ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА
НА ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ
- Цель работы
Изучение процессов теплообмена при свободной и вынужденной конвекции на горизонтальном трубопроводе:
• экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи;
• сравнение опытных значений с вычисленными по критериальным уравнениям.
Основные положения
При известном значении количества передаваемой теплоты Q, поверхности теплообмена F и разности температур Δt между средой и стенкой становится возможным определение коэффициента теплоотдачи α из уравнения Ньютона-Рихмана:
Q = α ∙ F ∙ ∆t.
В условиях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровода существует контакт с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны - естественной конвекции. Обозначим мощность теплового потока при вынужденной конвекции Q1, а при естественной конвекции – Q2 и, соответственно, коэффициенты теплоотдачи α1 и α2.
Введем также обозначения:
− Fвн - внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при вынужденной конвекции;
− Fнар – внешняя поверхность трубопровода, обменивающаяся теплом с окружающей средой в процессе естественной конвекции;
− Δt1 - температурный напор со стороны внутренней поверхности;
|
|
|
− Δt2 - температурный напор со стороны наружной поверхности трубопровода.
Таким образом, в опыте должны быть определены Q1 и Q2, Δt1 и Δt2, а также заданы Fвн и Fнар. В таком случае из опыта становится возможным определение α1оп и α2оп, которые затем могут быть сравнены со значениями α1расч и α2расч, полученными из соответствующих характеру теплообмена критериальных уравнений. Электрический ток при прохождении по трубе совершает работу, которая полностью переходит в тепло Qэ. В таком случае уравнение первого закона термодинамики, как частный случай закона сохранения энергии, приобретает вид: QЭ = Q1 + Q2 + Q3, где Q1 - мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы; Q2 - мощность теплового потока, переданная воздуху, окружающему трубу; Q3 - мощность теплового потока, затраченная на нагрев (охлаждение) трубы.
Тепловой поток Q3 имеет место только при нестационарном режиме работы установки, а при достижении стационарного режима, когда температура трубы tx = const, Q3 = 0 и уравнение упрощается: QЭ = Q1 + Q2 .
Мощность теплового потока Q1, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы, может быть определена по уравнению первого закона термодинамики для участка горизонтальной трубы:
|
|
|
Q 1 = G ∙ (∆h + ∆Экин + ∆Эпот + lт), Вт. (1)
При выполнении расчетов следует иметь ввиду, что изменение потенциальной энергии ∆Эпот потока равна нулю и техническая работа lт, совершаемая потоком, также равна нулю. Тогда:
α1,оп = 
; α 2,оп = 
(2)
Для расчета средних значений коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене в воздушной среде рекомендуются следующие формулы на основе критериальных уравнений.
Для расчета средних величин критериев Нуссельта конвективного теплообмена потока воздуха в трубах рекомендуются уравнения:
а) для ламинарного режима Re<2∙103 (3)
б) для развитого турбулентного режима Re>104 (4)
где - средний критерий Нуссельта; − критерий Рейнольдса;
Prп - критерий Прандтля воздуха при температуре потока в трубе.
|
|
|
Для горизонтальных труб при естественной конвекции в неограниченном пространстве в диапазоне изменения (Gr·Pr) от 103 до 108:
(5)
где − средний критерий Нуссельта; − критерий
Грасгофа; Prп − критерий Прандтля воздуха при температуре потока окружающей среды.
Схема и описание установки
Воздух, являющийся в данном случае рабочим телом, забирается компрессором 1из окружающей среды (рис. 1). Параметры воздуха в окружающей среде измеряются ртутным барометром 2и термометром 3, которые расположенны на панели 4«Окружающая среда».
Рис 1. Схема установки
Далее поток воздуха через сечение 0−0 направляется в воздухомерное устройство 5типа «труба Вентури». Количество проходящего воздуха регулируется заслонкой 6. По системе соединительных трубопроводов поток воздуха поступает во входное сечение 1−1 исследуемого участка горизонтальной металлической трубы 7. К потоку воздуха, проходящему через компрессор, на участке от сечения 0−0 до сечения 1−1 подводится работа сжатия и тепло за счет охлаждения электродвигателя компрессора, поэтому его температура повышается и измеряется четырьмя концентрически расположенными термопарами 8. Все четыре термопары включены по дифференциальной схеме, поэтому вторичный регистрирующий прибор 9показывает среднюю температуру воздуха в сечении 1-1. Прибор имеет встроенное компенсационное устройство, исключающее необходимость иметь холодные спаи термопар. По такой же схеме термопарами 10и прибором 11измеряется температура воздуха в сечении 2-2 на выходе из трубы, а термопарами 12и прибором 13температура горизонтальной трубы.
|
|
|
С помощью U-образных манометров, расположенных на панели 14«Статические напоры», измеряются разрежение в «горле» воздухомера и давление в сечении на выходе из компрессора – на входе в горизонтальную трубу. Горизонтальный участок трубы нагревается за счет электрического тока, подводимого через трансформатор 15. Мощность теплового потока, затраченная на нагрев трубы, находится по показаниям амперметра 16и вольтметра 17, которые расположены на панели 18«Нагрев трубы».
Выполнение работы
Установить заданные преподавателем параметры 1-го режима – положение заслонки 6 (деления в диапазоне 20 – 80) и положение ползунка 15 на панели 18 «Нагрев трубы» (деления в диапазоне 0 – 30, причем первое значение обязательно меньше 5, как на рис.1). Затем включить установку нажатием на зеленую кнопку. При достижении стационарного режима показания всех необходимых приборов заносятся в протокол 19и в таблицу наблюдений (табл. 1). О стационарности режима можно судить по показанию прибора для измерения температуры трубы. Далее установить параметры следующего режима. По окончании измерений переписать данные измерений в табл. 1.
Таблица 1
| № п/п. | Измеряемая величина | Обозна-чение | Един. измер. | Номер опыта | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
| 1 | Положение заслонки | Деления | ||||||
| 2 | Положение ползунка на панели «Нагрев трубы» | Деления | ||||||
| 3 | Температура воздуха при входе в трубу (сечение 1 - 1) | t1 | °С | |||||
| 4 | Температура воздуха при выходе из трубы (сечение 2 - 2) | t2 | °С | |||||
| 5 | Средняя температура трубы | tx | °С | |||||
| 6 | Показания вакуумметра (горло воздухомера) | H | мм вод. ст. | |||||
| 7 | Показания пьезометра (после компрессора) | Hн | мм вод. ст. | |||||
| 8 | Напряжение, подаваемое на нагрев трубы | Uн | В | |||||
| 9 | Сила тока, потребляемого на нагрев трубы | Iн | А | |||||
| 10 | Показания барометра | B | мбар | |||||
| 11 | Температура окружающей среды | tокр | °С | |||||
Расчетные формулы и расчеты
1. Атмосферное давление находится по формуле:
Ратм = 100· В, Па
где В – показание барометра, мбар.
2. Перепад давления воздуха в воздухомере:
∆P = ρ∙g·H, Па
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2; H – показание вакуумметра (горло воздухомера), переведенное в м вод.ст.
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг∙К
4. Расход воздуха: 
.
5. Абсолютное давление в сечении 1-1:
где Hн - показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.
6. Плотность воздуха по состоянию на входе в горизонтальную трубу: 
где t1 – температура воздуха при входе в трубу (сечение 1-1), °С.
7. Плотность воздуха по состоянию на выходе из горизонтальной трубы: 
где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение 2-2), °С.
8. Средняя скорость потока в сечениях 1-1 и 2-2 определяется по общему уравнению:
где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений 1-1 и 2-2 и равная 1,35·10-3, м2; 
– плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3; j − индекс рассматриваемого сечения (1-1 или 2-2).
9. Мощность теплового потока, переданного потоку газа вынужденной конвекцией от внутренней поверхности трубы находится с учетом (1) по формуле:
.
10. Тогда мощность теплового потока, переданного естественной конвекцией от наружной поверхности трубы:
.
11. Мощность теплового потока, выделенная на участке от сечения 1-1 до сечения 2-2, находится по показаниям вольтметра и амперметра:
где Iн – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, А; Uн – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, В.
Опытные значения коэффициентов теплоотдачи получаем по формулам (2), в которых 
– внутренняя поверхность трубы, равная 0,352, м2; Fнар – наружная поверхность трубы, равная 0,386, м2; средний температурный напор при вынужденной конвекции 
°C; средний температурный напор при естественной конвекции 
°C.
12. Расчетные значения коэффициента теплообмена для вынужденной конвекции находим с учетом (3) или (4) по формуле:
(6)
При вычислении критериев подобия по уравнениям (3) или (4) и коэффициента теплоотдачи по формуле (6) все теплофизические свойства воздуха (коэффициент теплопроводности λ, кинематическая вязкость ν, критерий Прандтля Pr1п) находятся из табл.3 интерполяцией при определяющей температуре − средней температуре потока в трубе, равной tп = 0,5·(t1 + t2); определяющим размером в формулах является внутренний диаметр трубы dвн = 0,0415, м; критерий Рейнольдса Reп следует рассчитывать при средней скорости потока воздуха в трубе Wсред = (W1+W2)/2.
