Порядок проведения эксперимента

 

1. Установка включается преподавателем за 30 мин до начала измерений. Установленную мощность нагревателя в дальнейшем не изменять.

2. По показанию ваттметра определить мощность W, Вт - произведение числа делений милливольтметра на цену одного деления (написана на щите около ваттметра).

3. Пользуясь переключателем 11 измерить при помощи цифрового вольтметра значения термоЭДС термопар № 1-6 и занести в таблицу.

4. Измерения проводить каждые три минуты до установления стационарного режима.

5. Результаты занести в таблицу экспериментальных данных. После завершения измерений сообщить преподавателю об окончании эксперимента.

Таблица экспериментальных данных

 

№ замера	Мощность, Вт	ТермоЭДС, мВ
		внутренние			внешние
		е1	е2	е3	е4	е5	е6

Обработка результатов эксперимента

 

1. Определить средние значения термоЭДС внутренних и внешних термопар в стационарном режиме.

2. По средним значениям термоЭДС с помощью градуировочной характеристики термопар хромель-копель (приложение 1) определить средние температуры поверхностей слоя: внутреннюю t₁ и внешнюю t₂.

3. Пользуясь формулой (7) определить значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала. Величину теплового потока следует принять равной мощности нагревателя: Q = W.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое теплопроводность?

2. Описать механизм теплопроводности в различных материалах: газ, жидкость, диэлектрики, металл.

3. Что такое температурное поле? Какие частные случаи температурного поля вам известны?

4. Что такое изотермическая поверхность?

5. Записать закон Фурье и объяснить физический смысл входящих в него величин.

6. Для чего нужно добиваться наступления стационарного режима существования температурного поля?

7. Где больше и куда направлен градиент температуры плоского температурного поля: в точке А или в точке В?

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

 

Цель работы: углубление знаний о физическом процессе конвекции и освоение методики экспериментального определения среднего коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы при гравитационном движении.

 

Общие положения

 

Движение жидкости под действием неоднородности поля массовых сил, приложенных к частицам жидкости внутри системы, обусловленное внешними полями (гравитационным, электрическим, магнитным), называют свободным движением или свободной конвекцией. Вынужденное движение происходит под действием внешних поверхностных сил, приложенных на его границе, (например, за счет работы насоса, вентилятора, ветра).

Свободное движение под действием гравитационного поля в системе с неоднородным распределением плотности жидкости называют гравитационным свободным движением или гравитационной свободной конвекцией.

Неоднородное распределение плотности может быть вызвано неоднородным распределением температуры, концентрации какого-либо компонента в смеси или наличием фаз с разной плотностью.

Перенос теплоты, происходящий при обтекании твердого тела потоком жидкости при ее свободном движении, называют теплоотдачей при свободном движении или теплоотдачей при свободной конвекции.

 

На рис.1 показан пример свободной конвекции вдоль вертикальной стенки (а) с неизменной температурой t_СТ, погруженной в неограниченный объем жидкости (или газа) с температурой вдали от стенки t_Ж, причем t_СТ > t_Ж. Вначале толщина слоя мала и течение жидкости имеет струйчатый, ламинарный характер. Но, по мере движения, толщина слоя увеличивается и при определенном ее значении течение жидкости становится неустойчивым, волновым, и затем переходит в неупорядоченно-вихревое, турбулентное, с отрывом вихрей от стенки. Описанная выше картина движения жидкости вдоль вертикальной стенки (рис.1 а) типична также и для горизонтальных труб и тел овальной формы. Характер движения воздуха около нагретых горизонтальных труб представлен на рис. 1 б.

Конечной целью инженерного расчета оказывается определение количества тепла, отданного телом в окружающую среду. Было найдено, что в процессе теплообмена тепловой поток Q, Вт, от жидкости (среды) к поверхности прямо пропорционален площади поверхности тела F; разности температур поверхности тела (стенки) Δt = t_СТ – t_Ж и жидкости; длительности процесса; а также зависит от физических свойств жидкости, характера ее движения, формы тела и его геометрических размеров.

