Выполнение работ

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 стационарном тепловом режиме. В процессе опыта проводят 5 групп из­мерений через каждые 5 мин. Каждая группа измерений состоит из измерений силы тока, падения напряжения в цепи рабочего нагревателя плиты, термоЭДС пяти термопар на наружной поверхности плиты и температуры воздуха в помещении лаборатории. Показания измерительных приборов заносят в протокол наблюдений (табл. 8).

Таблица 8

Протокол наблюдений

№ опыта	Рабочая часть плиты						Охранная часть плиты			tвозд, С
	I, A	U, В	ТермоЭДС термопар, мВ				ТермоЭДС термопар, мВ
			Т1	Т2	Т3	Тср	Т5	Т6	Тср
1
2
…
5
Средние значения

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

После подписания протокола преподавателем студент приступает к обработке результатов измерений.

Обработка результатов измерений

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 общего теплового потока Q, т. е. мощности рабочего нагревателя плиты, используя средние значения силы тока I и падения напряже­ния U: Q = IU;

3) определение усредненных значений температуры рабочей и охранной поверхностей плиты. 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 значения температуры рабочей и охранной частей плиты, используя среднее значе­ние термоЭДС термопар из протокола наблюдений;

4) вычисление по формулам (36) и (37) значений Q_кон и Q_луч, а затем коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции от нагретой вертикальной плиты к воздуху по формуле (35). Размеры плиты и степень черноты ее поверхности приведены в таблице на стенде. При расчете поверхности рабочей зоны используются только размеры центральной части поверхности плиты;

5) определение расчетного значения коэффициента конвективной теплоотдачи от поверхности нагретой вертикальной плиты к воздуху при свободной конвекции в неограниченной пространстве.

Для этого, согласно [1, 5], сначала надо определить критерий Рэлея:

Rа_ж = Gr_ж Рr_ж = = (38)

где Gr_ж – критерий Грасгофа; Рr_ж – критерий Прандтля; g – ускорение свободного падения, м/с²; l – характеристический размер, в данном случае полная высота вертикальной плиты (с учетом охранной части), м; – коэффициент объемного расширения воздуха (для газов , здесь – температура, К), 1/К; – перепад температур между поверхностью плиты и воздухом, °С; – коэффициенты кинематической вязкости и температуропроводности воздуха, м²/с. Индекс «ж» относится к окружающему плиту воздуху.

Для ламинарного режима движения среды около поверхности вертикальной пластины при и Pr = 0,73000 критериальное уравнение имеет вид

Nu_ж = 0,75 (Рr_ж / Рr_cт)^0,25 , (39)

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

Если имеет место турбулентный режим движения среды, т. е. Ra  6  10¹⁰, критериальное уравнение записывается в следующем виде:

Nu_ж = 0,15 (Рr_ж / Рr_cт)^0,25. (40)

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

Теплофизические свойства сухого воздуха, необходимые для расчета, приведены в приложении.

Найденное из уравнений (39)–(40) значение критерия Нуссельта позволяет вычислить расчетное значение коэффициента конвективной теплоотдачи от нагретой плиты к воздуху:

α_расч = ; (41)

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

, %. (42)