Документы необходимые для поступления в техникум;pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Ивановский государственный энергетический
университет имени В.И.Ленина»
Кафедра теоретических основ теплотехники
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ
В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
Иваново 2014
Составители:
В.В. БУХМИРОВ
Т.Е. СОЗИНОВА
Редактор
Д.В. РАКУТИНА
Методические указания содержат описание экспериментальной
установки, методику проведения эксперимента, а также расчетные
формулы, необходимые для обработки результатов опыта.
Методические указания предназначены для студентов дневного и
заочного факультетов, обучающихся по направлениям 140100 «Теплотехника и теплоэнергетика», 141100 «Энергетическое машиностроение», 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика».
Методические указания утверждены цикловой методической комиссией ТЭФ
Рецензент
кафедра теоретических основ теплотехники ФГБОУ ВПО «Ивановский
государственный
энергетический
университет
имени
В.И.Ленина»
2
1. Задание
1. Экспериментально определить средние коэффициенты конвективной теплоотдачи от поверхности двух вертикальных труб разной высоты или двух горизонтальных
труб разного диаметра к окружающему воздуху.
2. Рассчитать коэффициенты теплоотдачи по критериальным уравнениям.
3. Сравнить значения коэффициентов теплоотдачи,
найденных экспериментально с расчетом по критериальным уравнениям.
4. Обработать результаты эксперимента в виде критериального уравнения Nu = C Ran.
2. Основы теории
2.1. Экспериментальное определение среднего
коэффициента конвективной теплоотдачи
Теплоотдача – это процесс сложного теплообмена на
границе раздела фаз, например, между твердой стенкой и
окружающей средой.
График температурного поля при теплоотдаче между
твердой стенкой и окружающей текучей средой показан на
рис. 1.
Расчет теплоотдачи заключается в определении теплового
потока, которым обмениваются стенка и окружающая среда.
Для условий лабораторного стенда сложный теплообмен
от наружной поверхности трубы в окружающую среду
происходит одновременно за счет конвективного теплообмена и теплового излучения. Такой процесс сложного теплообмена называют радиационно - конвективной теплоотдачей.
Конвективный теплообмен в условиях свободного
движения текучей среды возникает вследствие разности
плотностей слоев текучей среды, имеющих разную темпе3
ратуру. Под действием сил гравитации более легкие нагретые слои воздуха поднимаются вверх, а более тяжелые холодные слои опускаются вниз. Свободное движение возникает около поверхности теплообмена в пограничном
слое толщиной т (см. рис. 1), за пределами пограничного
слоя воздух практически неподвижен.
Тепловое излучение представляет собой процесс распространения теплоты в пространстве электромагнитными
волнами (по волновой теории) или фотонами (по квантовой теории).
T
δт
Q  Qк  Qл
Tw
Tf
y
0
Рис.1. График температурного поля при теплоотдаче между твердой
стенкой и окружающей средой
В стационарном режиме теплообмена теплота, отдаваемая поверхностью теплообмена, равна теплоте, получаемой от нагревателя, расположенного с внутренней стороны
поверхности теплообмена (в трубе). Таким образом, электрическая мощность нагревателя Nэл равна суммарному
тепловому потоку от внешней поверхности теплообмена к
окружающей среде:
4
(1)
N эл  Q  Qк  Qл ,
где Q – суммарный тепловой поток от внешней поверхности теплообмена к окружающей среде; Qк – тепловой поток конвекцией от внешней поверхности теплообмена к
окружающему воздуху; Qл – тепловой поток излучением от
внешней поверхности теплообмена к окружающим конструкциям.
Для условий эксперимента результирующий тепловой
поток излучением от наружной поверхности трубы к окружающим лабораторный стенд предметам в помещении равен:




4
4
(2)
Qл  εσ o Tw  T F ,
где  – степень черноты поверхности теплообмена (трубы);
0 = 5,6710–8 Вт/(м2К4) – постоянная Стефана–Больцмана;
Тw, Т – абсолютные температуры поверхности трубы и поверхности окружающих предметов соответственно, К;
F – площадь наружной поверхности трубы, м2.
Принимая допущение о равенстве температуры предметов в помещении и температуры воздуха ( T  Tв ), получим
4
4
(3)
Qл  εσ o Tw  Tв F ,
где Тв – абсолютная температура окружающего воздуха, К.
