Отчет о лабораторной работе

В отчете о лабораторной работе должны быть представлены:

1. Схема экспериментальной установки.

2. Характеристики измерительных приборов.

3. Данные градуировки термопар.

4. Протокол наблюдений, подписанный преподавателем.

5. Расчеты по обработке опытных данных и сопоставлению α_экс и α_расч.

Лабораторная работа № 6 определение коэффициента теплоотдачи от вертикальной плоской нагретой пластины при свободной конвекции воздуха Задание

Изучив соответствующие разделы рекомендуемой учебной литературы [1, 5], студент должен:

1) уяснить теоретические положения и методику экспериментального определения коэффициента теплоотдачи α при свободном движении воз­духа около вертикальной нагретой поверхности пластины;

2) провести опыт по определению коэффициента теплоотдачи от нагретой поверхности пластины к воздуху;

3) Сопоставить и сравнить полученное экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи α_экс с расчетным значением α_расч, полученным из критериальных уравнений.

Теоретические предпосылки экспериментального метода

Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи при конвектив­ном теплообмене жидкости или газа с поверхностью твердого тела при стационарном тепловом режиме осно­вывается, как известно, на законе Ньютона–Рихмана [1, 5]:

, (35)

где Q_кон  конвективный тепловой поток, Вт; α  коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²   К); t_ст  температура нагретой поверхности, °С; t_ж  температура окружающей поверхность пластины жидкой или газообразной среды, °С; F  площадь теплоотдающей поверхности, м².

При стационарном режиме тепловой поток, идущий от нагретой поверхности пластины, и температурное поле поверхности постоянны во времени. Тепловой поток передается в окружающую поверхность пластины среду (воздух) сразу двумя процессами – конвек­цией и лучистым теплообменом (так называемый сложный теплообмен). Поэтому, чтобы определить конвективную часть теплового потока Q_кон, необходимо из общего теплового потока, отдаваемого поверхностью пластины, вычесть его часть, передаваемую тепловым излучением, т. е.

, (36)

где  общий (суммарный) тепловой поток от поверхности пластины, Вт;  доля общего теплового потока, передаваемая тепловым излучением, Вт.

Тепловой поток, передаваемый излучением, можно определить из уравнения [1, 5]

, (37)

где ε  степень черноты поверхности пластины; С₀ = 5,70 Вт/(м²  К⁴)  коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; Т_ст, Т_ж – температура поверхности пластины и окружающего пластину воздуха, К; F  площадь поверхности пластины, м².

Устройство экспериментального стенда

Схема установки показана на рис. 10. В качестве поверхности нагрева использована вертикальная плита, состоящая из двух алюминиевых пластин, скрепленных между собой винтами. В зазоре между пластинами равномерно расположены электрона­греватели. Поверхность плиты состоит из двух зон: рабочей зоны 1, расположенной в центре пластины, и охранной зоны 2, расположенной по периметру рабочей зоны. В центральной части пластины находится рабочий нагреватель 3. Для предотвращения потерь теплоты от рабочей зоны по ее периметру установлены охранные нагреватели 4.

Температура рабочей части плиты измеряется тремя медьконстантановыми термопарами Т₁, Т₂, Т₃, а температура охранной части плиты – термопарами Т₄ и Т₅. При равенстве всех значений температуры Т₁, Т₂, Т₃, Т₄ и Т₅ теплопотери от рабочей зоны плиты отсутствуют. В этом случае предполагается, что весь тепловой поток от поверхности рабочей зоны направлен перпендикулярно к поверхности плиты и передается окружающему пластину воздуху.

Рис. 10. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – рабочая часть нагретой плиты; 2 – охранная часть плиты; 3 – рабочий нагреватель; 4 – охранные нагреватели; 5 – переключатель термопар; 6 – милливольтметр; 7 – сосуд Дьюара; Т₁–Т₅ – спаи термопар

Мощность нагревателей плиты регулируют реостатом типа ЛАТР и определяют с помощью амперметров и вольтметров, включенных в электрическую цепь нагревателей.

ТермоЭДС измеряют милливольтметром 6 при помощи переключателя термопар 5. Холодные спаи термопар нахо­дятся в сосуде Дьюара 7 с тающим льдом. Температуру окружающего плиту воздуха измеряют термомет­ром, расположенным на таком удалении от плиты, чтобы исключалось влияние нагревателя.