6.3. Аппаратура и материалы
Экспериментальная установка размещена в достаточно большой комнате, размеры которой значительно больше габаритов опытной трубы. Поэтому можно считать, что процесс теплообмена протекает в неограниченном пространстве.
Объектом исследования является горизонтальная труба (4) длиной l=1500 мм и диаметром d = 32 мм. Труба выполнена из нержавеющей стали. Внутри трубы имеется электрический нагреватель (2), обеспечивающий равномерный нагрев по ее длине. С торцов труба закрыта теплоизоляционной пробкой для уменьшения тепловых потерь в осевом направлении. Схема экспериментальной установки изображена на рис. 6.1.
Количество выделяемого и передаваемого в окружающую среду тепла определяется по расходу электроэнергии. Потребляемая электронагревателем мощность может регулироваться автотрансформатором (7). Определение мощности производится с помощью амперметра (6) и вольтметра (5). Температура теплоотдающей поверхности (стенки трубы) определяется с помощью потенциометра (4) и четырех хромель-алюмелевых термопар (1), зачеканенных по всей длине. В целях достаточно полного усреднения (с учетом характера изменения теплоотдачи по периметру трубы) термопары укреплены на трубе по винтовой линии.
6.4. Указания по технике безопасности
Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».
Рисунок 6.1 – Схема лабораторной установки
. Методика и порядок проведения работы
Среднее значение коэффициента теплоотдачи определяется из уравнения:
|
|
(6.5) |
,где L – длина трубы, м;
d – диаметр трубы, м;
ΔT = Tст – Tж –температурный напор, К;
,
К;
,
К.
Qк – мощность теплового потока, передаваемого опытной трубой в окружающую среду путем конвекции, Вт.
Мощность конвективного теплового потока определяется из уравнения
|
|
(6.6) |
,где Qп – полное количество тепла, которое выделяется электронагревателем и передается путем конвекции и лучеиспускания (оно численно равно мощности электронагревателя Qп = W = U I) , Вт,
Qл – количество тепла, передаваемого трубой в окружающую среду посредством лучеиспускания, Вт.
|
|
(6.7) |
,где ε – степень черноты поверхности трубы, принимаемая для установки, равной 0,7; C0 = 5.67 Вт/(м2К) – коэффициент излучения абсолютного черного тела; f – поверхность трубы, м2.
После установления стационарного теплового режима необходимо записать показания приборов (напряжение, сила тока и температуры поверхности трубы) в форме таблицы 6.2.
Таблица 6.2 – Экспериментальные значения рабочих параметров по результатам наблюдений
|
№ режима |
U, B |
I, A |
Q, Вт |
t1, ºC |
t2, ºC |
t3, ºC |
t4, ºC |
t5, ºC |
t6, ºC |
tов, ºC |
Tст, ºC |
Tж, ºC |
ΔТ, ºC |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В связи с тем, что в данной лабораторной работе тепловые процессы обладают существенной инерционностью, рекомендуется провести только три опыта. Данные остальных тепловых режимов установки выдаются преподавателем каждому студенту по индивидуальному варианту.
Обработку экспериментальных данных по всем режимам представить в виде таблицы 6.3 и проверить на компьютере с помощью специальной программы, разработанной в редакторе электронных таблиц Excel.
Таблица 6.3 – Результаты обработки экспериментальных данных
|
№ режима |
Qлуч, Вт |
Qк, Вт |
, Вт/(м2К) |
Gr |
Pr |
Gr·Pr |
C |
n |
режим движения |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На
основании проверенных расчетных данных
построить график функциональной
зависимости
,
где
– среднее значение коэффициента
теплоотдачи от исследуемой горизонтальной
трубы к окружающему воздуху, Вт/(м2К).
Затем
представить зависимость
в виде критериального уравнения 6.1,
которое описывает процесс конвективного
теплообмена для случая свободного
движения воздуха около исследуемой
трубы. С этой целью вычисляют значение
критериев Нуссельта (Nu),
Грасгофа (Gr)
и Прандтля (Pr).
Критерий Прандтля может быть непосредственно
принят по таблице 6.1. Вычисление указанных
величин выполняется для всех опытов и
сводится в таблицу 6.3. После этого
строится график зависимости в соответствии
с формулой (6.1). Логарифмируя зависимость
(6.1), получаем уравнение вида
|
|
(6.8) |
.Следовательно, в логарифмической системе координат эта зависимость имеет вид прямой линии.
Откладывая по оси абсцисс величину lg(Gr·Pr)m, а по оси ординат lgNum, получаем линейную зависимость в соответствии с уравнением (6.8).
Показатель степени n в уравнении (6.1) будет равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс. Постоянная C находится из соотношения для любой точки прямой.
|
|
(6.9) |
.Расчеты и построения рекомендуется выполнять с использованием редактора электронных таблиц Excel.
Если для построения зависимости 6.8 использовать электронные инструменты точечной диаграммы Excel, то коэффициенты lgC и n будут рассчитаны автоматически в процессе построения.
Полученные экспериментальные значения коэффициентов сравнивают с литературными данными.
Данная лабораторная работа считается выполненной, когда студент, присутствующий на занятии и выполнивший практическую часть работы, представляет преподавателю письменный отчет выполненной лабораторной работы в полном объеме.