Конвективный тепловой поток от наружной поверхности теплообмена найдем из формулы (1):
(4)
Qк  Q  Qл .
В инженерных расчетах тепловой поток при теплоотдаче
находят по закону теплоотдачи Ньютона:
Q  αTw  Tв  F ,
(5)
где  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); Тw – температура наружной поверхности, оС; Тв – температура окружающего воздуха, оС; F – площадь поверхности теплообмена,
м2.
5
Из формулы (5) можно определить значение коэффициента теплоотдачи:
Q
,
(6)
α
Tw  Tв  F
где суммарный коэффициент теплоотдачи равен:
(7)
  к   л .
При этом конвективную и лучистую составляющие теплоотдачи при допущении T  Tв находят по формуле (6)
соответственно:
Qк
Qл
и αл 
,
(8)
αк 
T  Tв  F
T  Tв  F
где F    d нар  l , dнар – наружный диаметр трубы; l – высота (длина) трубы.
2.2. Определение среднего коэффициента конвективной
теплоотдачи по критериальным формулам
В инженерных расчетах коэффициент конвективной теплоотдачи рассчитывают по критериальным формулам для
свободной конвекции около вертикальных и горизонтальных
труб [2]. При свободном движении текучей среды форма
критериального уравнения зависит от режима движения
флюида. Для условий свободной конвекции критериальное
уравнение имеет вид
(9)
Nu  f ( Ra ) ,
где Nu – определяемый критерий подобия; Ra – определяющий критерий подобия.
Критерий Нуссельта находят по формуле
α к  R0
Nu 
,
(10)
λ
6
где к – коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2К);
R0 – определяющий (характерный) размер, м;  – коэффициент теплопроводности текучей среды, Вт/(мК).
Критерий Рэлея по определению равен:
(11)
Ra  Gr  P r ,
где Gr– критерий Грасгофа; Pr – критерий Прандтля.
Критерий Грасгофа находят по формуле
g  R03
(12)
Gr 
β T ,
ν2
где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения;  – кинематический коэффициент вязкости текучей среды, м2/с;
 – коэффициент объемного расширения флюида, 1/K;
ΔТ – разность между средней температурой стенки и температурой флюида, °C.
Теплофизические свойства текучей среды и критерий
Прандтля находят при определяющей температуре Т0 в
справочных таблицах [3].
Коэффициент объемного расширения капельных жидкостей приведен в справочных таблицах 3 в зависимости
от температуры текучей среды, а для газов его рассчитывают по формуле
1
(13)
β ,
T0
где T0 – определяющая температура газа, К.
Средний коэффициент
конвективной теплоотдачи около вертикальных труб
Критериальные формулы В.П. Исаченко [2]
Средний коэффициент теплоотдачи при ламинарном
режиме течения жидкости (103< Ra ≤ 109) рассчитывают
по формуле [2]
7
Nu f , H  0,75  Ra 0f ,,25
H  εt .
(14)
В формулу (14) входит поправка, учитывающая зависимость физических свойств текучей среды от температуры:
0, 25
 P rf 
 ,
(15)
ε t  

P
r
w


где критерий Прандтля Prf принимают по справочным
данным [3] для текучей среды при определяющей температуре флюида Т0, а критерий Прандтля Prw принимают по
справочным данным [3] для текучей среды при температуре стенки Tw.
Определяющие параметры:
R0 = H – высота вертикальной трубы;
T0 = Tf – температура текучей среды вдали от поверхности
теплообмена (за пределами теплового пограничного слоя).
Средний коэффициент теплоотдачи при развитом турбулентном режиме течения флюида (Ra ≥ 61010) находят по формуле [2]
1
Nu f , H  0,15  Ra 3f , H  ε t .
(16)
Определяющие параметры:
R0 = H – высота вертикальной трубы;
T0 = Tf – температура текучей среды вдали от поверхности
теплообмена (за пределами теплового пограничного слоя).
Замечание. Поправку t, учитывающую изменение физических свойств среды в зависимости от температуры,
рассчитывают по формуле (15).
Переходный режим течения флюида наступает при
числах Релея 109  Ra f , H  6  1010 и отличается неустойчивостью течения. В приближенных расчетах теплоотдачи при
переходном режиме В.П. Исаченко рекомендует использовать формулу (16) для турбулентного режима течения.
