teplotech

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Основным элементом установки (рис. 1) является стальная цилиндрическая труба 2 со встроенным электронагревателем 5, установленная горизонтально в средней части камеры 11 из органического стекла. Формы и размеры камеры обеспечивают практически равномерное поле скоростей в набегающем на трубу воздушном потоке.

tстi ~220 В

9

10

11

12

13

			tж,вых
	V
8	7	6	5	4	W	3	2

14 15 16

tж,вх

h 1

~220 В ~220 В

Рис. 1.

Для определения средней температуры поверхности трубы в нее вмонтированы шесть термопар 12. Значения измеряемых ими температур tстi

фиксируются на шкале автоматического потенциометра 13. Температуры tж,вх и tж,вых воздуха на входе в камеру и на выходе из нее измеряются термометрами 14 и 10.

Мощность, потребляемая нагревателем, регулируется автотрансформатором 4 и измеряется ваттметром 3.

Поток воздуха в камере создается центробежным вентилятором 9, приводимым в действие электродвигателем 8. Электродвигатель питается от сети

7

переменного тока через автотрансформатор 6. Меняя напряжение с помощью автотрансформатора, можно изменять частоту вращения вентилятора и, тем самым, регулировать подачу воздуха в камеру.

Для определения расхода воздуха применяется диафрагма 15, установленная в трубопроводе 16. Перепад давления h на диафрагме измеряется дифференциальным манометром 1.

5.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

5.1.Изучить правила техники безопасности при работе на данной лабораторной установке.

5.2.Включить в сеть автотрансформатор 4 и установить с его помощью необходимую мощность нагревателя (значение мощности задается преподавателем).

5.3.Через 20 минут после включения нагревателя 5 включить автотрансформатор 6 и установить с его помощью напряжение питания электродвигателя вентилятора, равное 50 В.

5.4.Включить в сеть потенциометр 13, для чего перевести тумблер "прибор" в положение "вкл."

5.5.При достижении установившегося теплового режима (этому соответствуют постоянные во времени температуры поверхности цилиндра и воздуха) произвести замеры величин, указанных в таблице 1. При этом для измерения температур необходимо тумблер "диаграмма" перевести в положение "вкл." Номер точки измерения температуры на поверхности трубы фиксируется в окошке печатающей каретки потенциометра.

5.6.После окончания измерений на первом режиме отключить тумблер "диаграмма" потенциометра и с помощью автотрансформатора 6 установить обороты вентилятора, соответствующие напряжению 100 В по вольтметру 7. После того, как процесс теплоотдачи выйдет на стационарный режим, выполнить, как это было указано в п. 5.5., замеры всех необходимых величин.

8

Аналогичным образом провести последующие два опыта при напряжениях 150 и 200 В. Для сохранения в каждом опыте условия стационарности теплового режима интервал между опытами должен быть не менее 10 мин. Мощность нагревателя в опытах остается неизменной. Все результаты измерений заносятся в табл. 1.

Таблица 1

Перепад

Температура

Температура поверхности трубы

Температура

опытов

давления

воздуха в ка-

и давление

на диа-

мере

воздуха в ла-

фрагме

боратории

h

tж,вх

tж,вых

tст

tст

2

tст

3

tст

4

tст

5

tст

6

tж

0

p

№

1

0

мм вод. ст.

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

мм рт.

ст.

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Обработку результатов рекомендуется проводить в следующей последовательности.

6.1. Плотность воздуха перед диафрагмой ρ, кг/м3, вычислить по уравнению состояния идеального газа, предполагая, что параметры воздуха перед диафрагмой такие же, как в лаборатории:

	ρ =	p0	,	(6.1)
		Rв Tж0
	где p0 – давление атмосферного воздуха, Па;			Tж0 = tж0 + 273 – абсолют-

ная температура воздуха в лаборатории, К; Rв = 286 Дж/(кг·К) – газовая постоянная воздуха.

