Изучение средней теплоотдачи

А.Н. Гриценко

 

 

Изучение средней теплоотдачи

При свободной конвекции воздуха

Около горизонтальной трубы

 

 

Методические указания к лабораторной работе

 

Волжский 2007

УДК 536.2

ББК 31.31

Рецензент:

Староверов В.В. – доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском

Изучение средней теплоотдачи при свободной конвекции воздуха около горизонтальной трубы: методические указания к лабораторной работе / Сост. Гриценко А.Н. – Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007. – 14 с.

 

 

Методические указания позволяют закрепить теоретические знания по теплообмену при естественной конвекции воздуха (газа), приобрести опыт и изучить методику определения параметров теплоотдачи в условиях свободной конвекции воздуха около нагретой горизонтальной трубы, сопоставить полученные экспериментальные данные с расчётными данными критериальных уравнений теории подобия.

Методические указания к лабораторной работе иллюстрированы рисунками, изложены в доступной форме со ссылками на литературные источники, являются хорошей учебной базой для представления данного раздела программного курса студентам всех технических специальностей.

 

 

Печатается по решению Учебно-методического совета филиала ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском.

 

 

УДК 536.2

ББК 31.31

 

 

Ó А.Н. Гриценко, 2007

Ó Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)»

в г. Волжском, 2007

Цель лабораторной работы

 

1. Углубление и закрепление знаний по теории конвективного теплообмена при свободном движении воздуха около обогреваемой горизонтальной трубы.

2. Ознакомление с методикой опытного исследования средних характеристик процесса и получение навыков в проведении эксперимента.

3. Определение опытным путем значения среднего по периметру коэффициента конвективного теплообмена от поверхности опытной горизонтальной трубы к воздуху.

4. Обработка полученных экспериментальных данных в критериальном виде и сравнение результатов с существующей расчетной рекомендацией.

5. Оценка погрешности измерения среднего коэффициента теплоотдачи.

 

Теоретические основы конвективного теплообмена

С аспектами теории подобия

 

Конвективным теплообменом или теплоотдачей называется процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и жидкой средой. При этом перенос теплоты осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекцией. Конвекция возможна лишь в жидкостях и газах, частицы которых могут совершать относительные перемещения. Различают два вида движения частиц: свободное и вынужденное.

Вынужденное движение в жидкости (газе) возникает под действием посторонних возбудителей, например, вентилятора.

Свободное движение происходит за счет разности плотностей холодных и нагретых областей жидкости (газа) в гравитационном поле. Его также называют естественной конвекцией.

Развитие и интенсивность свободного движения жидкости определяется физическими свойствами жидкости (газа), температурным напором, напряжен-ностью гравитационного поля и объемом пространства осуществления процесса конвекции. Так, например, осуществление конвекции в замкнутом, ограниченном объеме пространства затрудняет относительное перемещение холодных и нагретых областей жидкости различной плотности. Проведение процесса конвекции в неограниченном объеме определяется перечисленными выше факторами, к которым можно добавить такие факторы, как форма и размеры твердой поверхности теплообмена, способствующие организации относительного движения и перемешивания областей жидкости (газа) в прилегающем пространстве.

На рис. 1 показан характер естественного движения жидкости (газа) при свободной конвекции в неограниченном пространстве с различной формой поверхности теплообмена.

Влияние зависимых и независимых факторов на конвективный теплообмен оценивается в теплотехнике соответствующими критериями подобия и уравнениями их связи. Применение теории подобия для исследования процессов теплообмена позволяет формально сократить число рассматриваемых величин, отразить влияние не только отдельных факторов, но и их совокупности на процесс теплообмена, упростить исследование физических процессов и нахождение искомых величин.

 

 

Рис. 1. Характер естественного движения воздуха на горизонтальных плитах верхнего (а, б) и нижнего (в) расположения; около нагретых горизонтальных труб разного диаметра (г)

 

Применительно к теме работы влияние факторов при свободной конвекции воздуха вблизи горизонтальной трубы оценивается следующими критериями подобия [1; 2]:

1) критерий Нуссельта (Nu) – характеризует факторы теплообмена на границе «твердая поверхность – воздух» и определяется формулой

 

, (1)

 

где – коэффициент теплоотдачи (кто) между поверхностью и воздухом; d – наружный диаметр трубы (определяющий размер); λ – коэффициент теплопроводности воздуха.

