Головна

Дослідження тепловіддачі від горизонтальної труби при вільному русі повітря

  1. V. Обговорення проблеми чистого повітря.
  2. VI. Культура і спадкоємність. Дослідження конфлікту між поколіннями
  3. VI. неврологічне дослідження
  4. VII. психопатологічне дослідження
  5. А чим краще рослини харчуються з грунту, тим більше беруть на створення свого тіла з повітря.
  6. А - перетин швом обичайки (труби);

6.1. Мета і зміст

Дослідне визначення коефіцієнта тепловіддачі для горизонтальної труби при вільному русі повітря в залежності від температурного напору, а так само визначення значень емпіричних коефіцієнтів С и n критериального рівняння, що описує процес тепловіддачі горизонтальної труби при вільній конвекції.

6.2. теоретичне обґрунтування

Вільним називається також рух рідини, яке обумовлюється різницею щільності нагрітих і холодних її частинок і цілком визначається наявністю теплообміну.

Відповідно до закону Ньютона-Рихмана кількість переданого тепла пропорційно поверхні тіла і різниці температур поверхні і рідини (температурному напору).

Для розглянутого випадку теплообміну щільність повітря і підйомна сила визначаються температурним напором, а зона поширення процесу - поверхнею досліджуваної труби. Таким чином, тепловіддача тіла визначається, в першу чергу, різницею температур тіла і навколишнього середовища, т. Е температурним напором.

Як відомо, процес теплообміну при вільному русі рідини залежить від режиму її руху близько теплосприймаючої (теплоотдающей) поверхні.

Стосовно до теплообміну на горизонтальних трубах цей процес має ряд особливостей. На нижній половині периметра труби внаслідок збільшення товщини ламінарної плівки коефіцієнт тепловіддачі зменшується. Це відбувається до тих пір, поки збільшення товщини плівки не приводить до її зриву, руйнування і початку турбулізації середовища. Турбулізація, в свою чергу, веде до збільшення коефіцієнта тепловіддачі до деякого значення, яке в подальшому залишається постійним.

Залежно від діаметра труби перехід від ламінарного режиму до турбулентного відбувається по різному. При діаметрі горизонтальної труби 20 ? 30 мм ламінарний характер потоку зберігається до деякої висоти над поверхнею труби, після чого починається турбулентний режим руху. При великому діаметрі горизонтальних труб (200 ? 300 мм) ламінарний рух середовища переходить в турбулентний ще до верхньої кромки труби. Ті, хто має аналітичні рішення задачі конвективного теплообміну при вільному русі середовища виконано при цілому ряді спрощують передумов і мало відповідає дійсним умовам протікання процесу. Тому на практиці широко використовується експериментальний метод з залученням теорії подібності.

Критеріальне рівняння, що описує конвективний теплообмін при вільному русі рідини в необмеженому просторі, має вигляд

,  (6.1)

де Nu - Критерій Нуссельта

,  (6.2)

Gr - Критерій Грасгофа

,  (6.3)

Pr - Критерій Прандтля

.  (6.4)

У аналітичні вирази критеріїв теплообміну (6.2 - 6.4) входять такі фізичні величини:

a коефіцієнт тепловіддачі, Вт/ (м2?К);

d - Визначає розмір (діаметр труби), м;

l -коефіцієнт теплопровідності, Вт/ (м?К);

b = 1 /Tпогр коефіцієнт об'ємного розширення, 1 /K;

 - Визначальна температура (температура прикордонного шару), K;

g - Прискорення сили тяжіння, м/с2;

 - Температурний напір, К;

a коефіцієнт температуропровідності, м2/с;

? - Кінематична в'язкість повітря, м2/с.

Значення фізичних параметрів, що входять у вирази критеріїв теплообміну, приймаються по температурі прикордонного шару (  ).

Таблиця 6.4 - Фізичні параметри сухого повітря

t, ?C r, Кг / м3 l? 102, Вт / (м ? К) а? 106, м2/ c ?? 106, м2 /с Pr
 1,247  2,51  20,0  14,16  0,705
 1,206  2,59  21,4  15,06  0,703
 1,165  2,67  22,9  16,00  0,701
 1,123  2,76  24,3  16,96  0,699
 1,093  2,83  25,7  17,95  0,698
 1,060  2,90  26,2  18,97  0,696
 1,029  2,96  28,6  20,02  0,694
 1,00  3,05  30,2  21,09  0,692
 0,972  3,13  31,9  22,10  0,690
 0,946  3,21  33,6  23,13  0,688
 0,896  3,34  36,8  25,45  0,686
 0,854  3,49  40,3  27,80  0,684
 0,815  3,64  43,9  30,09  0,682

значення коефіцієнтів С и n, Що входять в рівняння (6.1), визначаються в залежності від режиму руху з таблиці 6.1.

Таблиця 6.1 - Чисельні значення коефіцієнтів С и n для різних режимів руху

 п / п  режим руху С n
 1 ? 10-3 ? 5 ? 102  ламінарний режим  1,48  1/8
 5 ? 102 ? 2 ? 107  перехідний режим  0,54  1/4
 2 ? 107 ? 1 ? 1013  турбулентний режим  0,135  1/3

6.3. Апаратура і матеріали

Експериментальна установка розміщена в досить великій кімнаті, розміри якої значно більше габаритів дослідної труби. Тому можна вважати, що процес теплообміну протікає в необмеженому просторі.

Об'єктом дослідження є горизонтальна труба (4) довжиною l= 1500 мм і діаметром d = 32 мм. Труба виконана з нержавіючої сталі. Усередині труби є електричний нагрівач (2), що забезпечує рівномірний нагрів по її довжині. З торців труба закрита теплоізоляційної пробкою для зменшення теплових втрат в осьовому напрямку. Схема експериментальної установки зображена на рис. 6.1.

Кількість виділеного і переданого в навколишнє середовище тепла визначається по витраті електроенергії. Споживана електронагрівачем потужність може регулюватися автотрансформатором (7). Визначення потужності проводиться за допомогою амперметра (6) і вольтметра (5). Температура теплоотдающей поверхні (стінки труби) визначається за допомогою потенціометра (4) і чотирьох хромель-алюмелеві термопар (1), карбованого по всій довжині. З метою досить повного усереднення (з урахуванням характеру зміни тепловіддачі по периметру труби) термопари укріплені на трубі по гвинтовій лінії.

6.4. Вказівки з техніки безпеки

Студенти зобов'язані виконувати загальні вимоги безпеки згідно з Інструкцією з охорони праці в лабораторії C-108 «Теплотехніка. Теплогазопостачання та вентиляція. Теплотехнічні вимірювання. Будівельна теплофізика. Опалення. Теплопостачання. Теплогенеруючі установки. Енергопостачання. Охорона повітряного басейну »кафедри« Теплотехніка, теплогазопостачання та вентиляція », затвердженої 26.12.2005 року. Інструктаж з техніки безпеки проводиться викладачем під розпис студента в спеціальному журналі з «Техніці безпеки».

Малюнок 6.1 - Схема лабораторної установки

6.5. Методика і порядок проведення роботи

Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі визначається з рівняння:

,  (6.5)

де L - Довжина труби, м;

d - Діаметр труби, м;

?T = Tст - Tж температурний напір, К;

, К;

, К.

Qк - Потужність теплового потоку, переданого дослідної трубою в навколишнє середовище шляхом конвекції, Вт.

Потужність конвективного теплового потоку визначається з рівняння

,  (6.6)

де Qп - Загальна кількість тепла, яке виділяється електронагрівачем і передається шляхом конвекції і випромінювання (воно чисельно дорівнює потужності електронагрівача Qп = W = U ? I), Вт,

Qл - Кількість тепла, переданого трубою в навколишнє середовище за допомогою випромінювання, Вт.

,  (6.7)

де ? - Ступінь чорноти поверхні труби, яка приймається для установки, яка дорівнює 0,7; C0 = 5.67 Вт/ (м2?К) - Коефіцієнт випромінювання абсолютного чорного тіла; f - Поверхню труби, м2.

Після встановлення стаціонарного теплового режиму необхідно записати показання приладів (напруга, сила струму і температури поверхні труби) у формі таблиці 6.2.

Таблиця 6.2 - Експериментальні значення робочих параметрів за результатами спостережень

 № режиму U, B I, A Q, Вт t1, ?C t2, ?C t3, ?C t4, ?C t5, ?C t6, ?C tів, ?C Tст, ?C Tж, ?C Т, ?C
                         
                         
                         
                         
                         

У зв'язку з тим, що в даній лабораторній роботі теплові процеси мають істотну інерційністю, рекомендується провести тільки три досвіду. Дані інших теплових режимів установки видаються викладачем кожному студенту за індивідуальним варіантом.

Обробку експериментальних даних по всім режимам представити у вигляді таблиці 6.3 і перевірити на комп'ютері за допомогою спеціальної програми, розробленої в редакторі електронних таблиць Excel.

Таблиця 6.3 - Результати обробки експериментальних даних

 № режиму Qпромінь, Вт Qк, Вт  a, Вт/ (м2?К) Gr Pr Gr·Pr C n  режим руху
                 
                 
                 
                 
                 

На підставі перевірених розрахункових даних побудувати графік функціональної залежності  , де - Середнє значення коефіцієнта тепловіддачі від досліджуваної горизонтальної труби до навколишнього повітря, Вт/ (м2?К).

Потім уявити залежність  у вигляді критеріального рівняння 6.1, яке описує процес конвективного теплообміну для випадку вільного руху повітря близько досліджуваної труби. З цією метою обчислюють значення критеріїв Нуссельта (Nu), Грасгофа (Gr) І Прандтля (Pr). Критерій Прандтля може бути безпосередньо прийнятий по таблиці 6.1. Обчислення зазначених величин виконується для всіх дослідів і зводиться в таблицю 6.3. Після цього будується графік залежності відповідно до формули (6.1). Логаріфміруя залежність (6.1), отримуємо рівняння виду

.  (6.8)

Отже, в логарифмічній системі координат ця залежність має вигляд прямої лінії.

Відкладаючи по осі абсцис величину lg(Gr·Pr)m, А по осі ординат lgNum, Отримуємо лінійну залежність відповідно до рівняння (6.8).

Показник ступеня n в рівнянні (6.1) буде дорівнює тангенсу кута нахилу цієї прямої до осі абсцис. Постійна C знаходиться зі співвідношення для будь-якої точки прямої.

.  (6.9)

Розрахунки і побудови рекомендується виконувати з використанням редактора електронних таблиць Excel.

Якщо для побудови залежності 6.8 використовувати електронні інструменти точкової діаграми Excel, то коефіцієнти lgC и n будуть розраховані автоматично в процесі побудови.

Отримані експериментальні значення коефіцієнтів порівнюють з літературними даними.

Дана лабораторна робота вважається виконаною, коли студент, присутній на занятті і виконав практичну частину роботи, представляє викладачеві письмовий звіт виконаної лабораторної роботи в повному обсязі.

6.6. Зміст звіту і його форма

Звіт оформляється в 18-листової зошити і повинен містити наступні пункти:

- Тема роботи,

- мета роботи,

- Короткий опис роботи;

- Принципову схему дослідної установки;

- Протокол записи показників приладів,

- Обробка результатів досвіду (за формою таблиці 2.3);

- Графічні залежності:

а) коефіцієнта тепловіддачі від температурного напору;

б) критерію Нуссельта від твору критеріїв Грасгофа і Прандтля (в логарифмічному вигляді);

- Зіставлення результатів досвіду з літературними даними.

6.7. Питання для захисту роботи

1. Фізична сутність процесу конвективного теплообміну. У чому полягає принципова різниця між процесом конвективного теплообміну і процесом теплопровідності.

2. Закон Ньютона-Рихмана; коефіцієнт тепловіддачі.

3. Вплив на інтенсивність теплообміну температурного напору, фізичних властивостей рідини, розташування дослідної труби в просторі.

4. Тепловіддача при різних видах руху середовища і зміни її агрегатного стану.

5. Теорія подібності; критерії подібності.

6. Обробка дослідних даних в числах і критерії подібності, їх аналіз; загальні умови подібності фізичних процесів.

7. Променистий теплообмін: основні поняття і закони теплового випромінювання.

8. Випромінювання і поглинання енергії газами.

9. Променистий теплообмін між тілами; екрани для захисту від випромінювання.

13. Закон Стефана-Больцмана.

14. Як залежить коефіцієнт тепловіддачі від діаметра одиночної труби при вільній конвекції?

15. Як визначається тепловий потік при виконанні лабораторної роботи?

16. Критерій Нуссельта. Фізичний сенс. Позначити входять до нього величини.

17. Критерій подібності Грасгофа. Фізичний сенс. Позначити входять до нього величини.

18. Критерій подібності Прандтля. Фізичний сенс. Позначити входять до нього величини.

19. Критерій подібності Рейнольдса. Фізичний сенс. Позначити входять до нього величини.

20. Назвати гідродинамічні режими при вимушеному русі рідини. Вказати граничні значення критерію, що характеризує ці режими.

21. Загальний вигляд критеріального рівняння для вимушеного конвективного теплообміну.

22. Загальний вигляд критеріального рівняння для вільного конвективного теплообміну.

23. Розмірність коефіцієнта тепловіддачі.

24. Що є рушійною силою рідини при вільній і при вимушеній конвекції?

7. ЛІТЕРАТУРА

7.1. Основна навчальна література

1. Гідравліка, водопостачання і каналізація: Навчальний посібник для вузів / В. І. Каліцун, В. С. Кедров, Ю. М. Ласків. - М .: Стройиздат, 2011 року.

2. Інженерні мережі, обладнання будівель і споруд: Підручник / Є. М. Бухаркін, В. М. Овсянников, К. С. Орлов і ін .; Під ред. Ю. П. Сосніна. - М .: Вища школа, 2011 року.

7.2. додаткова література

1. Альтшуль А. Д., Каліцун В. І. Приклади розрахунків з гідравліки. - М.: Стройиздат, 1976.-256с.

2. Константинов М. П., Петров Н. А., Александров В. А. Приклади гідравлічних розрахунків. - М .: Транспорт, 1987.-440С.

3. Теплотехніка: Підручник для вузів / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров,
 Г. М. Камфер і ін .: під ред. В. Н. Луканіна. - М .: Вища. шк., 1999. - 671с.

4. Тихомиров К. В., Сергієнко Е. С. Теплотехніка, теплогазопостачання та вентиляція. - М.: Стройиздат, 1991. - 480 с.




Визначення коефіцієнта теплопровідності сипучих матеріалів методом труби | СХВАЛЕНО

застосування | Дослідження режимів руху рідини | ТЕОРЕТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ | АПАРАТУРА І МАТЕРІАЛИ | МЕТОДИКА І ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ | Пристрій відцентрового насоса | Випробування відцентрового насоса |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати