ПРИ ВІЛЬНОМУ РУСІ ПОВІТРЯ

1 МЕТА РОБОТИ

Поглиблення знань по теорії тепловіддачі при вільному русі рідини (газу) − природної конвекції, ознайомлення з методикою дослідного дослідження процесу й одержання навичок проведення експерименту.

У результаті роботи повинні бути встановлені поняття вільного руху рідини, конвективного теплообміну і коефіцієнта тепловіддачі, залежність тепловіддачі від різних факторів.

2 ЗАВДАННЯ

1. Визначити значення коефіцієнта тепловіддачі для горизонтальної труби при вільному русі повітря й установити його залежність від температурного напору.

2. Обробити результати експериментів і представити їх в узагальненому виді.

3. Скласти звіт про виконану роботу.

3 ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

1. Вільним називається такий рух, що виникає внаслідок різниці густини нагрітих часток рідини. Такий рух завжди виникає навколо тіла, якщо температура цього тіла відрізняється від температури навколишнього середовища.

2. Нехай нагріта труба знаходиться в повітрі. Повітря, що знаходиться навколо труби, нагрівається, унаслідок чого густина його зменшується, і він витісняється холодним, що має більш високу густину. При цьому, природно, тепло, сприйняте молекулами повітря від труби, переноситься ними у навколишній простір.

3. Кількість перенесеного тепла буде тим більше, чим більше швидкість руху повітря. А швидкість руху повітря буде тим більше, чим більше різниця густини, тобто різниця температури нагрітих і холодних часток. Отже, тепловіддача тіла, у першу чергу, визначається різницею температури тіла і навколишнього середовища, тобто температурним напором. Крім того, інтенсивність тепловіддачі залежить також від фізичних властивостей середовища, від форми і положення тіла і ряду інших факторів.

Інтенсивність тепловіддачі, тобто коефіцієнт тепловіддачі, визначається з математичного вираження закону Ньютона-Ріхмана:

, Вт (1)

де Q_К − кількість тепла, передана нагрітим тілом у навколишнє середовище шляхом конвекції, Вт;

F − поверхня тіла, м²;

t_С − температура стінки (поверхня тіла), °С;

t_Ж − температура рідини (повітря) на великому видаленні від тіла, °С;

α − коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²×К).

4. Коефіцієнт тепловіддачі α, визначений експериментальним шляхом, залежить від температурного напору: α = f(t_С − t_Ж) = f(Δt). Ця залежність справедлива лише тільки для умов експерименту. Для поширення даних експерименту на інші подібні процеси необхідно отримані результати узагальнити і представити в критеріальному виді:

Nu=f (Gr × Pr), (2)

де Nu = a × d/λ − критерій Нуссельта (безрозмірний коефіцієнт тепловіддачі);

Gr = β×g×Δt×d³/ν² − критерій Грасгофа (критерій вільного руху);

Pr = ν /a − критерій Прандтля (критерій температурних і теплових полів);

λ − коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м×К);

а − коефіцієнт температуропровідності, м²/с;

ν − коефіцієнт кінематичної в'язкості, м²/с;

β − коефіцієнт об'ємного розширення газу, 1/K; β = 1/273 K^-1 ;

g = 9,81 м/с² −прискорення сили ваги.

Рівняння (2) безрозмірно і тому придатне для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі для всіх геометрично подібних систем, що відрізняються фізичними властивостями середовища.

4 ОПИС УСТАНОВКИ

Установка (рисунок 5) складається з лабораторного столу з вертикальною стінкою, на якій у горизонтальному положенні укріплений об'єкт дослідження, що представляє собою мідну трубку 1 зовнішнім діаметром d=40 мм і довжиною ℓ=1500 мм. Усередині труби розташований електронагрівник 2. Внутрішній простір між електронагрівником і трубою заповнено мідними обпилюваннями для усунення внутрішньої конвекції і для рівномір-

номірного розподілу тепла по довжині труби. Електронагрівник підключається до мережі перемінного струму U=230 В через лабораторний трансформатор 3. ЛАТР призначений для регулювання і підтримки потужності, що підводиться. Напруга після Латра виміряється вольтметром 4. Для виміру температури в поверхневому шарі труби по всій її довжині рівномірно розташовано 6 хромель-алюмелевих термопар 5 з кутовим зрушенням 60°. Холодні спаї термопар поміщені в судину Дьюара 7, заповнену льодом, що тане. Підключення термопар до потенціометра здійснюється за допомогою багатоточечного перемикача 8. Включення і вимикання всієї установки виробляється вимикачем 9.

5 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

1. Після ознайомлення з інструкцією і підготовки журналу для запису експериментальних даних одержати у викладача дозвіл на проведення роботи.

2. Включення установки виробляється викладачем чи лаборантом.

3. За допомогою Латра і вольтметра установити і підтримувати необхідну постійну потужність на електронагрівнику.

4. Виміри температури робити при строго сталому тепловому режимі, що настає через 30 - 40 хв. після включення установки, з інтервалом 3 - 5 хв., у т.ч. 4 - 5 вимірів при сталому режимі.

5. Для переходу на новий тепловий режим треба змінити витрату електроенергії за допомогою Латра. Через 30 хв. почати виміри, як у п.4.

Для виконання роботи в повному обсязі необхідно провести досвіди при трьох - чотирьох різних температурах стінки труби.

Примітки. Рекомендується наступна послідовність установки режимів:

а) режим №1. Установити напругу 140 В. Через 15 хв. установити 110 − 120 В і підтримувати цю напругу до кінця досвіду;

б) режим №2. З метою прискорення охолодження труби установити напругу 0 − 10 В. Через 15 хв. установити 60 − 90 В і підтримувати цю напругу до кінця досвіду;

в) режим №3. Зняти напругу на 15 хв., потім установити 50-60 В;

г) режим №4. Зняти напругу на 15 хв., потім установити 30-40 В.

6. Температура повітря виміряється ртутним термометром удалині від установки.

Зразкова форма журналу спостережень

6 ОБРОБКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДАНИХ

Коефіцієнт тепловіддачі в кожнім досліді визначається вираженням:

, Вт/(м²×К) (3)

де d − діаметр трубки, м;

ℓ − довжина трубки, м;

Dt_СР= t_СР − t_В;

t_СР − середня температура стінки по 3-4 останніх вимірах;

t_В − температура повітря наприкінці досліду.

Тепловий потік, переданий трубкою шляхом конвекції, визначається з рівності:

, Вт

де Q − тепловий потік, що знімається з нагрівача, і переданий у зовнішнє середовище шляхом конвекції і випромінювання, Вт. Q=W;

W − потужність, споживана електронагрівником

W=U²/R, (4)

U − напруга, В;

R = 28 Ом − опір нагрівача.

Q_Л − тепловий потік, переданий шляхом теплового випромінювання, Вт

Рисунок 5 − Схема експериментальної установки

, (5)

де С − приведений коефіцієнт випромінювання, Вт/(м²×К⁴);

F=p×d×ℓ − поверхня трубки, м²;

Т_С − температура стінки, К;

Т_ОКР − температура навколишнього середовища, К.

Приведений коефіцієнт випромінювання дорівнює коефіцієнту випромінювання дослідної труби, тому що поверхня навколишніх тіл у багато разів більше поверхні труби. Для мідної слабко полірованої труби С= 1,0 Вт/(м²×К⁴).

При первинній обробці результати дослідів представляються графічно у виді залежності:

a=f(Dt). (6)

Залежність (6) строго справедлива для дослідної труби. Для поширення отриманих результатів на весь клас подібних явищ (теплопередача вільною конвекцією від горизонтальної труби будь-яких розмірів у середовище з будь-якими теплофізичними властивостями при будь-якому температурному напорі) необхідно експериментальні дані узагальнити і представити у виді критеріальної залежності:

Nu=f(Gr×Pr). (7)

Фізичні параметри повітря (λ, ν, Pr) приведені в додатку і розраховуються для температури t_СР = 0,5(t_С + t_В).

Обчислення критеріїв подоби виробляється для кожного температурного режиму.

Отримані значення критеріїв наносять на графік (у логарифмічному масштабі) lg Nu = lg (Gr Pr) і через точки проводять пряму. Рівняння цієї прямої має наступний вид:

lg Nu = lg C + n lg (Gr Pr). (8)

Постійна n визначається тангенсом кута нахилу прямої до осі абцис, а постійна С знаходиться зі співвідношення для будь-якої точки прямої з рівняння Nu = С(Gr×Pr)ⁿ:

. (9)

Рівняння (8) справедливо для подібних явищ в інтервалі обмірюваних значень добутку (Gr Pr).

7 УКАЗІВКИ ДО ОФОРМЛЕННЯ ЗВІТУ

Звіт повинний містити короткі теоретичні положення, опис і схему лабораторної установки, журнал спостережень, розрахунки a і графік залежності a=f(Dt), розрахунок і графічну побудову критеріальної залежності Nu=f(Gr×Pr), висновки по роботі.

8 ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ

Установка обладнана електронагрівником, приладами регулювання і вимірів електричних параметрів. Температура поверхні дослідної труби може знаходитися в інтервалі 50 − 250°С, температура достатня для одержання опіків.

УВАЗІ СТУДЕНТІВ!

1. При виконанні роботи не доторкайтеся до досвідченої труби і струмопровідних проводів.

2. Студентам дозволяється користатися тільки рукоятками автотрансформатора і перемикача термопар.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7

Поиск по сайту: