Изучение местной теплоотдачи

Стр 1 из 2Следующая ⇒

А.Н. Гриценко, Г.З. Шамина

Изучение местной теплоотдачи

При турбулентном движении

Воздуха в трубе

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине ТМО

Волжский 2007

УДК 536.2

ББК 31.31

Рецензент:

Гришин С.С. – зав. лабораторией, ст. преподаватель,

доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

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

Изучение местной теплоотдачи при турбулентном движении воздуха в трубе: методические указания к лабораторной работе по дисциплине ТМО / Сост. Гриценко А.Н., Шамина Г.З. – Волжский: Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)» в г. Волжском, 2007. – 18 с.

Предлагаемые методические указания позволяют закрепить теоретические знания в области конвективного теплообмена, приобрести опыт и изучить методику определения параметров теплоотдачи в условиях турбулентного движении воздуха в трубе.

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 Г.З. Шамина, 2007

Ó Филиал ГОУВПО «МЭИ (ТУ)»

в г. Волжском, 2007

Цель лабораторной работы

1. Углубление и закрепление знаний по теории конвективного теплообмена при турбулентном движении жидкости (газа) в обогреваемой трубе.

2. Ознакомление с методом определения местного коэффициента тепло-отдачи и получение навыков в проведении эксперимента.

3. Определение коэффициента теплоотдачи от поверхности трубы в различных ее сечениях при разных скоростях движения воздуха в трубе.

4. Выявление влияния скорости движения воздуха в трубе на коэффициент теплоотдачи.

5. Определение длины участка тепловой стабилизации.

6. Обработка полученных экспериментальных данных в критериальном виде.

7. Построение графика экспериментальной зависимости

α = ƒ (x) и ln Nu_∞ = ƒ (ln Re).

8. Нахождение зависимости предельного Nu_∞ от Re.

9. Расчет погрешности коэффициента теплоотдачи, полученного экспериментальным путем.

Теоретические основы стационарного теплообмена

Схема и описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки показана на рис. 5.

Опытный участок представляет собой тонкостенную трубку 1 из нержавеющей стали с прикрепленными к ней с двух концов цилиндрическими камерами 2 и 3. Движение воздуха по трубке осуществляется газодувкой центробежного типа 5, приводимой в движение электродвигателем 6 постоянного тока. Электродвигатель через выпрямитель 7 и регулятор напряжения 8 подключен к сети переменного тока. С помощью регулятора напряжения, контролируемого вольтметром 9, можно изменить частоту вращения ротора электродвигателя и, следовательно, расход потока воздуха в трубке. Тепловой поток от стенки к движущемуся воздуху в трубке осуществляется за счет выделения теплоты Джоуля в материале трубки (внутренний источник теплоты). Для этого опытная трубка при помощи токоведущих проводов подключена к понижающему низковольтному трансформатору блока питания 10, первичная обмотка которого через регулятор напряжения 11 соединена с сетью переменного тока (220 В). Во время проведения опыта по телу трубки протекает электрический ток, сила которого может меняться регулятором, который находится на передней панели лабораторного модуля. Напряжение на опытной трубке измеряется цифровым вольтметром 4. В торцевых поверхностях входной и выходной камер опытного участка имеются отверстия, в которые вставлены тонкие трубки с помещенными в них термопарами 12. В выходной камере имеется диск 13 с отверстиями, служащий для перемешивания воздуха, вышедшего из опытной трубки. Подогрев воздуха в опытном участке измеряется дифференциальной термопарой 12, горячий и холодный спаи которой расположены соответственно в выходной и входной камерах. Для измерения температуры стенки опытной трубки по ее длине в пяти точках боковой поверхности приварены горячие спаи 14 (корольки) хромель-копелевых термопар. Эти термопары имеют общий холодный спай, помещенный во входную камеру 2. Таким образом, измерение температуры стенки трубки и температуры воздуха на входе и выходе из опытного участка в данной работе проводится относительно температуры воздуха на входе, равной комнатной температуре t_к, измеряемой термопарой 12 в камере 2 и контролируемой ртутным термометром.

Все ЭДС термопар на стенке трубки ∆ Е_сх и дифференциальной термопары «выход-вход» ∆ Е_2-1 измеряются цифровым вольтметром.

Последовательное подключение цепей термопар к цифровому вольтметру осуществляется поочередно через механический переключатель, расположенный на передней стенке модуля.

В таблице 3.1 приведены данные по соответствию координат термопар с нумерацией переключателя замера термо-ЭДС.

Таблица 3.1

Расчетные формулы

Определение местных значений коэффициентов

Теплоотдачи

В работе используется электрический обогрев стенки трубы, толщина которой, а следовательно, и электрическое сопротивление, не изменяются по длине. С учетом того, что температура стенки по длине трубы изменяется незначительно, можно полагать, что местная и средняя плотности теплового потока приблизительно одинаковы.

Для поддерживаемого теплового потока q_c = const. изменяя величину скорости течения воздуха в трубе в каждом опыте, требуется определить значения местных коэффициентов теплоотдачи для каждого сечения по формуле

, (4.1)

где q_c – плотность теплового потока от внутренней стенки трубки к движущемуся внутри воздуху, Вт/м²; Δ t_сх – местный температурный напор, º C:

Δ t_cx = t_cx – t_ж, (4.2)

где t_cx – местная температура стенки, º C; t_ж– среднемассовая температура воздуха в данном сечении трубы, º C.

