ТМО ЛР 17 / ТМО ЛР 10 титул, описание, схема

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИЧЕРСИТЕТ «МЭИ»

__________________________________________________________________

Кафедра: Теоретических основ теплотехники им. Вукаловича

Лаборатория Тепломассообмена

Лабораторная работа № 10

по курсу: «Тепломассообмен»

«ТЕПЛООТДАЧА ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ КАПЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ»

Студент:	Лукьянов Д. В.
Группа:	ТФ-04-18
Бригада:	№ 4
Преподаватель:
К работе допущен:
Работа выполнена:
Отчёт принят:

2020г.

Цель работы

Задачей работы является углубление и закрепление знаний по теории конвективного теплообмена при свободном движении жидкости, ознакомление с методикой опытного исследования процесса и получения навыков в проведении эксперимента.

В результате выполнения работы должны быть усвоены ключевые понятия: свободное движение жидкости, плотность теплового потока и коэффициент теплоотдачи как мера интенсивности конвективного теплообмена; получена зависимости теплоотдачи от различных факторов.

Общие сведения о процессе

Свободным называют движение жидкости (газ, капельная жидкость), возникающее под воздействием массовых (объемных) сил. Примером такого движения служит движение жидкости в гравитационном поле вследствие наличия разности её плотностей в различных точках пространства. Если эта разность плотностей обусловлена разностью температур поверхности тела и жидкости в рассматриваемом объеме, то возникающий при этом конвективный теплообмен между телом и жидкостью называют теплоотдачей при свободной конвекции.

Характерной особенностью рассматриваемого явления является взаимосвязью процессов движения и теплообмена. Увеличение градиента температуры ведет к увеличению градиента плотности жидкости, что в свою очередь определяет ее гравитационное движение. Скорость гравитационного движения непосредственно влияет на интенсивность конвективного теплообмена, характеризуемого коэффициентом теплоотдачи α, Вт/м²∙K

(1)

Основные факторы, определяющие интенсивность теплоотдачи: температурный напор, физические свойства жидкости, форма, размер и положение теплоотдающей поверхности в пространстве.

Анализ процесса теплоотдачи при свободной конвекции методом подобия показывает, что определяющими критериями подобия являются числа Грасгофа (Gr) Прандтля (Pr), а расчетное уравнение для определения средних коэффициентов теплоотдачи горизонтальной трубы, полученное на основе теоретических и экспериментальных исследований имеет вид:

(2)

где Nu_ж,d = αd/λ_ж, Gr_ж,d = gβ_жΔtd³/v_ж², Pr_ж = v_ж/a_ж, а ε_t = (Pr_ж/Pr_с)^0.25 – поправка, учитывающая переменность физических свойств жидкости; индекс «ж» указывает на выбор физических свойств жидкости при температуре t_ж.

Постоянные c и n зависят от характера движения жидкости в пограничном слое. Около горизонтальных труб в широком интервале изменения Δt и d сохраняется ламинарное движение жидкости. При этом для расчета средних по периметру коэффициентов теплоотдачи рекомендуется следующая формула

(3)

Описание экспериментальной установки

Рис. 1 Принципиальная схема установки: 1 – опытная труба; 2 – нагреватель; 3 – холодильник; 4 – термометр; 5 – общий холодный спай; 6 – преобразователь; 7 – цифровой вольтметр; 8 – регулятор напряжения; ТП – термопары.

В данной работе требуется опытным путем определить средний коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции капельной жидкости (воды) около горизонтальной трубы и его зависимости от температурного напора, сравнить результаты измерений с расчетным уравнением (3).

Объектом исследования является тонкостенная горизонтальная цилиндрическая труба, внутри которой помещен электрический спиральный нагреватель из нихромовой проволоки. Схема экспериментальной установки приведена выше. Нагреватель питается от сети переменного тока 220 В через лабораторный автотрансформатор, позволяющий регулировать электрическую мощность.

Температура поверхности опытной трубы измеряется при помощи четырех дифференциальных термопар, горячие спаи которых приварены по периметру среднего сечения с внутренней стороны. Электроды термопар протянуты внутри трубы и выведены к переключателю. Холодный спай (общий для всех термопар) термостатируется при температуре воды в емкости, в которую помещен измерительный участок. Постоянство температуры воды в емкости обеспечивается двумя холодильниками, подключенными к водопроводной сети. Таким образом, в описанной системе непосредственно регистрируется температурный напор, входящий в выражение (1).

Размеры теплоотдающей поверхности опытной трубы: длина l=230 мм, диаметр d=30 мм.

Измерения и приборы

Для определения коэффициента теплоотдачи на основе уравнения (1) необходимо измерить плотность теплового потока q_c и температурный напор Δt = t_c - t_ж. Плотность теплового потока определяется электрической мощностью нагревателя, которая измеряется посредством узкопрофильных вольтметров и амперметров типа Э390 (класс точности 0.5). В электроизмерительной схеме установки предусмотрены два амперметра, поочередно включаемые кнопкой на приборном щите. Последнее исключает работу в начале шкалы этих приборов, что повышает точность измерения силы тока в нагревателе. Термоэлетродвижущая сила, мВ, дифференциальных термопар регистрируется цифровым вольтметром Щ1213 (класс точности 0.15), работающим в паре с преобразователем П1213 (класс точности 0.5), коэффициент усиления которого 1000. Температурный напор устанавливается по градуировочной таблице, приведенной в приложении.

Температура воды в рабочем объеме измеряется ртутным термометром.

Порядок проведения опытов

Ознакомившись с описанием установки и методикой измерения, необходимо детально разобраться в схеме непосредственно на стенде. Далее, убедившись в наличии и правильности подключения всех приборов, включить установку, цифровой вольтметр и преобразователь; с помощью ручки управления лабораторным автотрансформатором установить необходимое значение электрической мощности нагревателя.

Переключатель термопар установить на любую из четырех точек и производить визуальные наблюдения за показателями цифрового вольтметра. Запись показаний цифрового вольтметра Щ1213 и других измерительных приборов производится при наступлении стационарного теплового режима, который определяется по постоянству, неизменности во времени ЭДС термопар при установленном значении электрической мощности нагревателя. Показания приборов фиксируется не менее двух-трех раз с интервалом в 1-2 минуты для каждого опыта. По окончании опыта устанавливается следующее значение электрической мощности нагревателя и проводится новый опыт. Всего необходимо провести не менее трех опытов.

Протокол

Таблица 0

№ опыта	№ серии	I	U	tх.сп (t в комнате)	ЭДС термопар					tводы
					ΔE1	ΔE2	ΔE3	ΔE4
		А	В	oC	мВ	мВ	мВ	мВ	oC
1	1	1.15	60	24	0.43	0.63	0.38	0.39	27.5
	2	1.15	60		043	0.63	0.38	0.39	27.5
2	1	1.55	85		0.72	0.97	0.63	0.67	29.0
	2	1.55	85		0.72	0.97	0.63	0.67	29.0
3	1	1.98	114		1.11	1.42	1.01	1.06	32.0
	2	1.98	114		1.11	1.42	1.01	1.06	32.0

ТФ-04-18 Лукьянов Д. В.

Вывод

Приложение

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3