Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции около горизонтального цилиндра

 

 

1. Цель работы

Познакомиться с экспериментальными методами исследова­ния процессов конвективного теплообмена.

 

2. Пояснения к работе

В лабораторной работе используется имитационное модели­рование процес­сов конвективного теплообмена. Такое моделирова­ние основано на главных положениях теории конвективного теп­лообмена и позволяет получать информацию, аналогичную реаль­ному эксперименту. В данной работе модели­руется процесс тепло­отдачи от поверхности горизонтального цилиндра при свободной конвекции в неограниченном пространстве. Согласно закону Нью­тона – Рихмана тепловой поток от поверхности цилиндра к окру­жающему воздуху пропорционален разности температур поверхно­сти цилиндра и окру­жающего воздуха, площади поверхности ци­линдра и коэффициенту теплопро­водности:

, (29)

где: Q – тепловой поток, Вт; – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²К;

Т_с – температура поверхности цилиндра, К; - темпера­тура воздуха вдали от поверхности цилиндра, К; F – площадь поверхности цилиндра, м².

Если в процессе опыта измерены величины Q, Т_с, и известны размеры цилиндра, то коэффициент теплопроводности может быть определен по формуле:

. (30)

3. Порядок проведения работы

 

После включения установки в сеть, введения и запуска про­граммы на ви­деомониторе высвечивается тема лабораторной ра­боты и отображается схема рабочего участка моделируемой экспе­риментальной установки (см. рис.11). Рабочий участок уста­новки представляет собой металлическую трубу 7, распо­ложенную горизонтально. Нагрев рабочего участка осуществляется посредст­вом пропускания по нему переменного электрического тока низкого напряже­ния, который подводится через контакты на концах трубы. Падение напряже­ния на измерительном участке регулируется реостатом 9, а измеряется циф­ровым вольтметром 8. Темпе­ратура наружной поверхности трубы измеряется шестью термо­электрическими термометрами; 1 – 6. Рабочие концы термомет­ров за­креплены на наружной поверхности трубы (по контуру среднего сече­ния рабочего участка). Свободные концы термометров термостатированы и через многопозиционный переключатель подключены к потенциометру (на ри­сунке не показан).

В соответствии с указаниями преподавателя студент задает геомет­риче­ские размеры рабочего участка (диаметр трубы – d, длину трубы – L, толщину стенки – ), температуру окружающего воздуха – , выбирает режим на­грева, т.е. принимает величину па­дения напряжения на рабочем участке– U, выполняет измерение термоЭДС термоэлек­трических термометров и заносит полученные значения в прото­кол испытаний (таблица 4).

 

 

Рис. 11. Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции около горизонтального цилиндра:

1 – 6 – термоэлектрические термометры; 7 – горизонтальный цилиндр;

8 – вольтметр; 9 – реостат; 10 – выключатель

 

 

Таблица 4 – Протокол эксперимента и результаты обработки данных

№ опыта	U, В	Величина термоЭДС, мВ	, К	, К	, Вт	, Вт/м^2К

 

4. Обработка результатов опытов

 

Для каждого опыта определяется среднее значение термоЭДС:

, мВ. (31)

На основании стандартной градуировочной характеристики хро­мель – копелевых термоэлектрических термометров определяется средняя темпера­тура наружной поверхности трубы – , (полага­ется, что свободные концы термометров термостатированы при температуре 0 ^оС):

. (31)

Рассчитывается тепловой поток, создаваемый за счет протекания по ра­бочему участку электрического тока:

, Вт, (32)

где: – электрическое сопротивление рабочего участка (трубы); – удельное электрическое сопротивление мате­риала трубы (нержавеющая сталь), Ом·м; – площадь поперечного (кольце­вого) сечения трубы, ; – внутренний диаметр трубы, м;

 

Этот тепловой поток отдается от поверхности рабочего уча­стка в окружаю­щую среду не только теплоотдачей, но и тепловым излучением. По­этому тепловой поток, отдаваемый от поверхно­сти трубы теплоотдачей, будет равен:

, Вт, (34)

где: – тепловой поток, Вт, отдавае­мый излуче­нием; - степень черноты поверхности трубы (рекомен­дуется принять ); F – площадь наружной поверхности трубы, м², .

Затем определяется опытное значение коэффициента тепло­отдачи от по­верхности трубы:

. (35)

Полученное опытное значение коэффициента теплоотдачи следует срав­нить с величиной коэффициента теплоотдачи, рассчитанного по безразмер­ному уравнению подобия:

. (36)

В этом уравнении в качестве определяющей принимается темпера­тура окружающей среды, а в качестве определяющего размера при­нимается наруж­ный диаметр трубы. Значения физических свойств воздуха, входящих в числа подобия, принимаются по /5/.

 

7. Содержание отчета

В отчете приводится цель работы, схема рабочего участка модели­руемой экспериментальной установки, таблица замеров и резуль­таты расчетов.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое свободная конвекция?

2. Как сделать конвекцию около горизонтального цилиндра вынуж­денной? Как при этом изменится коэффициент теплоотдачи?

3. Что такое коэффициент теплоотдачи, от каких факторов зависит его величина?

4. Какие числа подобия входят в безразмерные уравнения подобия для процессов теплоотдачи при свободной конвекции?

5. Что такое абсолютно черное тело?

6. Что такое степень черноты, для каких тел вводится это понятие, от каких факторов зависит его величина?

7. Как изменится коэффициент теплоотдачи, если над трубой, или сбоку от нее установить плоский металлический лист, ширина которого значительно больше диаметра трубы?

8. Как рассчитать плотность теплового потока на внешней поверх­ности трубы?

9. Как рассчитать линейную плотность теплового потока от поверх­ности трубы к окружающему воздуху?

10. Как влияет на величину коэффициента теплоотдачи разность температур поверхности трубы и воздуха?

 

Лабораторная работа №6