2014-09-04
465
Отчет должен быть оформлен индивидуально каждым студентом и содержать:
а) основные положения теории;
б) схему экспериментальной установки;
в) протокол экспериментальных и расчетных данных в виде таблицы
Контрольные вопросы.
1. Как осуществляется передача тепловой энергии в твердых телах?
2. Чем определяется интенсивность переноса тепловой энергии в твердых телах?
3. Объясните действие основного закона теплопроводности.
4. Дайте определение коэффициента теплопроводности.
5. От чего зависит величина коэффициента теплопроводности?
6. Что такое тепловая изоляция?
7. В каких случаях обычно применяют тепловую изоляцию?
8. Приведите пример теплового изолятора.
9. Что такое термическое сопротивление?
10. Определите условие эффективности применения изоляции на трубопроводе.
11. Объясните изменение тепловых потерь на рис.5.3.
12. Что такое критический диаметр изоляции?
13. Почему, как правило, трубопроводы малых диаметров не изолируют?
14. Объясните назначение основных элементов экспериментальной установки (рис.5.4).
|
|
|
15. Какие устройства применяются для измерения температуры в данной лабораторной работе?
16. Как определить класс точности прибора экспериментальной установки?
Протокол к лабораторной работе
| № | Наименование параметра | Обозначение | Размерность | Величина | Позиция термопары | t: | t: | t: | |||
| 0C | 0C | 0C | |||||||||
| Напряжение питания | U | В | Показатели термопар | ||||||||
| Сила тока нагревателя | J | А | |||||||||
| Тепловой поток | Q | Вт | |||||||||
| Температура воздуха | t0 | 0С | |||||||||
| Средняя температура внутренней поверхности изоляции | 
| 0С | |||||||||
| Средняя температура внешней поверхности изоляции | 
| 0С | |||||||||
| Коэффициент теплоотдачи изоляции | a2 | 
| |||||||||
| Коэффициент теплопроводности изоляции | lиз | 
| |||||||||
| Критический диаметр изоляции | dкр | м | |||||||||
| Погрешность приборная | g | 
| |||||||||
| Погрешность экспериментальная | s0 |
| t | с | |||||||
| Время замера |
Лабораторная работа
“Теплоотдача экспериментальной горизонтальной трубы при свободном движении воздуха”
Цель работы.
Целью работы является углубление знаний по теории конвективного теплообмена при свободном движении среды, ознакомление с методикой опытного исследования процесса теплоотдачи, получение навыков в проведении эксперимента.
|
|
|
В процессе работы необходимо ознакомиться с теоретическими основами методики экспериментального исследования процесса теплоотдачи, определить значение коэффициента теплоотдачи при свободном движении воздуха около горизонтально расположенной нагретой трубы, провести анализ уравнения подобия, применяемого для описания процесса свободной конвекции, используя данные эксперимента.
Теория работы.
Конвективным теплообменом, или теплоотдачей, называется процесс переноса тепловой энергии между поверхностью твердого тела и средой (жидкостью или газом). При этом процесс переноса тепловой энергии неразрывно связан с перемещением среды, взаимодействующей с твердым телом.
По природе возникновения различают свободное и вынужденное движение среды. Свободным движением теплоносителя называют движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных элементарных объемов жидкости или газа в гравитационном поле (в этом случае действует так называемая подъемная сила). Вынужденным называют движение среды, возникающее под действием посторонних сил (насоса, вентилятора и т.д.).
Интенсивность теплоотдачи при свободном движении зависит от разности температур между телом и средой, физических свойств среды и геотермических факторов (формы, размеров, положения тела в пространстве), а также ряда других факторов.
Количество переданного тепла (тепловой поток Q) при конвективном теплообмене определяется по закону Ньютона-Рихмана:
или q =a×Dt, (1)
где q = Q/F - плотность теплового потока, 
;
Dt - температурный напор (разность температур тела, tТ, и окружающей среды, tС), К
Dt = tТ – tС, K;
a - коэффициент теплоотдачи, 
.
Коэффициент теплоотдачи характеризует интенсивность теплообмена между телом и окружающей средой и представляет собой количество тепла, передаваемое от твердой стенки газу или жидкости через единицу площади за единицу времени при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 К.
В экспериментах среднее значение коэффициента теплоотдачи при свободном движении может быть определено из уравнения (1):
, (2)
где
tТ - температура поверхности тела, °С;
tС - температура среды (в данном случае воздуха), °С.
Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи зависит от различных параметров, характеризующих этот процесс (в том числе включающих форму тела и основные характерные размеры, температуру, скорость движения среды, физические свойства теплоносителя и т.д.).
Применяя методы теории подобия к математическому описанию процесса конвективного теплообмена при свободном движении воздуха в большом объеме, можно получить следующую зависимость между безразмерными числами подобия (критериями подобия):
Nu = f(Gr×Pr),.3)
На основании обобщения обширного экспериментального материала М.А.Михеевым получено следующее численное уравнение подобия:
Nu = C×(Gr×Pr)n, (4)
где Nu - число Нуссельта, характеризующее интенсивность конвективного теплообмена
Nu = 
;
Gr - число Грасгофа, характеризующее эффективность подъемной силы, вызывающей движение среды
;
Pr - число Прандтля, характеризующее физические свойства среды (воздуха)
;
В выражении чисел подобия входят параметры:
b - коэффициент объемного расширения, 
:
;
n - коэффициент кинематической вязкости, 
;
a - коэффициент температуропроводности, 
;
l - коэффициент теплопроводности, 
;
L - характерный размер опытной трубы, м;
Dt - разность между средней температурой поверхности расчетного участка и температурой окружающей среды, К;
a- коэффициент теплоотдачи, 
;
g - ускорение свободного падения, 
;
C и n - численные коэффициенты уравнения подобия.
В реальных условиях теплообмена коэффициенты С и n зависят от режима движения среды, находящейся в соприкосновении с нагретой поверхностью тела.
|
|
|
Таблица 1. может быть использована для сравнения полученных в опыте результатов с известными данными и определения режима движения воздуха.
Таблица 1.
Горизонтальные трубы
| № п/п | Режим движения воздуха | Gr × Pr | C | n |
| Ламинарный Турбулентный | 5 × 102 - 5 × 108 5 × 108 - 5 × 109 | 0,5 0,15 | 0,25 0,33 |
Уравнение (4) справедливо для подобных явлений теплообмена лишь в интервале экспериментально полученных значений произведения Gr×Pr. Значение коэффициента пропорциональности С и показателя степени n определяются на основании обработки экспериментальных данных и косвенно характеризуют режим обтекания жидкостью нагретого при свободной конвекции. Пользуясь уравнением (4) при конкретных числовых значениях С и n, зная основные параметры стенки и окружающей среды, можно определить коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости или наоборот - от жидкости к стенке.
