2.3 Лабораторная работа № 3 - Ю. А. Корчук, А. А. Орлов, Н. А. Греб, Д. Л. Павлов (2 часа) Исследование коэффициента теплообмена вертикальной трубы при свободном движении воздуха
Учебные материалы


2.3 Лабораторная работа № 3 - Ю. А. Корчук, А. А. Орлов, Н. А. Греб, Д. Л. Павлов




^ 2.3 Лабораторная работа № 3


(2 часа)



Исследование коэффициента теплообмена


вертикальной трубы при свободном движении воздуха



Свободное движение жидкости (газа) возникает под воздействием подъемной силы за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц.
Если жидкость (газ) находится в контакте с вертикальной поверхностью, имеющей более высокую температуру, то вдоль поверхности возникает течение нагретых частиц жидкости. Средний коэффициент теплообмена , Вт/(м2К) вычисляется из уравнения

, (2.13)

где Qк – количество теплоты, переданное нагретым телом путем конвекции, Вт;
^ F – площадь поверхности тела, м2;
tср= tср- tж - средняя разность температур поверхности трубы и окружающего воздуха, °С;
Анализ процесса свободной конвекции методом подобия позволяет распространить результаты исследований для конкретных условий на подобные процессы и представить их на в критериальном виде.

, (2.14)

2.3.1 Цель работы

Экспериментальное определение коэффициента теплообмена для вертикальной трубы при свободном движении воздуха и установление зависимости этого коэффициента от температурного напора.

2.3.2 Экспериментальная установка

Установка для экспериментального определения коэффициента теплообмена вертикальной трубы при свободном движений воздуха состоит из алюминиевой трубы 1 диаметром d=50 мм, длинной L=1650 мм, внутри которой имеется электрический нагреватель 2.

1 – алюминиевая труба; 2 – электрический нагреватель;
3 – термопары; 4 – резистор; 5 – многоканальный терморегулятор;
6 – вольтметр; 7 – амперметр

Рисунок 2.3 – Схема экспериментальной установки
Для намерения температуры теплоотдающей поверхности в стенке трубы заложено 12 медь-константановых термопар 3. Электроды термопар подключены к восьмиканальному терморегулятору ТРМ138 (5). Мощность нагревателя изменяется с помощью резистора 4. Для измерения напряжения и силы тока нагревателя установлены вольтметр 6 и амперметр 7. Включение установки осуществляется ключом 8.

2.3.3 Порядок выполнения работы

1 Изучив установку на месте, можно с разрешения преподавателя приступить к выполнению работы. Для этого нужно повернуть ключ терморегулятора ТРМ138 в положение “вкл” и рукояткой резистора 4 установить мощность нагревателя, заданную преподавателем (режим № 1).
2 При достижении стационарного теплового режима (через 30-40 минут после включения электронагревателя), когда показания всех термопар будут неизменными во времени, снимаются показания всех приборов и термопар 3 раза с интервалом 2-3 минуты.
3 Следующий режим устанавливается заданием новой мощности нагревателя резистора 4. Температура окружающего воздуха измеряется ртутным термометром, установленным в лаборатории.
4 Для выполнения работы необходимо исследовать три температурных режима стенки трубы, заданных преподавателем.
5 После выполнения работы установку.
Результаты измерений заносят в протокол (таблица 2.5)

Таблица 2.5 - Протокол результатов измерений

Номер
режима
Номер
замера
Температура
воздуха,
tж, С
Показания приборов
сила
тока,
I, А
напряжение,
U, В
температура, С
t1
t2
t3


t12
tср
1
1










2










3










2
1










2










3










3
1










2










3










2.3.4 Обработка результатов измерений

Количество теплоты Q, Вт которое выделяется внутри трубы и передается во внешнюю среду путем свободной конвекции и излучения, определяется из выражения

, (2.15)

где ^ N - мощность нагревателя, Вт;
I - сила тока протекающего черев нагреватель, А;
U - напряжение на нагревателе, В.