8
Критериальная формула М.А. Михеева [2]
По данным академика М.А. Михеева средний коэффициент теплоотдачи при свободном движении текучей среды около вертикальных труб можно рассчитать по формуле
(17)
Nu m  C  Ra mn ,
где коэффициенты С и n в зависимости от режима течения
приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения коэффициентов С и n в формуле (17)
Ra m  Grm  Prm
Режим течения
<10-3
Пленочный
10-3 ÷ 5·102
5·102 ÷ 2·107
> 2·107
Переходный от пленочного
к ламинарному
Ламинарный и переходный
к турбулентному
Турбулентный
С
n
0,5
0
1,18
1/8
0,54
1/4
0,135
1/3
Определяющие параметры:
T0  Tm  0,5  (T f  Tw ) – средняя температура пограничного слоя;
R0 = Н – высота вертикальной трубы.
Средний коэффициент конвективной
теплоотдачи для горизонтальных труб
Критериальная формула И.М. Михеевой [2]
Средний коэффициент теплоотдачи при ламинарном
режиме течения ( Ra f ,d  10 3 10 8 ), по данным И.М. Михеевой, равен [2]:
9
Nu f ,d  0,5  Ra 0f ,,25
d  εt .
(18)
Определяющие параметры:
T0  T f – температура текучей среды вдали от поверхности теплообмена (за пределами теплового пограничного
слоя);
R0  d нар – наружный диаметр трубы.
Замечание. Поправку t, учитывающую изменение физических свойств среды в зависимости от температуры, рассчитывают по формуле (15).
Критериальная формула М.А. Михеева
Средний коэффициент теплоотдачи при свободном движении текучей среды около горизонтальной трубы можно
рассчитать по формуле М.А. Михеева (17). Коэффициенты
С и n в зависимости от режима течения приведены в табл. 1.
Определяющие параметры:
T0  Tm  0,5  (T f  Tw ) – средняя температура пограничного слоя;
R0  d нар – наружный диаметр горизонтальных труб.
3. Экспериментальная установка
3.1. Стенд с двумя вертикальными трубами
Принципиальная схема рабочего участка установки показана на рис. 2.
В лабораторной работе изучают процесс теплоотдачи в
окружающую среду от поверхностей вертикальных труб с
размерами: длинная труба 1 длиной 1400 мм и диаметром
10
32 мм; короткая труба 2 длиной 705 мм и диаметром 32 мм.
Трубы выполнены из шероховатого алюминия.
Внутри каждой трубы смонтированы электронагреватели 3 и 4 из нихромовой ленты, выделяющие тепловой поток
по всей длине труб. Напряжение на нагревателях устанавливают при помощи лабораторных автотрансформаторов
5.1 и 5.2. Ручки автотрансформаторов расположены на лицевой панели стенда.
Мощность электронагревателя определяют при помощи
вольтметра 6 и амперметра 7. Измерительные приборы
подключаются к электронагревателю каждой трубы при
помощи трехконтактного переключателя 8. Измерения
проводят поочередно для каждой трубы.
Для измерения температур в контрольных точках на
наружных поверхностях труб установлены горячие спаи 9
медь-константановых термопар: на длинной трубе – 7 спаев (с 1-й по 7-ю термопары), на короткой трубе – 4 спая (с
8-й по 11-ю термопары). Общий для всех термопар холодный спай 10 помещен в латунную гильзу 11, заполненную
машинным маслом. Температуру холодного спая измеряют
термометром 12.
Все термопары через переключатель 13 подключены
последовательно к цифровому милливольтметру 14, при
помощи которого измеряют разность термоЭДС, возникающую между горячим и холодным спаями термопар.
По разности термоЭДС (Δе) при помощи градуировочной таблицы ΔТ = f (Δе) определяют разность температур
между горячим и холодным спаем. Зная ΔТ, температуру в
контрольной точке измерения находят по формуле
Т = ΔТ+ Тх.с,
где Тх.с – температура холодного спая термопары.
11
1
13
2
14
12
3
9
4
11
2
10
8
3
5
4
9
6
10
1
5.2
7
15
11
8
A
7
6
16
V
5.1
~220 V
Рис. 2. Принципиальная схема установки
с двумя вертикальными трубами:
1, 2 – длинная и короткая трубы; 3, 4 – электрические нагреватели; 5.1,
5.2 – автотрансформаторы; 6 – вольтметр; 7 – амперметр; 8 – переключатель; 9 – горячие спаи термопары; 10 – холодный спай термопар;
11 – латунная гильза, заполненная машинным маслом; 12 – термометр;
13 – переключатель; 14 – цифровой милливольтметр; 15 – тумблер
включения установки; 16 – сигнальная лампа
12
3.2. Стенд с двумя горизонтальными трубами
Принципиальная схема рабочего участка установки показана на рис. 3.
В лабораторной работе изучают процесс теплоотдачи в
окружающую среду от поверхностей горизонтальных труб
с размерами: труба большого диаметра 1 диаметром 100 мм
и длиной 1030 мм и; труба малого диаметра 2 диаметром
32 мм и длиной 1000 мм.
Материал поверхности трубы большого диаметра – черный термостойкий лак, материал поверхности трубы малого диаметра – шероховатый алюминий.
Внутри каждой трубы смонтированы электронагреватели 3 и 4 из нихромовой ленты, выделяющие тепловой поток
по всей длине труб. Напряжение на нагревателях устанавливают при помощи лабораторного автотрансформатора 5.
Ручка автотрансформатора расположена на лицевой панели
стенда.
Мощность электронагревателя определяют при помощи
вольтметра 6 и амперметра 7. Измерительные приборы
подключаются к электронагревателю каждой трубы при
помощи переключателя 8. Измерения проводят поочередно
для каждой трубы.
Для измерения температур в контрольных точках на
наружных поверхностях труб установлены горячие спаи 9
медь-константановых термопар: на трубе большого диаметра – 6 спаев (с 1-й по 6-ю термопары), на трубе малого
диаметра – 6 спаев (с 7-й по 12-ю термопары). Общий для
всех термопар холодный спай 10 помещен в латунную
гильзу 11, заполненную машинным маслом. Температуру
холодного спая измеряют термометром 12.
Все термопары через переключатель 13 подключены
последовательно к цифровому милливольтметру 14, при
13
помощи которого измеряют разность термоЭДС, возникающую между горячим и холодным спаями термопар.
По разности термоЭДС (Δе) при помощи градуировочной таблицы ΔТ = f (Δе) определяют разность температур
между горячим и холодным спаем. Зная ΔТ, температуру в
контрольной точке измерения находят по формуле
Т = ΔТ+ Тх.с,
где Тх.с – температура холодного спая термопары.
4. Порядок проведения эксперимента
Внимание! Экспериментальную установку включает и
выключает инженер или преподаватель.
1. Изучить устройство экспериментальной установки и
подготовить журнал наблюдений: для вертикальных труб
– табл. 2, для горизонтальных труб – табл. 3.
2. О готовности к проведению эксперимента сообщить
преподавателю.
3. Включить питание установки тумблером 15.
4. Подать напряжение на нагреватели вертикальных
труб при помощи автотрансформаторов 5.1 и 5.2 или на
нагреватели горизонтальных труб при помощи автотрансформатора 5.
Внимание! Напряжение устанавливает инженер или
преподаватель.
5. Определить значения напряжения и силы тока по показаниям вольтметра 6 и амперметра 7 для каждого нагревателя труб.
Показания вольтметра и амперметра записать в журнал
наблюдений.
14
1
3
8
A
7
1
2
3
2
4
4
5
V
15
6
6
16
~220 V
5
7
8
10
9
11
12
13
14
9
12
11
10
Рис. 3. Принципиальная схема установки с двумя горизонтальными трубами:
1, 2 –трубы большого и малого диаметра; 3, 4 – электрические нагреватели; 5 – автотрансформатор; 6 –
вольтметр; 7 – амперметр; 8 – переключатель; 9 – горячие спаи термопары; 10 – холодный спай термопар; 11 –
латунная гильза, заполненная машинным маслом; 12 – термометр; 13 – переключатель; 14 – цифровой милливольтметр; 15 – тумблер включения установки; 16 – сигнальная лампа
Таблица 2
Журнал наблюдений для исследования теплоотдачи около вертикальных труб
№
опыта
1
2
.
.
.
