Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ

ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ (способ струны).

1. Цель работы. Определение экспериментальным методом на лабораторной установке коэффициента теплопотери при свободной конвекции в неограниченном пространстве. Исследование методики обработки опытнейших данных с применением теории подобия и составления критериального уравнения по результатам опыта..

2. Главные положения. Термообмен в критериях естественной конвекции осуществляется при местном нагревании либо охлаждении среды, находящейся в Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ограниченном либо неограниченном пространстве. Этот вид конвективного переноса тепла играет преимущественную роль в процессах отопления помещений и имеет значение в разных областях техники. К примеру, нагревание комнатного воздуха отопительными устройствами, также нагревание и остывание ограждающих конструкций помещений (стенки, окна, двери и пр.) осуществляется в критериях естественной конвекции Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ либо так именуемого свободного потока.

Естественная конвекция появляется в неравномерно нагретом газе либо воды, находящейся в ограниченном либо неограниченном пространстве, и может оказывать влияние на конвективный перенос тепла в принужденном потоке среды. В огромных масштабах свободное перемещение масс среды, вызванное различием ее плотностей в отдельных местах места, осуществляется в атмосфере земли, аква Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ местах океанов и морей и т. д.

За счет естественного движения нагретого воздуха в зданиях осуществляется его вентиляция внешним воздухом. Исследованием свободной конвекции занимался еще М. В. Ломоносов, который использовал подъемную силу нагретых масс воздуха для устройства вентиляции шахт, также для перемещения газов в огненных печах. К истинному Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ времени довольно много исследован естественный конвективный термообмен для тел простейшей формы (плита, цилиндр, шар), находящихся в разных средах, заполняющих место бόльших размеров по сопоставлению с размерами самого тела.

Как указывает опыт, нрав свободного течения среды относительно поверхности нагретого тела бывает как ламинарным, так отчасти либо стопроцентно Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ турбулентным.

На рис. 1 показано свободное перемещение комнатного воздуха у вертикально подвешенной нагретой трубы большой длины. На нижнем участке трубы наблюдается ламинарное течение воздуха ввысь. На неком расстоянии от нижнего конца трубы перемещение слоев воздуха теряет ламинарный нрав, появляются отдельные локонообразные массы, возникают искривленные струйки, которые дальше дробятся на более маленькие, и восходящий Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ поток воздуха у нагретой трубы приобретает турбулентный нрав с ламинарным пристенным слоем. Рис. 1 является неплохой иллюстрацией развития и перехода ламинарного течения в турбулентное.

Экспериментально коэффициент теплопотери может быть определен из основного уравнения теплопотери Ньютона-Рихмана

, (1)

где Q – мощность термического потока, передаваемого свободной конвекцией в окружающую среду;

F – теплоотдающая Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ поверхность;

Δt – температурный напор(разность температур меж теплоотающей средой и окружающей средой.

Свободный конвективный термообмен тел в разных средах, находящихся в неограниченном пространстве, экспериментально изучался разными исследователями. Опыты проводились с телами простейшей формы (плиты, цилиндры, шары) с размерами от 15 мк (проволоки) и до 16 м (шары) в разных средах (разные газы и Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ воды).

Результаты исследовательских работ обобщались при помощи соответствующих для этого явления критериев Nu, Gr и Рг, что находится в полном согласовании с теорией подобия и аналитическим решением задачки. Изменение физических характеристик в пограничном слое удается учитывать введением критериального дела представляющего относительное изменение характеристик переноса ν и а в границах конфигурации Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ температуры среды: tп − температур потока среды, tст − температуры среды на границе со стеной.

Академиком М. А. Михеевым и И. М. Михеевой, на основании обобщения результатов экспериментального исследования, рекомендуются последующие формулы для расчета средних критериев термообмена тел в свободном потоке.

Для горизонтальных труб в спектре конфигурации Gr·Pr Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ от 103 до 108:

, (2)

где − средний аспект Нуссельта;

− аспект Грасгофа;

− аспект Прандтля при температуре потока среды;

− аспект Прандтля воды при температуре среды на границе со стеной.

Для вертикальных труб и плит в спектре конфигурации Grп,h Рrп от 103 до 109 (что отвечает ламинарному течению среды):

, (3)

и в спектре конфигурации Grп,h Рrп > 109 (что Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ отвечает турбулентному течению):

, (4)

Для газов отношение не достаточно находится в зависимости от температуры и его можно принять за 1.

Формула (4) для расчета аспекта конвективного термообмена в критериях естественной конвекции при турбулентном режиме течения свойственна тем, что коэффициент теплопотери оказывается не зависящим от размера тела.

Для тонких проволок малого Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ размера, для которых производится условие (Grп,d·Prп) < 103, аспект конвективного термообмена имеет неизменное число:

Nuп,d = 0,5 (5)

Эти предельные меньшие значения аспекта Nu отвечают недвижному пограничному слою, когда теплопотерю можно вычислить конкретно по формулам теплопроводимости.

Меж этим предельным состоянием на сто процентов заторможенной среды в пограничном слое и рассмотренным выше режимом Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ свободной конвекции, при которой в пограничном слое осуществляется течение среды с равноправным ролью инерционных сил и сил внутреннего вязкостного трения, существует режим свободной конвекции с ползущим течением в пограничном слое. Для этого режима силами инерции можно пренебречь и решить задачку конвективного термообмена в виде зависимости:

(6)

В уравнении (6) определяющим размером является поперечник Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ проволоки d, м, а определяющей температурой − температура потока tп, °С. Данная формула справедлива для потока воздуха, у которого аспект Pr ≈ 0,7 и фактически не находится в зависимости от температуры.

Нрав либо режим термообмена Grп,d·Prп С n
псевдотеплопроводнось 1·10-3 ... 5·102 1,18 0,125
ламинарный 5·102 ... 2·107 0,54 0,25
переходный и турбулентный > 2·107 0,135 0,33

Численные значения коэффициента С и Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ показателя степени n в формуле (6) можно принять по таблице

3. Схема и описание установки. В экспериментальной лабораторной установке (рис.2) теплоотдающей стеной является нихромовая проволока 3(струна) длиною 1540 мм и поперечником 0,5 мм, по которой пропускается электронный ток напряжением до 30 в. Таким макаром, размеры струны определяют теплоотдающую поверхность F = 2,419·10-3, м2. Струна удерживается в вертикальном Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ положении стойкой 1 с 2-мя кронштейнами. В верхнем кронштейне 2, изолированном от массы установки, бездвижно закреплен один конец струны. Другой конец струны зажат в головке индикатора часового типа 5. Головка индикатора свободно перемещается в изоляторе-держателе 4 нижнего кронштейна. Груз 6 обеспечивает неизменное по величине натяжение струны. Напряжение от сети 220 в подводится через автотрансформатор Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ к держателю 2 и головке индикатора 5. Для определения мощности термического потока служат вольтметр 7 и амперметр 8.

Все результаты измерений заносятся в протокол наблюдений (табл. 1) при стационарном режиме. О стационарности режима можно судить по неизменности показаний индикатора удлинения струны, т.е. по всепостоянству температуры струны.

Таблица 1.

№ п/п Измеряемая величина Обозна- чение Единицы измерен Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ. Номера опытов
Удлинение струны Δl мм
Сила тока I а
Напряжение U в
Температура среды tокр °С
Показания барометра B мбар

4. Расчетные формулы и расчеты.

4.1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:

, Па (7)

4.2. Температурный напор (разность температур струны и среды) находится по эмпирической формуле зависимо Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ от удлинения струны:

, °С (8)

где Δl − удлинение струны, мм;

4.3. Средняя температура струны:

, °С (9)

4.4. Мощность термического потока, выделенная при прохождении электронного тока по струне:

, Вт (10)

4.5. Мощность термического потока через поверхность струны в окружающую среду за счет термического излучения определяется по закону Стефана-Больцмана:

, Вт (11)

где ε = 0,64...0,76 − степень черноты нихромовой проволоки,

С Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ0 = 5,67 − коэффициент излучения полностью темного тела, Вт/(м2·°К4);

F − теплоотдающая поверхность струны, равная 2,419·10-3, м2.

