Выполнение работы

Для достижения стационарного теп­лового состояния установку включают за 1–2 ч до проведения опытов.

Перед проведением измерений студент с помощью преподавателя знакомится с экспериментальным стендом и электроизмерительными приборами.

Опыт проводят при установившемся стационарном тепловом режиме. В процессе опыта выполняют 5 групп из­мерений через каждые 5 мин. Каждая группа измерений состоит из измерений силы тока, падения напряжения в цепи нагревателя трубы, термоЭДС шести термопар на наружной поверхности трубы и температуры воздуха в помещении лаборатории.

Стационарность теплового режима подтверждается постоянством измеренной температуры во времени с учетом погрешностей милливольтметра, термометра, амперметра и вольтметра.

Результаты измерений заносят в протокол наблюдений (табл. 7).

Таблица 7

Протокол наблюдений

№ опыта	I, A	U, В	ТермоЭДС термопар, мВ							tж, С
			Т1	Т2	Т3	Т4	Т5	Т6	Тср
1
2
…
5
Средние значения

После подписания протокола преподавателем студент приступает к обработке результатов измерений.

Обработка результатов опыта

Студент последовательно проводит:

1) усреднение измеренных в опыте значений силы тока, падения напряжения, термоЭДС термопар и температуры среды (воздуха) в протоколе наблюдений;

2) определение значения суммарного теплового потока Q – мощности нагревателя трубы, используя средние значения силы тока I и падения напряже­ния U: Q = IU.

3) определение усредненного значения температуры наружной поверхности трубы. По данным таблицы градуировки термопар, приведенной на стенде, строит график зависимости термоЭДС от температуры в масштабе для интервала термоЭДС, измеренных в данном опыте. По графику определяет значение температуры трубы, используя среднее значе­ние термоЭДС термопар из протокола наблюдений;

4) вычисление по формулам (27) и (28) лучистого и конвективного тепловых потоков и коэффициента теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху по формуле (26). Размеры трубы и степень черноты ее поверхности приведены в таблице на стенде. Труба может быть расположена как вертикально, так и горизонтально;

5) определение расчетного значения коэффициента теплоотдачи от нагретой поверхности горизонтальной (вертикальной) трубы к воздуху при свободной конвекции в неограниченном пространстве. С этой целью вначале определяет критерий Рэлея Ra_ж, согласно [1, 5]:

Ra_ж = Gr_ж Рr_ж = = = , (29)

где Gr_ж – критерий Грасгофа; Рr_ж – критерий Прандтля; g – ускорение свободного падения, м/с²; l – характеристический размер: диаметр d горизонтальной или высота h вертикальной трубы, м; – коэффициент объемного расширения воздуха (для газов , здесь – температура воздуха, К), 1/К; t = t_ст – t_ж – перепад температур между поверхностью трубы и средой, °С; _ж, а_ж – коэффициенты кинематической вязкости и температуропроводности воздуха, м²/с. Индекс «ж» относится к окружающей трубу среде (воздуху).

Для ламинарного режима свободной конвекции около нагретой поверхности вертикальной трубы при условиях 10³  Ra_ж  10⁹ и Рr_ж = 0,73000 критериальное уравнение имеет вид [1, 5]

Nu_ж = 0,76 (Рr_ж / Рr_cт)^0,25, (30)

где Nu = α_расч l / _ж  критерий Нуссельта, здесь _ж – коэффициент теплопроводности воздуха при температуре t_ж, Вт/(м · К); α_расч  коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² · К); Рr_ж, Рr_ст – критерий Прандтля для воздуха при температуре t_ж и температуре стенки t_ст.

Для ламинарного режима свободного движения среды около нагретой горизонтальной трубы при 10³  Ra_ж  10⁸ критериальное уравнение несколько иное [1, 5]:

Nu_ж = 0,50 (Рr_ж / Рr_cт)^0,25. (31)

Если имеет место турбулентный режим свободного движения воздуха около вертикальной или горизонтальной трубы, т. е. если Ra_ж  6  10⁹, критериальное уравнение записывается одинаково:

Nu_ж = 0,15 (Рr_ж / Рr_cт)^0,25. (32)

Для воздуха отношение Рr_ж / Рr_cт можно считать равным единице (Рr_ж / Рr_cт 1).

Теплофизические свойства сухого воздуха, необходимые для расчета, приведены в приложении и сборнике задач [4].

Найденное из уравнений (30)–(32) значение критерия Нуссельта позволяет вычислить расчетное значение коэффициента конвективной теплоотдачи от нагретой поверхности трубы к воздуху:

α_расч = . (33)

Напоминаем еще раз, что характеристический размер l для горизонтальной трубы равен диаметру трубы d, а для вертикальной – высоте трубы h;

6) сопоставление опытного значения коэффициента конвективной теплоотдачи α_экс с расчетным значением α_расч по формуле

, %. (34)