Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Изм.
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Лист
3
140101.65.ТО 04 ЛР.00000 ОТ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ НА ОБОГРЕВАЕМОМ ЦИЛИНДРЕ
Цель работы: Определение коэффициента теплоотдачи трубы при свободной
конвекции воздуха при различных температурах поверхности
трубы. Используются два метода расчёта коэффициента:
прямой - по экспериментальным данным о тепловом потоке и
температурном напоре; косвенный - основан на решении
уравнения теплопроводности с помощью теории подобия.
Под конвекцией тепла понимают процесс передачи его из одной части пространства в другую перемещающейся жидкостью или газом. В зависимости от причины, вызывающей движение, конвекция может быть свободной (естественной) или вынужденной. Причиной возникновения свободной конвекции является неустойчивое распределение плотности жидкости (газа), обусловленное неравномерностью нагрева. При этом температурный напор определяет разность плотностей и величину подъёмной силы, а площадь поверхности - зону распределения процесса.
Из определения конвекции следует, что количество передаваемого конвекцией в единицу времени тепла прямо связано со скоростью движения среды. Тепло передаётся главным образом в результате происходящих потоков жидкости или газа (макрообъёмов), но отчасти тепло распространяется и в результате обмена энергией между частицами, т.е. теплопроводностью. Таким образом, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью (кондукцией), и, следовательно, теплопроводность является неотъемлемой частью конвекции. Совместный процесс конвекции тепла и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между поверхностью тела и потоком теплоносителя называется теплоотдачей конвекцией или теплоотдачей соприкосновением. Тепловой поток от теплоносителя к поверхности при неизменных температурах потока tж и поверхности tc можно определить, пользуясь формулой Ньютона, :
,
где - коэффициент конвективной теплоотдачи или конвективного теплообмена, кДж/(м2* ч*град). Он показывает, какое количество тепла передаётся в течении часа от потока теплоносителя 1 м2 стенки при разности их температур равной 1°С.
Коэффициент конвективной теплоотдачи определяется в большинстве случаев опытным путём. Он не является постоянной величиной, а зависит от многих факторов, присущих характеру движения жидкости или газа, форме и размерам тела, физическим свойствам и состоянию среды. Конвективный теплообмен тесно связан с аэродинамикой потоков теплоносителей, решающим образом влияющей на интенсивность теплоотдачи. На практике приходится иметь дело с весьма различными по значениям коэффициентами конвективной теплоотдачи - от 2 кДж/(м2*ч*град) (от свободно движущегося воздуха к плоскости) до 5000 кДж/(м2*ч*град) и более (от вынужденно движущейся воды в трубах к их поверхности).
Обобщение результатов различных экспериментов по теплообмену в свободном потоке тел различных форм и размеров, омываемых различными жидкостями или газами, позволило подобрать общую зависимость между критериями подобия. Эту зависимость для горизонтальных труб можно представить в форме:
, (1.1)
где:
Критерий Нуссельта: ; (1.2)
Критерий Грасгофа: ;
Критерий Прандтля: ,
в которых:
α - коэффициент теплоотдачи (характеризует условия теплообмена между жидкостью и поверхностью твёрдого тела), Вт/(м2*град);
λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*град);
d - характерный размер (диаметр трубы), м;
β - коэффициент объёмного расширения жидкости (газа), м;
- ускорение свободного падения, м/с2;
- кинематическая вязкость жидкости, м2/с;
μ - динамическая вязкость, Па*с; ρ - плотность, кг/м3;
c - удельная массовая теплоёмкость, Дж/(кг*с).
Применяя эти уравнения для инженерных расчётов средних значений коэффициентов теплоотдачи α, нужно иметь в виду следующее:
; (1.3)
; (1.4)
. (1.5)
Итак, для трубы, находящейся в воздухе уравнение (1.1) имеет вид:
;
, (1.6)
где ∆Т - разница температур между окружающей средой и поверхностью трубы, Т - средняя температура воздуха.
. (1.7)
С другой стороны, средний коэффициент теплоотдачи от поверхности трубы можно рассчитать по закону Ньютона-Рихмана, Вт/м2:
,
отсюда, Вт/(м2*град):
, (1.8)
где q - плотность теплового потока через наружную стенку трубы, Вт/м2.
