ТЕПЛООТДАЧА ВЕРТИКАЛЬНОГО ЦИЛИНДРА

ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

Цель работы

Закрепление знаний по теории свободной конвекции вертикально расположенного цилиндра:

· Определение экспериментальным путем на лабораторной установке коэффициента

теплооотдачи при свободной конвекции в неограниченном пространстве.

· Изучение методики обработки опытных данных с применением теории подобия и составления критериального уравнения по результатам эксперимента.

· Построение кривой изменения локального коэффициента теплоотдачи по высоте

цилиндра.

Основные положения

Теплообмен в условиях естественной конвекции осуществляется при местном нагревании или охлаждении среды, находящейся в ограниченном или неограниченном пространстве. Этот вид конвективного переноса тепла играет преимущественную роль в процессах отопления помещений и имеет значение в различных областях техники. Например, нагревание комнатного воздуха отопительными приборами, а также нагревание и охлаждение ограждающих конструкций помещений (стены, окна, двери и пр.) осуществляется в условиях естественной конвекции

За счет естественного движения нагретого воздуха в зданиях осуществляется его вентиляция наружным воздухом. Исследованием свободной конвекции занимался еще М. В. Ломоносов, который применял подъемную силу нагретых масс воздуха для устройства вентиляции шахт, а также для перемещения газов в пламенных печах. К настоящему времени достаточно полно изучен естественный конвективный теплообмен для тел простейшей формы (плита, цилиндр, шар), находящихся в различных средах, заполняющих пространство бόльших размеров по сравнению с размерами самого тела.

Рис. 1. Характер течения среды и изменение коэффицента теплоотдачи в условиях естественной конвекции у вертикального цилиндра большой высоты

Как показывает опыт, характер свободного течения среды относительно поверхности нагретого тела бывает как ламинарным, так частично или полностью турбулентным.

На рис.1 показано свободное перемещение комнатного воздуха вертикально подвешенной нагретой трубы большой длины. На нижнем участке трубы наблюдается ламинарное течение воздуха вверх. На некотором расстоянии от нижнего конца трубы перемещение слоев воздуха теряет ламинарный характер. Возникают отдельные локонообразные массы и появляются искривленные струйки, которые далее дробятся на более мелкие.

Восходящий поток воздуха у нагретой трубы приобретает турбулентный характер с ламинарным пристенным слоем.

Экспериментально коэффициент теплоотдачи может быть определен из основного уравнения теплоотдачи Ньютона-Рихмана:

где Q – мощность теплового потока, передаваемого свободной конвекцией в окружающую среду; F – теплоотдающая поверхность; ∆t – температурный напор разность температур между теплоотдающей средой и окружающей средой.

Свободный конвективный теплообмен тел в различных средах, находящихся в неограниченном пространстве, экспериментально изучался различными исследователями. Результаты исследований обобщались с помощью характерных для этого явления критериев Nu, Gr и Рг, что находится в полном соответствии с теорией подобия и аналитическим решением задачи. Изменение физических параметров в пограничном слое удается учесть введением критериального соотношения представляющего относительное изменение параметров переноса ν и а в пределах изменения температуры среды: − температуры потока окружающей среды, – температуры среды на границе со стенкой. Для газов отношение мало зависит от температуры и его можно принять равным 1.

Для расчета средних критериев теплообмена вертикальных труб в свободном потоке рекомендуется критериальное уравнение:

Nu_m,l= C · ( Gr_m,l · Pr_m)ⁿ ,

где - критерий Нуссельта; – критерий Грасгофа; Pr_m – критерий Прандтля воздуха; С и n – находятся экспериментальным путём и зависят от произведения ( Gr_m_,_l · Pr_m ).

При вычислении критериев подобия за определяющую температуру принимается температура потока окружающей среды, а за определяющий размер принимается высота трубы .