N
Напря- Сила тока
жение
U1, U2, I1,
I2,
В
В
А
А
ТермоЭДС
Δе1,
мВ
Δе2,
мВ
Δе3,
мВ
Δе4,
мВ
Δе5,
мВ
Δе6,
мВ
Δе7,
мВ
Δе8,
мВ
Δе9,
мВ
Δе10,
Δе11,
мВ
мВ
Температура
холодного
спая,
температура
воздуха
Тх.с = Тв
Таблица 3
Журнал наблюдений для исследования теплоотдачи около горизонтальных труб
№
опыта
Напряжение
U1, U2,
В
В
Сила
тока
I1, I2,
А
А
ТермоЭДС
Δе1,
мВ
Δе2,
мВ
Δе3,
мВ
Δе4,
мВ
1
2
.
.
.
N
18
Δе5,
мВ
Δе6,
мВ
Δе7,
мВ
Δе8,
мВ
Δе9,
мВ
Температура
холодного спая,
Δе10, Δе11, Δе12, температура
мВ мВ мВ
воздуха
Тх.с = Тв
6. Измерить разность термоЭДС цифровым милливольтметром 14 для всех контрольных точек на поверхностях
труб.
7. Измерить температуру холодного спая и температуру
воздуха в помещении термометром 12.
Показания термометра записать в журнал наблюдений.
8. Фиксировать значения разности термоЭДС каждые
5÷10 минут.
9. Проводить эксперимент до достижения стационарного
режима, при котором термоЭДС в каждой контрольной точке не изменяется во времени.
10. Об окончании эксперимента доложить преподавателю
или инженеру.
11. Выключить цифровой милливольтметр 14, снять
напряжение на лабораторных автотрансформаторах 5, выключить стенд тумблером 15.
Внимание! Установку выключает инженер или преподаватель.
5. Обработка результатов эксперимента
Экспериментальное определение коэффициента
конвективной теплоотдачи
1. Рассчитать электрическую мощность нагревателя для
каждой трубы по формуле
N эл  I U .
(19)
2. Зная разность термоЭДС (Δе) по градуировочной таблице 4 определить разность температур между горячим и
холодным спаями ΔТ = f (Δе) для каждой контрольной
точки на поверхности труб.
Таблица 4
Градуировочная таблица для медь-константановых термопар
Единицы
0
Десятки
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0,037 0,074 0,110 0,147 0,184 0,221 0,257 0,294 0,331
10
0,368 0,405 0,442 0,478 0,516 0,553 0,590 0,627 0,664 0,701
20
0,737 0,775 0,813 0,851 0,889 0,927 0,965 1,003 1,041 1,079
30
1,117 1,156 1,194 1,233 1,271 1,310 1,349 1,387 1,426 1,464
40
1,503 1,543 1,582 1,622 1,662 1,701 1,741 1,781 1,821 1,860
50
1,900 1,944 1,981 2,021 2,062 2,102 2,143 2,183 2,224 2,264
60
2,305 2,346 2,386 2,427 2,468 2,509 2,549 2,590 2,631 2,671
70
2,712 2,754 2,796 2,837 2,879 2,921 2,963 3,005 3,046 3,088
80
3,130 3,173 3,225 3,258 3,300 3,343 3,385 3,428 3,471 3,513
90
3,556 3,599 3,642 3,685 3,728 3,372 3,815 3,858 3,901 3,944
100 3,987 4,031 4,075 4,119 4,163 4,207 4,252 4,296 4,340 4,384
110 4,423 4,468 4,511 4,554 4,600 4,643 4,688 4,731 4,774 4,818
120 4,863 4,906 4,950 4,995 5,038 5,071 5,124 5,169 5,212 5,258
130 5,300 5,342 5,387 5,431 5,472 5,520 5,561 5,604 5,649 5,691
140 5,736 5,778 5,822 5,864 5,910 5,952 5,998 6,040 6,082 6,126
150 6,171 6,214 6,250 6,300 6,346 6,390 6,432 6,479 6,521 6,561
160 6,610 6,651 6,698 6,740 6,782 6,830 6,871 6,919 6,960 7,002
170 7,050 7,091 7,135 7,180 7,221 7,268 7,311 7,351 7,399 7,441
180 7,482 7,529 7,571 7,613 7,659 7,701 7,742 7,788 7,832 7,874
190 7,918 7,964 8,006 8,050 8,092 8,134 8,180 8,223 8,268 8,310
200 8,352 8,399 8,411 8,487 8,530 8,572 8,618 8,661 8,702 8,749
3. Рассчитать значение температур в каждой контрольной точке на поверхности труб по формуле
(20)
Ti  Ti  Tх.с .
