Теплоотдача горизонтальной трубы при свободном движении воздуха.

Кафедра теплотехники

 

 

 

Цель работы – определение коэффициента теплоотдачи для горизонтальной трубы при свободном движении воздуха, установление его зависимости от температурного напора, получение уравнения подобия для данного процесса.

 

I. Теоретические основы.

Конвективный теплообмен между жидкостью или газом и поверхностью соприкасающегося с ним тела называется теплоотдачей.

Тепловой поток, отдаваемый поверхностью тела в окружающую среду, согласно закону Ньютона-Рихмана, пропорционален площади поверхности F и разности температур поверхности тела t и окружающей среды t_c, то есть:

, Вт

где α; – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м^{2 .} °С).

Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Численно он равен тепловому потоку, отдаваемому (воспринимаемому) единицей поверхности при разности температур между поверхностью тела и окружающей средой, равной одному градусу.

Коэффициент теплоотдачи зависит от большого числа факторов. В общем случае α; является функцией формы и размеров тела, режима движения, скорости и температуры жидкости, физических параметров жидкости и других величин. По-разному протекает процесс теплоотдачи в зависимости от природы возникновения движения жидкости.

Различают свободную и вынужденную конвекцию. В первом случае движение возникает за счет разности гравитационных сил, обусловленной разностью плотностей нагретых и холодных частиц жидкости.

 

II. Описание опытной установки.

Опытная установка (рис.1) размещена в помещении с достаточно устойчивой температурой. Установка представляет собой медную трубу 1 диаметром 30 и длиной 1150 мм, расположенную горизонтально. Внутри трубы имеется нагреватель 2.

 

Рисунок 1. Схема установки.

Энергия выделяется по длине трубы равномерно (. Тепловой поток, передаваемый в окружающую среду, определяется по расходу электрической энергии. Мощность, потребляемая электронагревателем, регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора 6 и определяется по показаниям вольтметра 7 и амперметра 8.

Для измерения температуры поверхности опытной трубы в стенке заложено шесть термопар 3 из хромеля и алюмеля. Расстояние между спаями термопар примерно одинаковы.

Холодные спаи термопар находятся при температуре окружающей среды. ЭДС термопар измеряется переносным потенциометром 5. термопары подключаются к потенциометру посредством переключателя 4.

Температура воздуха измеряется вдали от опытной трубы с помощью ртутного термометра.

 

III. Таблица наблюдений.

№ п/п

ЭДС термопар в mV

Среднее значение ЭДС, mV

Разность температур ∆t=t-tc

Температура на поверхности трубы t, 0С

Сила тока I, А

Напряжение на зажимах нагревателя U, В

Температура окружающей среды tc,0С

Сред. зн-е

Сред. зн-е

Сред. зн-е

 

IV. Расчет опытных данных.

1. Поверхность трубы, м²:

,

где d, l – соответственно диаметр и длина трубы, м;

 

2. Тепловой поток, передаваемый во внешнюю среду излучением, Вт:

,

где с – приведенный коэффициент излучения, Вт/(м²К)

(для медной поверхности с=1 Вт/(м²К));

Т₁, Т_с – абсолютная температура опытной трубы и окружающей среды, К;

 

3. Тепловой поток Q, передаваемый во внешнюю среду излучением и конвекцией:

,

где J – сила тока в цепи нагревателя, А;

U – напряжение на зажимах нагревателя, Вт;

4. Тепловой поток Q_к, передаваемый во внешнюю среду путем конвекции:

 

5. Средний коэффициент теплоотдачи конвекцией:

,

где Δ t – разность между температурами поверхности трубы и окружающего воздуха, °С;

 

Результаты расчетов для других режимов сведены в таблицу:

№ режима	Qл, Вт	Q, Вт	Qк, Вт	, Вт/(м2С)
1 режим
2 режим
3 режим

 

Результаты опытов представляем в зависимости на рисунке 1.

 

6. Относительная погрешность в определении среднего коэффициента теплоотдачи:

6.1.

6.2.

6.3.

Для распространения полученных результатов на другие подобные процессы расчетные данные необходимо представить в обобщенном виде:

,

где - определяемое число Нуссельта; - критерий Гросгофа;

- критерий Прандтля; λ; – коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С); а – коэффициент температуропроводности, м²/с; ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; - коэффициент объемного расширения воздуха, 1/К; g – ускорение силы тяжести, м/с²;

 

Физические параметры воздуха (λ,а,ν) берутся по температуре воздуха t_c.

Значения чисел Nu, Gr, Pr для каждого температурного режима сведены в таблицу:

 

№ режима	Nu	Gr	Pr
1 режим
2 режим
3 режим

где λ=2,62 ^. 10^-2 Вт/(м°С); а =21 ,6 ^. 10^-6, м²/с; ν=15,08 ^. 10^-6, м²/с.

Зависимость между числами подобия носит степенной характер:

График зависимости представляем в логарифмических координатах на рисунке 2 в виде прямой линии.

Показатель степени п в уравнении равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс. Постоянная с находится из соотношения для любой точки прямой

 

Рис.1. График зависимости

 

Рис.2. График зависимости