Расчетные формулы и расчеты. 1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле

, Па,

где В – показание барометра, мбар; t_окр – температура окружающей среды, равная температуре воздуха при входе в воздухомер, °С.

2. Перепад давления воздуха в воздухомере

, Па,

где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м³; g – ускорение свободного падения, равное 9, 81 м/с²; H – показание вакуумметра (горло воздухомера), переведенное в м вод.ст.

3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера

, кг/м³,

где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.

4. Расход воздуха

, кг/с.

5. Абсолютное давление в сечении I – I

, Па,

где H_н – показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.

6. Плотность воздуха по состоянию на входе в горизонтальную трубу

, кг/м³,

где t₁ – температура воздуха при входе в трубу (сечение I-I), °С.

7. Плотность воздуха по состоянию на выходе из горизонтальной трубы

, кг/м³,

где t₂ – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II-II), °С.

8. Значения энтальпии воздуха в сечениях I и II определяются по общему уравнению

, кДж/кг,

где c_р – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1, 006 кДж/(кг·°С); t_j – температура в рассматриваемом сечении, °С; j – индекс рассматриваемого сечения (I или II).

9. Средняя скорость потока в сечениях I – I и II – II определяется по общему уравнению

, м/с,

где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений I-I и II-II и равная 1, 35·10^-3, м²; ρ _j – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м³; j – индекс рассматриваемого сечения (I-I или II-II).

10. Мощность теплового потока, переданного вынужденной конвекцией от внутренней поверхности трубы, находится с учетом (2) по формуле

, Вт.

11. Тогда с учетом формулы (1) мощность теплового потока, переданного естественной конвекцией, от наружной поверхности трубы

, Вт.

12. Мощность теплового потока, выделенная на участке от сечения I – I до сечения II – II находится по показаниям вольтметра и амперметра

, Вт,

где I_н – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а; U_н – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в.

13. Опытные значения коэффициентов теплоотдачи получаем по формулам (3) и (4), в которых F_вн – внутренняя поверхность трубы, равная 0, 352, м²; F_{на р} – наружная поверхность трубы, равная 0, 386, м²; средний температурный напор при вынужденной конвекции Δ t₁ = t_x – 0, 5·(t₁ + t₂), °C; средний температурный напор при естественной конвекции Δ t₂ = t_x – t_окр, °C. Температура трубы t_x, °С находится по удлинению трубы  l, мм: t_x = t_окр+30, 87·Δ l, °С.

14. Расчетные значения коэффициента теплоотдачи для вынужденной конвекции находим с учетом (5) или (6) по формуле

, Вт/(м²·°C). (8)

При вычислении критериев подобия по уравнению (5) или (6) и коэффициента теплоотдачи по формуле (8) все теплофизические свойства воздуха находятся по определяющей температуре – средней температуре потока в трубе равной t_п = 0, 5·(t₁ + t₂); определяющим размером в формулах является внутренний диаметр трубы d_вн = 0, 0415, м.

15. Расчетные значения коэффициента теплоотдачи для свободной конвекции находим с учетом (7) по формуле

, Вт/(м²·°C) (9)

При вычислении критериев подобия по уравнению (7) и коэффициента теплоотдачи по формуле (9) все теплофизические свойства воздуха находятся по определяющей температуре – средней температуре потока окружающего трубу, равной t_п = 0, 5·(t_х + t_окр); определяющим размером в формулах является наружный диаметр трубы d_нар = 0, 0455, м.

16. Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета: 10 – , Дж/кг, 11 – , Дж/кг.

17.Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл.2.

 

Таблица 2

№ п/п	Расчетная величина	Обозна- чение	Единицы измерения	Номера опытов
	Атмосферное давление	Ратм	Па
	Перепад давления воздуха в воздухомере	Δ Р	Па
	Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера	ρ в	кг/м3
	Расход воздуха	G	кг/с
	Плотность воздуха в сечении I – I	ρ 1	кг/м3
	Средняя скорость потока воздуха в сечении I – I	W1	м/с
	Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение II)	ρ 2	кг/м3
	Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение II)	W2	м/с
	Теплота, вносимая электрическим током в систему (нагрев трубы)	Qэ	Вт
	Изменение энтальпии воздуха по потоку в системе (трубе)	Δ h	Дж/кг
	Изменение кинетической энергии потока воздуха в трубе	Δ Экин	Дж/кг
	Теплота, передаваемая потоку воздуха в трубе	Q1	Вт
	Теплота, передаваемая окружающему трубу воздуху	Q2	Вт
	Средний температурный напор в условиях внутреннего теплообмена	Δ t1	°С
	Средний температурный напор в условиях внешнего теплообмена	Δ t2	°С
	Критерий Рейнольдса	Reп	–
	Критерий Прандтля в условиях вынужденной конвекции	Pr1п	–
	Критерий Нуссельта в условиях вынужденной конвекции	Nu1п, d	–
	Критерий Грасгофа	Grп	–
	Критерий Прандтля в условиях естественной конвекции	Pr2п	–
	Критерий Нуссельта в условиях естественной конвекции	Nu2п, d	–
	Коэффициент теплоотдачи в условиях внутреннего теплообмена (вынужденная конвекция)	α 1 оп	Вт/(м2·°С)
α 1 расч	Вт/(м2·°С)
	Коэффициент теплоотдачи в условиях внешнего теплообмена (свободная конвекция)	α 2 оп	Вт/(м2·°С)
α 2 расч	Вт/(м2·°С)

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Какими методами измеряется температура в данной работе?

4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?

5.По каким признакам можно судить о стационарном режиме теплообмена с окружающей средой?

6. Как осуществляется выбор контрольной оболочки рассматриваемой термодинамической системы?

7. Дайте формулировку и математическое выражение уравнения первого закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта.

8. Укажите способы определения величин, входящих в уравнение 1-го закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта, с полным обоснованием используемых расчетных формул.

9. Какие существуют методы и приборы для измерения температуры, давления и расхода?

10. Как определяется плотность воздуха в условиях лабораторной установки?

11. Какие виды конвекции существуют, в чем их различие?

12. В чем сущность «Теории подобия» и как с ее помощью определяются коэффициенты теплоотдачи?

13. Как составляются критериальные уравнения?

14. Составьте в общем виде критериальные уравнения для вынужденной и свободной (естественной) конвекции.

15. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для свободной конвекции?

16. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для вынужденной конвекции?

17. Что такое «определяемый» и «определяющий» критерий?

18. Как выбирается определяющий (характерный) размер и определяющая температура при расчете критериев подобия?

Библиографический список

1. Теплотехника: Уч. для вузов/Под ред. А. П. Баскакова М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.

2. Мурзаков В. В. Основы технической термодинамики. М.: Энергия, 1973. 304 с.

3. Зубарев В. Н., Александров А. А. Практикум по технической термодинамике: Уч. пособие для вузов. М.: Энергия, 1971. 352 с.

4. Ривкин С. А., Александров А. А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.,: Энергия, 1980. 424 с.

5. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 245 с.

Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. Л.: Машгиз, 1957. 87 с.