Схема и описание установки

В экспериментальной лабораторной установке (рис.2) теплоотдающей стенкой является тонкостенная труба 1из нержавеющей стали наружным диаметром d_н = 40 мм

и длиной l_тр =1500 мм. Труба удерживается в вертикальном положении стойкой 2с двумя кронштейнами. Нижний и верхний торцы трубы закрыты специальными заглушками с целью исключения отвода теплоты через внутреннее пространство трубы. Для исключения влияния случайных потоков воздуха в помещении лаборатории труба оснащена защитным прозрачным цилиндром 3 с открытыми торцами. Диаметр защитного цилиндра во много раз больше диаметра трубы. Нагрев трубы осуществляется от источника электропитания 4. На панели источника расположены: кнопка включения 8, ползунок автотрансформатора 7, индикатор вольтметра 5 и амперметра 6.

Температура стенки трубы измеряется с помощью 10-ти хромель-копелевых термопар (ТХК), спаи которых заделаны в стенку трубы по винтовой линии. Отсчет номеров термопар принят от нижнего конца трубы. Координаты термопар lx приведены на рис. 3. Вывод термопар осуществлен через внутреннюю полость трубы и далее через верхний торец по кабелю 10 ко вторичному прибору 11. Прибор имеет встроенное компенсационное устройство, исключающее необходимость иметь холодные спаи термопар. Температуры регистрируются многоканальным вторичным прибором и при нажатии на кнопки прибора автоматически записываются в протокол 12 (локальные температуры).

Рис. 2. Схема установки Рис. 3. Схема размещения

термопар

Выполнение работы

Включить установку нажатием на зеленую кнопку 8. Автоматически установятся случайные параметры первого режима (при показаниях вольтметра 5 в диапазоне 0,6 - 0,8 В). Подождать установления стационарного режима, после чего зафиксировать показания всех приборов.

Параметры окружающей среды регистрируются приборами панели 13: атмосферное давление – ртутным барометром 15 и температура – термометром 14. По щелчку правой кнопкой мышки на показаниях барометра и термометра значения автоматически заносятся в протокол 9 (режимы). В этот же протокол автоматически записываются показадния вольтметра и амперметра по щелчку правой кнопки мышки на индикаторах проборов.

Все показания могут быть записаны только по достижению стационарных режимов теплопередачи. Затем установить параметры 2-го режима передвижением

ползунка 7на панели «Нагрев трубы» на заданное преподавателем число делений (в диапазоне до 200).

При завершении работы перед выключением установки все данные из протоколов на экране должны быть перенесены на доступный вид носителя информации (например, переписаны в бумажный протокол (табл. 1 и табл. 2)).

Таблица 1

№ п/п	Измеряемая величина	Обоз-на чениеее	Едини-цы измерен..	Номера опытов
№ п/п	Измеряемая величина	Обоз-на чениеее	Едини-цы измерен..	1	2	3	4	5	6	7
1	Положение пол-зунка на панели «Нагрев трубы»		Деления
2	Сила тока	I	А
3	Напряжение	U	В
4	Температура окружающей среды	t_окр	^оС
5	Показания барометра	B	мбар

Таблица 2

Координата замера lx, м	Локальная температура tx, °С	Номера опытов
Координата замера lx, м	Локальная температура tx, °С	1	2	3	4	5	6	7
1,450	t_x10
1,250	t_x9
1,050	t_x8
0,850	t_x7
0,550	t_x6
0,400	t_x5
0,250	t_x4
0,150	t_x3
0,075	t_x2
0,025	t_x1

Расчетные формулы и расчеты

1. Атмосферное давление находится по формуле:

Р_атм= 100· В, Па

2. Средняя по высоте температура трубы по формуле:

3. Мощность теплового потока, выделенная при прохождении электрического тока по трубе:

4. Мощность теплового потока через поверхность трубы в окружающую среду за счет теплового излучения определяется по закону Стефана-Больцмана:

где = 0.15 – степень черноты поверхности стальной трубы;

С_о= 5,67 – кэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²·К⁴);