6.2. Массовый расход воздуха m, кг/с, определить по перепаду давлений p на измерительной диафрагме:

m = k ρ p ,

(6.2)

9

где k – постоянный коэффициент (для диафрагмы, используемой в данной лабораторной установке, k=4,65·10–4); p – перепад давлений на диафрагме в Па, соответствующий измеренной разности уровней h (табл. 1) в дифференциальном манометре: р= 9,81·h, где h в мм вод. ст.; ρ – плотность воздуха перед диафрагмой, кг/м3.

6.3. Тепловой поток Q, Вт, отводимый от поверхности трубы, рассчитать по формуле

Q = mcpm tж, вых − tж, вх ,

(6.3)

где m – массовый расход воздуха через камеру, кг/с; cpm – средняя изобарная массовая теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); tж,вх и tж,вых – измеренные значения температуры воздуха на входе в камеру и на выходе из нее, °С.

Так как температура воздуха в камере не превышает 100 °С и				разность
температур	tж,вых − tж,вх	невелика,	то можно	принять

cpm= 1000 Дж/(кг·К)= const.

6.4.Среднюю температуру поверхности трубы tст , °С, найти как среднее арифметическое показаний всех шести термопар:

	tст	+ tст	+ ...+ tст	(6.4)
tст =	1		2	6	.
			6

6.5. Среднюю температуру воздуха в камере tж , °С, определить как среднее арифметическое значение температур tж,вх и tж,вых :

tж = 0,5 tж, вх + tж, вых .	(6.5)
6.6. Давление воздуха в камере pк , Па, вычислить, зная атмосферное
давление и перепад давлений на диафрагме:
pк = p0 − p.	(6.6)

6.7. Плотность воздуха в камере ρк, кг/м3 , рассчитать по уравнению состояния:

10

	ρк =	pк	,	(6.7)
		Rв Tж

Tж = tж + 273 – абсолютная средняя температура воздуха в камере, К. 6.8. Средний для трубы коэффициент теплоотдачи α , Вт/(м2·К), опреде-

лить из уравнения (3.8):
	α =	Q	,
		(tст − tж) FБ
где tст	и tж – средние температуры поверхности трубы и воздуха в каме-
ре, °С;	F – площадь боковой поверхности трубы, м2			(в данной лаборатор-
	Б

ной установке FБ = 0,047 м2).

6.9. Скорость w, м/с, набегающего на трубу воздуха найти из уравнения

расхода
w =		m	,	(6.8)
	ρк Fк
где m – массовый расход воздуха, кг/с;		Fк – площадь поперечного сечения
камеры, м2 (в данной лабораторной установке Fк = 0,041 м2).
6.10. По формулам (3.4) и (3.5) рассчитать значения чисел Nu и Re:

Nu = αλd ;

Re = wdν ,

где d – наружный диаметр обтекаемой трубы (в данной лабораторной установке d=0,051 м). Здесь и далее индексы в обозначении чисел подобия опущены.

Необходимые для расчета значения λ и ν выбирать из табл. 2 по средней температуре потока воздуха tж . При этом воздух считать сухим, а его давление принять равным 760 мм. рт. ст. Если вычисленная температура tЖ не совпадает со значениями температуры, приведенными в таблице, использовать метод линейной интерполяции.

11

6.11. Вычисляются логарифмы чисел Нуссельта и Рейнольдса: lnNu и lnRe.

Таблица 2

Физические параметры сухого воздуха при давлении 101325 Па (760 мм. рт. ст.)

	t, °C	λ,	Вт		ν, м2
			м К
					с
	0	0,0244			1,328·10–5
	10	0,0251			1,416·10–5
	20	0,0259			1,506·10–5
	30	0,0267			1,600·10–5
	40	0,0276			1,696·10–5
	50	0,0283			1,795·10–5

6.12. Результаты расчета по пунктам 6.1 – 6.11 занести в табл. 3

Таблица 3

Номера

ρ

m

Q

tст

tж

α

ρк

w

Nu

Re

lnNu

lnRe

кг

кг

Вт

кг

м

опытов

Вт

°С

°С

–

–

–

–

м3

с

м2 К

м3

с

6.7. Найти С и n графическим методом. Для этого нанести точки, соответствующие полученным значениям чисел подобия, на график lnNu – lnRe и через эти точки провести усредняющую прямую, как схематически показано на рис. 2.

Величину n найти из выражения для углового коэффициента прямой:

n =	ln Nu2	− ln Nu1	,	(15)
	ln Re2	− ln Re1

где lnNu1, lnNu2, lnRe1, lnRe2 взять для двух произвольно выбранных точек 1 и 2 на усредняющей прямой (рис.2).

12

lnNu	2

lnNu2

1

lnNu1

lnRe1		lnRe2		lnRe
	Рис. 2.

	Постоянную C найти из уравнения:
	C =	Nu	,	(16)
		Ren

которому удовлетворяет любая точка прямой.

6.14.Записать уравнение подобия (3.6) с полученными значениями C и n.

6.15.По данным табл. 3 построить график зависимости α = f (w) .

7.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Цель работы.

2.Схема установки (рис.1).

3.Опытные данные (табл. 1).

4.Ход обработки данных, табл. 3 и рис. 2.

5.Уравнение подобия (3.6) с полученными значениями C и n.

6.График зависимости α = f (w) .

8.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Какой процесс теплообмена называется конвективной теплоотдачей?

2.Что понимается под свободным и вынужденным движением жидкости?

3.В чем заключаются особенности теплоотдачи при ламинарном и турбулентном режимах течения?

4.Почему теплоотдача при турбулентном режиме движения протекает интенсивнее, чем при ламинарном?

13

5.Как записывают формулу Ньютона – Рихмана?

6.От каких основных факторов зависит величина коэффициента теплоотдачи?

7.Почему в экспериментальных исследованиях теплоотдачи обработку опытных данных производят с применением методов теории подобия?

8.Как записывают выражения для чисел подобия Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля? В чем заключается физический смысл этих чисел?

9.Какой общий вид имеет уравнение подобия для теплоотдачи при вынужденном движении жидкости? Почему в этом случае в уравнении отсутствует число подобия Грасгофа?

10.Влияет ли направление теплового потока на величину коэффициента теплоотдачи? Если да, то каков характер данного влияния и как это отражается в уравнениях подобия?

11.Какой общий вид имеет уравнение подобия теплоотдачи при вынужденном движении для газов?

12.Что такое определяющая температура? Какую температуру принимают за определяющую в различных случаях теплоотдачи, и какая из них принята в данной лабораторной работе?

13.Что такое определяющий линейный размер? Какие линейные размеры принимают за определяющие в различных случаях теплоотдачи? Какой размер принят за определяющий в данной лабораторной работе?

14.В чем заключается методика инженерного расчета коэффициента теплоотдачи с использованием теории подобия?

15.Каким образом в данной работе на основе эксперимента находят величину коэффициента теплоотдачи?

16.Как зависит коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении жидкости от скорости потока? В чем причина такой зависимости?

ЛИТЕРАТУРА

1.Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980.

2.Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1981.

3.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1973.

4.Термодинамика и теплопередача. Лабораторный курс / под ред. Злотина Г.Н., Приходько М.С. – Волгоград, 1971.

14

Составители: Злотин Григорий Наумович Ожогин Виктор Александрович Федянов Евгений Алексеевич Буров Александр Антонович

Исследование теплоотдачи при вынужденном поперечном обтекания трубы потоком воздуха

Методические указания к лабораторной работе №10

Темплан 2006 г., поз. №
Подписано в печать	Формат 60×84 1/16.

Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Уч.–изд.л. Тираж экз. Заказ № . Бесплатно.

Волгоградский государственный технический университет 400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28.

РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета.

400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

15

Министерство образования Российской Федерации Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Теплотехника и гидравлика»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ И КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Методические указания к лабораторной работе № 12

РПК «Политехник» Волгоград 2004