Q = α · (t_СТ – t_Ж) · F,                               (1)

 

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К).

Данное выражение называется основным уравнением конвективного теплообмена или уравнением Ньютона-Рихмана.

Отношение локального теплового потока к величине локального температурного напора называют локальным (местным) коэффициентом теплоотдачи:

,                                     (2)

Теплоотдачу тела в целом можно охарактеризовать величиной среднего коэффициента теплоотдачи:

,                                        (3)

 

В безразмерной форме коэффициент теплоотдачи принимает вид критерия Нуссельта, который является основным определяемым критерием подобия в расчетах конвективного теплообмена

,                                    (4)

 

Критерий Нуссельта характеризует интенсивность теплообмена на границе твердое тело – жидкость. Чем интенсивнее протекает процесс конвективного теплообмена, тем больше коэффициент теплоотдачи, тем больше Nu. Критерии подобия, определенные через средние значения величин, связаны критериальным уравнением. Для свободной конвекции критериальноe уравнениe:

Nu = f (Gr,Pr).                                    (5)

 

Вид функциональной зависимости определяется экспериментально или теоретически. Обычно эта зависимость представляется в виде степенного одночлена:

Nu = с∙(Gr ∙ Pr)ⁿ,                                 (6)

 

При свободном движении среды (естественная конвекция), когда движение осуществляется только за счет разности плотностей, вызванной неравномерностью температурного поля, критерием подобия, определяющим распространение теплоты в среде, является критерий (число) Грасгофа. Число Грасгофа характеризует соотношение между подъемной силой, возникающей в среде вследствие разности плотностей, и силой молекулярного трения (вязкости).

 

,                                 (7)

 

где g=9,81 м²/с – ускорение свободного падения;

    β =1/Т = 1/(t_Ж+273) - коэффициент объемного расширения жидкости, 1/К;

    ∆t = t_СТ - t_Ж – температурный напор;

ℓ_о- характерный линейный размер тела в направлении действия сил тяжести, (для поперечного обтекания трубы ℓ_о = d, где d – диаметр);

ν - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м²/с.

 

Еще одним критерием подобия конвективного теплообмена является критерий Прандтля, который содержит только теплофизические параметры жидкости, характеризует влияние физических свойств среды на конвективный теплообмен и зависит от температуры. Для газов эта зависимость Pr ≈ 1.

,                                (8)

 

где с_р- изобарная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·К);

λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

 - коэффициент температуропроводности жидкости, м²/с.

Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном движении (при 10³ < Gr∙Pr< 10⁹) около горизонтальных труб может быть использована формула:

                     (9)

 

Последний сомножитель -температурный фактор - учитывает зависимость физических свойств жидкости от температуры. Влияние его существенно для капельных жидкостей. Для теплоотдачи в воздухе влиянием этого фактора можно пренебречь, поэтому в лабораторной работе он принимается равным единице.

В формуле за определяющую температуру принята температура жидкости или газа вдали от трубы, в качестве определяющего размера берется диаметр трубы. Индексы «ж» и «ст» означают, чтозначения физических свойств жидкостиберутся притемпературах покоящейся жидкости и поверхноститела соответственно.Формула (9) не учитывает теплоотдачу с торцов трубы.

Практическое значение изучения свободно-конвективного теплообмена определяется его широким распространением в природе в технике. Свободной конвекцией определяется теплоотдача различных элементов энергетического оборудования, отопительных систем, паропроводов, внешних поверхностей и кожухов практически всех агрегатов, которые при работе выделяют тепло (к ним относятся и многие аппараты пищевой промышленности). Свободная конвекция играет большую роль в общем теплообмене внутри печей, холодильных камер и резервуаров. Важную роль играет свободная конвекция в пористых средах (изоляционные материалы, емкости с зерном и др.).