Таким макаром, с учетом численных значений характеристик:

, Вт (12)

4.6. Тогда мощность термического потока через поверхность струны в окружающую среду за счет свободной конвекции:

, Вт (13)

4.7. Коэффициент теплопотери:

, Вт/(м2·град) (14)

4.8. Теплофизические характеристики воздуха (среды) при определяющей температуре Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ, равной tокр:

плотность , кг/м3 (15)

теплоемкость ср = 1006, Дж/(кг·град)

где R – характеристическая газовая неизменная воздуха, равная 287 Дж/кг·°К.

коэффициент большого расширения , 1/град (16)

коэффициент теплопроводимости λ = 0,000074·tопр + 0,0245, Вт/(м·град) (17)

коэффициент кинематической вязкости ν = (0,000089·tопр2 + 0,088·tопр + 13.,886)·10-6, м2/c (18)

коэффициент температуропроводности , м2/c (19)

4.9. Аспект Нуссельта:

, (20)

4.10. Аспект Грасгофа:

, (21)

4.11. Аспект Прандтля:

, (22)

4.12. Результаты расчетов Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ должны быть продублированы в форме сводной таблицы 2.

Таблица 2.

№ п/п Измеряемая величина Обозна- чение Единицы измерен. Номера опытов
Температурный напор (разность температур струны и среды) Δtm °С
Средняя температура струны tcт °С
Количество тепла, выделенное электронным током Вт
Количество тепла, отданное излучением Вт
Количество тепла Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ, отданное конвекцией Q Вт
Коэффициент теплопотери α Вт /(м2·град)
Коэффициент большого расширения воздуха β 1/град
Теплоемкость воздуха ср Дж/(кг· град)
Коэффициент теплопроводимости воздуха λ Вт /(м·град)
Плотность воздуха ρ кг/м3
Коэффициент температуропроводности воздуха а м2/с
Коэффициент кинематической вязкости воздуха ν м2/с
Аспект Нуссельта Nu
Аспект Грасгофа Gr
Аспект Прандтля Pr
Критериальное Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ уравнение

4.13. По результатам расчетов выстроить в соответственном масштабе в логарифмических координатах график зависимости аспекта Nu от произведения (Gr·Pr)

4.14. Нрав зависимости по п. 4.13. представить в виде прямой полосы. Решив уравнение прямой полосы, получить уравнение (6) в очевидном виде и сопоставить его с табличным значением.

5. Контрольные вопросы.

5.1. Сформулируйте цель лабораторной Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ работы и поясните, как она достигается?

5.2. Назовите главные узлы экспериментальной установки и укажите их предназначение.

5.3. Как определяется средняя температура струны в данной установке?

5.4. Зачем замеряется барометрическое давление в данной работе?

5.5. Как определяется количество теплоты, отданное струной окружающему воздуху средством конвекции?

5.6. Как определяется количество теплоты, отданное струной окружающему воздуху Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ средством излучения?

5.7. Что такое свободная и принужденная конвекция?

5.8. . Каковой физический смысл и размерность коэффициента теплопотери?

5.9. Какие причины определяют интенсивность конвективного термообмена?

5.10. . Что такое аспект подобия?

5.11. Что такое «определяющая температура» и «определяющий» размер?

5.12. Какие аспекты именуются «определяющими» и «определяемыми»?

5.13. . Зачем и как составляются критериальные уравнения?

5.14. Как определяется коэффициент теплопотери α из критериального уравнения?

5.14.Что Работа 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ охарактеризовывают аспекты Nu , Gr , Рr?


rabochej-programmi-uchebnoj-disciplini-kod-goda-utverzhdeniya.html
rabochej-programmi-uchebnoj-disciplini-v-16-issledovanie-operacij-i-metodi-optimizacii-uroven-osnovnoj-obrazovatelnoj-programmi.html
rabochej-uchebnoj-programmi-disciplini-prakticheskij-kurs-pervogo-inostrannogo-yazika-po-ciklu-b-b-02-ochnaya-forma-obucheniya.html