Коэффициент теплообмена , Вт/(м2К)определяется по уравнению
, (2.16)

где d – диаметр исследуемой трубы, м;
L – длина трубы, м;
tср= tср- tж - средняя разность температур поверхности трубы и окружающего воздуха, °С;
Qл - количество теплоты, излучаемой поверхностью трубы, Вт,
, (2.17)
где ^ F - поверхность трубы, м2;
С - коэффициент излучения; для медной слабополированной поверхности трубы, С=0,96 Вт/(м2К);
Тс, Тж - абсолютные температуры стенки трубы и воздуха, К.
Средняя температура tср, С, определяется по замерам всех температур
, (2.18)
где n - количество термопар.
Средняя температура режима, tср.реж., С определяется
, (2.19)

Таблица 2.6 - Протокол обработки результатов опыта


Наименование величины
Обозначение
Единица измерения
Значения в режимах
I
II
II
1
Мощность нагревателя
N
Вт

2
Общее количество теплоты
Q
Вт

3
Потери на излучение

Вт

4
Температура воздуха

С

5
Средняя температура режима
tср.реж.
С

6
Средняя температура стенки
tср
С

7
Разность температур
tср
С

8
Коэффициент теплообмена

Вт/(м2К)

По результатам расчетов строят график зависимости.

2.3.5 Оценка погрешности измерений

Относительная ошибка при определении коэффициента теплообмена определяется по формуле

, (2.20)

где - абсолютные ошибки измерения отдельных величин в уравнении.

Расчет зависимости коэффициента теплообмена в критериальном виде приведен в приложении Б.

2.3.6 Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:
1. Принципиальную схему установки и краткое ее описание.
2. Таблицу измерений.
3. Обработку опытных данных, рассчитанные величины.
4. График зависимости .
5. Расчет погрешности экспериментальных данных.

2.3.7 Контрольные вопросы

1 От каких факторов зависит интенсивность переноса теплоты от поверхности твердого тела к обтекающему его газу?
2 В чем состоит закон теплообмена Ньютона?
3 Какой физический смысл коэффициента теплообмена?
4 Чем объясняется уменьшение коэффициента теплообмена на начальном участке трубы?
5 Как определяется средний температурный напор по длине трубы?
6 Как по экспериментальным данным вычисляется локальный 9местный) и средний коэффициенты теплообмена?
7 При каких значениях критерия Рейнольдса режим течения газа в трубе является ламинарным, переходным и турбулентным?
8 Как определяется скорость течения воздуха в трубе?
9 Назовите критерии подобия для явления теплообмена?
10 Какие безразмерные комплексы называются определяющими критериями подобия?
11 В чем состоит преимущество безразмерных критериальных зависимостей по сравнению с обычными зависимостями, содержащими размерные переменные?

^ 3 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ МНОГОСЛОЙНУ


ПЛОСКУЮ СТЕНКУ



3.1 Расчетные зависимости и уравнения



Теплопередача через плоскую однослойную стенку

; (3.1)

, (3.2)

где tж1 - температура первой среды (горячего теплоносителя), °С;
tж2 - температура второй среды (холодного теплоносителя), °С;
- коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности стенки, Вт/(м2К);
- коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки к горячему теплоносителю, Вт/(м2К);
k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К);

. (3.3)

Теплопередача через многослойную плоскую стенку (рисунок 3.1)

; (3.4)
; (3.5)
, (3.6)
где - термические сопротивления теплопроводности, теплообмену и теплопередаче, (м2К)/Вт.


Рисунок 3.1 - Теплопередача через многослойную плоскую стенку

^ 3.2 Расчетно-графические задания



Тепло дымовых газов передается через стенку котла кипящей воде.
Принимая температуру газов tж1 = …..... °С, воды tж2 = ..…... °C, коэффициент теплоотдачи газами стенке = ........ Вт/(м2К) и от стенки воде = …… Вт/(м2К) и считая стенку плоской требуется:
1. Рассчитать термические сопротивления R, коэффициенты тепло­передачи k, эквивалентные коэффициенты теплопроводности и удельный тепловой поток для следующих случаев:
а) стенка стальная совершенно чистая = …….. мм.
б) стенка медная совершенно чистая = …….. мм.
в) стенка стальная, со стороны воды покрыта слоем накипи толщиной = ........ мм.
г) случай "в", но со стороны накипи имеется слой масла толщиной = 1,0 мм.
д) случай "г", но со стороны газов стенка покрыта слоем сажи толщиной = ........ мм.
2. Приняв количество теплоты для случая "а" за 100 %, подсчитать в % теплоту для всех остальных случаев.
3. Определить аналитически температуры на границах слоев для случая "д".
4. Определить графически температуры на границах слоев для случая "д".
5. Построить для случая "д" линию падения температур в стенке.