13. Расчетные значения коэффициента теплообмена для свободной конвекции находим с учетом (5) по формуле:
(7)
При вычислении критериев подобия по уравнению (5) и коэффициента теплоотдачи по формуле (7) все теплофизические свойства воздуха (коэффициент теплопроводности λ, кинематическая вязкость ν, критерий Прандтля Pr2п) находятся из табл.3 интерполяцией при определяющей температуре − равной температуре потока, окружающего трубу tп = tокр; определяющим размером в формулах является наружный диаметр трубы dнар = 0,0455, м; коэффициент объемного расширения β для воздуха рассчитывается по формуле βп = 1/(273 + tокр), 1/К; критерий Грасгофа следует рассчитывать по разности температур ∆t2.
14. Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении табл.2 результатов расчета:
К строке 10: изменение энтальпии 1 кг потокавоздуха
, (8)
где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, значение которой выбирается из табл.3.
К строке 11: изменение кинетической энергии 1 кг потока воздуха 
.
15. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.
Таблица 2
| № п/п | Измеряемая величина | Обозначение | Един. измер. | Номер опыта | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||||
| 1 | Атмосферное давление | Pатм | бар | |||||
| 2 | Перепад давления воздуха в воздухомере | ∆P | Па | |||||
| 3 | Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера | ρв | кг/м3 | |||||
| 4 | Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера | G | кг/м3 | |||||
| 5 | Плотность воздуха в сечении 1-1 | ρ1 | кг/м3 | |||||
| 6 | Средняя скорость потока воздуха в сечении 1-1 | W1 | м/с | |||||
| 7 | Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение 2-2) | ρ2 | кг/м3 | |||||
| 8 | Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение 2-2) | W2 | м/с | |||||
| 9 | Теплота, вносимая электрическим током в систему (нагрев трубы) | Qэ | Вт | |||||
| 10 | Изменение энтальпии воздуха по потоку в системе (трубе) | Δh | Дж/кг | |||||
| 11 | Изменение кинетической энергии потока воздуха в трубе | ΔЭкин | Дж/кг | |||||
| 12 | Теплота, передаваемая потоку воздуха в трубе | Q1 | Вт | |||||
| 13 | Теплота, передаваемая окружающему трубу воздуху | Q2 | Вт | |||||
| 14 | Средний температурный напор в условиях внутреннего теплообмена | Δt1 | °С | |||||
| 15 | Средний температурный напор в условиях внешнего теплообмена | Δt2 | °С | |||||
| 16 | Критерий Рейнольдса Reп = Wср·dвн/ν | Reп | ||||||
| 17 | Критерий Прандтля в условиях вынужденной конвекции | Pr1п | ||||||
| 18 | Критерий Нуссельта в условиях вынужденной конвекции – по уравнению (3) или (4) | Nu1п,d | ||||||
| 19 | Критерий Грасгофа | Grп | ||||||
| 20 | Критерий Прандтля в условиях естественной конвекции | Pr2п | ||||||
| 21 | Критерий Нуссельта в условиях естественной конвекции – уравнение (5) | Nu2п,d | ||||||
| 22 | Расчетный коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции | α1 расч | Вт/(м·2К) | |||||
| 23 | Опытный коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции | α1 оп | Вт/(м2К) | |||||
| 24 | Расчетный коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции | α2 расч | Вт/(м2·К) | |||||
| 25 | Опытный коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции | α2 оп | Вт/(м2·К) | |||||
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается?
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какими методами измеряется температура в данной работе?
4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?
5.По каким признакам можно судить о стационарном режиме теплообмена с окружающей средой?
6. Как осуществляется выбор контрольной оболочки рассматриваемой термодинамической системы?
7.Дайте формулировку и математическое выражение уравнения первого закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта.
8. Укажите способы определения величин, входящих в уравнение 1-го закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта, с полным обоснованием используемых расчетных формул.
9. Какие существуют методы и приборы для измерения температуры, давления и расхода?
10. Как определяется плотность воздуха в условиях лабораторной установки?
11. Какие виды конвекции существуют, в чем их различие?
12. В чем сущность "Теории подобия" и как с ее помощью определяются коэффициенты теплоотдачи?
13. Как составляются критериальные уравнения?
14. Составьте в общем виде критериальные уравнения для вынужденной и свободной (естественной) конвекции.
15. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для свободной конвекции?
16. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для вынужденной конвекции?
17. Что такое "определяемый" и "определяющий" критерий?
18. Как выбирается определяющий (характерный) размер и определяющая температура при расчете критериев подобия?
Таблица 3
Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 802; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!