 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Основные обозначения
L – длина, [м]
d – диаметр, [м]
f – площадь поперечного сечения, [м2]
H – поверхность, [м2]
t - время, [сек.]
t – температура, [оС]
T – абсолютная температура, [К]
tf – температура жидкости, газа, [oС]
tw – температура стенки, [oС]
Q – тепловой поток, [Вт]
q – плотность теплового потока, [Вт/м2]
q1 – линейная плотность потока на единицу длины трубы, [Вт/м]
k – коэффициент теплопередачи, [Вт/м2×град.]
l - коэффициент теплопроводности, [Вт/м×град.]
E – излучательная способность [Вт/м2]
с – коэффициент излучения, [Вт/м2×К4]
e - степень черноты,
u - удельный объем, [м3/кг]
r - плотность, [кг/м3]
m - коэффициент динамической вязкости, [кг/м×сек.]
n - коэффициент кинематической вязкости, [м2/с]
а – коэффициент температуропроводности, [м2/с]
b - коэффициент объемного расширения, [1/К]
g – ускорение силы тяжести, [м/с2]
U – падение напряжения, [B]
I – сила тока, [A]
– характерный размер, [м]
Безразмерные параметры:
Re – число Рейнольдса, Gr – число Грасгофа,
Nu – число Нуссельта, Pr – число Прандтля.
5.4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ТРУБЫ
5.4.1. Цель работы
1. Изучение процесса теплопроводности.
2. Ознакомление с одним из экспериментальных методов.
3. Получение навыков в проведении эксперимента.
5.4.2. Задание
1. Определить коэффициент теплопроводности двух исследуемых материалов.
2. Установить зависимость коэффициентов теплопроводности от температуры.
3. Сопоставить между собой полученные данные.
4. Составить отчет по работе.
Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепла путем непосредственного соприкосновения беспорядочно движущихся (колеблющихся) структурных частиц вещества – молекул, атомов, электронов. Это так называемый молекулярный способ переноса тепловой энергии, который может осуществляться в любых термически неравновесных (т.е. имеющих различные температуры) телах или системах тел.
В основу теории теплопроводности положен закон Фурье – тепловой поток прямо пропорционален температурному градиенту:
, (5.1)
где
Н – площадь поверхности, через которую проходит тепло, [м2];
l - коэффициент теплопроводности;
- температурный градиент, [К/м], [oC/м].
Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел проводить тепло:
, (5.2)
По своему физическому смыслу коэффициент теплопроводности представляет собой количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице, или другими словами, это тепловой поток в единицу времени через единицу изотермической поверхности при изменении температуры на единицу толщины стенки в один градус. Коэффициент теплопроводности зависит от природы тела, его пористости, влажности, давления, температуры и других параметров. Для всех материалов с изменением температуры l изменяется по линейному закону во всем рассматриваемом интервале температур:
, (5.3)
где
lо – коэффициент теплопроводности при 0 оС;
b – постоянная, характеризующая приращение (уменьшение) l материала при повышении его температуры на 1 оС.
Численное значение коэффициента теплопроводности определяется опытным путем различными методами (шара, плиты и др). Для теплоизоляционных материалов (l ≤ 0,3 [Вт/м×К]) наибольшее распространение получил метод трубы (цилиндра), сущность которого заключается в следующем.
При установившемся тепловом режиме количество тепла Q, передаваемого в единицу времени от внутренней поверхности цилиндра к наружной на участке длиной L, определяется согласно закону Фурье для цилиндрической стенки:
. (5.4)
Установившийся (стационарный) режим предполагает неизменность температур t1 и t2 на внутренней и внешней поверхностях стенки диаметром, соответственно d1 и d2 (см. рис. 1), в различные моменты времени.