Таблица 3.1 - Данные к расчетно-графическому заданию

Первая цифра варианта
tж1, оС
, Вт/(мК)
, мм
Вторая цифра варианта
tж2, оС
, Вт/(мК)
, мм
, мм
0
700
70
0,5
1
120
1000
8
5
1
750
80
1,0
2
130
1500
10
4
2
800
90
1,5
3
140
2000
12
3
3
850
100
2,0
4
150
2500
14
6
4
900
110
0,5
5
160
2700
16
7
5
950
120
1,0
6
170
3000
18
4
6
1000
130
1,5
7
180
3300
20
3
7
1050
140
2,0
8
190
3700
22
2
8
1100
150
1,5
9
200
4000
24
5
9
1150
160
2,0
0
210
4500
26
7
3.3 Контрольные вопросы

  1. Как передается теплота в процессе теплопроводности?

  2. Какой основной закон теплопроводности?

  3. Каковы закономерности распределения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок?

  4. При каком условии расчет цилиндрической стенки можно заменить

расчетом плоской стенки?

  1. Всегда ли с увеличением толщины изоляции цилиндрической трубы

тепловой поток через нее уменьшается?

  1. Какой основной закон теплоотдачи конвекцией?

  2. Какой критерий характеризует вынужденную конвекцию?

  3. Какой критерий характеризует свободную конвекцию?

  4. Что характеризует критерий Нуссельта?

  5. Что такое определяющая температура и определяющий размер?

  6. Чем отличается теплопередача от теплоотдачи?

  7. Что характеризует коэффициент теплопередачи?

Библиографический список



  1. СТП 3.4.204-01. Система вузовской учебной документации. Требования к оформлению текстовых документов. – Введ. 01.01.01.– СибГТУ, 2001.– 46 с.

  2. Нащокин, В. В. Техническая термодинамика и теплопередача [Текст] / В. В. Нащокин. – М., 2008. – 469 с.

  3. Алабовский, А. Н. Техническая термодинамика и теплопередача [Текст]: учеб. пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. / А. Н. Алабовский, И. А. Недужий. – Киев: Выш. шк., 1990. – 255 с.

  4. Техническая термодинамика [Текст] / под ред. В. И. Крутова. – М.: Высшая школа, 1981. – 439 с.

  5. Теплотехника [Текст] / под ред. В. И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432 с.

  6. Брдлик, П. М. Теплотехника и теплоснабжение предприятий лесной и деревообрабатывающей промышленности [Текст]: учебник для вузов / П. М. Брдлик, А. В. Морозов, Ю. П. Семенов. – М.: Лесн. пром-сть, 1988. – 456 с.

  7. Теплотехника [Текст] / под ред. Л. В. Луканина. – М.: Высшая школа, 1999. – 453 с.

  8. Техническая термодинамика и теплопередача [Текст] / А. В. Арнольд [и др.]. – М.: Высшая школа, 1979. – 446 с.

Приложение А
(справочное)

Таблица А1 – Физические параметры для сухого воздуха

t, С
, кг/м3
102, Вт/(мК)
105, м2/с
106, м2/с
Рr
0
1,293
2,44
1,88
13,28
0,707
10
1,247
2,51
2,00
14,16
0,705
20
1,205
2,59
2,14
15,06
0,703
30
1,165
2,67
2,29
16,00
0,701|
40
1,128
2,76
2,43
16,96
0,699
50
1,093
2,83
2,57
17,95
0,698
60
1,060
2,90
2,72
18,97
0,696
70
1,029
2,96
2,86
20,02
0,694
80
1,000
3,05
3,02
21,09
0,692
90
0,972
3,13
3,19
22,10
0,690
100
0,946
3,21
3,36
23,13
0,688
120
0,898
3,34
3,68
25,45
0,686
140
0,854
3,49
4,03
27,80
0,684
160
0,815
3,64
4,39
30,09
0,682
180
0,779
3,78
4,75
32,49
0,681
200
0,746
3,93
5,14
34,85
0,680
4
Карта сайта

Последнее изменение этой страницы: 2018-09-09;



2010-05-02 19:40
referat 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная