Графический анализ результатов

1. Построить в логарифмических координатах график критериальной зависимости (рис.3.2). После логарифмирования уравнение имеет вид

.

2. Нанести на график точки экспериментов, оценить их «расположение» относительно построенной прямой.

Рис. 2. Графический анализ результатов

3. Для каждого режима эксперимента определить относительную погрешность

(%).

 

    3. Контрольные вопросы и дополнительные задания

1. Что называется конвективным теплообменом? Какие различают виды конвекции?

2. Динамический и тепловой пограничные слои и их физический смысл?

3. Что называют коэффициентом теплоотдачи, от каких величин он зависит?

4. Какими числами подобия характеризуется конвективный теплообмен?

5. Опишите механизм возникновения свободного потока воздуха.

6. Изобразите траектории свободного движения воздуха около горячей горизонтальной, вертикальной трубы.

7. Одинаковые ли будут коэффициенты теплоотдачи при одинаковом температурном напоре и противоположных направлениях теплового потока (от поверхности трубы и от воздуха к поверхности).

8. Как изменится численное значение критерия Грасгофа, если диаметр трубы увеличить в два раза? Как это повлияет на коэффициент теплопроводности при прочих одинаковых условиях?

9. Как изменится коэффициент теплоотдачи, если труба будет расположена вертикально, а температурный напор останется прежним?

10. Определить толщину теплового пограничного слоя на цилиндрической поверхности нагретой трубы.

 

Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Цели работы:

1. Определить степень черноты поверхности твердого тела.

2. Рассчитать длину волны излучения, соответствующую максимуму спектральной излучательности.

3. Построить график зависимости спектральной излучательности тела от длины волны.

 

Оборудование и материалы: лабораторная установка для изучения теплового излучения

 

Теоретические сведения

В основу методики определения степени черноты тела положена формула лучистого теплового потока между двумя телами, одно из которых находится в объеме, ограниченном поверхностью другого:

,                         (4.1)

Где   с ₀ = 5,67 Вт/(м²К⁴)–коэффициент излучения абсолютно черного тела;

F   – площадь поверхности излучения испытуемого тела, м²;

Т ₁ – температура поверхности испытуемого тела, К;

Т ₂ – температура окружающих тел, которую можно принять равной температуре воздуха в лаборатории, К;

e_пр – приведенная степень черноты, которая в условиях эксперимента равна степени черноты испытуемого тела, так как площадь его поверхности много меньше площади поверхности окружающих тел.

В условиях сложного радиационно-конвективного теплообмена лучистый тепловой поток Q _л, определяется как разность между полным Q и конвективным Q _к тепловыми потоками от испытуемого тела в окружающую среду:

,                                    (4.2)

где Q = W  в условиях стационарного режима.

Величину конвективного теплового потока можно определить по формуле Ньютона:

,                                  (4.3)

где   t ₁, t ₂ – температуры поверхности тела и окружающей среды,

a  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К).

Средний коэффициент теплоотдачи рассчитывается с помощью уравнений подобия. Для горизонтально расположенной трубы в условиях свободной конвекции окружающей среды в диапазоне значений 5×10² < Gr_ж× Pr_ж < 2×10⁷  критериальное уравнение теплоотдачи имеет вид

.                               (4.4)

где Nu_ж, Gr_ж, Pr_ж - критерии Нуссельта, Грасгофа и Прандтля, при определении которых в качестве характерного размера выбирается наружный диаметр трубы, а за определяющую температуру принимается температура окружающей среды.

Для вертикальных труб за характерный геометрический размер принимается высота трубы, а вид критериального уравнения определяется интенсивностью свободного движения:

    – ламинарный режим (10 ³ < Gr_ж× Pr_ж < 10 ⁹)

                                          ;

    – турбулентный режим (Gr_ж× Pr_ж > 10 ⁹)

                                          .

Теория конвективного теплообмена позволяет определить коэффициенты теплоотдачи для подобных случаев теплообмена путем обобщения экспериментальных данных. Для этого применяются критериальные числа подобия:

· критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность конвективного теплообмена

Nu = a d / l,                                       (4.5)

где l – коэффициент теплопроводности окружающей среды, Вт/(м×К);

d – характерный геометрический размер теплоотдающей поверхности, который для горизонтально расположенной трубы принимается равным наружному диаметру (d = d), а для вертикально расположенной ее длине (d = l), м;

· критерий Грасгофа, характеризующий интенсивность и режим свободного движения

,                                    (4.6)

где g – ускорение свободного падения, м/с²;

b – коэффициент объемного расширения, который для газов может быть определен из закона Гей–Люссака в виде

b = 1 /(t _cр+273),K ^-1;

n – кинематическая вязкость окружающей среды, м²/с;

· критерий Прандтля, характеризующий соотношение механических (вязкостных) и тепловых свойства теплоносителя

Pr = n / а,                                      (4.7)

где а – коэффициент температуропроводности окружающей среды, м²/с.

После того, как из выбранного уравнения подобия найден коэффициент теплоотдачи, по формуле (4.3) определяется конвективный тепловой поток, из выражения (4.2) - лучистый поток, и, в конечном итоге, из уравнения (4.1) степень черноты тела.

Лабораторная установка

Рис. 4.1. Схема установки