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.

 

Таблица 4.1.Степень черноты полного нормального излучения материалов

Материал	t, °С	e
Алюминий
полированный	225-574	0,039-0,057
шероховатый	26	0,055
окисленный при 600°С	200-600	0,11-0,19
Железо
полированное	425-1020	0,144-0,377
свежеобработанное наждаком	20-100	0,242
окисленное	125-525	0,78-0,82
окисленное гладкое	925-1115	0,52-0,56
Сталь
листовая шлифованная	25	0,55-0,6
окисленная при 600°С	200-600	0,80
листовая с плотным блестящим слоем окиси	940-1100	0,82
Чугун
обточенный	830-990	0,60-0,70
окисленный при 600°С	200-600	0,64-0,78
Окись железа	500-1200	0,85-0,95
Золото тщательно полированное	225-635	0,018-0,035
Латунная пластина
прокатанная, с естественной поверхностью	22	0,06

 

Продолжение таблицы 4.1

Материал	t, °С	e
обработанная грубым наждаком	22	0,20
тусклая	50-350	0,22
Латунь, окисленная при 600°С	200-600	0,61-0,59
Медь
тщательно полированная	80-115	0,018-0,023
электролитная торговая, шабренная до блеска, но не зеркальная	22	0,072
окисленная при 600°С	200-600	0,57-0,87
Окись меди	800-1100	0,66-0,54
Расплавленная медь	1075-1275	0,16-0,13
Молибденовая нить	725-2600	0,096-0,292

 

Никель технически чистый, полированный	225-375	0,07-0,087
Никелированное травленое железо, неполированное	20	0,11
Никелевая проволока	185-1000	0,096-0,186
Никель, окисленный при 600°С	200-600	0,37-0,48
Окись никеля	650-1255	0,59-0,86
Хромоникель	125-1034	0,64-0,76
Олово блестящее луженое	25	0,043-0,064
Платина чистая полированная	225-625	0,054-0,104
Платиновая лента	925-1115	0,12-0,17
Платиновая нить	25-1375	0,036-0,192
Платиновая проволока	225-1375	0,073-0,182
Ртуть очень чистая	0-100	0,09-0,12
Свинец
серый окисленный	25	0,281
окисленный при 200°С	200	0,63
Серебро чистое полированное	225-625	0,0198-0,0324
Хром	100-1000	0,08-0,26
Цинк

 

 

Продолжение таблицы 4.1

Материал	t, °С	e
продажный (99,1%) полированный	225-325	0,045-0,053
окисленный при 400°С	400	0,11
Оцинкованное
листовое железо	28	0,228
блестящее	24	0,276
серое окисленное	24	0,96
Асбестовый картон	40-370	0,93-0,945
Бумага тонкая, наклеенная на металлическую пластину	19	0,924
Вода	0-100	0,95-0,963
Гипс	20	0,903
Дуб строганый	20	0,895
Лак
белый эмалевый, нанесенный на железную шероховатую пластину	23	0,906
черный блестящий, нанесенный на железную пластину	25	0,875
черный матовый	40-95	0,96-0,98
белый	40-95	0,80-0,95
Шеллак
черный блестящий, нанесенный на луженое железо	21	0,821
черно-матовый	75-145	0,91
Масляные краски различных цветов	100	0,92-0,96
Алюминиевые краски с переменным содержанием А1	100	0,27-0,67
Алюминиевый лак, нанесенный на шероховатую пластину	20	0,39
Алюминиевая краска после нагрева до 325°С	150-315	0,35
Мрамор сероватый полированный	22	0,931
Резина
твердая лощеная	23	0,945

 

Окончание  таблицы 4.1

Материал	t, °С	e
мягкая серая шероховатая (рафинированная)	24	0,859
Стекло гладкое	22	0,937
Сажа
свечная копоть	95-270	0,952
с жидким стеклом	100-185	0,959-0,947
ламповая 0,075 мм и больше	40-370	0,945
Толь	21	0,910
Уголь очищенный (0,9% золы)	125-625	0,81-0,79
Угольная нить	1040-1405	0,526
Фарфор глазурованный	22	0,924
Штукатурка шероховатая известковая	10-88	0,91
Эмаль белая, приплавленная к железу	19	0,897
Кварц плавленый шероховатый	20	0,932
Кирпич
красный шероховатый, но без больших неровностей	20	0,93
динасовый неглазурованный шероховатый	100	0,80
динасовый глазурованный шероховатый	1100	0,85
шамотный глазурованный огнеупорный	1100	0,8-0,9

 

 

Таблица 4. 2. Значения величин С и n в критериальном уравнении (6)

 

Режим свободной конвекции	(Gr·Pr)	С	n
Пленочный	1·10^-5	0,5	0
Переходный	5·10^2	1,18	0,125
Ламинарный	2·10^7	0,54	0,25
Турбулентный	1·10^15	0,135	0,33

 

Таблица 4.3. Теплофизические   свойства  сухого воздуха при Р=0,101 МПа

 

t0, ^0С	р, кг/м^3	l, Вт/м·К	v, м^2/с	с, кДж/кг·К	Pr
0	1.293	0.0244	13.2*10^-6	1.005	0.707
20	1.205	0.0259	15.1*10^-6	1.005	0.703
40	1.128	0.0267	17.0*10^-6	1.005	0.699
60	1.029	0.0290	18.0*10^-6	1.005	0.696
80	1.000	0.0305	21.1*10^-6	1.009	0.692
100	0.946	0.0321	23.1*10^-6	1.009	0.690