Практические задания к работе
I. Исследование конвективного теплообмена на свободных поверхностях и в замкнутом объеме
1. Исследование процесса свободной конвекции
а) Исследование свободной конвекции около вертикальной пластины
Процесс теплообмена изучается при использовании двух одинаковых пластин равной толщины, изготовленных из одного материала, находящихся в свободном потоке воздуха. Между пластинами располагается плоский электрический нагреватель. Предусмотрено наличие регулятора напряжения. Симметричность системы обусловливает теплоотдачу с внешних поверхностей каждой из пластин. Температуру поверхностей измеряют хромель-алюмелевыми термопарами в 3-5 точках. Их горячие спаи привариваются к поверхностям пластин, холодный спай термостатируется при комнатной температуре. При этом термопарами измеряется избыточная температура поверхности пластин, т.е. непосредственно температурный напор. Потребляемая мощность определяется по электрическому току и сопротивлению нагревательного элемента.
С помощью регулятора напряжения устанавливается определенная величина силы тока. По достижении установившегося теплового режима определяются сила тока, термоэдс термопар или значения температуры в различных точках поверхности, температура окружающего воздуха. Местное значение плотности теплового потока практически не изменяется по высоте пластины и вычисляется по измеренным значениям тока и сопротивления. Плотность теплового потока, участвующего в конвективном теплообмене, определяют как разность полной плотности потока и радиационной составляющей плотности потока.
Полную плотность потока находят из соотношения
.
Плотность теплового потока, обусловленную тепловым излучением поверхности, рассчитывают по уравнению
,
где спр –приведенная излучательная способность стенки, Тст – средняя абсолютная температура поверхности стенки, Тс – абсолютная температура окружающих тел.
Локальный коэффициент теплообмена определяется из соотношения
,
где qo –полная плотность теплового потока; qp – радиационная составляющая плотности теплового потока; qx – конвективная составляющая плотности потока; T –температурный напор.
1). Используя уравнения (3) и (4), рассчитать локальные значения коэффициента теплообмена. Сравнить эти значения с экспериментальными значениями х.
2). Зная критическое значение величины (GrPr)кр, рассчитать величину расстояния lкр, соответствующее переходу ламинарного течения в турбулентное. Рассчитать величину коэффициента теплообмена для области турбулентного течения, используя уравнение (7). Сравнить рассчитанное значение с экспериментально полученной величиной.
3). По полученным значениям локальных коэффициентов теплообмена построить графики зависимости x = f(x) и Tсx = F(x). Объяснить эти зависимости.
Построить график зависимости Nux = (GrPr), аппроксимировать полученную кривую степенной функцией (Nuх=c(GrPr)n). Определить коэффициенты с и п и сравнить полученное критериальное соотношение с известными уравнениями для ламинарного и турбулентного режимов, соответствующих условиям эксперимента.
б) Исследование свободной конвекции в условиях замкнутого объема
1). Нагреть одну из стенок дома, дождаться установления стационарного режима теплообмена.
Рассчитать величину Grx. Установить вид теплообмена стенки с воздухом в объеме. Рассчитать величину (GrPr), определить коэффициент конвекции к. Рассчитать значение эквивалентного коэффициента теплопроводности, используя данные таблицы Приложения. Измерив температуру противоположной стенки, рассчитать величину плотности теплового потока, передаваемого от нагретой стенки к холодной через слой воздуха. Объяснить уменьшение интенсивности теплообмена при больших значениях (GrPr).
2). Измерить температуру внутренней поверхности стенки на разной высоте от пола и температуру воздуха внутри объема. Рассчитать температурный напор и локальные значения коэффициента теплообмена. Сравнить интенсивность теплообмена на свободной поверхности и в замкнутом объеме при аналогичных краевых условиях.
3). Рассчитать значения величины (GrPr). Определить области ламинарного, турбулентного течения и область торможения. Рассчитать высоту зоны торможения по уравнению (9) и сравнить полученное значение с экспериментальным. Рассчитать среднее значение коэффициента теплообмена по уравнению (10) и сравнить его с полученным в эксперименте.
в) Исследование свободной конвекции около горизонтальной пластины
В работе изучается теплообмен пластины с воздухом при свободной конвекции. На поверхности пластины реализуется условие q=const. Исследуемая пластина нагревается электрическим нагревателем. Температура поверхности измеряется термопарами в 3-5 точках по длине пластины.
Измерить температуру пластины и воздуха с помощью термопар. Используя соответствующий коэффициент, найденный в таблице 2, рассчитать величину коэффициента теплообмена, используя уравнение (8).
г) Исследование свободной конвекции около горизонтальной пластины в замкнутом объеме
Осуществить нагрев пола в модели. Рассчитать величину (GrPr). Определить наличие или отсутствие замкнутых конвективных потоков внутри объема. В стационарном режиме теплообмена измерить температуру поверхности пола и воздуха в объеме. Измерив величину плотности теплового потока, отдаваемого полом окружающему воздуху, рассчитать среднее значение коэффициента теплообмена. Сравнить полученный результат с аналогичным для свободной поверхности.
Исследование теплообмена при вынужденной конвекции
а) Исследование вынужденной конвекции при продольном обтекании свободной поверхности
В работе изучается местная теплоотдача при вынужденном продольном обтекании пластины потоком воздуха. На поверхности пластины реализуется условие q=const. Нагревание пластины осуществляется электрическим нагревателем. Температура поверхности измеряется термопарами в 3-5 точках по длине пластины. Пластину помещают в канал, через который вентилятором прокачивают воздух.
В электрической цепи пластины устанавливается определенная сила тока (2-5 А). По достижении установившегося теплового режима с помощью трубки Пито или термоанемометра определяют скорость потока. Измеряют значения температуры на поверхности пластины и температуру воздуха в комнате. Локальный коэффициент теплообмена рассчитывают по формуле
.
Плотность теплового потока постоянна вдоль поверхности пластины. Ее можно определить, зная силу электрического тока, сопротивление и размеры пластины.
Изменяя скорость движения воздушного потока, рассчитать значение критерия Рейнольдса. Зная значение Reкр, определить области ламинарного и турбулентного течения среды. Используя соотношение (12), рассчитать величину коэффициента конвективного теплообмена для ламинарной области течения. Установив величину хкр, рассчитать значение для турбулентной области течения по уравнению (13).
б) Исследование вынужденной конвекции в условиях замкнутого объема
Нагреть пол в модели дома, установив такую же мощность на нагревательном элементе, что и в случае свободной поверхности. Включив вентилятор, осуществить режим вынужденной конвекции. Рассчитать значение коэффициента конвективного теплообмена и сравнить его с аналогичным для свободной поверхности.
II. Исследование способов интенсификации процессов теплообмена и создания комфортных тепловых условий в помещении
1. Включить нагревательный элемент, предварительно рассчитав тепловую мощность, необходимую для нагревания заданного объема воздуха до температуры, превышающей комнатную на 10-20С. С помощью контрольного датчика убедиться в установлении стационарного режима теплообмена.
С помощью 8 термопар, расположенных на разных расстояниях от стенок и на разной высоте от пола, измерить температуры внутри объема (распределение температуры по высоте и в плане помещения). Построить графики зависимости температуры от указанных геометрических параметров.
После проведения измерений возвратить систему в первоначальное состояние.
2. Включить два нагревательных элемента, расположенных у противоположных стенок. При достижении стационарного режима определить распределение температур в объеме и сравнить его с предыдущим.
3. Включить вентилятор. Сравнить распределение температуры и время достижения стационарного режима с предыдущим.
4. Включить нагревательный элемент с ребристой поверхностью. Сравнить интенсивность теплообмена (по времени достижения стационарного режима) и распределение температуры в данном случае с экспериментом 1.
5. Включить два нагревательных элемента с ребристой поверхностью. Сравнить интенсивность теплообмена и распределение температуры с экспериментом 2.
6. Используя нагреваемый пол, сравнить температурное поле с распределением температур в случае 2.
Сделать вывод об эффективности обогрева замкнутого объема при использовании различных нагревательных элементов.