4. Для каждой трубы определить среднюю температуру
наружной поверхности:
19
n
Tw   Ti n ,
(21)
i 1
где i = 1,2,…, n – номер контрольной точки измерения на
поверхности трубы; n – число контрольных точек измерения (для каждой трубы отдельно).
5. Рассчитать тепловой поток с поверхности каждой
трубы: излучением по формуле (3) и конвекцией по формуле (4) считая, что Nэл = Q.
6. По формуле (8) рассчитать экспериментальное значение коэффициента конвективной теплоотдачи для каждой
трубы.
Определение коэффициента конвективной теплоотдачи
по критериальным формулам
Коэффициенты конвективной теплоотдачи около вертикальных труб можно определить по критериальным формулам В.П. Исаченко и критериальным формулам М.А. Михеева (см. раздел 2.2), а около горизонтальных труб – по формулам И.М. Михеевой и М.А. Михеева (см. раздел 2.2).
Коэффициент конвективной теплоотдачи по критериальным формулам определяют следующим образом.
1. Выбрать (по указанию преподавателя) критериальную
формулу для расчета коэффициента теплоотдачи.
2. В соответствии с выбранным критериальным уравнением найти определяющие параметры:
– определяющий размер R0;
– определяющую температуру Т0, по значению которой
из справочных таблиц [3] необходимо выписать кинематический коэффициент вязкости , критерий Прандтля Pr, коэффициент теплопроводности . По формуле (13) найти коэффициент объемного расширения .
20
3. Рассчитать критерий Грасгофа для каждой трубы по
формуле (12).
4. Найти критерий Рэлея по формуле (11).
5. По значению критерия Рэлея определить режим течения воздуха около каждой трубы в соответствии с выбранным критериальным уравнением.
6. По критериальной формуле рассчитать безразмерный
коэффициент конвективной теплоотдачи – критерий Нуссельта для каждой трубы в зависимости от режима течения.
7. Найти коэффициент конвективной теплоотдачи по
формуле
 к  Nu

.
(23)
R0
8. Сравнить значения коэффициента теплоотдачи, полученные по формуле (8) и по формуле (23), для каждой трубы:

 кэкс   ккрит
 ккрит
100 % .
(24)
Обработка результатов эксперимента в виде
критериального уравнения
Получим критериальное уравнение для условий свободной конвекции в виде
(25)
Nu  С  Ra n ,
где С и n – эмпирические коэффициенты.
Для этого эмпирические коэффициенты С и n найдем по
следующему алгоритму.
1. Назначим определяющие параметры:
– в качестве определяющего размера для вертикальных
труб примем высоту трубы R0 = Н, а для горизонтальных
труб – наружный диаметр трубы R0  d нар ;
21
– в качестве определяющей температуры примем среднюю температуру пограничного слоя
(26)
T0  Tm  0,5  (T f  Tw ) .
Из справочных таблиц [3] при определяющей температуре найдем теплофизические свойства воздуха: , , Pr.
Рассчитаем  по формуле (13).
2. Для каждой трубы найдем критерий Рэлея Ra1 и Ra2
по формуле (11).
3. Рассчитаем критерий Нуссельта Nu1 и Nu2 по формуле
(10) для каждой трубы.
4. Запишем в табл. 5 значения критериев Ra1 и Ra2, Nu1 и
Nu2 и их логарифмы lg Ra1, lg Ra2, lg Nu1 и lg Nu2.
5. В логарифмических координатах (lg Ra, lg Nu) необходимо нанести опытные точки на график (рис.4).
Получим прямую линию:
(27)
lg Nu  lg C  n lg Ra .
6. Находим значения эмпирических коэффициентов n и С:
lg Nu1  lg Nu2
.
(28)
n 
lg Ra1  lg Ra2
Nu1 Nu2
C

.
