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:

1. Собрать установку в соответствии со схемой (рис.4.1);

2. Включить блок питания и подать на обмотку нагревателя напряжение 3-5 вольт;

3. Подключить к милливольтметру одну из термопар и контролировать через каждые 10-15 минут её показания;

4. 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;

5. Рассчитать полученный в эксперименте коэффициент теплоотдачи по формуле ;

6. Рассчитать по формуле , где вычисляется по формуле (4.1), теоретическое значение коэффициента теплоотдачи в условиях эксперимента;

7. 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