Таким образом, если коэффициент теплопроводности рассматривать как постоянную в диапазоне температур t1-t2 величину, то измерив значения t1, t2, Q, его можно вычислить из уравнения
. (5.5)
5.4.3. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рис. 5.1, предназначена для определения коэффициентов теплопроводности двух различных материалов. Она состоит из двух элементов, которые отличаются один от другого только материалом испытуемой изоляции, поэтому в дальнейшем будет описано устройство лишь одного элемента. Он представляет собой медную трубу (13) наружным диаметром d1 =12 мм и длиной L =350 мм, на которую нанесен слой испытуемой изоляции (14) диаметром d2 =24мм. Внутри трубы помещена спираль (15), по которой пропускается электрический ток, служащий источником тепла. Все выделяющееся тепло Q передается через цилиндрическую поверхность испытуемой изоляции. Величина Q определяется по показаниям вольтметра и амперметра и для каждого из двух элементов равна:
, [Вт]. (5.6)
4.4.4. Порядок проведения опытов и обработка результатов эксперимента
Измерение температуры исследуемых материалов производится при помощи термопар (1-12). Горячие спаи термопар заложены на внутренней (№№ 1, 2, 3 в первом элементе и №№ 7, 8, 9 во втором элементе) и наружной (№№ 4, 5, 6 в первом элементе, и №№ 10, 11, 12 во втором элементе) поверхностях испытуемого материала. Переключение термопар производится переключателем (17). Результаты замеров вносятся в журнал наблюдений (табл. 5.1)
Убедившись, что режим работы установки стационарный (установившийся), провести после этого не менее 3-х замеров с интервалом 1-2 минуты.
Следующий опыт проводится аналогично первому при другом температурном режиме, для этого изменяют мощность тока. Замеры на 2-ом режиме начинают через 3-5 мин, после смены режима. Определение коэффициента теплопроводности производится по формуле (5.5).
Для выяснения зависимости коэффициента теплопроводности от температуры необходимо построить два графика lср = f(tср), где 
для различных элементов 2-х режимов.
Рис. 5.1. Схема лабораторной установки
5.4.5. Содержание отчета
1. Задание.
2. Журналы наблюдений.
3. Обработка результатов опытов.
4. График зависимости коэффициентов теплопроводности от средней температуры исследуемых материалов.
5. Сравнение полученных результатов с литературными данными и между собой.
Таблица 5.1
Журнал наблюдений к работе №1
| Режим 1 | |||||||||
| Элемент 1 | Элемент 2 | ||||||||
| Замер 1 | Замер 2 | Замер 3 | Замер 1 | Замер 2 | Замер 3 | ||||
| Напряжение на нагревателе, U | |||||||||
| Сила тока на нагревателе, I | |||||||||
| Тепловой поток Q = U × I / 2 | |||||||||
| Темпера-туры на внутрен-ней поверх-ности изоляции | Номера термопар | ||||||||
| Эл. 1 | Эл. 2 | ||||||||
| Среднее значение t1 | Температуры | ||||||||
| Темпера-туры на внешней поверх-ности изоляции | Номера термопар | ||||||||
| Эл. 1 | Эл. 2 | ||||||||
| Среднее значение температуры t2 | |||||||||
| Расчет коэффициента теплопроводности l | |||||||||
5.4.6. Вопросы для самостоятельной проверки
1. Физическая сущность процесса теплопроводности.
2. Содержание основного закона теплопроводности и его приложение к телам простой геометрической формы.
3. Коэффициент теплопроводности и факторы, влияющие на его величину.
4. Расчетные зависимости, положенные в основу опытного определения коэффициента теплопроводности.
5. Устройство опытной установки.
6. Обработка опытных данных.
5.4.7. Защита лабораторной работы №1
Для защиты лабораторной работы №1 следует ответить на 10 вопросов по теме «Теплопроводность» из раздела «Контрольные вопросы к лабораторным работам» (см. стр.135). При ответе можно допустить не более двух ошибок. Если для защиты используется ЭВМ, то рекомендуется вначале работать в режиме «обучение». При этом машина будет воспринимать только правильные ответы и не допустит к следующему вопросу, если не дан правильный ответ на предыдущий. В режиме «зачет» машина реагирует на любой ответ и в завершении работы выставляет оценку.
5.5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТЕЛА
5.5.1. Цель работы
1. Закрепление знаний по тепловому излучению.
2. Ознакомление с методикой проведения экспериментов по определению степени черноты тела.
3. Развитие навыков проведения экспериментов.
5.5.2. Задание
1. Определить степень черноты e и коэффициент излучения поверхностей 2-х различных материалов (меди и алюминия).
2. Установить зависимость изменения степени черноты от температуры поверхности.
3. Сравнить значение степени черноты меди и алюминия между собой и со справочными данными.
5.5.3. Краткое теоретическое введение
Тепловое излучение представляет собой процесс переноса тепловой энергии посредством электромагнитных волн. Количество тепла, передаваемого излучением, зависит от свойства излучающего тела и его температуры и не зависит от температуры окружающих тел.
В общем случае тепловой поток, попадающий на тело, частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело (рис. 5.2).
Q = QА + QR + QD,
 |
Рис. 5.2. Схема распределения лучистой энергии
где Q – тепловой поток, падающий на тело;
QА – количество тепла, поглощаемое телом,
QR – количество тепла, отражаемое телом,
QD – количество тепла, проходящего сквозь тело.
Делим правую и левую части на тепловой поток:
Величины A, R, D, называются соответственно: поглощательной, отражательной и пропускательной способностью тела.
Если R =D=0, то A =1, т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, поглощается. Такое тело называется абсолютно черным.
Тела, у которых A = D =0, R =1, т.е. весь тепловой поток, падающий на тело, отражается от него, называются белыми. При этом, если отражение от поверхности подчиняется законам оптики тела называют зеркальными - если отражение диффузное - абсолютно белыми.
Тела, у которых A = R =0 и D =1, т.е. весь поток, падающий на тело, проходит сквозь него, называются диатермичными или абсолютно прозрачными.
Абсолютных тел в природе не существует, однако понятие о таких телах очень полезно, особенно об абсолютно черном теле, так как законы, управляющие его излучением, особенно просты, потому что никакое излучение не отражается от его поверхности.
Кроме того, понятие абсолютно черного тела дает возможность доказать, что в природе не существует таких тел, которые излучают больше тепла, чем черные. Например, в соответствии с законом Кирхгофа отношение излучательной способности тела Е и его поглощательной способности А одинаково для всех тел и зависит только от температуры, для всех тел, включая и абсолютно черное, при данной температуре:
.
(5.7)
Так как поглощательная способность абсолютно черного тела Ao =1, а A1 и A2 и т.д. всегда меньше 1, то из закона Кирхгофа следует, что предельной излучательной способностью Eo обладает абсолютно черное тело. Поскольку в природе абсолютно черных тел нет, вводится понятие серого тела, его степени черноты e, представляющее собой отношение излучательной способности серого и абсолютно черного тела:
.
Следуя закону Кирхгофа и учитывая, что Ao =1, можно записать 
, откуда A = e, т.е. степень черноты характеризует как относительную излучательную, так и поглощательную способность тела. Основным законом излучения, отражающего зависимость интенсивности излучения Eo, отнесенную к этому диапазону длин волн (монохроматическое излучение), является закон Планка.
,
где l - длина волн, [м];
С1 =3,74×10-6 вт×м2, С2 =1,4338×10-2 м×K;
C1 и С2 – первая и вторая постоянные Планка.
 |
На рис. 5.3 это уравнение представлено графически.
Рис. 5.3. Графическое представление закона Планка
Как видно из графика, абсолютно черное тело излучает при любой температуре в широком диапазоне длин волн. С возрастанием температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн. Это явление описывается законом Вина:
lmaxT =2,898×10-3 м×K,
где lmax – длина волны, соответствующая максимуму интенсивности излучения.
При значениях lT >> С2 вместо закона Планка можно применять закон Релея-Джинса, который носит кроме того название «закон длинноволнового излучения»:
, (5.8)
Интенсивность излучения, отнесенная ко всему интервалу длин волн от l=0 до l =(интегральное излучение), можно определить из закона Планка путем интегрирования:
, 
(5.9)
где Сo =5,67 Вт/(м2×K4) – коэффициент абсолютно черного тела. Выражение (5.9) носит название закона Стефана-Больцмана, который был установлен Больцманом. Для серых тел закон Стефана-Больцмана записывают в виде
. (5.10)
С = Сoe - излучательная способность серого тела. Теплообмен излучением между двумя поверхностями определяется на основании закона Стефана-Больцмана и имеет вид
, (5.11)
где eПР – приведенная степень черноты двух тел с поверхностями Н1 и Н2;
. (5.12)
Если Н1<< Н2 то приведенная степень черноты становится равной степени черноты поверхности Н1, т.е. eПР =e1. Это обстоятельство положено в основу метода определения излучательной способности и степени черноты серых тел, имеющих незначительные размеры по сравнению с телами, обменивающимися между собой лучистой энергией
. (5.13)
Как видно из формулы (5.13), для определения степени черноты и излучательной способности С серого тела необходимо знать температуру поверхности TW испытуемого тела, температуру Tf окружающей среды и лучистый тепловой поток с поверхности тела QИ. Температуры TW и Tf могут быть замерены известными способами, а лучистый тепловой поток определяется из следующих соображений:
Распространение тепла с поверхности тел в окружающее пространство происходит посредством излучения и теплоотдачи при свободной конвекции. Полный поток Q с поверхности, тела, таким образом, будет равен:
Q = QЛ + QК , откуда QЛ = Q - QK; (5.14)
QK – конвективная составляющая теплового потока, которая может быть определена по закону Ньютона:
QK = aK H (tw - tf) (5.15)
В свою очередь, коэффициент теплоотдачи aК может быть определен из выражения (см. работу №3):
aК = Nuf af / d (5.16)
где Nuf = c (Grf Prf )n. (5.17)
Определяющей температурой в этих выражениях является температура окружающей среды tf.
5.5.4. Схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рис. 4, предназначена для определения степени черноты двух тел - меди и алюминия. Исследуемые тела представляют собой медную (9) и алюминиевую (10) трубки (элементы №1 и 2) диаметром d1 =18мм и d2 =20мм длиной L =460мм, расположенные горизонтально. Внутри трубок размещены электронагреватели 11 из нихромовой проволоки, служащие источником тепла. Тепловой поток распределяется равномерно по длине трубы. При стационарном режиме все тепло, выделяемое электронагревателем, передается через поверхность трубы в окружающую среду. Полная теплоотдача Q с поверхности трубы определяется по расходу электроэнергии. Потребляемая мощность электроэнергии регулируется автотрансформатором и измеряется амперметром и вольтметром или ваттметром.
Рис. 5.4. Схема экспериментальной установки
Для уменьшения потерь тепла с торцов трубок располагают теплоизолирующие заглушки (12). Для измерения температуры поверхности в стенках каждой из трубок заложено по 5 – медь-константовых термопар (№№ 1-5 первая труба и №№ 7-11 вторая труба). Термопары поочередно подключаются к измерительному прибору (13) при помощи переключателя (14).
5.5.5. Порядок проведения опытов и обработка результатов
Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, необходимо познакомиться с теоретическим материалом и устройством установки. Работа проводится на двух режимах.
