Исследование теплоотдачи цилиндра в свободном потоке воздуха

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу теплопередачи "Конвективный теплообмен", овладение методом экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении (конвекции) жидкости.

ЗАДАНИЕ

1. Экспериментальным путем определить коэффициент теплоотдачи от поверхности горизонтального цилиндра к воздуху в условиях его свободного движения при различных температурных напорах между поверхностью цилиндра и воздухом.

2. Построить графическую зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора.

3. Для условий одного-двух опытов вычислить значение коэффициента теплоотдачи, используя расчетное критериальное значение.

4. Вычислить погрешность найденного в опыте значения коэффициента теплоотдачи по отношению к расчетному.

5. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Конвективная теплоотдача – это теплообмен между поверхностью твердого тела и окружающей это тело жидкостью. Тепло в данном случае распространяется одновременно теплопроводностью и конвекцией жидкости. Тепловой поток при конвективной теплоотдаче (Вт) подсчитывается по формуле Ньютона-Рихмана

Q = Ft

где F - поверхность твердого тела участвующая в теплообмене, м²;

t = (t_с - t_o) -температурный напор между поверхностью твердого тела и окружающей тело жидкостью, °С;

 - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²С).

При практических расчетах вся сложность их проведения сводится к определению численной величины коэффициента теплоотдачи , поскольку эта величина зависит от большого числа факторов, определяющих процесс теплоотдачи. В общем случае коэффициент теплоотдачи является функцией физических параметров жидкости, характера течения и режима движения жидкости, формы, размеров, расположения тела и др.

При изучении различных физических явлений применяют два метода исследования, которые позволяют получить количественные закономерности для исследуемых явлений. В первом методе используют экспериментальное изучение конкретных свойств, единичного явления, во втором исходят из теоретического исследования рассматриваемой проблемы. Однако оба метода имеют недостатки. Недостатком экспериментального метода исследования является невозможность распространения результатов, полученных в данном опыте, на другие явления, отличающиеся от изученного. Недостатком теоретического исследования является невозможность перейти от класса явлений, характеризуемых дифференциальными уравнениями и условиями однозначности, к единичному конкретному явлению. Поэтому каждый из методов в отдельности не может быть эффективно использован для решения практических задач.

Для нахождения численной величины коэффициента теплоотдачи используют уравнения теории подобия (критериальные уравнения). Теория теплового подобия это теоретическая база для постановки опытов и обработки экспериментальных данных.

Для теплообмена при свободном движении жидкости в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид

(1)

Для газа уравнение (1) преобразуется к виду

Nu_m = C (Gr_mPr_m)ⁿ (2)

Численные значения критериев определяются по следующим формулам:

Nu_m =  l₀ / _m – критерий Нуссельта;

Gr_m =  gl₀³t / _m² – критерий Грасгофа;

Pr_m = _m / _m – критерий Прандтля.

В указанные критерии входят величины:

l₀ - определяющий размер, м (для горизонтальной трубки l₀ = d, для вертикальной l₀ = h );

_m - коэффициент теплопроводности жидкости Вт/(м°С );

_m - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м /с;

 = 1/(t_m+273) - коэффициент объемного расширения, 1/град;

t = t_c – t₀ - температурный напор между стенкой и жидкостью, °С.

В уравнениях (1) и (2) индекс "m" указывает на то, что за определяющую температуру (°С) принята среднеарифметическая температура

t_m = 0.5(t_c + t₀).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из трубки 1, внутри которой находится электронагреватель 2. Величина теплового потока, который отводится от наружной поверхности трубы, регулируется автотрансформатором 3 и определяется по показаниям вольтметра 4 и амперметра 5. Разность между температурами стенки трубы и окружающего воздуха измеряется с помощью дифференциальной термопары 6 и милливольтметра 7. По результатам измерений определяются конвективная составляющая теплового потока, и рассчитывается коэффициент теплоотдачи.

Рисунок. Схема экспериментальной установки

ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТА

1. Включить установку в сеть, повернув ручку на щите в положение "1".

2. Поворачивая ручку автотрансформатора, установить заданную преподавателем мощность нагревателя.

3. Наблюдая за показаниями вольтметра, дождаться установления стационарного теплового режима и записать показания приборов в таблицу наблюдений.

4. Опыты повторить при нескольких различных значениях мощности нагревателя.

Т а б л и ц а 1

№ опыта	U, B	I, А	E, мВ	T, К	Тс, K

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Вычислить полный поток тепла, передаваемый путем конвекции и излучения, Вт

Q = UI

где U-напряжение, В I-сила тока, А

2. Вычислить лучистую составляющую теплового потока, Вт

,

где  = 0.5 - степень черноты поверхности испытуемой трубы;

С_о=5.67- коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²К⁴);

F = dl - площадь поверхности трубы, излучающей тепло в окружающий воздух, м², d = 0.013;

l = 0.780 - диаметр и длина трубы, м;

Т_о - температура окружающего воздуха. К;

Т_c - температура стенки трубы. К;

T - температурный напор между поверхностью трубы и окружающим воздухом. К;

Е - термоЭДС дифференциальной хромель-капелевой термопары, мВ.

3. Вычислить конвективную составляющую теплового потока, Вт

Q_к = Q - Q_л

4. Вычислить экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи, Вт / ( м²К)

_э = Q_к / (Ft)

5. Аналогичным образом производится обработка данных для второго и последующих опытов.

6. По данным опытов строится графическая зависимость

_э = (t)

7. По условиям одного из опытов вычислить коэффициент теплоотдачи на основании решения расчетного критериального уравнения (2).

Последовательность расчетов следующая.

Найти численное значение определяющей температуры, °С

t_m = 0,5(t_c + t₀)

По найденному значению t_m из таблицы 2 выбрать значение констант жидкости _m, _m, _­m.

Вычислить значение критериев Грасгофа и Прандтля.

Определить режим движения жидкости при свободной конвекции по величине произведения (Gr_mPr_m) и по найденному его из таблицы 3 принять значения коэффициента С и показателя степени n.

Найдя численные значения Nu_m и учитывая, что критерий Нуссельта определяется по формуле

Nu_m = l₀ / _m

Определить расчетное значение коэффициента теплоотдачи , Вт/(м²°С)

Т а б л и ц а 2

tm, °С	 10^2, Вт/(мК)	а 10^6, м^2/с	  10^6, м^2/с
10	2.51	20.0	14.16
20	2.59	21.4	15.06
30	2.67	22.9	16.00
40	2.76	24.3	16.90
50	2.83	25.7	17.95
60	2.90	27.2	18.97
70	2.96	28.6	20.02
80	3.05	30.2	21.09
90	3.13	31.9	22.10
100	3.21	33.6	23.13

Т а б л и ц а 3

(Grm Prm )	С	n
110^-3 510^2	1.18	0.125
510^2  210^7	0.54	0.25
210^7  110^13	0.135	0.33

1. Определить погрешность найденного в эксперименте значения коэффициента теплоотдачи _э по отношению к расчетному значению  по формуле, %

.

2. Сделать вывод по работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

1. Установившийся и неустановившийся тепловые режимы.

2. Физическая сущность процесса конвективной передачи.

3. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи; факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи.

4. Свободное и вынужденное движение жидкости.

5. Сущность теории подобия, критерия теплового подобия, их физический смысл.

6. Понятия: определяющая температура, определяющий размер.

7. Критериальные уравнения в неявном виде для различных случаев конвективной передачи, их анализ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2. Баскаков А.П. и др. Теплотехника.- М.:Энергоиздат,1982.

3. Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.:1980.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия,1981.

РАБОТА № 10