

15,06

0,703

30

0,0267

16,00

0,701

40

0,0276

16,96

0,699

50

0,0283

17,25

0,699

60

0,0290

18,97

0,696

70

0,0296

20,02

0,694

80

0,0305

21,09

0,692

90

0,0313

22,10

0,690

100

0,321

23,13

0,683

120

0,334

24,65

0,686

 

 

 

 

5. Отчет

Содержание отчёта:

1. Задание.

2. Краткое описание работы.

3. Принципиальная схема установки.

4. Журнал наблюдений.

5. Обработка результатов опыта.

6. Сопоставление полученных данных между собой и со справочными данными.

7. Построение графика для исследуемых труб.

 

 

6. Контрольные вопросы

1. Какова природа теплового излучения? От каких факторов зависит излучение тел?

2. Что такое селективный спектр и монохроматическое излучение?

3. Дайте определение абсолютно черного и серого тел, поглощательной способности степени черноты. Докажите, что коэффициент поглощения серого тела равен

степени его черноты.

 

7. Список использованной литературы

1. Бахмат Г.В., Кабес Е.Н. Теплотехника: Учебно-методический комплекс. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001

2. Зубарев В.Н., Александрова А.А. Практикум по технической термодинамике. - М.:Энергия, 1971

3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомал А.С. Теплопередача. - М.:Энергия, 1975

4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.:Энергия, 1977

 

8. Авторы

Лабораторная работа №3 «Определение коэффициента теплоотдачи от горизонтальных труб различных диаметров, изготовленных из одинаковых материалов» по дисциплине «Теплотехника»

 

Методическое обеспечение: Бахмат Г.В. - профессор, к.т.н.

 

Редактор: Яковлев О.В.

3D-графика: Черезов К.М.

Script-программирование: Гаммер М.Д.