Исследование естественной конвекции на горизонтальных трубах (90
..pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра промышленной теплоэнергетики
ИССЛЕДОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ НА
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБАХ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе
по дисциплине
«Тепломассообмен»
В.Я Губарев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев
Липецк Липецкий государственный технический университет
2016
УДК 621.036 (07)
Г93
Рецензент – канд. техн. наук, доц. Т.Г. Мануковская
Губарев В.Я.
Г93 Исследование естественной конвекции на горизонтальных трубах [Текст]:
метод. указания к лабораторной работе по дисциплине «Тепломассооб-
мен» / В.Я. Губарев, А.Г. Арзамасцев, А.Г. Ярцев. – Липецк: Изд-во Ли-
пецкого государственного технического университета, 2016. – 17 с.
Вметодических указаниях предложена методика экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции.
Методические указания предназначены для студентов 3-го курса направ-
ления «Теплоэнергетика и теплотехника» для выполнения лабораторной рабо-
ты по дисциплине «Тепломассообмен».
Табл.3. Ил.2. Прил.1. Библиогр.: 3 назв.
© ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2016
2
|
Содержание |
|
1. |
Общие положения |
4 |
2. |
Приборы и оборудование |
7 |
3. |
Порядок проведения работы |
7 |
4. |
Указания по технике безопасности |
10 |
5. |
Обработка результатов |
10 |
6. |
Составление отчета |
14 |
7. |
Контрольные вопросы |
14 |
8. |
Библиографический список |
15 |
Приложение |
16 |
3
1. Общие положения
Конвекция – это процесс передачи тепла за счет перемещения конечных частиц вещества (макрочастиц). Она наиболее характерна при теплообмене в потоке жидкости или газа, где перенос тепла неразрывно связан с переносом массы (конвективный тепломассообмен). Конвективный теплообмен между по-
током жидкости или газа и поверхностью твердого тела называется теплоотда-
чей.
Основой для практических расчетов конвективного теплообмена является
закон Ньютона – Рихмана
Q ( t П tС ) F , Вт, |
(1) |
согласно которому тепловой поток Q пропорционален площади поверхности |
|
теплообмена F и разности температур поверхности стенки tп |
и окружающей |
среды tс (например, воздуха). Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом теплоотдачи конвекцией, по физическому смыслу он характе-
ризует интенсивность процесса теплоотдачи.
Закон Ньютона – Рихмана имеет простой вид, однако трудности инже-
нерных расчетов заключаются в определении коэффициента теплоотдачи α, ко-
торый зависит от скорости движения среды, её температуры, физических свойств, от формы, размеров поверхности и других величин.
По-разному протекает процесс теплоотдачи в зависимости от природы возникновения движения жидкости или газа, поэтому конвекцию разделяют на вынужденную и свободную (или естественную).
При свободной конвекции жидкость или газ движутся под действием подъемных сил, возникающих за счет разности плотности горячих и холодных частиц. Соотношение плотностей 0 1 T , откуда 0 T . Следовательно, возникновение свободной конвекции определяется тепловыми условиями процесса и зависит от разности температур Т. Здесь 1T - ко-
эффициент объемного расширения, К-1.
4
Свободная конвекция часто встречается на практике и возникает, напри-
мер, около отопительных приборов, нагретых вертикальных и горизонтальных плит, горизонтальных цилиндров и других поверхностей. Большое практиче-
ское значение имеет теплоотдача от горизонтальных круглых труб, из которых компонуются поверхности во многих теплообменных аппаратах.
Если температура поверхности трубы выше температуры окружающего воздуха, то происходит нагрев частиц воздуха, прилегающих к поверхности трубы. Нагретые частицы вследствие уменьшения плотности поднимаются вверх, а на их место поступают более холодные частицы воздуха и т.д. Когда это естественное движение возникает в большом объеме, то оно обладает свой-
ствами, характерными для пограничного слоя, что особенно отчетливо прояв-
ляется у жидкостей или газов с малой теплопроводностью и вязкостью (напри-
мер: вода, воздух и др.)
Величина коэффициента α определяется, главным образом, толщиной и свойствами пограничного слоя, который в свою очередь зависит от основных физических свойств среды и от температуры. При прочих равных условиях, чем больше диаметр трубы, тем вероятнее разрушение ламинарного течения по окружности трубы.
Процессы конвективного теплообмена описываются сложной системой дифференциальных уравнений, аналитическое решение их весьма затрудни-
тельно.
Экспериментальное определение коэффициента α проводится для каких-
то конкретных условий, весьма ограниченных. Чтобы полученные опытные данные можно было использовать при практических расчетах других сход-
ственных явлений, применяют теорию подобия, которая позволяет обобщить полученные результаты экспериментов.
После приведения дифференциальных уравнений к безразмерному виду их решение представляют в виде зависимости между безразмерными критерия-
ми подобия. Для случая свободной конвекции критериальное решение выража-
ется зависимостью вида N u f ( G r , P r ) .
5
В инженерной практике связь между критериями подобия обычно пред-
ставляют в виде степенных зависимостей, так как они являются наиболее про-
стыми и удобными функциями. На основании обобщения многих опытов ака-
демик Михеев предложил для свободной конвекции критериальное уравнение вида
N u c (G r P r ) n .
Здесь с и n – численные коэффициенты, значение которых определяется при обработке опытных данных;
N u |
|
l |
– критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплоотдачи |
|
|
||
|
|
|
на границе раздела твердой поверхности и среды или соотношение интенсивно-
сти теплоотдачи конвекцией (α) и теплопроводностью (λ/l);
λ – коэффициент теплопроводности жидкости или газа, Вт/(м ∙ К);
l – |
характерный |
геометрический размер поверхности теплообмена, м; |
||||
G r |
g l 3 |
|
t |
- |
критерий Грасгофа, характеризующий соотношение между |
|
|
||||||
2 |
||||||
|
|
|
|
|
подъемными силами ( g l 3 t ) и силами вязкости (ν); g – ускорение силы тяжести, м/с2;
ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;
t = tп - tс – температурный напор между твердой поверхностью и окружающей средой, К;
P r = a - коэффициент Прандтля, характеризующий физические свойства жидкости или газа;
a – коэффициент температуропроводности, м2/с.
Для газов величина критерия Прандтля изменяется незначительно, т.е. Pr
≈ const, поэтому при теплоотдаче от стенки к воздуху критериальное уравнение упрощается
N u c G r n . |
(2) |
6
Если результаты экспериментальных исследований представить в виде критериальной зависимости (2) и определить численные значения коэффициен-
тов с и n, то это критериальное уравнение может использоваться в дальнейшем для расчетного определения коэффициента теплоотдачи α в других подобных случаях.
Цель работы: ознакомление с методикой экспериментального исследо-
вания теплоотдачи при свободной конвекции и обработки опытных данных с помощью теории подобия.
2. Приборы и оборудование
Для проведения экспериментального исследования необходимы соответ-
ствующие приборы и оборудование. Схема лабораторной установки представ-
лена на рис. 1. Основными элементами установки являются две горизонтальные медные трубы 1 и 2 с наружными диаметрами соответственно 28 и 45 мм. Дли-
на активного участка труб равна 1 м. Внутри труб расположены спиральные проволочные электронагреватели 3. Мощность электронагреватей контролиру-
ется с помощью амперметра 4 и вольтметра 5. Температуры поверхности труб регулируют путем изменения напряжения на электронагревателях с помощью блока управления 6. Измеряются температуры с помощью термопар 7, подклю-
ченных к переключателю 8. Переключатель соединен с измерителем темпера-
туры 9, который показывает температуру поверхности трубы.
3. Порядок проведения работы
Лабораторную установку включают в электрическую сеть. С помощью блока управления устанавливают начальную величину силы тока, проходящего через электронагреватели (примерно 0,4 – 0,6 А) и разогревают установку.
7
8
Рис. 1. Схема лабораторной установки
Коэффициент теплоотдачи α и основные физические параметры суще-
ственно зависят от температуры, поэтому измерения во время проведения опы-
тов должны производиться лишь в условиях стационарного теплового режима,
т.е. установившегося во времени теплового состояния.
При проведении опыта через небольшие промежутки времени (3-5 мин)
периодически контролируют показания измерителя до установления стацио-
нарного теплового режима, признаком которого является неизменная во време-
ни температура поверхности труб и, следовательно, неизменные показания из-
мерителя.
В условиях установившегося стационарного режима фиксируют показа-
ния измерителя, а также записывают показания всех измерительных приборов.
После этого изменяют режим, увеличив силу тока на 0,2 – 0,3 А, и проводят второй опыт, затем еще раз изменив силу тока на 0,2 – 0,3 А, аналогично про-
водят третий опыт.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
Журнал наблюдений |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показания |
Труба d=28 мм |
|
Труба d=45 мм |
|
||||||
приборов |
|
1 опыт |
2 опыт |
3 опыт |
|
1 опыт |
2 опыт |
3 опыт |
|
|
Сила тока I, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Напряжение U, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
tп, °С |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
tп ср, °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tc, °C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Δtср, °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В соответствии с показаниями измерителя определяют температуру по-
верхности труб tп в трех точках по длине труб, после чего находят среднее зна-
чение tп ср. Результаты всех измерений заносят в журнал наблюдений (табл. 1).
Для уменьшения доли теплоотдачи излучением при проведении опытов реко-
мендуется температура поверхности труб, не превышающая 100 °С.
9
4. Указания по технике безопасности
При проведении лабораторной работы необходимо соблюдать следующие
правила:
1)приступать к выполнению лабораторной работы разрешается только после прохождения инструктажа по технике безопасности;
2)выполнять лабораторную работу можно только в присутствии лаборан-
та;
3) запрещается самостоятельно включать и выключать установку.
5. Обработка результатов
Обработка результатов начинается с первичного анализа полученных опытных данных для определения коэффициента теплоотдачи α. В общем слу-
чае тепло от поверхности труб в окружающую среду может передаваться кон-
векцией и излучением (лучеиспусканием), поэтому суммарный тепловой поток складывается из конвективного (Qк) и лучистого (Qл) потоков: Q∑ = Qк + Qл.
Величина суммарного теплового потока находится из условия, что все тепло, выделяемое на электронагревателях, полностью передается окружающей среде, тогда Q∑ = I ∙ U, Вт.
Тепловой поток, передаваемый поверхностью трубы излучением, вычис-
ляется по формуле: Qл = qл ∙ F, Вт. Здесь qл – плотность лучистого теплового потока, может быть определена по закону Стефана-Больцмана
|
|
|
|
T |
|
|
4 |
|
T |
|
|
4 |
|
|
|
|
П |
|
C |
|
, Вт/м2, |
||||||
q л |
C 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
1 0 0 |
|
|
|
1 0 0 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где С0=5,7 Вт/(м2 ∙ К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε=0,04-0,06 – степень черноты наружной поверхности труб (окисленная медь).
Поверхность теплообмена каждой трубы определяется по выражению
F d la , где la – активная длина трубы, равная 1 м.
10