Если считать, что теплоотдача осуществляется преимущественно путём конвекции (т.е. не учитывать излучение), то плотность теплового потока определяется по формуле, Вт/м2:
, (1.9)
где:
;
R0 - образцовое сопротивление, Ом;
Uo - перепад напряжения на образцовом сопротивлении, В;
Uн - перепад напряжения на нагревателе, В;
Q - теплота, выделяемая нагревателем, Вт;
F - площадь образующей цилиндрической поверхности трубы, м2.
Для расчёта средней температуры поверхности трубы tст используется формула, ºC:
. (1.10)
Лабораторная установка (рисунок 1) и рабочий участок (рисунок 2) состоит из отрезка медной тонкостенной трубы 1, внешний диаметр которой равен 28 мм. На поверхности трубы по её длине расположены 5 термопар t1 - t5 с интервалом 100 мм. Третья термопара t3 находится в центре трубы, термопары t1 и t5 находятся на расстоянии 10 мм от концов трубы. Указанные термопары монтируются изнутри трубы. Труба устанавливается так, что спаи термопар находятся в верхних точках цилиндрической поверхности трубы. Ещё одна термопара t6 находится снизу на середине трубы. На концах трубы находятся заглушки 2 из теплоизолирующего материала. Термопара t7 измеряет температуру воздуха вблизи трубы. Она подключена ко второму каналу измерителя температуры.
Рисунок 1. Схема установки
В центре трубы находится электрический нагреватель 3, подключенный через образцовое сопротивление Rо к источнику переменного напряжения 12 (ЛATP). Напряжение на нагревателе Uн и падения напряжения на образцовом сопротивлении Uо измеряются вольтметром 5. Нагреватель 3 размещается в медном цилиндрическом термостате 11.
На передней панели модуля расположены гнёзда для подключения вольтметра, а также тумблер 6 для переключения вольтметра на измерение напряжения на нагревателе Uн и падения напряжения на образцовом сопротивлении Uo. Все термопары подключены к измерителю 7 температуры 2ТРМ0 через переключатель 8. Включение установки производится тумблером 9, выключение нагревателя – тумблером 10. Установка необходимого напряжения на нагревателе и его регулирование производится ручкой 4 ЛАТРа.
Рисунок 2. Схема рабочего участка
Данные установки и расчётные величины:
Внешний диаметр трубы, мм 28
Длина трубы, мм 420
Величина образцового сопротивления, Ом 0,1
Температура окружающей среды, ºC 24
Таблица 1. Результаты измерений
|
Текущие значения параметров |
||||||||
|
Uн, В |
Uо, В |
t1, ºC |
t2, ºC |
t3, ºC |
t4, ºC |
t5, ºC |
t6, ºC |
|
|
26,14 |
0,271 |
77,1 |
77,5 |
77,9 |
77,8 |
79,4 |
76,8 |
|
|
52,2 |
0,547 |
75,6 |
75,9 |
75,4 |
76,1 |
77,6 |
75,2 |
|
|
80 |
0,839 |
76,4 |
76,7 |
76,2 |
77 |
79 |
76,5 |
|
|
Расчётные величины |
||||||||
|
tст, ºC |
Δt, ºC |
Q, Вт |
αэксп, Вт/(м2*ºC) |
αтеор, Вт/(м2*ºC) |
λ, Вт/(м*ºC) |
v, м2/с |
Pr |
Gr |
|
77,75 |
53,75 |
70,84 |
35,62 |
35,62 |
2,87*10-2 |
18,39*10-6 |
0,69 |
0,44*106 |
|
75,97 |
51,97 |
285,53 |
148,49 |
148,49 |
2,86*10-2 |
18,21*10-6 |
0,69 |
0,44*106 |
|
76,97 |
52,97 |
671,2 |
342,47 |
342,46 |
2,86*10-2 |
18,32*10-6 |
0,69 |
0,44*106 |
;
;
.
;
;
,
где t - температура окружающей среды.
,
т.к. ;
,
т.к. ;
,
т.к. .
;
;
.
;
;
;
;
;
.
;
;
.
;
;
.
;
;
.
;
;
;
;
;
.
;
;
.
Вывод: Определили коэффициенты теплоотдачи трубы при свободной конвекции воздуха при различных температурах поверхности трубы. Разницы коэффициентов теплоотдачи для первого и второго режимов составили 0 %, а для третьего режима разница оказалась незначительной и составила 0,003 %.