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
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ
ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ЖИТАРЕНКО В.М.
ТКАЧЕНКО К.И.
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 2 ТМО
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ СРЕДЫ
(для студентов специальности 7.05060101-Теплоэнергетика дневной и заочной форм обучения)
МАРИУПОЛЬ ПГТУ 2010
ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ЖИТАРЕНКО В.М.
ТКАЧЕНКО К.И.
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 2 ТМО
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ СРЕДЫ
(для студентов специальности 7.05060101-Теплоэнергетика дневной и заочной форм обучения)
Утверждено на заседании
кафедры ПТЭУ и ТС
Протокол №____ от _______20__ г.
Утверждено на методсовете
энергетического факультета
Протокол №____ от _______20__ г.
МАРИУПОЛЬ ПГТУ 2010
УДК 621.016
Методические указания к лабораторной работе “Определение коэффициента теплоотдачи при свободном движении среды” для студентов специальности 7.05060101-Теплоэнергетика/Сост.: В.М. Житаренко, К.И. Ткаченко - Мариуполь: ПГТУ, 2010.- 15с.
Изложены цель и задачи лабораторной работы по определению коэффициента теплоотдачи при свободном движении; дано описание лабораторной установки; методика проведения эксперимента, обработки результатов опытов и контрольные вопросы.
Составители: В.М. Житаренко, ст.преп.
К.И. Ткаченко, ст.преп.
Рецензент: Г.С. Сапрыкин, к.т.н. доц.
Отв.за выпуск В.Н. Евченко, , к.т.н. доц
Целью работы является закрепление знаний по разделам курса "Теория подобия" и "Теп лоотдача при свободном движении жидкости", получение навыков опытного определения теплоотдачи при свободном движении воздуха и определение вида уравнения подобия, описывающего процесс.
Под кон векцией теплоты понимают процесс ее переноса при пере мещении макрочастиц жидкости или газа, в пространстве, из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом пере нос теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Конвекция возможна только в текучей среде.
В природе и технике элементарные процессы распространения теп лоты - теплопроводность, конвекция и тепловое излучение - очень часто происходят совместно.
Конвекция теплоты в жидкостях и газах всегда сопровождается теплопроводностью в них.
Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в жидкостях и газах называется конвективным теплообменом.
В инженерных расчетах чаще определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела.
Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и по верхностью твердого тела называют конвективной теп лоотдачей или просто теплоотдачей.
Конвективная теплоотдача является достаточно сложным процес сом, который зависит от многих факторов: от природы возникновения движения жидкости; режима движения; скорости и температуры жидкости; физических параметров жидкости; формы и размеров омываемого тела и некоторых других.
По природе возникновения различают два вида движения - сво бодное и вынужденное, и, в соответствие с этим, свободную и вынужденную конвекцию. В случае свободной конвекции жидкость или газ движутся за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящихся в поле земного тяготения, т.е. происходит свободное гравитационное движение, вызванное неоднородностью тем пературного поля. Свободную конвекцию называют также естественной конвекцией.
При вынужденной конвекции жидкость или газ движутся за счет внешних сил (например, за счет работы насоса, вентилятора, комп рессора и т.д.). Вынужденное движение в общем случае может сопро вождаться свободным движением.
Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. В процессе теплоотдачи режим движения жидкости имеет очень большое значение, т.к. им определяется механизм переноса тепла. При ламинарном режиме перенос тепла в направлении нормали к стен ке осуществляется теплопроводностью. При турбулентном режиме такой способ переноса тепла сохраняется лишь в пограничном слое (или подслое), а внутри турбулентного ядра перенос тепла осуществляет ся путем интенсивного перемешивания частиц жидкости, т.е. конвек цией.
В качестве теплоносителей используют различные вещества: воз дух, воду, газ, масла, расплавленные металлы и т.д. В зависимости от физических свойств этих веществ, процессы теплоотдачи протекают различно. Большое влияние на теплоотдачу оказывают следующие физи ческие параметры теплоносителей: коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость С, плотность ρ, коэффициент температуро проводности а, динамический коэффициент вязкости μ и кинемати ческий коэффициент вязкости υ.
Для каждого вещества эти параметра имеют определенные значе ния и являются функцией температуры, а некоторые из них и давле ния.
Форма и размеры поверхности теплообмена существенно влияют на теплоотдачу. В зависимости от них может резко меняться харак тер обтекания поверхности и толщина пограничного слоя.
В практических инженерных расчетах теплоотдачу, т.е. теплообмен между поверхностью твердого тела и движущейся средой, сопри касающейся с этой поверхностью, описывают законом Ньютона-Рихмана.
