Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции воздуха

12.1. Цель работы

Изучение методики экспериментального определения коэффициента теплоотдачи и обработки опытных данных.

12.2. Задачи работы

Определение коэффициента теплообмена при свободном обтекании трубы воздухом. Анализ опытных данных.

12.3. Теоретические положения

По определению, коэффициентом теплоотдачи α называется удельный тепловой поток, возникающий между поверхностью твердого тела и жидкой средой и отнесенный к разности температур стенки и жидкости в один градус [1]:

, Вт/м²·К (12.1)

где q – удельный тепловой поток, под которым понимается тепловой поток в единицу времени, приходящийся на единицу поверхности теплообмена:

, Вт/м² (12.2)

где Ф – тепловой лоток, передаваемый в единицу времени от поверхности трубы воздуху при конвективном теплообмене, Вт;

S – площадь поверхности теплообмена, м²;

Δ t – разность температур, под действием которой происходит теплообмен:

Δ t = t_CP – t₀, ºС (12.3)

где t_CP – средняя температура стенки трубы, ºС

t₀ – температура окружающей среды, ºС

С учетом выражения 12.2 коэффициент теплообмена можно определить по формуле:

, Вт/м²·К (12.4)

Между трубой и воздухом теплообмен происходит путем конвекции, теплопроводности (в воздухе) и излучения. Конвекция и теплопроводность в жидкой среде объединяются под названием конвективного теплообмена. Таким образом, общий тепловой поток складывается из конвективного и лучистого потоков:

Q = Ф + Q_л. (12.5)

Аналогично и коэффициент теплоотдачи условно представляют как сумму конвективного и «лучистого» коэффициентов:

α = α_к+ α_л. (12.6)

Для определения коэффициента теплообмена, характеризующего конвективный теплообмен, следует из общего теплового потока исключить количество тепла, передаваемого лучистым путем:

Общий тепловой поток Ф от трубы к воздуху при установившемся режиме будет равен количеству подводимой в единицу времени электроэнергии, т. е. может быть найден по показаниям приборов:

Ф = I∙U, Bт. (12.7)

Где I – сила тока, А;

U – напряжение сети тока, В.

Поскольку коэффициент теплообмена зависит от большого числа факторов, для использования опытных данных на практике их следует обработать в критериальном виде. Конвективный теплообмен на границе со стенкой характеризуется критерием подобия Нуссельта (Nu). Подобие процессов свободной конвекции определяется критерием Грасгофа (Gr). Физическое подобие описывается критерием Прандтля (Pr), но физические параметры воздуха пренебрежимо мало зависят от температуры, и поэтому критерий Прандтля является практически постоянной величиной.

Зная эти критерии можно определить коэффициент теплообмена по формуле [1]:

(12.8)

где d – диаметр трубы (определяющий размер), м;

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/м·K (см. приложение 7).

12.3. Описание лабораторной установки

Опытная установка (Рис. 12.1) представляет собой горизонтальную медную трубу 1, внутри которой вмонтирован электрический нагреватель 2. На поверхности трубы запаяны шесть термопар 3, подключенных к электронному измерителю температуры 13 (потенциометру).

Торцы опытной трубы защищены тепловой изоляцией, а пространство между трубой и нагревателем заполнено песком. Все холодные спаи термопар помещены в сосуд 10, где находится масло с постоянной температурой.

При установившемся режиме весь тепловой поток от нагревателя передается через стенки трубы к окружающему воздуху. Вследствие нагревания трубы около ее поверхности возникает свободная конвекция. Мощность электронагревателя измеряется ваттметром или для определения мощности достаточно также измерять напряжение и силу тока в спирали.

Перед проведением испытания следует ознакомиться с установкой и измерительными приборами и составить схему установки. После включения электрической спирали необходимо дождаться наступления установившегося (стационарного) режима, характеризующегося стабильностью показаний потенциометра во всех точках.

Рис. 12.1. Схема установки: 1 – горизонтальная труба; 2 – нагревательный элемент; 3 – заполнитель песок; 4 – горячие спаи термопар №1-6;

5 – вольтметр; 6 – амперметр; 7 – ЛАТР; 8 – холодные спаи термопар;

9 – термометр для замера температуры холодных спаев; 10 – сосуд Дьюара; 11 – компенсационные провода; 12 – переключатель термопар;

13 – электронный измеритель температуры; 14 – термометр для замера температуры окружающей среды

12.4. Проведение испытания

После установления стационарного режима приступают к опыту. Во время опыта записываются показания потенциометра последовательно для всех, термопар и показания ваттметра или заменяющих его амперметра 6 и вольтметра 5.

Отмечается также показание термометра 14, измеряющего температуру окружающего воздуха на достаточном удалении от трубы, и температура холодных спаев. В процессе испытания проводятся несколько опытов для разных режимов. Каждый режим характеризуется определенным значением напряжения, устанавливаемого посредством трансформатора и контролируемого вольтметром. В опыте делается несколько замеров через 4…5 минут. Результаты наблюдений заносятся в одну таблицу. Для каждого опыта результаты усредняются. По среднему показанию потенциометра в каждой точке установки термопары может быть определена средняя температура стенки трубы:

, ºС (12.12)

где t_Т_i – показания термопар по милливольтметру.

Если холодные спаи не погружены в тающий лед, а находятся на воздухе, показания потенциометра соответствуют разности температур стенки и помещения. Поэтому по показаниям измерителя 13 удобно определять разность температур и затем найти температуру стенки трубы. Если зависимость между температурами и соответствующими ТЭДС линейна, допустимо среднюю температуру стенки трубы определяют по среднему значению ТЭДС для трубы.

12.5. Обработка опытных данных

1) Находим общий тепловой поток Ф от трубы к воздуху по формуле 12.7.

2) Определяем среднюю температуру стенки трубы t_CP по формуле 12.12.

3) По формуле 12.3. определяем разность температур Δ t, под действием которой происходит теплообмен

4) Определяем коэффициент теплообмена α по формуле 12.4. Площадь поверхности теплообмена F берем из паспорта установки.

12.8. Оформление отчета

Отчет по работе должен включать цель работы, задачи работы, схему установки. Данные замеров и расчеты свести в таблицу 12.1.

Таблица 12.1

Таблица опытных данных

№ замера	Напряжение, В	Сила тока, А	Показания потенциометра	Температура окружа-ющей среды t₀	Температура стенки t_СР	Разность температур Δ t