F – теплоотдающая поверхность трубы, равная

5. Тогда мощность теплового потока через поверхность трубы в окружающую среду за счет естественной конвекции:

6. Коэффициент теплоотдачи: α_m = , Bт/м²·К

7. Теплофизические свойства воздуха (окружающей среды) выбираются при определяющей температуре, равной температуре окружающей среды . Их значения рассчитываются методом интерполяции по данным из табл.5. Это коэффициент теплопроводности λ, кинематическая вязкость ν, критерий Прандтля Pr_m. Коэффициент объемного расширения β для воздуха рассчитывается по формуле

1/K

8. Критерий Нуссельта

9. Критерий Грасгофа

10. Результаты расчетов должны продублированы в форме сводной табл. 3.

11. По результатам расчетов строится в соответствующем масштабе на миллиметровой бумаге в логарифмических координатах график зависимости критерия от произведения ( ) и определяется коэффициент С и показатель степени n по уравнению прямой линии:

12. Локальные коэффициенты теплоотдачи находятся из уравнения

и далее

13. Критерии подобия находятся при определяющем размере

Таблица 3

№ п/п	Измеряемая величина	Обозна- чение	Ед-цы изм.	Номера опытов
№ п/п	Измеряемая величина	Обозна- чение	Ед-цы изм.	1	2	3	4	5	6	7
1	Атмосферное давление	Ратм	Па
2	Средняя по высоте температура трубы	txm	°С
3	Определяющая температура	tопр	°С
4	Тепло, выделенное электрическим током	Qэ	Вт
5	Количество тепла, отданное излучением	Qи	Вт
6	Количество тепла, отданное конвекцией	Qк	Вт
7	Коэффициент теплоотдачи	αm	Вт /(м2·К)
8	Коэффициент объемного расширения воздуха	β	1/К
9	Коэффициент теплопроводности воздуха	λ	Вт /(м·К)
10	Коэффициент кинематической вязкости воздуха	ν	м2/с
11	Критерий Нуссельта	Num	−
12	Критерий Грасгофа	Grm	−
13	Критерий Прандтля	Prm	−
14	log (Num)	−	−
15	log (Grm·Prm)	−	−
16	Критериальное уравнение	−	−

14. Критерий Грасгофа , где – локальная температура стенки трубы, принимается по табл. 2.

15. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 4.

16. По результатам расчетов строится в соответствующем масштабе на миллиметровой бумаге график изменения локального коэффициента теплоотдачи α_x по высоте трубы.

Таблица 4

№ п/п	Координата замера lx, м	Локальный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К ) /(м2·K)	Номера опытов
№ п/п	Координата замера lx, м	Локальный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К ) /(м2·K)	1	2	3	4	5	6	7
1	1,450	α_х10
2	1,250	α_х9
3	1,050	α_х8
4	0,850	α_х7
5	0,550	α_х6
6	0,400	α_х5
7	0,250	α_х4
8	0,150	α_х3
9	0,075	α_х2
10	0,025	α_х1000

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается?

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Как определяется средняя температура струны в данной установке?

4. Для чего замеряется барометрическое давление в данной работе?

5. Как определяется количество теплоты, отданное трубой окружающему воздуху посредством конвекции?

6. Как определяется количество теплоты, отданное трубой окружающему воздуху посредством излучения?

7. Что такое свободная и вынужденная конвекция?

8. Каков физический смысл и размерность коэффициента теплоотдачи?

9. Какие факторы определяют интенсивность конвективного теплообмена?

10. Что такое критерий подобия?

11. Что такое «определяющая температура» и «определяющий» размер?

12. Какие критерии называются «определяющими» и «определяемыми»?

13. Для чего и как составляются критериальные уравнения?

14. Как определяется коэффициент теплоотдачи αиз критериального уравнения?

15. Что характеризуют критерии Nu, Gr, Рr?

Таблица 5

Работа № 6

Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 1006; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!