Таблица 5.2
Расчетная таблица к работе № 2
| № п/п | Наименование величины | Определение величин и расчетные соотношения | Первый режим | |
| Элемент 1 | Элемент 2 | |||
| 1. | Критерий Грасгоффа | 
| ||
| а. | Коэффициент объемного расширения | 
| ||
| в. | Температурный напор | Dt = tw - tf | ||
| с. | Коэффициент кинематической вязкости воздуха | nf, м2/сек | ||
| 2. | Критерий Нуссельта | Nuf = c (Сrf Prf) n | ||
| а. | Критерий Прандтля | Prf | ||
| в. | Коэффициенты, выбираются из табл. 6.2. (см. работу № 3) | c | ||
| n | ||||
| 3. | Поверхность трубы | 
| ||
| 4. | Коэффициент теплоотдачи | 
| ||
| а. | Коэффициент теплопроводности воздуха. | lf | ||
| 5. | Конвективная составляющая теплового потока. | 
| ||
| 6. | Величина лучистого теплового потока | 
| ||
| 7. | Степень черноты | 
| ||
| 8. | Коэффициент излучения | 
| ||
| 9. | Среднее значение степени черноты | 
|
После снятия замеров на 1-ом режиме необходимо показать преподавателю журнал наблюдений, после чего установить 2-ой тепловой режим. Установившийся тепловой режим наступает приблизительно через 3-5 мин. при выполнении работы на ПЭВМ.
На каждом из режимов необходимо произвести с интервалом 2-3 мин. не менее 2-х замеров температуры на каждой из термопар и мощности по показаниям вольтметра и амперметра. Данные замеров занести в журнал наблюдений – табл. 5.1. Замеры производить только на установившемся режиме. Результаты расчетов свести в табл. 5.3. По полученным данным построить графики e = f (t) для 2-х испытуемых материалов. Полученные данные сравнить со справочными (табл. 1 – приложения).
Физические параметры воздуха берутся из табл. 3 приложения при определяющей температуре tf.
Расчет работы ведется по табл. 5.2.
Таблица 5.3
Журнал наблюдений к работам № 2, 3, 4
| Режим 1 | |||||
| Элемент 1 | Элемент 2 | ||||
| Номер замера | |||||
| Напряжение U | |||||
| Сила тока I | |||||
| Тепловой поток Q = U × I / 2 | |||||
| Температуры поверхности труб | |||||
| Номер термопары | |||||
| Эл. 1 | Эл.2 | ||||
| Среднее значение температуры | |||||
| Температура воздуха (показания ДТВ) |
5.5.6. Содержание отчета
1. Журнал наблюдений.
2. Обработка результатов опыта.
3. Сопоставление полученных данных между собой и со справочными данными.
4. Построение графика e = f (t) для исследуемых материалов.
5.5.7. Вопросы для самостоятельной проработки
1. Какова природа теплового излучения? От каких факторов зависит излучение тел?
2. Что такое селективный спектр и монохроматическое излучение?
3. Дайте определение абсолютно черного и серого тел, поглощательной способности степени черноты. Докажите, что коэффициент поглощения серого тела равен степени его черноты.
5.5.8. Защита работы
Для защиты работы необходимо ответить на 10 вопросов по теме «Тепловое излучение» (см. раздел «Контрольные вопросы к лабораторным работам»).
5.6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ТРУБ РАЗЛИЧНЫХ ДИАМЕТРОВ,
ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ОДИНАКОВОГО МАТЕРИАЛА
5.6.1. Цель работы
1. Изучение процесса конвективного теплообмена.
2. Установление зависимости коэффициента теплоотдачи a от температуры и диаметра трубы или площади ее поверхности (поверхности теплоотдачи).
Задание:
1. Определить коэффициенты теплоотдачи a1 и a2 от двух горизонтальных труб различного диаметра, выполненных из одинакового материала.
2. Установить, как влияет величина диаметра трубы на коэффициент теплоотдачи. Ввиду того, что длина труб одинакова, площадь боковой поверхности труб определяется только значением диаметра, следовательно, установив зависимость a = f (d), одновременно устанавливается вид зависимости a = f (H).
3. Установить зависимость a от температуры поверхности трубы. Построить график зависимости, a=f (t).
5.6.2. Краткое теоретическое введение
Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости, или наоборот, от жидкости или газа к поверхности. Механизм теплоотдачи включает в себя теплопроводность внутри тонкого неподвижного слоя газа или жидкости у поверхности (пограничный слой) и конвекцию, т.е. способ передачи тепла, связанный с перемещением макрообъемов газа или жидкости.
Процесс теплопроводности в пограничном слое подчиняется законам, изложенным в работе №1.
Конвекция может быть свободной или вынужденной. При вынужденной конвекции перемещение различно нагретых объемов жидкости происходит под действием какого-либо постороннего источника движения (насоса, вентилятора, компрессора и т.д.)
Свободная конвекция возникает при соблюдении двух условий. 1. Наличия разности температур, и, следовательно, разности плотностей в объеме теплоносителя. В исследуемом случае разность температур создается между поверхностью трубы и окружающей средой.
2. Наличия поля тяготения. Необходимость этого условия становится ясной из следующих соображений: если в объеме теплоносителя, имеющего температуру t1, возник некоторый объем с температурой t2, то плотность последнего объема становится либо больше (если t2 < t1), либо меньше (t2 > t1) по сравнению с первоначальной. Тогда рассматриваемый объем, имеющий температуру t2, в силу закона Архимеда будет либо всплывать, либо опускаться относительно всего объема теплоносителя, т.к. он стал легче или тяжелее окружающих слоев газа или жидкости. Но понятия «легкий» и «тяжелый» справедливы в поле сил тяготения. При его отсутствии (в невесомости) свободная конвекция не возникает.
Одной из важнейших задач расчетов конвективного теплообмена является определение количества тепла, отдаваемого или принимаемого той или иной поверхностью теплообмена. Это количество тепла определяется по закону Ньютона:
. (5.17)
Здесь aК – основная характеристика конвективного теплообмена как при свободной, так и при вынужденной конвекции. Этот коэффициент носит название коэффициента теплоотдачи и представляет собой количество тепла, отдаваемое или принимаемое единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и теплоносителем в один градус. Следовательно, его размерность Дж/(м2×с×град)=Вт/м2×град. Определение величины aК представляет значительные трудности, т.к. aК зависит от многих факторов, например, геометрии поверхности, свойств теплоносителя, температуры и т.д.
Величина aК определяется обычно из критериальных уравнений, полученных на основании теорий подобия и размерностей. Например, теплоотдача в условиях вынужденной конвекции описывается уравнением
Nu = c Ren Prm, (5.18)
а в условиях свободной конвекции
Nu = c Сrn Prm, (5.19)
в частности для газов,
Nu = c (Сr Pr) n . (5.20)
В уравнениях (5.18), (5.19), (5.20) Nu - критерий Нуссельта, который служит для определения коэффициента теплоотдачи aK:
(5.21)
Понятие о критериях подобия, входящих в уравнение (5.18), (5.19), (5.20) вводится при помощи специальной теории, называемой теорией подобия.
Их физический смысл объяснен в табл. 5.4.
Таблица 5.4
Основные критерии подобия
| Наименование критерия | Формула | Что характеризует |
| 1. Критерий Нуссельта | 
| Интенсивность теплообмена на границе стенка-жидкость |
| 2. Критерий Рейнольдса | 
| Соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости |
| 3. Критерий Грасгофа | 
| Соотношение подъемных сил и вязкости |
| 4. Критерий Прандтля | 
| Физические свойства жидкости |
В критериях Нуссельта, Грасгофа, Рейнольдса содержится величина, называемая определяющим линейным размером 
. Выбор этого размера для каждого конкретного случая производится так, чтобы был учтен тот путь, который проходит нагреваемый (охлаждаемый) теплоноситель около поверхности. Например, воздух вдоль вертикальной трубы проходит путь, равный длине трубы, а горизонтальную трубу воздух обтекает по диаметру. Значит, в первом случае 
трубы, а во втором 
.
В упомянутые критерии подобия входят также свойства теплоносителя: l - коэффициент теплопроводности, n - коэффициент кинематической вязкости и b - коэффициент объемного расширения. Эти параметры, а также критерий Pr выбираются из табл. 3. приложения. Коэффициент объемного расширения для воздуха может также определятся из выражения
. (5.22)
Таблица 5.5
Коэффициенты в критериальных уравнениях
| CrPr | c | N |
| от 0 до 5×102 | 1,18 | 0,125 |
| от 5×102 до 2×107 | 0,54 | 0,25 |
| от 2×107 и выше | 0,135 | 0,33 |
Следует отметить, что количество тепла Q, передаваемое трубой в окружающее пространство, определяется по мощности, потребляемой электронагревателем. Это количество тепла передается окружающей среде путем теплообмена и радиации (излучения).
Коэффициент теплоотдачи aK вычисляется (для последующего определения критерия Нуссельта) по доле конвективной составляющей теплового потока:
. (5.23)
В свою очередь, конвективная составляющая теплового потока QK определяется как полный тепловой поток за вычетом радиационной составляющей QИ:
QK = Q – QИ, (5.24)
, (5.25)
где eПР – приведенная степень черноты (см. табл. 1 приложения), Со = 5,67 Вт / (М2 К 2) – коэффициент излучения абсолютно черного тела. Необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи a по классическому уравнению (5.23) и сравнить его с опытом.
5.6.3. Экспериментальная установка
Схема экспериментальной установки аналогична рис. 5.4 (работа № 2). Отличия заключаются в том, что в данной работе обе трубы выполнены из одинакового материала и имеют различные диаметры d1 = 15 мм и d2 = 20 мм. Длины труб одинаковы и равны L = 460 мм.
Таблица 5.6
Расчетная таблица к работам № 3и 4
| Наименование величин | Расчетные формулы | Режим 1 | Режим 2 | |||
| Элемент 1 | Элемент 2 | Элемент 1 | Элемент 2 | |||
| Температура поверхности трубы | Tw | - | ||||
| Температура окр. среды | Tf | - | ||||
| Тепловой поток | Q | - | ||||
| Поверхность трубы | H | H = p d
| ||||
| Величина лучистого теплового потока | QИ | 
| ||||
| Конвективная составляющая теплового потока | QK | Qk = Q - QИ | ||||
| Коэффициент теплоотдачи опытный | aK | 
| ||||
| Коэффициент кинематической вязкости | nf | - | ||||
| Критерий Прандтля | Pr | - | ||||
| Коэффициент теплопроводности | lf | - | ||||
| Коэффициент объемного расширения | b | 
| ||||
| Критерий Нуссельта | Nu | 
| ||||
| Критерий Грасгофа | Gr | 
| ||||
| Произведение (Gr × Pr) | - | - | ||||
| Расчетный критерий Цуссельта | Nup | 
| ||||
| а) показатель | n | |||||
| б) постоянная (выбирается из табл. 6.2) | c | |||||
| Коэффициент теплоотдачи (расчетный) | ap | 
|
5.6.4. Порядок проведения опытов и обработка результатов.
После ознакомления с теорией и устройством установки можно приступить к проведению эксперимента. Работа выполняется в двух режимах, отличающихся величиной теплового потока, выделяемого трубами. Оба режима должны быть стационарными.
Время, необходимое для установления стационарности нового режима, составляет примерно 3-5 минут.
Журнал наблюдений для значений замеряемых параметров такой же, как и в работе № 2.
Расчет работы ведется по табл. 5.6.
5.7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ
ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРУБ ОДИНАКОВОГО
ДИАМЕТРА, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ОДИНАКОВОГО МАТЕРИАЛА
5.7.1. Цель работы
1. Дальнейшее изучение конвективного теплообмена.
2. Установление качественной зависимости коэффициента теплоотдачи от геометрического положения, теплоотдающей поверхности (трубы) в пространстве.
5.7.2. Задание
1. Определить коэффициенты теплоотдачи a1 и a2 от двух труб одинакового диаметра, изготовленных из одного материала, одна из которых вертикальная, а вторая – горизонтальная. Отметим, что, как и в предыдущих работах, на обе трубы подается одинаковая мощность тока, т. е. тепловой поток, поступающий от нагревателя, расположенного внутри трубы, одинаков (см. схему рис. 5.4)
2. Установить, влияет ли расположение труб в пространстве на a. Если да, то как, если нет, то почему?
3. На основании данных, полученных в работах 3 и 4, проанализировать влияние различных факторов (величины поверхности, температуры, расположения поверхности в пространстве) на коэффициент теплоотдачи a и на количество тепла, отдаваемое телом (трубой) в окружающую среду.
4. Составить отчет по работе.
5.7.3. Порядок выполнения работы
Схема установки аналогична схеме к работе №2 (стр. 124). Журнал наблюдений такой же, как в работе №2 (стр. 126).
Расчет ведется по таблице к работе №3 (стр. 131). Порядок действий при выполнении работы такой же, как и при выполнении работы №3.
Защита работ 3 и 4 осуществляется также, как и работ 1 и 2 (раздел «Конвективный теплообмен»).
5.8.ПРИЛОЖЕНИЯ
Таблица 5.7
Степень черноты полного излучения различных материалов.
| Материалы и характер поверхности | T, оС | e |
| Алюминий полированный | 225 – 575 | 0,039 – 0,067 |
| Алюминий шероховатый | 0,055 | |
| Алюминий окисленный при 600 оС | 200 - 600 | 0,11 – 0,19 |
| Дюралюминий окисленный | 50 – 150 | 0,36 – 0,37 |
| Дюралюминий полированный | 50 – 150 | 0,061 – 0,062 |
| Железо окисленное гладкое | 125 – 525 | 0,78 – 0,82 |
| Латунь полированная | 245 – 355 | 0,028 – 0,031 |
| Латунь тусклая | 50 – 350 | 0,22 |
| Медь полированная | 0,023 | |
| Медь окисленная при нагреве до 600 оС | 200 – 600 | 0,57 – 0,55 |
| Медь окисленная при 300 оС | 50 – 200 | 0,2 – 0,4 |
| Серебро полированное | 225 – 625 | 0,02 – 0,603 |
| Штукатурка известковая | 10 – 90 | 0,91 |
| Бумага | 0,8 – 0,9 | |
| Сажа ламповая | 40 – 370 | 0,95 |
| Снег | - | 0,96 |
| Масляные краски | 0,92 – 0,96 | |
Таблица 5.8
Приведенные степени черноты.
| Материалы трубы | Приведенная степень черноты |
| Алюминий | 0,10 – 0,13 |
| Медь | 0,23 – 0,26 |
Таблица5.9
Физические свойства сухого воздуха
| t, оС | 
| n ×106 м2/с | Pr |
| 0,0244 | 13,28 | 0,707 | |
| 0,0251 | 14,16 | 0,705 | |
| 0,0259 | 15,06 | 0,703 | |
| 0,0267 | 16,00 | 0,701 | |
| 0,0276 | 16,96 | 0,699 | |
| 0,0283 | 17,25 | 0,699 | |
| 0,0290 | 18,97 | 0,696 | |
| 0,0296 | 10,02 | 0,694 | |
| 0,0305 | 21,09 | 0,692 | |
| 0,0313 | 22,10 | 0,690 | |
| 0,3210 | 23,13 | 0,682 | |
| 0,3340 | 24,65 | 0,686 |
6. Контрольные вопросы (тесты) к лабораторным
Поиск по сайту: