Методические указания к лабораторному практикуму

Тепломассообмен

 

Методические указания к лабораторному практикуму

На персональном компьютере по дисциплинам

«Теоретические основы теплотехники», «Теплотехника»,

 «ТЕПЛОМАССООБМЕН» для студентов специальностей

Тепловые электрические станции,

Эксплуатация судовых энергетических установок, 270109.65 - ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

 

 

Калининград

Издательство ФГОУ ВПО «КГТУ»

 2009

УДК 621.1.016

 

УТВЕРЖДЕНО

Ректором ФГОУ ВПО «Калининградский

государственный технический университет»

 

 

АВТОР- Филонов А. Г., к.т.н., доцент кафедры судовых

энергетических установок и теплоэнергетики

ФГОУ ВПО «Калининградский государственный

технический университет»

 

 

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой судовых энергетических установок 2 ноября 2009г., протокол № 2

 

 

Рецензент- Селин В.В., к.т.н., профессор кафедры судовых энергетических установок и теплоэнергетики ФГОУ ВПО «КГТУ»

 

 

© ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», 2009 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение………………………………………………………………….…….4

1. Лабораторная работа № 1 Определение коэффициента

теплопроводности методом плоского слоя..…..…………….…………….…6

2. Лабораторная работа № 2 Определение коэффициента

теплоотдачи при естественной конвекции около

горизонтального цилиндра..….……………………………………………....17

3. Лабораторная работа № 3 Определение коэффициента

теплоотдачи при естественной конвекции около

вертикального цилиндра…………….……………..………………….……...31

4. Лабораторная работа № 4 Определение коэффициента

теплоотдачи при вынужденном движении воздуха в трубе…...……....…...42

5. Лабораторная работа № 5 Исследование теплообмена

излучением ….……..………….………………………………………………58

6. Приложения….………………………………………………………….…..66

7. Рекомендуемая литература …………………………….………………….72

Введение

Учебные планы специальностей 140101. 65 - Тепловые электрические стан­ции, 180403.65 - Эксплуатация судовых энергетических установок, 270109.65 – Теплогазоснабжение и вентиляция включают в себя дисциплины «Теоретические основы теплотехники», «Теплотехника» и «Тепломассообмен», которые предусматривают проведение лабораторных занятий.

В последние годы в технических вузах практикуются две формы лабораторного практикума по теплотехнике:

- первая - традиционная представляет собой проведение лабораторных работ на реальных экспериментальных стендах, оснащенных необходимой измерительной техникой;

- вторая форма развития лабораторного практикума является новой и заключается в использовании широких возможностей средств вычислительной техники при математическом моделировании реальных процессов, протекающих в элементах теплоэнергетических установок, рассматриваемых в рамках курса «Теплотехника».

Составленная математическая модель, переложенная на машинный язык, позволяет:

- выводить на экран монитора персонального компьютера (ПК) управляемую схему реальной установки с графическим отображением процессов, происходящих в ней во время работы;

- производить ввод исходных данных решаемой инженерной задачи с клавиатуры и считывание величин измеряемых параметров с экрана монитора.

Такая форма проведения лабораторного практикума имеет ряд преимуществ по сравнению с первой:

1. Экспериментальное исследование процесса тепломассообмена сопряжено со значительными трудностями (накладываемые ограничения на параметры и скорости рабочих тел); невозможность использования рабочих участков с различными характерными размерами и теплоносителей разной природы (инертные газы, водород, гелий, азот и т.д.); невозможность работы рабочего участка в широкой области тепловых потоков. Все вышеперечисленные недостатки легко устраняются математическим моделированием на ПК.

2. Проведение исследований по тепломассообмену на реальных установках требует больших затрат учебного времени, так как зачастую исследуются стационарные процессы, которые требуют длительного выхода лабораторной установки на каждую экспериментальную точку. Моделирование на ПК позволяет значительно сократить эту подготовительную фазу эксперимента.

3. Математическое моделирование позволяет более рационально использовать площади учебных лабораторий, так как лабораторные работы в этом случае могут проводиться в любом дисплейном классе, в котором занимаются студенты различных специальностей.

4. Возможность проведения студентом за то же количество аудиторных часов большего количества опытов, что способствует более глубокому пониманию изучаемого материала.

Математическое моделирование на ПК, конечно же, не может полностью заменить проведение экспериментов на реальных лабораторных стендах. Обе эти формы проведения лабораторного практикума по дисциплине «Теплотехника» должны применяться в учебном процессе.

В настоящих методических указаниях приводится описание пяти лабораторных работ, относящихся ко второй группе. Они охватывают разделы дисциплины, посвященные изучению стационарной теплопроводности твердых тел, конвективного и лучистого теплообмена.

При выполнении лабораторных работ в компьютерном классе кафедры СЭУ и ТЭ используется лицензионное программное обеспечение, функционирующее в операционной системе MS DOS, разработанное АОЗТ «Учприбор».

Лабораторная работа № 1

Методом плоского слоя

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплопроводности исследуемого материала стационарным методом плоского слоя при различных значениях его средней температуры.

Основы теории

Теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты в телах, обусловленный наличием градиента температуры. Перенос энергии при этом осуществляется вследствие теплового движения и энергетического взаимодействия между молекулами, атомами, электронами, из которых состоит тело. В чистом виде теплопроводность имеет место только в твердых телах.

Так как тепловое состояние отдельных частей тела в процессе теплопроводности будет различно, то температура в разных точках тела является функцией координат и времени . Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем. Геометрическое место точек тела с одинаковой температурой образует изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются. Они либо замыкаются сами на себя, либо обрываются на границе тела. Количество теплоты Q, проходящее в единицу времени через площадь изотермической поверхности F , называется тепловым потоком. Количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока

 Вт/м².

Выделим на поверхности тела три изотермических поверхности с температурами , . Изменение температуры будет наблюдаться в направлениях, пересекающих изотермические поверхности, например x , y , n (см. рис.1). Наибольшее изменение температуры имеет место в направлении нормали n к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры  к расстоянию между изотермами по нормали  называется градиентом температуры

grad t К/м.

Рис.1. Изотермические поверхности. Градиент температуры

Тепловой поток и его плотность являются векторными величинами, направленными в сторону убывания температуры по нормали к изотермической поверхности, а градиент температуры направлен в противоположную сторону- сторону возрастания температуры. При передаче тепла теплопроводностью плотность теплового потока определяется на основании закона Фурье, согласно которому плотность теплового потока пропорциональна градиенту темпера­туры

, Вт/м²,

где l - коэффициент теплопроводности, Вт/м·К. Значение коэффициента теплопроводности представляет собой количество теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при градиенте температуры, равном единице. Он является физическим параметром вещества и характеризует его способность проводить тепло. Для различных веществ коэффициент теплопроводности l различен и зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Для большинства материалов зависимость l от температуры линейная, т.е. l = l ₀ ·(1+ B · t ), где l ₀ - коэффициент теплопроводности при 0^оС, а В – постоянная, определяемая опытным путём.

Коэффициент теплопроводности газов лежит в пределах (0,005-0,5) Вт/м·К. С повышением температуры он возрастает (см. приложение, табл. П2, П5), а от давления практически не зависит /2/. Коэффициент теплопроводности капельных жидкостей лежит в пределах (0,08-0,7) Вт/м·К. С повышением температуры для большинства жидкостей он убывает, исключение составляют вода и глицерин. Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов лежит в пределах (0,02-3,0) Вт/м·К (см. приложение, табл. П3). С повышением температуры он также увеличивается. Для материалов с высокой плотностью и влажностью коэффициент теплопроводности может быть значительно выше. Материалы, имеющие l менее 0,2 Вт/м·К, часто применяют для тепловой изоляции и называют теплоизоляционными.

Коэффициент теплопроводности металлов лежит в пределах (20-400) Вт/м·К и с повышением температуры - убывает. Он также убывает при наличии в металлах различных примесей. Для чистой меди l 395 Вт/м·К, для алюминия l 210 Вт/м·К.

Основы теории

Конвекция – перенос тепла при перемещении макрочастиц жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в жидкостях и газах, так как перенос тепла связан с переносом самой среды (теплоносителя). Перенос тепла между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела называют конвективным теплообменом или теплоотдачей. При этом перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Различают свободное и вынужденное движения теплоносителя. Свободным называют движение, которое происходит вследствие разности плотностей горячих и холодных масс теплоносителя. Свободное движение теплоносителя называют естественной конвекцией. Вынужденным называют движение теплоносителя за счет действия внешнего источника энергии (насоса, вентилятора). Вынужденное движение теплоносителя может сопровождаться свободным, однако при больших скоростях перемещения теплоносителя влияние свободной конвекции на теплоотдачу невелико.

Тепловой поток, передаваемый теплоотдачей через элемент поверхности тела dF , пропорционален разности температур стенки t _с и теплоносителя t _ж и величине площади теплоотдающей поверхности (закон Ньютона-Рихмана)

 Вт.

Коэффициент пропорциональности  называется коэффициентом теплоотдачи и измеряется в Вт/м²·К. Разность  называют температурным напором теплоотдачи. Если  и  не изменяются по поверхности тела, то

 Вт.                              (2.1)

Из уравнения (2.1) следует, что  - это плотность теплового потока на гра­нице теплоносителя и соприкасающегося тела , Вт/м², отнесённая к разности температур  

 Вт/м²·К.                                 (2.1а)

В общем случае коэффициент  может изменяться по поверхности тела, так же как изменяются t _с и t _ж , поэтому различают локальные (местные) значения , ,  и средние значения , , . Величина коэффициента теплоотдачи зависит от:

- скорости движения теплоносителя , м/с;

- режима движения теплоносителя (ламинарный, переходный, турбулентный), который характеризуется числом Рейнольдса ;

- температурного напора , ⁰С;

- формы и размера тела (характерный размер l);

- расположения тела в пространстве;

- физических свойств теплоносителя (изобарной теплоемкости С_р, коэффициента теплопроводности λ, плотности ρ, коэффициента температуропроводности a , коэффициента объемного расширения β, коэффициента кинематической вязкости υ).

В развитии свободного движения большое значение имеют протяженность поверхности, вдоль которой происходит движение теплоносителя, и её расположение. Свободное движение около нагретой трубы начинается около её нижней поверхности, где образуется тонкий ламинарный слой теплоносителя. По мере подъёма толщина слоя и скорость движения теплоносителя увеличиваются и при определённом её значении течение становится турбулентным.

Переход ламинарного течения в турбулентное у горизонтальных труб происходит в зависимости от их диаметра, свойств теплоносителя, температурного напора . При прочих равных условиях чем больше диаметр трубы, тем вероятнее разрушение ламинарного течения. У трубы малого диаметра разрушение ламинарного течения может происходить вдали от трубы, а у трубы большого диаметра – на её поверхности. Характер свободного движения около горячих горизонтальных труб представлен на рис. 4 /3/.

Рис. 4. Свободное движение около горизонтальных труб

 

Интенсивность теплообмена на границе между стенкой и теплоносителем определяется числом Нуссельта

Nu _{ж d} = a d / l _ж,                                           (2.2)

которое представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи и может быть вычислено по уравнению подобия при 10³ < ( Gr _{ж d} · Pr _ж ) <10⁸ /2, 3/

.             (2.3)

В формуле (2.2) в качестве определяющего размера принят наружный диаметр трубы d, а в качестве определяющей температуры – температура окружающей среды t _ж.

Входящее в выражение (2.3) число Прандтля Pr _ж = n _ж / a _ж является комплексной характеристикой физических свойств теплоносителя. Оно определяет меру подобия полей температур и скоростей в пограничном слое теплоносителя. Число Грасгофа Gr _{ж d} = ( g · b _ж · d ³ ·Δ t ) / ν_ж², определяет гидродинамический режим свободного движения и характеризует подъёмную силу, возникающую вследствие разности плотностей холодного и горячего теплоносителей.

Комплекс учитывает изменение теплофизических свойств теплоносителя в зависимости от его температуры, а также направление вектора плотности теплового потока. При нагреве теплоносителя > 1, а при охлаждении < 1. Для воздуха =1, и уравнение (2.3) принимает вид /2/

 

Порядок проведения опытов

1. Опыты производятся для двух труб с различным наружным диаметром. Для выполнения первой серии опытов необходимо запустить исполняемый файл программы «MMTP003K.exe». На экране высвечивается название лабораторной работы. После нажатия клавишы «enter» на монитор выводится изображение схемы свободного движения воздуха около горизонтальной трубы при малых температурных напорах с графиком распределения локальной скорости теплоносителя по толщине гидродинамического ламинарного слоя у поверхности трубы.

Далее необходимо опять нажать клавишу «enter» и в третьем открывшемся окне по рекомендациям преподавателя из табл. 1 в зависимости от номера варианта ввести конструктивные характеристики рабочего участка : l- обогреваемую длину трубы, м; d- наружный диаметр трубы, мм; δ- толщину стенки трубы, мм. Например: при l = 1,0 м, d = 20 мм и δ = 0,7 мм необходимо последовательно нажать на клавиатуре цифры «6», «1», «3» и подтвердить свой выбор нажатием клавиши «enter». На экране появляется мнемосхема экспериментальной установки, приведенная на рис. 6.

Таблица 1

Конструктивные характеристики рабочего участка	Номер варианта
	1	2	3	4	5	6
l, м	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
d, мм	20,0	26,0	32,0	38,0	44,0	50,0
δ, мм	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0

 

2. Перед проведением опытов изучить мнемосхему и записать показания термометра, измеряющего температуру воздуха в лаборатории вдали от экспериментального участка t_ж , которые выводятся в левом верхнем углу мнемосхемы. Температура окружающей среды регистрируется до и после эксперимента. Определяется её среднее значение, которое записывается в табл. 2.

 

 

Рис. 6. Мнемосхема экспериментальной установки лабораторной работы

«Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции около горизонтального цилиндра»

3. Для выхода на первый режим, нажатием клавиши с цифрой «0», включить тумблер питания цепи электрического нагревателя «S1», при этом на панели цифрового вольтметра появится значение напряжения в цепи нагревателя U= … В, которое заносится в таблицу измерений (табл. 2).

Таблица 2

№ п/п	e1, мВ	e2, мВ	e3, мВ	e4, мВ	e5, мВ	e6, мВ	U, В	tж , 0С
1-я серия опытов l=  м, d =  мм, δ=  мм
1
2
3
2-я серия опытов l=  м, d =  мм, δ=  мм
4
5
6

 

4. Поочередным нажатием клавиш «0», «1», «2», «3», «4,» «5», «6», вывести на панели цифрового милливольтметра значения термо – э.д.с. соответствующих термопар и занести их в табл. 2. Во время проведения измерений термо – э.д.с. термопара, подключаемая к милливольтметру, показывается на мнемосхеме мерцанием. После снятия значений термо – э.д.с. проверяется выход установки на стационарный тепловой режим. Показателем стационарности является выдерживание постоянных показаний однотипных термопар в течение, как минимум, пяти минут.

5. Для выхода на второй режим необходимо с помощью клавиши «7» изменить положение регулятора напряжения автотрансформатора «R», установить на вольтметре следующее новое значение напряжения U, занести его в табл. 2 и повторить действия, приведенные в пункте 4.

6. Аналогично п. 5 произвести выход на третий режим и повторить измерения (п. 4).

7. С помощью клавиши «8» сбросить напряжение на нагревателе, установив регулятор напряжения «R» в исходное положение. Нажав на клавишу «Escape», осуществить выход из программы.

9. Для проведения второй серии опытов необходимо повторить действия по запуску программы, приведенные в п. 1, и в третьем открывшемся окне по рекомендациям преподавателя ввести из табл. 1 в зависимости от номера варианта новые конструктивные характеристики рабочего участка : l , d , δ.

10. Выход на режимы № 4, 5, 6 и снятие показаний вольтметра и термопар на каждом из этих режимов производится в последовательности представленной в п. 2-6. Результаты измерений второй серии опытов занести в табл. 2 и показать преподавателю.

11. Произвести окончательный выход из программы в соответствии с п. 7.

 

Лабораторная работа № 3

Основы теории

При свободном движении жидкости в пограничном слое около вертикальной плоской стенки (трубы) температура жидкости изменяется от  до , а скорость от нуля у стенки проходит через максимум при  и на большом расстоянии от стенки снова становится равной нулю (см. рис. 8а) /2/. Свободное движение около нагретой вертикальной плиты начинается около её нижней поверхности, где образуется тонкий ламинарный слой теплоносителя и локальный коэффициент теплоотдачи  имеет максимальное значение. Вначале толщина слоя δ мала и течение жидкости в нём носит струйный, ламинарный характер. По мере подъёма, толщина слоя и скорость движения теплоносителя увеличиваются, и при определённом её значении течение становится турбулентным с отрывом вихрей от стенки (см. рис. 8б). С изменением характера движения изменяется и теплоотдача.

На начальном участке вследствие увеличения δ локальный коэффициент теплоотдачи  убывает, при появлении переходного режима  начинает резко возрастать и при установившемся турбулентном режиме остаётся постоянным по высоте.

Закономерность средней теплоотдачи для вертикальных поверхностей (трубы, пластины) имеет вид /2/:

- при 10³< ( Gr _{ж h} · Pr _ж ) < 10⁹ (ламинарный режим)

Nu _{ж h} = 0,76·( Gr _{ж h} · Pr _ж )^0,25·( Pr _ж / Pr _ст )^0,25;                                     (3.1)

- при ( Gr _{ж h} · Pr _ж ) > 10⁹ (турбулентный режим)

Nu _{ж h} = 0,15·( Gr _{ж h} · Pr _ж )^0,33·( Pr _ж / Pr _ст )^0,25.                                 (3.2)

                                 а)                                                           б)

Рис. 8: а) Изменение температуры t _ж и скорости W по толщине пограничного слоя; б) Изменение коэффициента теплоотдачи  по высоте вертикальной поверхности при свободном движении среды вдоль нагретой вертикальной пластины (трубы)

 

Для газов Pr = const и Pr _ж / Pr _ст = 1, поэтому приведенные выше формулы (3.1), (3.2) упрощаются /2/

- при 10³< ( Gr _{ж h} · Pr _ж ) < 10⁹ (ламинарный режим)

Nu _{ж h} = 0,76·( Gr _{ж h} · Pr _ж )^0,2 ,                                                (3.3)

- при ( Gr _{ж h} · Pr _ж ) > 10⁹ (турбулентный режим)

Nu _{ж h} = 0,15·( Gr _{ж h} · Pr _ж )^0,33.                                               (3.4)

В формулах (3.1-3.4) в качестве определяющего размера принята высота стенки (длина трубы) h, в качестве определяющей температуры – температура окружа­ющей среды t _ж. Средний по высоте коэффициент теплоотдачи определяется

a = Nu _{ж h} · l _ж / h .                                               (3.5)

Количество передаваемой теплоты при стационарной естественной конвекции около вертикальной поверхности Q и плотность теплового потока q определяются по уравнениям (2.1) и (2.4) соответственно.

 

Порядок проведения опытов

1. Запустить исполняемый файл программы «MMTP004K.exe». На экране высвечивается название лабораторной работы. После нажатия клавишы «enter» на монитор выводится изображение схемы режимов свободного движения теплоносителя в гидродинамическом пограничном слое около вертикальной стенки. Далее необходимо опять нажать клавишу «enter», в третьем открывшемся окне по рекомендациям преподавателя выбрать вид теплоносителя (1 - воздух, 2 -водород, 3 - углекислый газ, 4 - азот) и подтвердить свой выбор, нажатием клавиши «Y». На экране появляется мнемосхема экспериментальной установки, приведенная на рис. 10.

2. Перед проведением опытов изучить мнемосхему и записать показания термометра, измеряющего температуру теплоносителя вдали от экспериментального участка t_ж, которые выводятся в левом верхнем углу мнемосхемы. Температура окружающей среды регистрируется до и после эксперимента и определяется её среднее значение, которое записывается в табл. 1.

3. Для выхода на первый режим, нажатием клавиши с цифрой «А», включить тумблер питания цепи электрического нагревателя «S», при этом на панели цифрового вольтметра появится значение напряжения в цепи нагревателя U = … В, которое заносится в таблицу измерений (табл. 1).

4. Поочередным нажатием клавиш «0» - «9» вывести на панели цифрового милливольтметра значения термо – э.д.с. соответствующих термопар и занести их в табл. 1. Во время проведения измерений термо – э.д.с. термопара, подключаемая к милливольтметру, показывается на мнемосхеме мерцанием. После снятия значений термо – э.д.с. проверяется выход установки на стационарный тепловой режим. Показателем стационарности является выдерживание постоянных показаний однотипных термопар в течение, как минимум, пяти минут.

5. Для выхода на второй режим необходимо с помощью клавиши «В» изменить положение регулятора напряжения автотрансформатора «R», установить на вольтметре следующее новое значение напряжения U, занести его в табл. 1 и повторить действия, приведенные в п. 4.

Таблица 1

№ п/п

e1, мВ

e2, мВ

e3, мВ

e4, мВ

e5, мВ

e6, мВ

e7, мВ

e8, мВ

e9, мВ

e10, мВ

U, В

tж , 0С

1

2

3

4

6. Аналогично п. 5 произвести выход на третий и четвертый режимы и повторить измерения (п. 4).

7. С помощью клавиши «С» сбросить напряжение на нагревателе, установив регулятор напряжения «R» в исходное положение. Нажав на клавишу «Escape», осуществить выход из программы.

8. Результаты измерений показать преподавателю.

 

Лабораторная работа № 4

Основы теории

Интенсивность конвективного теплообмена при движении теплоносителя в трубе зависит от режима его движения. Различают два основных режима движения жидкости или газа: ламинарный и турбулентный. О режиме движения судят по значению числа Рейнольдса , где  -средняя скорость теплоносителя в трубе, м/с. Если Re _{ж d}< 2000 течение считается ламинарным, развитое турбулентое течение появляется при Re _{ж d} > 10⁴. При 2000 ≤ Re _{ж d} ≤ 10⁴ режим называют переходным.

Порядок проведения опытов

1. Запустить исполняемый файл программы «MMTP005K.exe». На экране высвечивается название лабораторной работы. После нажатия клавишы «enter» на монитор выводится мнемосхема экспериментальной установки, приведенная на рис. 17.

2. Опыты проводятся при постоянном напряжении в цепи нагрева рабочего участка и четырех различных расходах воздуха внутри трубы. Перед проведением опытов изучить мнемосхему и записать показания барометра В, Па измеряющего атмосферное давление, которые выводятся в правом верхнем углу мнемосхемы.

3. Для выхода на первый режим, нажатием клавиши с цифрой «0», включить тумблер питания центробежного вентилятора «S2». Таким образом, устанавливается проток воздуха в холодной трубе на первом режиме. Перепад давлений, измеряемый трубкой Пито, составит D Н = 200 Па.

4. С помощью клавишы «К» включить тумблер питания цепи электрического нагревателя «S1». По рекомендациям преподавателя установить необходимое напряжение в цепи нагрева рабочего участка U = … В, которое выводится на панели цифрового вольтметра. Увеличение или уменьшение напряжения производится с помощью клавиш «D» и «E» соответственно.

5. Поочередным нажатием клавиш «1» - «9» и клавиши «А» вывести на панели логометра значения температур (t ₁ ... t ₁₀) и занести их в таблицу измерений (табл. 2). Во время проведения измерений термопара, подключаемая к логометру, показывается на мнемосхеме мерцанием. После снятия значений проверяется выход установки на стационарный тепловой режим. Показателем стационарности является выдерживание постоянных показаний однотипных термопар в течение пяти минут.

6. С помощью клавиш «С» и «В» измерить температуры воздуха на входе в рабочий участок t ₁₂ = t _ж¢ и на выходе из него t ₁₁ = t _ж ¢¢.

7. Снять показания дифманометра, измеряющего перепад давления на рабочем участке D Р, Па.

 

Рис. 17. Мнемосхема экспериментальной установки лабораторной работы

«Определение коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении воздуха в трубе»

8. Для проведения измерений на втором режиме необходимо с помощью клавиши «F», изменив положение регулятора напряжения привода вентилятора, установить на дифманометре трубки Пито следующее, новое значение перепада давления D Н = 400 Па, соответствующее большему расходу воздуха, занести его в табл. 2 и повторить действия, приведенные в п. 5-7.

Таблица 2

№ п/п

DН, Па

U, В

DР ,  Па

t1, oC

t2, oC

t3, oC

t4, oC

t5, oC

t6, oC

t7, oC

t8, oC

t9,  oC

t10, oC

tж' , оС

tж" , оС

В, Па

1

200

2

400

3

800

4

1600

 

9. Аналогично п. 8 произвести выход на третий (D Н = 800 Па) и четвертый (D Н = 1600 Па) режимы и повторить измерения (п. 5-7).

10. С помощью клавиши «Е» сбросить напряжение на нагревателе, установив регулятор напряжения в исходное положение. Нажав на клавишу «Х», разомкнуть тумблер питания цепи электрического нагревателя «S1».

11. После того, как рабочий участок охладится до температуры окружающей среды, cбросить напряжение на вентиляторе путем нажатия клавиши «Y», установив регулятор напряжения привода вентилятора в исходное положение. С помощью клавиши «Еsc» осуществить выход из программы.

Результаты измерений занести в табл. 2 и показать преподавателю.

 

Лабораторная работа № 5

Основы теории

Нагретые тела излучают электромагнитные волны. Это излучение осуществляется за счет преобразования энергии теплового движения частиц тела в энергию излучения. Лучистая энергия, возникающая за счет тепловой части внутренней энергии тел, характеризуется длинами волн от 0,4 до 800 мкм. Носителями этой энергии являются видимые ( = 0,4-0,8 мкм) и инфракрасные ( = 0,8-800 мкм) лучи, называемые тепловыми.

Полное количество энергии, излучаемое в единицу времени единицей поверхности абсолютно черного тела, имеющего температуру Т, К, определяется законом Стефана-Больцмана:

 Вт/м².

Величина Е₀ называется интегральной плотностью потока излучения абсолютно черного тела, т. е. такого тела, которое поглощает всю падающую на него энергию. Коэффициент = 5,67∙10^-8 Вт/м²·К⁴ называется постоянной Стефана-Больцмана. В технических расчетах закон Стефана-Больцмана обычно применяется в другой форме

 Вт/м²,

где величина С₀= ∙10⁸ = 5,67 Вт/м²·К⁴ называется коэффициентом излучения абсолютно черного тела. Закон Стефана-Больцмана можно применять и для серых тел. В этом случае он принимает вид:

 Вт/м²,

где Е - интегральная плотность потока излучения серого тела; - интегральная степень черноты серого тела; С - коэффициент излучения серого тела, Вт/м²·К⁴.

Лучистый теплообмен между двумя поверхностями определяется как разность их эффективных излучений. Результирующим потоком излучения называют разность между количеством энергии, излученной телом, и поглощенным им количеством энергии, излученной и отраженной другими телами. В случае теплообмена излучением между телом и его оболочкой результирующий поток излучения определяется по формуле /2, 3/

 Вт/м²,                             (5.1)

где  Вт/м²·К⁴  ………………                       (5.2)

- приведенный коэффициент излучения рассматриваемой системы тел; С₁, С₂ - коэффициенты излучения тела и оболочки соответственно, Вт/м²·К⁴; Т₁, Т₂ – абсолютные температуры тела и оболочки, К; F ₁ , F ₂ – площади поверхностей тела и оболочки, м² .

Величина                                          (5.3)

является приведенной степенью черноты системы, состоящей из тела и его оболочки, у которых степень черноты соответственно равна e ₁ и e ₂ .

Если поверхность тела во много раз меньше оболочки, т. е. F ₁ < F ₂ , то, согласно выражению (5.2), С_1,2 = С₁. В этом случае коэффициент излучения и степень черноты тела с меньшей поверхностью могут быть подсчитаны на основании (5.1)-(5.3)  по формулам /2/

 Вт/м²·К⁴;

e ₁ = С₁ / С_о ,

где Q _1-2 - результирующий поток излучения между телом и оболочкой. Значения степени черноты серого тела зависят от природы тела, температуры и состояния его поверхности.

 

Порядок проведения опытов

1. Измерения производятся на 8 - 9 стационарных режимах. Для этого необходимо запустить исполняемый файл программы «MMTP011K.exe». После запуска программы на экране высвечивается название лабораторной работы. Далее необходимо нажать клавишу «enter», во втором открывшемся окне по рекомендациям преподавателя выбрать вид материала проволоки (1 - вольфрам, 2 - графит, 3 - медь, 4 - хром, 5 - нихром, 6 - молибден) и подтвердить свой выбор нажатием клавиши «Y». На экране появляется мнемосхема экспериментальной установки, приведенная на рис. 11.

2. Перед проведением опытов изучить мнемосхему и подготовить таблицу измерений (табл. 1).

3. Для выхода на первый режим, нажатием клавиши «1» включить

 

Рис. 19. Мнемосхема экспериментальной установки лабораторной работы «Исследование теплообмена излучением»

охлаждение калориметра и с помощью клавиши «2» включить тумблер питания цепи рабочего участка «S1».

4. Последовательно нажимая клавиши «5» и «6», измерить значения температур охлаждающей воды на входе t _2вх и на выходе t _2вых из охлаждающей рубашки рабочего участка и занести их в табл. 1.

5. После установления стационарного режима теплообмена, который характеризуется постоянством разности температур воды в течение пяти минут Δ t ₂ = ( t _2вых - t _2вх ), путем нажатия клавиш «3» и «4» измерить цифровым мультиметром падение напряжения на рабочем участке U = В и величину тока нагрева проволоки I = А.

Таблица 1

№ п/п	t2ВХ, оС	t2ВЫХ, оС	U , В	I , А	Q , Вт
1
2
3
4
5
6
7
8
9

 

6. Для выхода на второй режим необходимо с помощью клавиши «7», изменив положение регулятора напряжения автотрансформатора «R», установить на вольтметре следующее, новое значение напряжения U и повторить действия, приведенные в п. 4-5.

7. Аналогично п. 6 последовательно вывести установку на остальные режимы и повторить все измерения при других значениях U (п. 4-5). Результаты измерений занести в табл. 1 и показать преподавателю.

8. С помощью клавиши «8» сбросить напряжение на нагревателе, установив регулятор напряжения «R» в исходное положение. Разомкнуть выключатель цепи питания проволоки «S1» путем нажатия клавиши с цифрой «0». Нажав на клавишу «Escape», осуществить выход из программы.

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

 

Таблица П.2

Физические свойства сухого воздуха при Р = 1,01·10⁵ Па /5/

t, oC	ρ, кг/м3	Cp, кДж/(кг·К)	λ·102, Вт/(м·К)	а·106, м2/с	μ·105, Па·с	ν·106, м2/с	Pr
0	1,293	1,005	2,442	18,8	1,72	13,28	0,707
10	1,247	1,005	2,515	20,0	1,77	14,16	0,705
20	1,205	1,005	2,593	21,4	1,81	15,06	0,703
30	1,165	1,005	2,675	22,9	1,86	16,00	0,701
40	1,128	1,005	2,756	24,3	1,91	16,96	0,699
50	1,093	1,005	2,826	25,7	1,96	17,95	0,698
60	1,060	1,005	2,896	26,2	2,01	18,97	0,696
70	1,029	1,009	2,966	28,6	2,06	20,09	0,694
80	1,000	1,009	3,047	30,2	2,11	21,09	0,692
90	0,972	1,009	3,128	31,9	2,15	22,10	0,690
100	0,946	1,009	3,210	33,6	2,19	23,13	0,688
120	0,898	1,009	3,338	36,8	2,29	25,45	0,686
140	0,854	1,013	3,489	40,3	2,37	27,80	0,684
160	0,815	1,017	3,640	43,9	2,45	30,09	0,682
180	0,779	1,021	3,780	47,5	2,53	32,49	0,681
200	0,746	1,026	3,931	51,4	2,60	34,85	0,680
250	0,674	1,038	4,268	61,0	2,74	40,61	0,677
300	0,615	1,047	4,606	71,6	2,97	48,33	0,674
350	0,566	1,059	4,910	81,9	3,14	55,46	0,676
400	0,524	1,068	5,210	93,1	3,30	63,09	0,678

 

Таблица П.3

Плотность ρ, теплопроводность λ и теплоёмкость С_Р некоторых материалов /1-3/

Наименование материала	t, oC	ρ, кг/м3	λ, Вт/м·K	СР, кДж/кг·K
Асбест листовой	30	770	0,116	0,818
Асбестовый картон	20	900	0,163	0,816
Бетон с каменным щебнем	0	2000	1,28	0,84
Глина огнеупорная	450	1845	1,04	1,09
Кирпич силикатный	0	1900	0,81	0,84
Накипь котельная	100	1000-2700	0,13-3,14	-
Ламповая сажа	40	165	0,07-0,12	-
Оргстекло	20	1180	0,184	1,43
Пенопласт	30	200	0,058	-
Стекло обыкновенное	20	2500	0,74	0,67
Стеклотекстолит	20	1650	0,459	1,64
Слюда	20	2900	0,520	0,879
Текстолит	20	1300-1400	0,23-0,34	1,46-1,51
Фторопласт	20	2150	0,247	1,05
Эбонит	20	1200	0,157-0,17	-

Таблица П.4

Значения коэффициентов а и b в уравнении (1.1 )
 для различных технических материалов /1, 2/

Наименование материала	t, oC	ρ, кг/м3	а, Вт/(м·К)	b·104, Вт/(м·К2)
Асбест	700	500	0,107	1,90
Асбестовый картон	20	900	0,157	1,40
Асбослюда	600	600	0,120	1,48
Кирпич диатомитовый	850	550	0,113	2,30
Кирпич шамотный	1400	1850	0,840	6,00
Ньювель	350	450	0,87	0,64
Совелит	450	500	0,09	0,87
Сталь 15	600	7800	58,7	- 423
Сталь нержавеющая Х18Н10Т	600	7950	14,4	160
Латунь (67% Сu, 33% Zn)	600	8500	101	1650
Медь (99,9%)	800	8900	392	- 685

 

Таблица П.5

Физические свойства двух- и трехатомных газов при Р = 1,01·10⁵ Па /6/

t, oC	ρ, кг/м3	Cp, кДж/(кг·К)	λ·102, Вт/(м·К)	а·106, м2/с	ν·106, м2/с	Pr
Двуокись углерода
0	1,977	0,8146	1,465		7,09	0,780
100	1,447	0,9134	2,279		12,6	0,733
200	1,143	0,9925	3,093		19,2	0,715
300	0,944	1,056	3,907		27,3	0,712
400	0,802	1,110	4,721		36,7	0,709
Азот
0	1,250	1,030	2,430		13,3	0,705
100	0,916	1,033	3,151		22,5	0,678
200	0,723	1,043	3,849		33,6	0,656
300	0,597	1,060	4,488		46,4	0,652
400	0,508	1,082	5,070		60,9	0,659
Водород
0	0,0899	14,067	17,21		93,0	0,688
100	0,0657	14,445	21,98		157,0	0,677
200	0,0519	14,501	26,39		233,0	0,666
300	0,0428	14,530	30,70		323,0	0,655
400	0,0364	14,578	34,77		423,0	0,644

 

Таблица П.6 /1-3/

Степень черноты полного излучения для различных материалов

Материал и характер поверхности	t, oC	ε
Алюминий полированный Алюминий с шероховатой поверхностью	50-500 20-50	0,04-0,06 0,06-0,07
Асбестовый картон	24	0,96
Вольфрам Вольфрам Вольфрам Вольфрамовая нить	200 600-1000 1500-2200 3300	0,05 0,1-0,16 0,24-0,31 0,39
Вода	0-100	0,95-0,963
Графит искусственный	950-2800	0,77-0,83
Ламповая сажа, слой 0,075 мм и толще	40-370	0,95
Масляные краски различных цветов	100	0,92-0,96
Медь Медь полированная Медь окисленная при 600 оС	27-827 80-115 200- 600	0,023-0,061 0,018-0,023 0,57-0,87
Молибден Молибденовая нить	1500-2200 700-2500	0,19-0,26 0,1-0,3
Нихром	124-1034	0,64-0,76
Нихромовая проволока чистая	50	0,65
Сталь листовая шлифованная Сталь окисленная при 600 оС Сталь окисленная, шероховатая	940-1100 200-600 40-370	0,52-0,61 0,79 0,94-0,97
Шамотный кирпич глазурованный Красный кирпич шероховатый	1100 20	0,75 0,93
Хром Хром полированный	38-538 500-1000	0,08-0,26 0,28-0,38
Угольная нить	1000-1400	0,526-0,53

 

Рис. П1. Зависимость сопротивления графитовой нити от температуры её поверхности

 

Рис. П2. Зависимость сопротивления вольфрамовой нити от температуры её поверхности

Рекомендуемая литература

 

1. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов тепломассообмена / В.А. Осипова. - М.: Энергия, 1979.- 320 с.

2. Михеев М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. – М.: Энергия, 1977.- 343 с.

3. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Суко­мел. - М.: Энергия, 1975.- 486 с.

4. Солодов А.П. Практикум по теплопередаче / под ред. А.П. Солодова. –М.: Энергоатомиздат, 1986.- 296 с.

5. Селин В.В. Теплотехника / В.В. Селин.- Калининград: ОГУП «Калининград. кн. изд-во», 2001.-381 с.

6. Теплофизические свойства веществ: справочник / под ред. Н.Б. Варгафтика.- М. - Л.: Госэнергоиздат, 1956. – 367 с.

7. Тепло - и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник /

под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. - М.: Энергия, 1982. – 512 с.

 

Тепломассообмен

 

Методические указания к лабораторному практикуму

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: