Исследование комбинированного теплообмена с определением коэффициента теплопроводности, коэффициента теплоотдачи и степени черноты излучающей поверхности

 

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ.

1. К выполнению лабораторной работы допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

2. При выполнении лабораторной работа необходимо помнить, что прикосновение к чрезмерно разогретой поверхности может привести к ожогам.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - выявление различных механизмов переноса тепла, расчетное и экспериментальное определение основных характеристик комбинированного теплообмена: количеств тепла, передаваемого от нагреваемой поверхности тепловым излучением и конвекцией, коэффициента теплоотдачи нагреваемой и степени черноты ее поверхности; определение коэффициента теплопроводности теплоизолирующего материала.

 

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

      

Существует три основных механизма переноса тепла, каждый из которых имеет свою физическую природу, описывается своими законами и уравнениями, имеет свои методы расчета и экспериментального исследования.

Это - теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение. В явлениях теплообмена тел с окружающей средой все эти механизмы чаще всего действуют одновременно. Если известны некоторые характеристики, поддающиеся теплотехническим измерениям, то могут быть выявлены, а затем и скорректированы в нужном направлении действия того или иного механизма переноса тепла.

 Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу и основным фактором, определяющим интенсивность теплообмена, является разность температур.

 В настоящей работе на примере нагретой горизонтальной трубы необходимо определить количество тепла, выделяемого внутренним источником -(трубчатым электронагревателем) внутри трубы, вычислить плотность теплового потока, передаваемого от нагревателя через цилиндрический слой теплоизоляционного материала к ее наружной поверхности и рассеиваемого тепловым излучением и конвекцией в окружающую среду. В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы (штативам) ее тепловой баланс выражается соотношением:

Q_å = Q_K + Q_л                                            (4.1)

где Q_{å =} I·U - тепловая мощность, выделяемая электронагревателем, (Вт).

I – сила тока, А;

U – напряжение, В.

Тепловой поток Q_K, отдаваемый окружающему воздуху поверхностью трубы конвекцией определяется по закону Ньютона-Рихмана

   Q_{K =} a · F · (t_ст  - t₀),                        (4.2)

где Q_K = Q_å  - Q_л;                                           

     a -коэффициент теплоотдачи, (Вт/м²К), определяемый в эксперименте;

     F= p·d ·l - площадь поверхности трубы, (м²);

     d – наружный диаметр, (м);

     l – длина исследуемого участка, (м);

     t_ст– температура наружной стенки трубы, ⁰С;

     t_o –температура окружающей среды, ⁰С.

Различают свободную и вынужденную конвекцию. Вынужденная конвекция возникает под действием внешних сил при движении тела в неподвижной среде или при обтекании его сплошным потоком жидкости или газа. В отличие от этого свободная или естественная конвекция возникает исключительно за счет разности температур тела и окружающей среды и локализована в небольшой области вокруг тела, называемой пограничным слоем. Жидкость или газ, нагреваясь или охлаждаясь в этом слое, изменяет свою плотность и за счет действия выталкивающих Архимедовых сил начинает двигаться, интенсифицируя теплообмен по сравнению с чистой теплопроводностью. Коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции как правило на несколько порядков ниже, чем при вынужденной. 

Поток тепла, отдаваемый поверхностью трубы в окружающую среду тепловым излучением, определяется по закону Стефана-Больцмана как:

 

Q_л =e · С₀ · F · ((Т_ст/100)⁴ -(Т₀/100)⁴),                  (4.3)

 

где e - степень черноты наружной поверхности трубы,

С₀ =5,67 Вт/м² К⁴ - коэффициент теплового излучения абсолютно черного тела,

Т_ст, Т₀ -температура наружной стенки трубы и окружающей среды, (К).

    

Измерив напряжение U и силу тока I, температуры наружной поверхности t_ст и окружающей среды - t₀ и определив степень черноты поверхности e по таблице 1, можно экспериментально определить коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы.

 a ^эксп = Q_K / (F · (t_ст  - t₀)), где     Q_K =Q_å   – Q_л (4.4)

  Если к измеренным величинам добавить t_н - температуру на поверхности нагревателя, то по формулам стационарной теплопроводности бесконечного полого цилиндра можно также определить коэффициент теплопроводности l (Вт/м·К) теплоизоляционного материала, находящегося между электрическим нагревателем и наружной поверхностью трубы

 

l = Q_å (ln d₂ /d₁)/ (2·p· l·(t_ст  - t_н))                     (4.5)

Значение коэффициента теплоотдачи может быть рассчитано на основе критериального уравнения

 

Nu = C· (Gr·Pr)ⁿ                                                         (4.6),

где С и n постоянные величины, зависящие от режима свободной конвекции и полученные обобщением большого количества экспериментов на основе теории подобия (таблица 4.2).

 Nu – безразмерное число (критерий) Нуссельта, характеризующее отношение теплового потока, отдаваемого поверхностью тела конвекцией к тепловому потоку, передаваемому теплопроводностью через слой среды толщиной d₂.     

                                          Nu =(a·d₂)/l

   Pr - критерий Прандтля, характеризующий соотношение вязкости и температуропроводности среды (таблица 4.3).

  Gr - критерий Грасгофа, равный отношению выталкивающей силы, действующей на нагретые объемы жидкости или газа к силам вязкости.

Для воздуха

;                                       (4.7)

где g – ускорение свободного падения, м²/с;

   n – кинематическая вязкость среды, м²/с;

   d₂– наружный диаметр исследуемой трубы, м.