- •Фгбоу впо «Воронежский государственный технический университет» Кафедра самолетостроения
- •Методы измерения температур. Изготовление и тарировка термопары
- •2.1. Введение
- •2.2. Задание по работе и последовательность её выполнения
- •Форма протокола испытаний
- •3. Лабораторная работа № 2
- •4. Лабораторная работа № 3
- •5. Лабораторная работа № 4
- •5.3. Задание по работе и последовательность её выполнения
- •Форма протокола испытаний
- •Компьютерное моделирование процессов интенсивного нагрева (охлаждения) пластины
- •Методические указания
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
4. Лабораторная работа № 3
Определение коэффициента теплоотдачи от горизонтального цилиндра к воздуху при естественной конвекции
4.1. Общие указания по выполнению работы
4 1.1 Цель работы: Изучить конструкцию экспериментальной установки, методику проведения эксперимента и определить коэффициент теплоотдачи от горизонтального цилиндра к воздуху при естественной конвекции.
4.2. Краткие теоретические сведения
Конвекция - это явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемещения самого вещества (как вынужденного, так и самопроизвольного).
При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил (насос, вентилятор и др.).
Естественная конвекция возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции частицы вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а холодные частицы опускаются вниз, в результате чего возникает процесс перемешивания вещества с одновременным переносом тепла.
Значения коэффициента теплоотдачи естественной конвекцией для газов лежат обычно в пределах от 6 до35 Вт/ (м2×град).
Для расчета среднего значения коэффициента теплоотдачи при свободном движении жидкости используется зависимость [1]
, (4.1)
где постоянные С и n определяются режимом свободного движения и условиями обтекания твердого тела. Величины этих постоянных приведены в таблице
Таблица 4.1
Значения постоянных в формуле (4.1)
|
|
n |
Условия обтекания |
103 - 109 |
0,75 |
0,25 |
Обтекание вертикальной стенки |
≥6×1010 |
0,15 |
0,33 |
|
103 - 109 |
0,50 |
0,25 |
Обтекание горизонтальной трубы |
В формуле (4.1) индексы “ж” и “с” означают, что физические свойства жидкости выбираются соответственно при температуре жидкости вдали от поверхности теплообмена и при температуре этой поверхности (стенки). При обтекании горизонтального цилиндра определяющим размером является его диаметр, а при обтекании вертикальной стенки – высота этой стенки. - число Прандтля жидкости, - число Грасгофа, где - ускорение силы тяжести; - температурный коэффициент объемного расширения жидкости; - кинематический коэффициент вязкости жидкости.
Для воздуха можно принять .
Поправка Михеева применяется при вычислении теплоотдачи для капельных жидкостей с целью учета влияния на теплообмен направления теплового потока.
4.3. Описание лабораторной установки
Установка (рисунок 4.1) представляет собой цилиндрическую трубу 2 длиной L = 143 мм и диаметром D = 21 мм. Внутри трубы установлен электрический нагреватель 3. Сила тока регулируется блоком питания 4, а расходуемая мощность определяется по показаниям вольтметра 5 и амперметра 6.
Температура наружной поверхности трубы измеряется двумя термопарами, горячие спаи которых установлены на наружной поверхности трубы в верхней, и нижней точках боковой образующей. Третья термопара служит для измерения внутренней температуры теплоизоляционного цилиндра и предназначена для проведения четвертой лабораторной работы. В данной работе её показания не используются.
В установке длина трубы, значительно больше, чем ее внешний диаметр (отношение их составляет 7 к 1). Кроме того, торцы трубы защищены тепловой изоляцией, в виде фторопластовых заглушек, электрический нагреватель имеет равномерно распределенную по длине трубы обмотку, а измерительные термопары установлены в средней (по длине) части трубы.
Рис. 4.1. Схема опытной установки:
1 тонкостенные медные трубки; 2 теплоизоляция; 3 электрический нагреватель; 4 блок питания; 5 вольтметр; 6 амперметр; 7 термопара; 8 теплоизоляционные заглушки
Измерение термоЭДС термопар производится цифровым милливольтметром с точностью 0,01 мВ.
Задание по работе:
Собрать установку в соответствии со схемой (рис.4.1);
Включить блок питания и подать на обмотку нагревателя напряжение 3-5 вольт;
Подключить к милливольтметру одну из термопар и контролировать через каждые 10-15 минут её показания;
После выхода установки на стационарный режим (этому режиму соответствуют неизменные показания термопары, а точнее – периодические колебания показаний в небольшом диапазоне значений) снять показания со всех термопар и занести их в протокол;
Рассчитать полученный в эксперименте коэффициент теплоотдачи по формуле ;
Рассчитать по формуле , где вычисляется по формуле (4.1), теоретическое значение коэффициента теплоотдачи в условиях эксперимента;
Сравнить и и сделать выводы по лабораторной работе. В выводах желательно отразить: сложность экспериментальной установки, продолжительность эксперимента, точность полученных результатов и причины возникновения погрешностей в данном эксперименте.
Желательно выполнить не менее двух экспериментов, изменив электрическую мощность нагревателя приблизительно на 30% от первоначальной. Результаты также занести в протокол и подвергнуть анализу.
Таблица 4.2
Протокол эксперимента:
№ опыта |
Показания термопар, (мВ) |
Средняя температура стенки, оС |
Напряжение, В |
Сила ток, А |
Внешний Диаметр, мм |
Длина образца, мм |
Температура окружающей среды, оС |
Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м2 К) по результатам зксперимента
|
Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м2 К), полученный расчетом |
|
Е1 |
Е2 |
|||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПРИЛОЖЕНИЕ
Теплофизические свойства сухого воздуха при стандартном атмосферном давлении
t, ºC |
λ*102 , Вт/(м* ºC) |
ν*106, м2/с |
Pr |
0 |
2,44 |
17,2 |
0,707 |
10 |
2,51 |
17,6 |
0,705 |
20 |
2,59 |
18,1 |
0,703 |
30 |
2,67 |
18,6 |
0,701 |
40 |
2,76 |
19,1 |
0,699 |