2.2 Лабораторная работа № 2

(2 Часа)

Исследование коэффициента теплообмена горизонтальной

Трубы при свободном движении воздуха

Изучение теплоотдачи горизонтальных труб имеет большое практическое значение. Если поместить нагретую трубу в среду менее нагретого воздуха, то можно наблюдать неравномерное распределение температуры и свободное движение воздуха за счет разности плотностей холодных и нагретых частиц. Теплота, воспринятая частицами воздуха от трубы, передается окружающему пространству. Интенсивность теплоотдачи при этом зависит от физических свойств среды, формы и положения тела в поле гравитационных сил.

Коэффициент теплоотдачи определяется из соотношения

, Вт/(м²К) (2.5)

где Q_к – количество теплоты, переданное нагретым телом путем конвекции, Вт;

d - диаметр исследуемой трубы, м;

L – длина трубы, м;

t_ср= t_ср- t_ж - средняя разность температур поверхности трубы и окружающего воздуха, °С;

2.2.1 Цель работы

Экспериментальное определение коэффициента теплообмена для горизонтальной трубы при свободном движении воздуха и установление зависимости этого коэффициента от температурного капора.

2.2.2 Экспериментальная установка

Установка для экспериментального определения коэффициенте теплообмена горизонтальной трубы при свободном движении воздуха (рисунок 2.2) состоит из медной трубы 1 диаметром d=50 мм, длиной L=1500 мм, внутри которой установлен электрический нагреватель 2.

1 - труба; 2 - электрический нагреватель; 3 - термопары;

4 - терморегулятор ТРМ138; 5 - резистор; 6 - амперметр; 7 – вольтметр

Рисунок 2.2 – Схема экспериментальной установки

Для измерения температуры теплоотдающей поверхности в стенке трубы заложено шесть медь-константановых термопар 3. Электроды термопар подключены к восьмиканальному терморегулятору ТРМ138 (4). Мощность нагревателя изменяется с помощью резистора 5. Для измерения силы тока и напряжения установлены амперметр 6 и вольтметр 7.

2.2.3 Порядок выполнения работы

1 Изучив установку на месте, можно с разрешения преподавателя приступить к выполнению работы. Для этого нужно повернуть ключ терморегулятора ТРМ138 в положение “вкл” и рукояткой резистора 5 установить мощность нагревателя, заданную преподавателем (режим № 1).

2 При достижении стационарного теплового режима (через 30-40 минут после включения электронагревателя, когда показания всех термопар будут неизменными во времени) снимаются показания всех приборов и термопар 3 раза с интервалом 2-3 минуты.

3 Следующий режим устанавливается заданием новой мощности нагревателя рукояткой резистора. Температура окружающего воздуха измеряется ртутным термометром, штатно установленным в лаборатории.

4 Для выполнения работы необходимо исследовать три температурных режима стенки трубы, заданных преподавателем.

5 После выполнения работы выключить установку ключом терморегулятора ТРМ138.

Результаты измерений заносят в протокол (таблица 2.3).

Таблица 2.3 - Протокол результатов измерений

Номер режима	Номер замера	Температура воздуха, tж, С	Показания приборов
			сила тока, I, А	напряжение, U, В	температура, С
					t1	t2	t3	t4	t5	t6	tср
1	1
	2
	3
2	1
	2
	3
3	1
	2
	3

2.2.4 Обработка результатов измерений

Количество теплоты, которое выделяется внутри трубы и передается во внешнюю среду путем свободной конвекции и излучения, определяется из выражения

, Вт, (2.6)

где N - мощность нагревателя, Вт;

I - сила тока протекающего черев нагреватель, А;

U - напряжение на нагревателе, В.

Коэффициент теплообмена , Вт/(м²К) определяется из уравнения

, (2.7)

где d - диаметр исследуемой трубы, м;

L – длина трубы, м;

t_ср= t_ср- t_ж - средняя разность температур поверхности трубы и окружающего воздуха, °С;

Q_л - количество теплоты, излучаемой поверхностью трубы, Вт,

, (2.8)

где F - поверхность трубы, м²;

С - коэффициент излучения; для медной слабополированной поверхности трубы, С=0,96 Вт/(м²К);

Т_с, Т_ж - абсолютные температуры стенки трубы и воздуха, К.

Таблица 2.4 - Протокол обработки результатов опыта

№	Наименование величины	Обозначение	Единица измерения	Значения в режимах
				I	II	II
1	Мощность нагревателя	N	Вт
2	Общее количество теплоты	Q	Вт
3	Потери на излучение	Qл	Вт
4	Температура воздуха	tж	С
5	Средняя температура режима	tср.реж.	С
6	Средняя температура стенки	tср	С
7	Разность температур	tср	С
8	Коэффициент теплообмена		Вт/(м2К)

Средняя температура t_ср, С, определяется по замерам всех температур

, С (2.9)

где n - количество термопар.

Средняя температура режима, t_ср.реж., С определяется

, (2.10)

По результатам расчетов строят график зависимости

. (2.11)

2.2.5 Оценка погрешности измерений

Относительная ошибка при определении коэффициента теплообмена определяется по формуле

, (2.12)

где  - абсолютные ошибки измерения отдельных величин в уравнении.

Расчет зависимости коэффициента теплообмена в критериальном виде приведен в приложении Б.

2.2.6 Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

1 Принципиальную схему установки и краткое ее описание.

2 Таблицу измерений.

3 Обработку опытных данных, рассчитанные величины.

4 График зависимости .

5 Расчет погрешности экспериментальных данных.

2.2.7 Задание на самостоятельную подготовку

1 Что такое естественная конвекция?

2 Какие критерии являются определяемыми для данного вида конвекции?

3 Какие критерии являются определяющими для данного вида конвекции?

4 Почему при данном способе нагрева рабочего участка тепловой поток постоянен по длине цилиндра?

5 Следует ли учитывать в данной работе тепловые потери с торцов трубы?

6 Что нужно сделать для того, чтобы существенно увеличить точность определения коэффициента теплообмена?