Число Нуссельта обычно является искомой величиной, поскольку в него входит определяемая величина .

2) критерий Рейнольдса (Re) – характеризует соотношение сил инерции и сил вязкости в воздухе и определяется формулой

 

, (2)

 

где ω – средняя скорость движения воздуха вокруг трубы; ν – кинематическая вязкость воздуха.

Число Re определяет режим движения воздуха около трубы.

3) критерий Прандтля (Pr) – характеризует соотношение физических свойств воздуха и определяется формулой

 

, (3)

 

где а – коэффициент температуропроводности воздуха; μ – динамическая вязкость воздуха ( ); с_р – теплоёмкость жидкости (газа) при постоянном давлении.

4) Критерий Грасгофа (Gr) – характеризует подъемную силу, возникающую вследствие разности плотностей у нагретого и холодного воздуха, и определяется формулой

, (4)

 

где g – ускорение свободного падения; β – коэффициент объемного расширения воздуха ; t_ст и t_в – температура нагретой поверхности трубы и исходная температура воздуха.

Для описания процессов конвективного теплообмена в жидкостях и газообразных средах пользуются уравнением подобия, имеющим вид [1, с. 236-246]:

 

, (5)

 

где c – коэффициент пропорциональности ; n, m – показатели, определяются условиями протекания процесса теплообмена и родом жидкости, при определяющем размере системы – ; – температурный коэффициент, учитывающий направление теплового потока (нагрев или охлаждение), определяется соотношением

, (6)

 

где индексы «ж» и «ст» означают величину Pr теплоносителя соответственно при температуре жидкости и твердой стенки в системе.

Для газов [1, с. 187], [3, с. 96] величина а .

Поэтому, применительно к теме работы, для небольших температурных напорах и ламинарном режиме обтекания воздуха формула упрощается и рекомендована в виде [3, с. 95], [1, с. 238]:

 

. (7)

 

Соотношение справедливо в области

 

.

 

Расчетные формулы

 

По определению, среднее значение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции

, (8)

 

где q_c – плотность теплового потока на стенке трубы, Вт/м²; – температура стенки трубы; t_ж – температура воздуха вдали от стенки трубы (температура в лаборатории).

Коэффициент теплоотдачи – это мера интенсивности процесса тепло-обмена на твердой поверхности (стенке), обтекаемой теплоносителем.

Конвективная составляющая плотности теплового потока выражается разностью плотностей теплового потока, обусловленной электрическим тепловыделением в трубе и плотностью теплового потока излучения поверхности теплообмена:

 

, (9)

 

где q_{с, эл} – местная плотность теплового потока, обусловленная электрическим тепловыделением, Вт/м²; q_{с, и} – местная плотность теплового излучения поверхности теплообмена, определяемая расчетным путем, Вт/м².

Полная плотность теплового потока, обусловленного электрическим тепловыделением, находится из соотношения

 

, (10)

 

где I и U – сила тока и напряжение в цепи трубки; d и – наружный диаметр и длина трубки.

 

Таблица 1

Переводная таблица ЭДС термопар (хромель-алюмелевых)

 

 

Средняя температура внешней поверхности трубы определяется по данным измерений:

; (11)

 

, (12)

 

где Δ t_i – значение избыточной температуры в отдельных точках на поверхности трубы (или средний температурный напор), º С; t_ж – температура воздуха вдали от опытной трубы (температура в лаборатории), º С.

Плотность теплового потока, обусловленную тепловым излучением поверхности трубы, находят расчетным путем:

 

, Вт/м², (13)

 

где с_пр = 2 – приведенный коэффициент излучения поверхности трубы, установленный опытным путем, Вт/(м² · К⁴); Т_с = t_с + 273–средняя абсолютная температура теплоотдающей поверхности трубы, К; Т_ж = t_ж + 273–абсолютная температура вдали от поверхности трубы, К.

Полученные результаты обработки опытных данных необходимо представить в виде графика зависимости среднего коэффициента теплоотдачи от температурного напора α = f (Δ t), а также в безразмерном виде – в виде зависимости , используя формулы (3), (4) и (7).

 

Таблица измеряемых величин

 

№ опыта			Параметры электрического тока на опытной трубе	Температура воздуха, º C
Сила тока i, A	Напряжение U, B
			3, 5
			4, 0
			4, 5
			5, 0

 

Расчет изучаемых величин

 

1. Определить среднюю температуру теплоотдающей поверхности по формуле (11) для каждого опыта (º C):

1-й опыт t₁ =

2-й опыт t₂ =

3-й опыт t₃ =

4-й опыт t₄ =

 

2. Определить величину электрической тепловой мощности Q, выделенной на трубе, для каждого опыта по формуле

 

Q_i = I_i U_i. (15)

1-й опыт Q₁ =

2-й опыт Q₂ =

3-й опыт Q₃ =

4-й опыт Q₄ =

 

3. Определить плотность теплового потока, обусловленную электровыде-лением в стенке трубы, по формуле (10), Вт/м²:

1-й опыт q_{c1, эл} =

2-й опыт q_{c2, эл} =

3-й опыт q_{c3, эл} =

4-й опыт q_{c4, эл} =

 

4. Определить плотность потока теплового излучения поверхности теплообмена в окружающее пространство по формуле (13), Вт/м²:

1-й опыт q_{c1, и} =

2-й опыт q_{c2, и} =

3-й опыт q_{c3, и} =

4-й опыт q_{c4, и} =

 

5. Определить среднее значение плотности теплового потока свободной конвекции воздуха около трубы по формуле (9), Вт/м²:

1-й опыт q_c1 =

2-й опыт q_c2 =

3-й опыт q_c3 =

4-й опыт q_c4 =

 

6. Найти для каждого опыта по формуле (8), Вт/м²:

1-й опыт =

2-й опыт =

3-й опыт =

4-й опыт =

 

7. В координатах построить график зависимости по полученным экспериментальным значениям.

8. Определить критериальные числа подобия. Для этого по формуле (4) и данным таблицы 3 [2, с. 126] определить значения чисел Грасгофа и Прандтля для каждого опыта. По рекомендованной формуле (7) рассчитать значение критерия Нуссельта для всех четырёх опытов.

9. В координатах построить график по точкам полученных расчетных данных.

10. Из формулы (1) выразить коэффициент теплоотдачи. . Пользуясь данными таблицы «физические свойства сухого воздуха» и расчетными величинами чисел Нуссельта (п. 8), определить значения коэффициента теплоотдачи (КТО) для каждого опыта.

11. Оценка погрешности измерения и расчета.

Погрешность измерения среднего коэффициента теплоотдачи определяется формулой

. (16)

 

Таблица 3

Физические свойства сухого воздуха ( р = 0, 101МПа)

 

t, º С	Ρ , кг/м3	ср, кДж/(кг·К)	λ , 10-2 Вт/(м·К)	μ , 10-6 Па·с	ν , 10-6 м2/с	Pr
–20 –10	1, 395 1, 342 1, 293   1, 247 1, 205 1, 165 1, 128 1, 093   1, 060 1, 029 1, 000 0, 972 0, 946   0, 898 0, 854 0, 815 0, 779 0, 746	1, 009 1, 009 1, 005   1, 005 1, 005 1, 005 1, 005 1, 005   1, 005 1, 009 1, 009 1, 009 1, 009   1, 009 1.013 1, 017 1, 022 1, 026	2, 28 2, 36 2, 44   2, 51 2, 59 2, 67 2, 76 2, 83   2, 90 2, 96 3, 05 3, 13 3, 21   3, 34 3, 49 3, 64 3, 78 3, 93	16, 2 16, 7 17, 2   17, 6 18, 1 18, 6 19, 1 19, 6   20.1 20, 6 21, 1 21, 5 21, 9   22, 8 23, 7 24, 5 25, 3 26, 0	12, 79 12, 43 13, 28   14, 16 15, 06 16, 00 16, 96 17, 95   18, 97 20, 02 21, 09 22, 10 23, 13   25, 45 27, 80 30, 09 32, 49 34, 85	0, 716 0, 712 0, 707   0, 705 0, 703 0, 701 0, 699 0, 698   0, 696 0, 694 0, 692 0, 690 0, 688   0, 686 0, 684 0, 682 0, 681 0, 680

 

 

7.12. Полученные расчетные величины данной работы занести в таблицу 4.

 

Таблица 4

Таблица расчетных величин

 

№ опыта	Средняя темпе-ратура стенки , º С	Тепловая нагрузка Q, Вт	Удельная нагрузка, Вт/м2	Критериальные числа	КТО по формуле:	Раз- ница	Погрешность =
qс	qс, эл	qс, и	(Cr Pr)	Nu	(8) α	(1), (7) α Nu

8 Контрольные вопросы

 

1. Дать определение свободной конвекции и коэффициента теплоотдачи (КТО).

2. Уравнение Ньютона – Рихмана. Факторы, определяющие КТО.

3. Влияние температурного напора на коэффициент теплоотдачи.

4. Устройство измерительного участка и методика работы.

5. Особенность размещения термопар на поверхности трубы.

6. Характер изменения температуры поверхности и местного КТО по периметру трубы.

7. Метод исключения лучистой составляющей теплового потока (потери тепла).

8. Способ определения среднего значения КТО.

9. Какие факторы, учитываемые критериями подобия, являются определяющими для описания свободной конвекции?

Содержание отчета по выполненной работе

 

Отчет по выполненной работе должен содержать:

1. Цель работы, теоретические основы методики проведения эксперимента.

2. Принципиальную схему опытной установки.

3. Таблицу записи измерений и расчетных данных.

4. Обработку данных измерений.

5. Оценку погрешностей экспериментального определения среднего коэффициента теплоотдачи.

6. График зависимости среднего коэффициента теплоотдачи от среднего значения температурного напора .

7. Графическое представление расчетной и опытной зависимости .

 

 

Литературы

 

1. Исаченко В.П. и др. Теплопередача / Учебник для ВУЗов / Изд. 3-е. – М.: Энергия, 1975. – 488 с.

2. Задачник по тепломассообмену / Ф.Ф. Цветков и др. – М.: МЭИ, 1997. – 136 с.

3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, – М.: Энергия, 1977. – 344 с.

4. Практикум по технической термодинамике: Учебное пособие для ВУЗов / В.Н. Зубарев, А.А. Александров, В.С. Охотин. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоиздат, 1986. – 304 с.: ил.

5. В.В. Нащекин. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1975.

6. Практикум по теплопередаче / Под редакцией А.П. Солодова. – Энергоиздат, 1986.

7. Справочник по физике для инженеров, студентов ВУЗов / Б.М. Яворский и А.А. Детлаф. – Москва, 1974.

 

 

Оглавление

 

1. Цель лабораторной работы……………………………………………....
2. Теоретические основы конвективного теплообмена с аспектами теории подобия…………………………………………......
3. Схема и описание экспериментальной установки……………………...
4. Расчетные формулы…………………………………………………........
5. Методика проведения эксперимента…………………………………....
6. Порядок обработки результатов эксперимента………………………...
7. Расчет изучаемых величин……………………………………………….
8. Контрольные вопросы…………………………………………………....
9. Содержание отчета по выполненной работе……………………………
Список использованной и рекомендуемой литературы…………………..

 

А.Н. Гриценко

 

 

Изучение средней теплоотдачи

12Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. III Изучение отношения потребителей к определенной марке товара
2. III. МЕТОДИКИ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ИЗУЧЕНИЕ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ И ЭМОЦИОНАЛЬНО-ВОЛЕВОЙ СФЕР ЛИЧНОСТИ
3. III.5. Изучение потребностей, интересов и склонностей учащихся
4. А.В.Запорожец. ПСИХОЛОГИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ МОТОРИКА РЕБЕНКА-ДОШКОЛЬНИКА
5. Анализ и изучение литературы
6. Будущее изучение сюжета в кино зависит от изучения его стиля и особенностей его материала.
7. В зависимости от траектории полета мяча верхняя передача выполняется в средней или низкой стойках.
8. Внедрение комплекса дидактических игр в процессе умственного воспитания детей в средней группе на базе МАДОУ Компенсирующего вида « Росинка»№ 18 г. Щелково
9. Г. - введено изучение акушерства.
10. Глава 1. Проблема материнства и его изучение в психологии
11. Глава 11. Изучение Библии и разум
12. Глава 25. Статистическое изучение сферы труда в условиях становления рыночного механизма