Согласно закону Ньютона-Рихмана тепловой поток Q от жидкости к стенке или от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена F и разности температур ∆t=(tc-tж) жидкости и стенки:
|
, Вт |
(1) |
Разность температур (tc-tж) или (tж-tc) называют температурном напором.
Уравнения (1) записано для случая tc> tж. Если tж< tc, то в эти уравнения нужно записать tж - tc.
Коэффициент пропорциональности α, входящий в уравнение Ньютона-Рихмана, называется коэффициентом теплоотдачи. Он учитыва ет конкретные условия процесса теплоотдачи, влияющие на его интен сивность и имеет размерность Вт/м2К.
Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность теп лообмена на границе жидкость - стенка и численно равен количеству тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности, при разности температур между поверхностью и жидкостью в один градус. Коэффициент теплоотдачи α в отличие от коэффициента тепло проводности λ не является физическим параметром среды и зависит от многих факторов.
В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться по поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности и локальный или местный коэффициент теплоотдачи. Поэтому в общем случае с учетом переменности по поверхности уравнение Ньютона-Рихмана запишется:
|
(2) |
Отсюда:
|
(3) |
Последнее тождество можно рассматривать как определение α: коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока на границе жидкость - стенка, отнесенная к разности температур стенки и жидкости. В соответствии со сказанным, в уравнениях (2)-(3) под следует понимать его среднее значение.
Применение формулы Ньютона-Рихмана никаких принципиальных упрощений для расчета конвективной теплоотдачи не дает. Вся слож ность расчета в этом случае переносится на определение коэффициента теплоотдачи. В общем случае коэффициента теплоотдачи является функцией многих величин: , т.е. α является функцией скорости движения жид кости, режима движения, физических параметров жидкости, температуры жидкости и тела, формы и размеров омываемого тела и т.д.
Инженерное решение задач конвективного теплообмена сводится чаще всего к определению α и вычислению количества переданной теплоты. Для нахождения α применяют теорию подобия или коэффициент теплоотдачи находят практическим путем.
Наряду с коэффициентом теплоотдачи существует безразмерный коэффициент теплоотдачи или число Нуссельта Nu:
, (4)
где L –характерный линейный размер теплоотдающей поверхности (для горизонтальной трубы это диаметр), м;
- коэффициент теплопроводности, Вт/м·К.
Число Нуссельта Nu характеризует увеличение теплообмена за счет конвекции по сравнению с теплопроводностью.
В общем случае число Нуссельта является функцией чисел Рейнольдса, Грасгофа, Прандтля и др.:
Nu = f (Re, Gr, Pr …), (5)
где - число Рейнольдса;
- число Грасгофа;
- число Прандтля;
- коэффициент теплоотдачи, Вт/м2·К;
g – ускорение свободного падения;
- термический коэффициент объемного расширения, 1/К;
t = tп – tв – температурный напор, оС;
– коэффициент кинематической вязкости, м2/с;
а – коэффициент температуропроводности, м2/с.
Число Грасгофа характеризует режим движения при свободной конвекции, являясь отношением подъемной силы возникающей вследствие разности плотностей жидкости, и сил вязкости в неизотермическом потоке.
Число Рейнольдса характеризует режим движения при вынужденной конвекции, являясь соотношением сил инерции и сил вязкости.
Число Прандтля характеризует подобие скоростных и температурных полей.
В случае свободной теплоотдачи число Нуссельта является функцией чисел Грасгофа, Прандтля и др.:
, (6)
где с и п – постоянные, зависящие от геометрии поверхности и численного значения .
Уравнение (6) для горизонтальной трубы выглядит как:
, (7)
при 103 109.
Характерным размером для горизонтальной трубы являеться диаметр.
В стационарном режиме для бесконечно длинной цилиндрической трубы при свободном движении воздуха около поверхности уравнение теплового баланса записывается в виде:
|
(8) |
где Q - тепло, отданное поверхностью трубы;
Qk - тепло, передаваемое конвекцией;
Qл - тепло, передаваемое излучением.
Составляющие Qk и Qл определяются из соответствующих урав нений:
|
(9) (10) |
где α - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2∙К);
Тс - температура поверхности трубы, К;
Тж - температура окружающего воздуха на большом удалении от теплоотдающей поверхности, К;
F - теплоотдающая поверхность трубы, м2;
Cо - коэффициент излучения абсолютно черного тела:
ε - степень черноты поверхности трубы.
Подставим (9) и (10) в уравнение (8) и найдем:
|
(11) |
Отсюда коэффициент теплоотдачи:
|
|
(12) |
Зависимость (12) положена в основу опытного определения коэффициента теплоотдачи конвекцией от горизонтальной трубы при свободном движении воздуха.
Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1.
1 – труба, 2 - термопары, 3- многопозиционный переключатель, 4 – нагреватель, 5 – цифровой термометр, 6 - регулятор напряжения, 7 – вольтметр, 8 – амперметр.
Рисунок 1.- Схема лабораторной установки.
Установка состоит из опытной трубы 1. Наружный диаметр трубы d=24мм, длина 800 мм. Труба может принимать разное положение (горизонтальное, вертикальное, под заданным углом к горизонту). Внутри трубы помещен электронагреватель 4. В одной цепи с ним находятся регулятор напряжения 6 для регулирования мощности. Вольтметр 7 и амперметр 8 служат для измерения напряжения и тока в цепи. На поверхности трубы закреплены пять термопар 2 для измерения температуры. Термопары через многопозиционный переключатель 3 соединены с цифровым термометром 5.
Ознакомиться с измерительными приборами и заполнить таблицу 1.
Таблица 1 – Характеристика измерительных приборов
|
Наименование прибора |
Измеряемая величина |
Класс точности |
Пределы измерения |
Цена деления |
Установить трубу в положении, указанном преподавателем.
Включить электронагреватель и установить заданную преподавателем мощность. Дождаться стационарного режима путем фиксации температур через каждые три минуты. Режим считается стационарным если температура трех последовательных измерений не изменяется.
В таблицу 2 занести значения температуры воздуха в помещении tв и результаты измерений.
Таблица 2 – Экспериментальные данные
|
№ |
U, В |
I, A |
Температура поверхности, оС |
tв, оС |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
|
1 |
||||||||
|
2 |
||||||||
|
3 |
По заданию преподавателя изменить мощность электронагревателя и повторить эксперимент.
Найти среднюю температуру поверхности трубы
, (13)
где tп – температура поверхности, оС;
t1, t2, t3, t4, t5 – температура поверхности трубы в различных точках, оС.
Определить площадь поверхности трубы по формуле
,
где d – наружный диаметр трубы, м;
L – длина трубы, м.
Определить лучистый тепловой поток по формуле (7), принимая = 0,05.
Найти значение конвективного теплового потока по формуле:
, (14)
где W – мощность, потребляемая электронагревателем, совпадающая с полным тепловым потоком, Вт.
Рассчитать коэффициент теплоотдачи по формуле (12).
По табл. П1 определить значение коэффициента кинематической вязкости и коэффициента теплопроводности воздуха. При этом определяющей считать температуру среднеарифметическую между температурой поверхности трубы и окружающей среды:
. (15)
При этой же температуре определяется коэффициент объемного расширения воздуха по формуле:
, 1/К. (16)
Определяют числа Nu, Gr, Pr.
Рассчитать по критериальному уравнению для горизонтальной трубы теоретический коэффициент теплопередачи.
Все расчетные данные сводятся в таблицу 3.
Таблица 3 – Результаты эксперимента
|
№ |
W, Вт |
tп, оС |
tв, оС |
t, оС |
t ср, оС |
, Вт/м2К |
Qл, Вт |
Q, Вт |
, м2/с |
а, м2/с |
, Вт/мК |
, 1/К |
Nu |
Gr |
Pr. |
GrPr |
|
1 |
||||||||||||||||
|
2 |
||||||||||||||||
|
3 |
Построить график зависимости lnNu = F( ln(Gr Pr) )
Для определения С и n на графике выбирают две точки с координатами lnNu1, ln(Gr, Pr)1 и lnNu2 , ln(Gr Pr)2. Искомые коэффициенты рассчитывают по формулам
, (17)
, (18)
Полученная значения коэффициентов С и n сравниваются с литературными данными.
Отчет должен быть оформлен в соответствии с ЕСКД и содержать следующие разделы:
6 контрольные вопросы
Таблица П1 - Теплофизические свойства сухого воздуха
|
t, оС |
.102, Вт/м·К |
а.108 м2/с |
.106 м2/с |
Рr |
|
10 |
2,51 |
20,0 |
14,16 |
0,705 |
|
20 |
2,59 |
21,4 |
15,06 |
0,702 |
|
30 |
2,67 |
22,9 |
16,00 |
0,701 |
|
40 |
2,76 |
24,3 |
16,96 |
0,699 |
|
50 |
2,83 |
25,7 |
17,95 |
0,698 |
|
60 |
2,90 |
26,2 |
18,97 |
0,696 |
|
70 |
2,96 |
28,6 |
20,02 |
0,694 |
|
80 |
3,05 |
30,2 |
21,09 |
0,692 |
|
90 |
3,13 |
31,9 |
22,10 |
0,690 |
|
100 |
3,21 |
33,6 |
23,13 |
0,688 |