(29)
Ra1n Ra2n
Таблица 5
Журнал обработки результатов эксперимента
Расчетные величины
Ra1
Ra2
Nu1
Nu2
lg Ra1
22
lg Ra2
lg Nu1
lg Nu2
lgNu
2
lgNu2
lgNu1
1
lgRa1
lgRa2
lgRa
Рис.4. К расчету коэффициентов аппроксимации С и n
Отчет о выполнении лабораторной работы
должен содержать:
– задание на выполнение лабораторной работы;
– принципиальную схему экспериментального стенда;
– журнал наблюдений;
– обработку результатов опыта: экспериментальное определение значения коэффициента конвективной теплоотдачи, расчет коэффициента конвективной теплоотдачи по
критериальным формулам и критериальное уравнение
Nu  С  Ra n , полученное в результате эксперимента;
– выводы по работе.
23
6. Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятий «конвекция», «конвективный теплообмен», «конвективная теплоотдача».
2. Какие виды теплообмена происходят в данной лабораторной установке.
3. Напишите закон конвективной теплоотдачи, поясните входящие в него величины.
4. Поясните физический смысл коэффициента теплоотдачи. Укажите его размерность.
5. Поясните механизм возникновения свободной конвекции.
6. Какие режимы движения текучей среды наблюдаются
при свободной конвекции около вертикальной поверхности и около горизонтальной трубы.
7. Изобразите график изменения локального коэффициента теплоотдачи по высоте вертикальной поверхности. Поясните причины изменения коэффициента теплоотдачи на характерных участках.
8. Проанализируйте критериальные уравнения для свободной конвекции и поясните влияние физических величин на величину коэффициента теплоотдачи.
9. Дайте определение критерия подобия. На какие группы
подразделяются критерии подобия?
10. Назовите способы вывода критериев подобия.
11. Объясните алгоритм получения критериального уравнения?
12. Дайте характеристику понятий «определяющий размер», «определяющая температура».
13. Напишите формулу и поясните физический смысл
критерия Нуссельта.
14. Напишите формулу и поясните физический смысл
критерия Грасгофа.
15. Объясните способ определения коэффициента объем24
ного расширения для газов и жидкостей?
16. Напишите формулу и поясните физический смысл
критерия Прандтля.
17. Напишите формулу и поясните физический смысл
критерия Рэлея.
18. Как влияет направление теплового потока (от стенки
к текучей среде или от текучей среды к стенке) на коэффициент теплоотдачи? Как направление теплоотдачи учитывают в критериальных формулах?
19. Поясните принцип работы и назначение элементов
экспериментальной установки.
20. Перечислите измерительные приборы и дайте характеристику измеряемых величин, указав единицы их измерения.
21. Поясните принцип измерения температуры при помощи термопар.
22. Поясните принцип измерения теплового потока в данной лабораторной работе.
23. Поясните методику экспериментального определения
коэффициента конвективной теплоотдачи.
24. Поясните методику расчета коэффициента конвективной теплоотдачи по критериальным формулам.
25. Опишите режимы течения воздуха в Вашем эксперименте.
26. Напишите в общем виде критериальное уравнение для
свободной конвекции.
27. Опишите сложный теплообмен на поверхности труб.
25
7. Список рекомендуемой литературы
1. Бухмиров В.В., Созинова Т.Е. Пакет задач по разделу
«Радиационный теплообмен» курса ТМО. Методические
указания / ФГБОУВПО «Ивановский государственный
энергетический университет им. В.И. Ленина». – Иваново, 2013. – 66 с.
2. Бухмиров В.В. Расчет коэффициента конвективной теплоотдачи (основные критериальные уравнения). [Электронный ресурс] // ispu.ru: ИГЭУ. Иваново, 2007. URL:
http://ispu.ru/node/11800.
3. Бухмиров В.В., Ракутина Д.В., Солнышкова Ю.С.
Справочные материалы для решения задач по курсу
«Тепломассообмен»: учебное пособие / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет
им. В.И. Ленина», – Иваново, 2009.– 104 с.
26
Содержание
1. Задание
2. Основы теории
3. Экспериментальная установка
4. Порядок проведения эксперимента
5. Обработка результатов эксперимента
6. Контрольные вопросы
7. Список рекомендуемой литературы
27
3
3
10
14
18
24
26
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ
В УСЛОВИЯХ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
Составители: БУХМИРОВ Вячеслав Викторович
СОЗИНОВА Татьяна Евгеньевна
Редактор Т.В. Соловьева
Подписано в печать
.
Формат 60841/16.
Печать плоская. Усл.печ.л. 1,62. Тираж 100 экз. Заказ № .
ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина»
153003, Иваново, ул. Рабфаковская, 34
28