Теплоотдача от нагреваемой трубки (внутреннего источника тепла) осуществляется через внутреннюю и внешнюю поверхности ее стенки. Поэтому требуемый для опыта тепловой поток на внутренней поверхности можно определить по формуле

, Вт/м², (4.3)

где Q – мощность теплового потока на внутренней поверхности стенки трубы, Вт:

Q = W – Q_пот, (4.4)

где W – полная мощность, выделяемая стенкой трубы при прохождении электрического тока:

; (4.5)

Q_пот – тепловой поток во внешнюю среду («тепловые потери»).

Приближенная формула для Q_пот, полученная в результате предварительных опытов, для данного участка имеет вид:

Q_пот = A (t_c – t_к), (4.6)

где t_c – среднеарифметическая температура стенки; А = 0, 08 Вт/К – коэффициент тепловых потерь; t_к – комнатная температура воздуха.

При постоянстве теплового потока q_c = const, средняя массовая температура воздуха изменяется линейно по длине трубы, то есть

, (4.7)

где t_ж₁ и t_ж₂ – средние массовые температуры воздуха на входе в трубку и выходе из нее.

В интервале температур от 0 до 50 º С для хромель-копелевых термопар термо-ЭДС практически линейно зависит от температуры, то есть

E = K t,

где К = 13, 52 мВ/К – коэффициент пропорциональности.

. (4.8)

Тепловой поток во внешнюю среду составит

. (4.9)

Подставив в (4.3) выражения (4.4), (4.5), (4.9) найдем

, (4.10)

где Δ Е_сх_i – ЭДС термопар, расположенных по сечениям трубы, мВ; U – электрическое напряжение, подаваемое на трубу, В; R – электрическое сопротивление материала трубы, Ом.

После расчета q_c необходимо вычислить по формуле (4.1) значения α _i для пяти сечений трубы; построить график зависимости α _i = ƒ (х_i).

Таблица измеренных и справочных величин

№ опыта	Расход воздуха	U, в	Δ Е_2-1 «выход-вход» воздуха, мВ	Δ Е_сх_i, мВ	t_К, º C
дел. рот.		сечения
1-е	2-е	3-е	4-е	5-е
			0, 7
			0, 7
			0, 7
			0, 7
Параметры физических свойств воздуха при T_возд= 20 ^оС [2, c. 252]: ρ = 1, 205 кг/м³; λ = 2, 59^.10^-2 Вт/м·К; а = 21, 4^.10^-6 м²/с; ν = 15, 06^.10^-6 м²/с; с_p = 1, 005 кДж/кг·К; Pr = 0, 703.

Порядок расчета погрешности

1. . (7.7)

2. . (7.8)

3. – температурный напор,

где Δ Θ ₁и Δ Θ ₂ – абсолютные погрешности измерения температуры, определяемые на основе средств измерения; Δ Θ ₁= 1, 0 º С; Δ Θ ₂= 1, 0 º С.

4. .

5. , где Δ d = 0, 0001 мм; = 0, 001 мм.

6. .

7. ,

где ; ; ;

R = 0, 047 Ом – сопротивление трубки при t_к = 20 º С.

8. Δ Q_пот = 0, 1 Q_пот.

9. Q_пот = A (t_c – t_к).

10. Подставив величины, найденные в выражениях (7.2); (7.5); (7.7); (7.8), в выражение (7.1), найдём Δ α .

Записать окончательный результат значения коэффициента теплоотдачи:

α = α ± Δ α , Вт/м²·К).

8 Контрольные вопросы

1. Физическая модель процесса конвективной теплоотдачи при течении в каналах. Тепловой и гидродинамический пограничные слои.

2. Местный и средний коэффициенты теплоотдачи в трубах, их зависимость от режима течения.

3. Экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи в трубах.

4. Особенности теплоотдачи при зависимости физических свойств жидкости от температуры.

5. Уравнение подобия для теплоотдачи при течении в трубе.

6. Предел абсолютной погрешности

7. Определение относительной погрешности.

Содержание отчета по выполненной работе

Отчет должен содержать:

1. цель работы, теоретические основы методики проведения.

2. принципиальную схему опытной установки эксперимента.

3. данные установки.

4. таблицу записи измерений и расчетных данных.

5. Обработку результатов эксперимента.

6. графики: α = ƒ (x) и ln Nu_∞ = ƒ (ln Re).

7. расчет погрешности определения коэффициента теплоотдачи.

8. ответы на контрольные вопросы (устно).

Литературы

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

2. Практикум по теплоотдаче / Под редакцией А.П. Солодова. – Энергоиздат, 1986.

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

4. Справочник по физике для инженеров, студентов вузов / Б.М. Яворский и А.А. Детлаф. – М., 1974.

Оглавление

1. Цель лабораторной работы……………………………………………...
2. Теоретические основы стационарного теплообмена третьего рода с аспектами теории подобия………………………………………….....
3. Схема и описание экспериментальной установки……………………..
4. Расчетные формулы………………………………………………….......
4.1. Определение местных значений коэффициентов теплоотдачи….
4.2. Определение длины участка тепловой стабилизации…………….
4.3. Нахождение зависимости между числами подобия………………
5. Методика проведения эксперимента…………………………………...
6. Порядок обработки результатов эксперимента………………………..
7. Оценка погрешности определения коэффициента теплоотдачи……..
7.1. Порядок расчета погрешности……………………………………..
8. Контрольные вопросы…………………………………………………...
9. Содержание отчета по выполненной работе…………………………..
Список использованной и рекомендуемой литературы………………….

Шамина Галина Зиновьевна