Описание лабораторной установки

 

Лабораторная установка (рис. 1.1) предназначена для определения среднего коэффициента теплоотдачи при свободной конвенции воздуха около горизонтальной трубы в зависимости от температурного напора. Установка состоит из экспериментальной трубы 1, лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) 2 и измерительного прибора 3. В экспериментальной трубе, наружный диаметр которой 21 мм и длина 470 мм, размещен электрический нагреватель, выполненный из нихромовой проволоки, присоединенной к электрической сети через ЛАТР. Температура стенки трубы измеряется термопарами в трех точках по длине трубы. Показания трех термопар t ₁, t ₂  и t ₃ выведены на шкалу измерительного самопишущего прибора КСП-4, градуированную в градусах Цельсия. Температура воздуха t _ж измеряется термометром в помещении лаборатории.

 

Рис. 1.1. Схема установки: 1 – экспериментальный блок;       2 – лабораторный автотрансформатор; 3 – измерительный прибор

Порядок выполнения работы

 

Включение установки производится преподавателем или лаборантом. Ими же указываются рабочий диапазон измерения напряжения на ЛАТРе.

В течение занятия необходимо провести не менее трех опытов при установившихся (стационарных) значениях теплового потока через материал. Стационарное тепловое состояние характеризуется неизменностью во времени всех температур..

В каждом стационарном состоянии необходимо провести не менее трех серий измерений температур t ₁, t ₂  и t ₃ по длине экспериментальной трубы, а также напряжения U и силы тока I на ЛАТРе с трехминутным интервалом между сериями, после чего можно изменить напряжение на ЛАТРе и перейти к следующему опыту.

Значения всех измеряемых величин необходимо записать в табл. 1.1. Об окончании опытов следует известить преподавателя или лаборанта.

 

Таблица 1.1

№ п/п	Номер серии измерений	Температура, ^0С				Напряжение, U, B	Сила тока,  I, A
		t 1	t 2	t 3	t ст
	1 2 3
Среднее значение

 

Обработка опытных данных

 

Обработка результатов предыдущего опыта ведется во время перехода установки на новый режим. По результатам измерений вычисляется средняя температура по длине трубы

                                                   

и средний температурный напор:

                                        (1.4)

Величина плотности теплового потока q определяется по потребляемой электрической мощности нагревателя:                                                         

                             (1.5)

где F – поверхность теплопередачи экспериментальной трубы.

Так как в условиях опытов конвективный теплообмен при свободном движении воздуха сопровождается тепловым излучением поверхности теплообмена, то конвективная составляющая плотности теплового потока на стенке может быть определена как

                                                                               (1.6)

где q – плотность теплового потока, обусловленная тепловыделением электрического нагревателя в трубе, Вт/м²; q _л – плотность теплового излучения поверхности теплообмена, определяемая расчетным путем, Вт/м².

Плотность потока теплового излучения поверхности трубы

                                                                 (1.7)

где ε – степень черноты стенки трубы, ε ≈ 0,9; σ – постоянная           Стефана–Больцмана, σ = 5,67 Вт/(м²∙К⁴);  – термодинамическая температура стенки трубы, °К, ; T _ж – термодинамическая температура воздуха, °К, T _ж = t _ж+ 273.

Среднее значение коэффициента теплоотдачи от горизонтальной трубы к воздуху

                                       (1.8)

Входящие в безразмерные комплексы  физические свойства и критерий Pr выбирают по температуре окружающего воздуха (табл. 1.3), результаты вычислений следует поместить в табл. 1.2.

Таблица 1.2

 

№ п/п			q, Вт/м^2	qк, Вт/м^2	qл, Вт/м^2	α, Вт/(м^2∙К)	Nu	Gr∙Pr

По окончании обработки результатов измерений на основе табл. 1.2 необходимо выполнить следующую графическую часть:

1. График функции .

2. График сравнения результатов опыта в безразмерном виде с расчетным уравнением (1.3) в логарифмических координатах.

Для построения графика по двум произвольным значениям (Gr∙Pr ), охватывающим область изменения этого произведения в условиях опытов (см. табл. 1.2), на основе формулы (1.3) вычисляют соответствующие им значения Nu. Далее наносят на логарифмическую бумагу указанные две точки, через которые проводят прямую, отображающую зависимость (1.3). Результаты опытов наносятся на этот же график.

 

Таблица 1.3

Физические свойства сухого воздуха при ρ = 1,01·10⁵ Па

 

t, ^0C	ρ, кг/м^3	λ ·10^2, Вт/(м·К)	α ·10^2, м^2/с	ν ·10^5, м^2/с	Pr	β
10	1,247	2,51	20,05	14,16	0,705
20	1,205	2,59	21,42	15,06	0,703
30	1,165	2,67	22,86	16,00	0,701
40	1,128	2,76	24,30	16,96	0,699
50	1,093	2,83	25,72	17,95	0,698

 

 

Контрольные вопросы

1. Что такое теплоотдача?

2. Физическая природа процесса теплоотдачи при свободной конвекции.

3.  Физический смысл собой коэффициента теплоотдачи?

4. Какие числа подобия используются при расчете свободной конвекции и почему?

5. Какие числа подобия используются при расчете вынужденной конвекции? 

6. Какие числа подобия используются при расчете вынужденной конвекции?

7. Определяющая температура и характерный линейный размер в условиях теплоотдачи горизонтальной трубы.

8.  Чем отличается число Грасгофа от числа Архимеда?

9. Что характеризует число Прандтля?

10. Физический смысл критерия Нуссельта.