ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ НА ОБОГРЕВАЕМ

Работа добавлена на сайт samzan.net:

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.

1.  КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

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.  Числа Pr, λ, v в диапазоне температур от 20 до 100 °C изменяются существенно, поэтому для точности расчёта следует пользоваться написанными ниже эмпирическими соотношениями или таблицами физических свойств воздуха.

;                                                                             (1.3)

;                                                                                 (1.4)

.                                                                        (1.5)

1.  Все физические константы, входящие в состав критериев, берутся при средней температуре жидкости (t - в градусах Цельсия).
2.  В качестве определяющего размера в критериях для горизонтальных труб принимают их диаметр, а для вертикальных поверхностей (труб, пластин) - их высоту.

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)

1.  ОПИСАНИЕ ОПЫТНОГО СТЕНДА

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

1.  ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.  Включили измеритель температуры 7 и мультиметр 5 (установили мультиметр на измерение переменного напряжения).
2.  Включили ЛАТР тумблером 10 и установили ручкой 4 ЛАТРа напряжение на нагревателе примерно 80 В, с помощью мультиметра.
3.  При достижении температуры поверхности цилиндра 65-75 ºC уменьшили напряжение на нагревателе до 25 В и вышли на стационарный режим, подождав некоторое время.
4.  Провели измерения температур t1 …. t6. Температура воздуха вблизи трубы постоянно регистрируется вторым каналом измерителя температуры (зелёное окошко).
5.  Измерили напряжение на образцовом сопротивлении, переключив тумблер 6 в соответствующее положение.
6.  Повторили пункты 2-5, установив заданное преподавателем следующее значение напряжения на нагревателе. Полученные данные занесли в таблицу 1.

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

1.  ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

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

1.  Рассчитаем среднюю температуру поверхности трубы по формуле (1.10) для всех 3-х режимов:

;

;

.

1.  Найдём разницы температур между окружающей средой и поверхностью трубы:

;

;

,

где t - температура окружающей среды.

1.  Вычислим теплоту, выделяемую нагревателем:

,

т.к. ;

,

т.к. ;

,

т.к. .

1.  Определим плотность теплового потока для всех 3-х режимов по формуле (1.9):

;

;

.

1.  Рассчитаем экспериментальный коэффициент теплоотдачи по формуле (1.8):

;

;

;

1.  Найдём коэффициенты теплопроводности по соотношению (1.4):

;

;

.

1.  Рассчитаем критерии Нуссельта по формуле (1.2):

;

;

.

1.  Вычислим теоретический коэффициент теплоотдачи по формуле (1.7):

;

;

.

1.  Определим кинематическую вязкость жидкости по соотношению (1.5):

;

;

.

1.  Найдём критерий Прандтля по соотношению (1.3):

;

;

;

1.  Рассчитаем критерий Грасгофа по формуле (1.6):

;

;

.

1.  Определим разницу коэффициентов теплоотдачи:

;

;

.

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 %.

1. тема РФ 15сущть и формы проявя инфляции
2. Сибирский государственный технологический университет Кафедра экономики и организации отрас
3. користувач пк прізвище Створити таблицю результати ~ дані імпортувати з файлу конкурс.
4. тема завершена и в третьей хотел дать объяснения уточнения дополнения о системе
5. Тырна~ша А~сай нан
6. Характеристика прилегающих к станции участков Станция К по характеру работы является участково
7. Курсовая работа- Распределение ресурсов по трем отраслям
8. тема Финансовая система госва
9. Экологический менеджмент и его связь с социально-экологическим маркетингом
10. Первый русский автомобиль
11.  Вечнозелёные дождевые леса Тропические вечнозелёные дождевые леса низменностей Тропические вечнозелё
12. Общая характеристика хозяйственного учета, его виды, измерители, применяемые в учете
13. Задание на выполнение РГР Номер варианта Объем про
14. Задачи автоматизации процесса проектирования
15. Реквием для Мечты Эта книга посвящена с любовью Бобби который нашел единственный фунт Чистой веры в
16. і Паталогиялы~ материялдан ТМБ аны~тау ~дістеріні~ 3 негізгі ~дісі бар- Бактериоскопия
17. Таланты ГранПри России 3 Этап Нижний Новгород 21
18. тематическую формулировку задачи линейного программирования.
19. АГ Веницианов ~ основоположник русской жанровой живописи
20. 05040062 ~ Социальноэкономическое образование профиль Юриспруденция Год обучения группа- 44 Сем

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе