УМК по теплотехнике
.pdfВ упомянутые критерии подобия входят также свойства теплоносителя: - коэффициент теплопроводности, - коэффициент кинематической вязкости и - коэффициент объемного расширения. Эти параметры, а также критерий Pr выбираются из табл. 3. приложения. Коэффициент объемного расширения для воздуха может также определятся из выражения
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
. |
|
(5.22) |
|
Tf |
|
t f |
273 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.5 |
Коэффициенты в критериальных уравнениях |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
CrPr |
|
|
|
c |
|
|
|
|
N |
||
от 0 до 5 102 |
|
1,18 |
|
|
|
|
0,125 |
||||
от 5 102 до 2 107 |
|
0,54 |
|
|
|
|
0,25 |
||||
от 2 107 и выше |
|
0,135 |
|
|
|
|
0,33 |
||||
Следует отметить, что количество тепла Q, передаваемое трубой в окружающее пространство, определяется по мощности, потребляемой электронагревателем. Это количество тепла передается окружающей среде путем теплообмена и радиации (излучения).
Коэффициент теплоотдачи K вычисляется (для последующего определения критерия Нуссельта) по доле конвективной составляющей теплового потока:
K |
|
|
QK |
. |
(5.23) |
|
tW |
t f H |
|||||
|
|
|
|
В свою очередь, конвективная составляющая теплового потока QK определяется как полный тепловой поток за вычетом радиационной составляющей QИ:
|
|
|
QK = Q – QИ , |
|
|
|
(5.24) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Tf |
|
4 |
|
|
||
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
W |
|
|
|
|
|
|
|
H , |
|
QИ |
|
|
со |
|
|
|
|
|
|
|
(5.25) |
|||
ПР |
|
|
100 |
|
||||||||||
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ПР – приведенная степень черноты (см. табл. 1 приложения), Со = 5,67 Вт / (М2 К 2) – коэффициент излучения абсолютно черного тела. Необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи по классическому уравнению (5.23) и сравнить его с опытом.
130
5.6.3. Экспериментальная установка
Схема экспериментальной установки аналогична рис. 5.4 (работа № 2). Отличия заключаются в том, что в данной работе обе трубы выполнены из одинакового материала и имеют различные диаметры d1 = 15 мм и d2 = 20 мм. Длины труб одинаковы и равны L = 460 мм.
Таблица 5.6
Расчетная таблица к работам № 3и 4
|
|
|
Расчетные |
|
|
|
Режим 1 |
Режим 2 |
|||||||||
Наименование величин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
Эле- |
|
Эле- |
Эле- |
Элемент |
|||||||||
|
|
формулы |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
мент 1 |
|
мент 2 |
мент 1 |
2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Температура поверхности трубы |
Tw |
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Температура окр. среды |
Tf |
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Тепловой поток |
|
Q |
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поверхность трубы |
H |
H = d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Величина лучистого теплового |
QИ |
Q |
|
E |
|
С T |
|
|
/ 100 4 T |
|
/ 100 4 H |
|
|
||||
потока |
|
И |
|
|
|
пр |
|
o |
w |
|
|
f |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Конвективная |
составляющая |
QK |
Qk = Q - QИ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
теплового потока |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент |
теплоотдачи |
K |
K |
QK / tw t f |
|
H |
|
|
|
|
|||||||
опытный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент |
кинематической |
f |
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вязкости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критерий Прандтля |
Pr |
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент теплопроводности |
f |
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Коэффициент объемного расши- |
|
|
|
1/Tf |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
рения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Критерий Нуссельта |
Nu |
Nu K |
/ f |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Критерий Грасгофа |
|
Gr |
q 3 tw t f |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
Gr |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Произведение (Gr Pr) |
- |
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Расчетный критерий Цуссельта |
Nu |
Nu |
p |
c Cr Pr n |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) показатель |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) постоянная |
(выбирается из |
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
табл. 6.2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теплоотдачи (рас- |
p |
p |
Nu p f |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
четный) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.6.4. Порядок проведения опытов и обработка результатов.
После ознакомления с теорией и устройством установки можно приступить к проведению эксперимента. Работа выполняется в двух режимах,
131
отличающихся величиной теплового потока, выделяемого трубами. Оба режима должны быть стационарными.
Время, необходимое для установления стационарности нового режима, составляет примерно 3-5 минут.
Журнал наблюдений для значений замеряемых параметров такой же, как и в работе № 2.
Расчет работы ведется по табл. 5.6.
5.7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ
ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРУБ ОДИНАКОВОГО ДИАМЕТРА, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ОДИНАКОВОГО МАТЕРИАЛА
5.7.1.Цель работы
1.Дальнейшее изучение конвективного теплообмена.
2.Установление качественной зависимости коэффициента теплоотдачи от геометрического положения, теплоотдающей поверхности (трубы)
впространстве.
5.7.2.Задание
1.Определить коэффициенты теплоотдачи 1 и 2 от двух труб одинакового диаметра, изготовленных из одного материала, одна из которых вертикальная, а вторая – горизонтальная. Отметим, что, как и в предыдущих работах, на обе трубы подается одинаковая мощность тока, т. е. тепловой поток, поступающий от нагревателя, расположенного внутри трубы, одинаков (см. схему рис. 5.4)
2.Установить, влияет ли расположение труб в пространстве на . Если да, то как, если нет, то почему?
3.На основании данных, полученных в работах 3 и 4, проанализировать влияние различных факторов (величины поверхности, температуры, расположения поверхности в пространстве) на коэффициент теплоотдачи и на количество тепла, отдаваемое телом (трубой) в окружающую среду.
4.Составить отчет по работе.
5.7.3.Порядок выполнения работы
Схема установки аналогична схеме к работе №2 (стр. 124). Журнал наблюдений такой же, как в работе №2 (стр. 126).
Расчет ведется по таблице к работе №3 (стр. 131). Порядок действий при выполнении работы такой же, как и при выполнении работы №3.
Защита работ 3 и 4 осуществляется также, как и работ 1 и 2 (раздел «Конвективный теплообмен»).
132
5.8.ПРИЛОЖЕНИЯ
Таблица 5.7
Степень черноты полного излучения различных материалов.
Материалы и характер поверхности |
T, оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
Алюминий полированный |
225 |
– 575 |
0,039 |
– 0,067 |
|
|
|
|
|
Алюминий шероховатый |
|
26 |
0,055 |
|
|
|
|
|
|
Алюминий окисленный при 600 оС |
200 - 600 |
0,11 |
– 0,19 |
|
Дюралюминий окисленный |
50 – 150 |
0,36 |
– 0,37 |
|
Дюралюминий полированный |
50 – 150 |
0,061 |
– 0,062 |
|
|
|
|
|
|
Железо окисленное гладкое |
125 |
– 525 |
0,78 |
– 0,82 |
|
|
|
|
|
Латунь полированная |
245 |
– 355 |
0,028 |
– 0,031 |
|
|
|
||
Латунь тусклая |
50 – 350 |
0,22 |
||
Медь полированная |
115 |
0,023 |
||
Медь окисленная при нагреве до 600 оС |
200 |
– 600 |
0,57 |
– 0,55 |
Медь окисленная при 300 оС |
50 – 200 |
0,2 |
– 0,4 |
|
Серебро полированное |
225 |
– 625 |
0,02 – 0,603 |
|
|
|
|
|
|
Штукатурка известковая |
10 |
– 90 |
0,91 |
|
Бумага |
|
20 |
0,8 |
– 0,9 |
Сажа ламповая |
40 – 370 |
0,95 |
||
|
|
|
|
|
Снег |
|
- |
0,96 |
|
|
|
|
|
|
Масляные краски |
100 |
0,92 |
– 0,96 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.8 |
|
Приведенные степени черноты. |
|||
|
|
|
|
Материалы трубы |
|
Приведенная степень черноты |
|
|
|
|
|
Алюминий |
|
0,10 – 0,13 |
|
|
|
|
|
Медь |
|
0,23 – 0,26 |
|
|
|
|
|
|
133 |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица5.9 |
|
|
Физические свойства сухого воздуха |
|
||||
|
|
|
|
|
||
t, оС |
|
Вт |
106 м2/с |
Pr |
||
|
|
|||||
м г рад |
||||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
0 |
0,0244 |
|
13,28 |
0,707 |
||
10 |
0,0251 |
|
14,16 |
0,705 |
||
20 |
0,0259 |
|
15,06 |
0,703 |
||
30 |
0,0267 |
|
16,00 |
0,701 |
||
40 |
0,0276 |
|
16,96 |
0,699 |
||
50 |
0,0283 |
|
17,25 |
0,699 |
||
60 |
0,0290 |
|
18,97 |
0,696 |
||
70 |
0,0296 |
|
10,02 |
0,694 |
||
80 |
0,0305 |
|
21,09 |
0,692 |
||
90 |
0,0313 |
|
22,10 |
0,690 |
||
100 |
0,3210 |
|
23,13 |
0,682 |
||
120 |
0,3340 |
|
24,65 |
0,686 |
||
134
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ (ТЕСТЫ) К ЛАБОРАТОРНЫМ
РАБОТАМ
6.1.ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ
6.1.1.Теплопроводность — это процесс переноса теплоты (обмен внутренней энергией):
1.От тела к телу.
2.Внутри тела.
3.В металлах и диэлектриках.
4.Структурными частицами вещества — молекулами, атомами, электронами в сплошной среде при наличии градиента температур.
6.1.2.В каких телах процесс теплопроводности обусловлен диффузией молекул и атомов?
1.В жидкостях
2.В металлах
3.В газах
4.В диэлектриках
6.1.3.Как передается теплота внутри твердого тела?
1.Теплопроводностью.
2.Конвекцией.
3.Совместно конвекцией и теплопроводностью.
4.Совместно теплопроводностью и излучением.
6.1.4.Укажите размерность коэффициента теплопроводности:
1. |
Вт |
2. |
Вт |
, |
||
|
|
|
|
|||
м 2 час К |
кг час К |
|||||
3. |
Вт |
|
4. |
Вт |
. |
|
м К |
|
|
||||
|
|
м 2 К |
|
|||
135
6.1.5. Укажите математическое выражение общего вида температурного
поля: |
|
|
|
|
||
1. t= (x, c, , , ) |
2. t= (x, y, a, ) |
|||||
3. t= (x, y, z, a) |
4. t= (x, y, z, ) |
|||||
6.1.6. Укажите закон Фурье: |
|
|
|
|
||
1. Q кH t |
2. |
q |
t |
|||
|
|
|||||
n |
||||||
3. Q |
t |
dHd |
4. |
Q tc tж H |
||
|
||||||
|
n |
|
|
|
|
|
6.1.7. Укажите размерность плотности теплового потока:
1. |
|
Вт |
2. |
|
Вт |
||
|
м 2 К |
м К |
|||||
|
|
|
|
||||
3. |
|
Дж |
|
4. |
|
Вт |
|
м 2 К |
|
м 2 |
|||||
|
|
|
|||||
6.1.8. Количество теплоты, передаваемое через плоскую однослойную стенку:
1. Q H t1 t2 3. Q H t1 t2
6.1.9. Укажите уравнение Лапласа:
1. t 2 t
3. |
2 t |
|
t |
|
2 t |
|
q |
0 |
|||
x |
2 |
y 2 |
z |
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||
2. Q t1 t2
4. Q H t1 t2
2. |
|
2 t |
|
|
2 t |
|
|
2 t |
0 |
|||
|
x 2 |
|
y 2 |
|
z |
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
4. |
|
t |
|
2 t |
q |
|
|
|||||
|
|
C |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
6.1.10.Какая поверхность называется изотермической?
1.Поверхность с одинаковым grad t.
2.Поверхность, во всех точках которой температура одинакова.
3.Поверхность, на которой . nt 1
4.Поверхность, во всех точках которой давление одинаково.
6.1.11.Что называется температурным полем?
1.Значение температур в разное время.
136
2.Совокупность температур (ее значений) во всех точках изучаемого пространства для каждого момента времени.
3.Значения температур тела.
4. Совокупность температур (ее значений) во всех точках тела.
6.1.12. Укажите математическое выражение двухмерного нестационарного температурного поля:
1. t=ƒ(x, y, ) . |
2. t= (x, y, z, ). |
3. t= (x, ). |
4. t= (x, y). |
6.1.13.В каких телах процесс теплопроводности осуществляется за счет свободных электронов?
1.В металлах.
2.В жидкостях.
3.В газах.
4.В диэлектриках.
6.1.14.Укажите размерность теплового потока Q:
1.Дж/сек.
2.Вт/м.
3.ккал/сек м2.
4.Дж/м2 сек.
6.1.15.Как изменяется удельный тепловой поток цилиндрической стенки?
1.Не изменяется в зависимости от радиуса.
2.Увеличивается с увеличением радиуса.
3.Уменьшается с увеличением радиуса.
4.Уменьшается с уменьшением радиуса.
6.1.16.Укажите граничные условия первого рода:
1. qn=q(x, y, z, ) |
2. tc=t(x, y, z, ) |
3.t 4.tc t ж qn tc tжx n
6.1.17.Что характеризует собой коэффициент теплопроводности ?
1.Интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.
2.Способность вещества проводить теплоту.
3.Является мерой теплоинерционных свойств тела.
4.Все ответы правильные.
137
6.1.18. Укажите математическое выражение двухмерного стационарного
температурного поля: |
|
1. t= (x, ) |
2. t= (x) |
3. t= (y, ) |
4. t= (y, x) |
6.1.19. Укажите размерность коэффициента температуропроводности:
1. |
м/ С сек |
2. |
м/сек |
3. |
м2/сек |
4. |
м/кг сек |
6.1.20. Укажите дифференциальное уравнение для стационарной теплопроводности с внутренним источником тепла:
1. |
2 t |
|
2 t |
|
|
2 t |
0 |
2. |
t |
|
|
2 t |
|
|
|
|
|
|
|||||
x 2 |
y 2 |
z |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
3. 2 t |
q |
0 |
|
|
4. |
2 t |
|
|
2 t |
|
|
2 t |
|
q |
0 |
||||||||
C |
|
|
x |
2 |
|
y 2 |
z |
2 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
6.1.21.В каких телах процесс теплопроводности обусловлен распространением упругих волн?
1.В вакууме.
2.В металлах.
3.В газах.
4.В жидкостях и твердых телах-диэлектриках.
6.1.22.В основу вывода дифференциального уравнения теплопроводности положен:
1.Второй закон термодинамики.
2.Первый закон.
3.Закон Фурье.
4.Закон сохранения энергии и закон Фурье.
6.2.КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН
6.2.1.Что понимают под конвекцией теплоты?
1.Процесс переноса теплоты при перемещении объемов текучей среды из области с одной температурой в область с другой.
2.Молекулярный перенос теплоты в телах.
138
3.Обмен внутренней энергией между телами.
4.Процесс распространения теплоты в жидкости.
6.2.2.Укажите критерий Нуссельта:
1. |
Nu |
l |
2. |
Nu |
l |
|
a |
|
|||||
3. |
Nu |
l |
4. |
Nu |
l |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
6.2.3. Укажите коэффициент объемного расширения для идеального газа:
1. |
|
1 |
|
|
2. |
|
1 |
|||
v |
|
|
|
t |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
3. |
|
|
|
1 |
|
4. |
|
1 |
||
v |
2 |
v |
1 |
|
T |
|||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6.2.4.Что характеризует собой число Рейнольдса Re?
1.Гидродинамический режим движения жидкости.
2.Тепловое подобие.
3.Величину подъемной силы.
4.Тепловые характеристики потока.
6.2.5.Укажите основной закон конвективного теплообмена (закон Ньютона — Рихмана):
1. Q кH t1 t2
3.
Q H
x
2. Q H t1 t2
4. Q H 1 2
6.2.6.В общем случае от чего зависит коэффициент теплоотдачи ?
1.= (Q, t, H, grad t, P, , S, i, ).
2.= (t, H, , , S, i, C).
3.= (grad t, t, H, , , C).
4.= (U, C, , , l, ).
6.2.7.Укажите размерность коэффициента кинематической вязкости:
1. |
м/с |
2. |
кг/с |
3. |
м2/с |
4. |
Дж/с |
6.2.8. Укажите размерность критерия Нуссельта:
1. |
Вт/м2 |
2. |
град/с |
3. |
м2 град/с |
4. |
Безразмерный |
139