2.3 Лабораторная работа № 3

(2 Часа)

Исследование коэффициента теплообмена

Вертикальной трубы при свободном движении воздуха

Свободное движение жидкости (газа) возникает под воздействием подъемной силы за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц.

Если жидкость (газ) находится в контакте с вертикальной поверхностью, имеющей более высокую температуру, то вдоль поверхности возникает течение нагретых частиц жидкости. Средний коэффициент теплообмена , Вт/(м²К) вычисляется из уравнения

, (2.13)

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

F – площадь поверхности тела, м²;

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

Анализ процесса свободной конвекции методом подобия позволяет распространить результаты исследований для конкретных условий на подобные процессы и представить их на в критериальном виде.

, (2.14)

2.3.1 Цель работы

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

2.3.2 Экспериментальная установка

Установка для экспериментального определения коэффициента теплообмена вертикальной трубы при свободном движений воздуха состоит из алюминиевой трубы 1 диаметром d=50 мм, длинной L=1650 мм, внутри которой имеется электрический нагреватель 2.

1 – алюминиевая труба; 2 – электрический нагреватель;

3 – термопары; 4 – резистор; 5 – многоканальный терморегулятор;

6 – вольтметр; 7 – амперметр

Рисунок 2.3 – Схема экспериментальной установки

Для намерения температуры теплоотдающей поверхности в стенке трубы заложено 12 медь-константановых термопар 3. Электроды термопар подключены к восьмиканальному терморегулятору ТРМ138 (5). Мощность нагревателя изменяется с помощью резистора 4. Для измерения напряжения и силы тока нагревателя установлены вольтметр 6 и амперметр 7. Включение установки осуществляется ключом 8.

2.3.3 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 4 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 резистора 4. Температура окружающего воздуха измеряется ртутным термометром, установленным в лаборатории.

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

5 После выполнения работы установку.

Результаты измерений заносят в протокол (таблица 2.5)

Таблица 2.5 - 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	…	…	t12	tср
1	1
	2
	3
2	1
	2
	3
3	1
	2
	3

2.3.4 Обработка результатов измерений

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

, (2.15)

где N - мощность нагревателя, Вт;

I - сила тока протекающего черев нагреватель, А;

U - напряжение на нагревателе, В.

Коэффициент теплообмена , Вт/(м²К)определяется по уравнению

, (2.16)

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,

, (2.17)

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.

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

, (2.18)

где n - количество термопар.

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

, (2.19)

Таблица 2.6 - 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)

По результатам расчетов строят график зависимости.

2.3.5 Оценка погрешности измерений

Относительная ошибка при определении коэффициента теплообмена определяется по формуле

, (2.20)

где  - абсолютные ошибки измерения отдельных величин в уравнении.

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

2.3.6 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.

2.3.7 Контрольные вопросы

1 От каких факторов зависит интенсивность переноса теплоты от поверхности твердого тела к обтекающему его газу?

2 В чем состоит закон теплообмена Ньютона?

3 Какой физический смысл коэффициента теплообмена?

4 Чем объясняется уменьшение коэффициента теплообмена на начальном участке трубы?

5 Как определяется средний температурный напор по длине трубы?

6 Как по экспериментальным данным вычисляется локальный 9местный) и средний коэффициенты теплообмена?

7 При каких значениях критерия Рейнольдса режим течения газа в трубе является ламинарным, переходным и турбулентным?

8 Как определяется скорость течения воздуха в трубе?

9 Назовите критерии подобия для явления теплообмена?

10 Какие безразмерные комплексы называются определяющими критериями подобия?

11 В чем состоит преимущество безразмерных критериальных зависимостей по сравнению с обычными зависимостями, содержащими размерные переменные?