Лабораторные работы по ТОТ. Лабораторная работа 1 3 Лабораторная работа 2 5 Лабораторная работа 3 10 Лабораторная работа 4 15 Лабораторная работа 5 20
 Скачать 4.79 Mb.
|
|
Таблица 2.
По найденным значениям критериев строится график, в котором по оси ординат откладываетсяlgNuf, а по оси абцисс -lg(GrfPrf). В указанных координатах опытные данные описываются прямолинейной зависимостью:  (9)Значение n характеризует угловой коэффициент, полученной прямой  Уравнение (9) позволяет найти постоянную С по построенному графику. Следовательно, на основании опытных данных получается расчетное уравнение для теплоотдачи:   где, Сиn- известные уже величины. lgNuf 2 lgNufl lgC   Лабораторная работа №3 Исследование теплопроводности при естественной конвекции воздуха около вертикального цилиндра ММТП 004 Цель работы: Экспериментально определить локальный коэффициент теплоотдачи вдоль вертикальной поверхности, обобщить результаты в виде критериальных зависимостей с последующим сопоставлением с расчетными формулами. Краткие теоретические сведения: Конвективный теплообмен - процесс переноса теплоты при перемещении макрочастиц жидкости или газа относительно поверхности твердого тела. Различается конвективный теплообмен при вынужденной и свободной конвекции. Вынужденная конвекция осуществляется при перемещении объемов жидкости или газа под действием сил давления, которое обеспечивается принудительно посредством компрессора или набегающего потока. Свободная конвекция осуществляется в поле внешних массовых сил различной природы: гравитационных и электромагнитных, центробежных и т.д. В случае свободной конвекции в поле гравитационных сил движение среды у твердой поверхности происходит за счет разности плотностей различных частей среды, обусловленной разностью температур. Если в среду газа или жидкости ввести тело с отличной от среды температурой, то происходит нарушение равновесного состояния среды. Возникающая температурная неравномерность обусловливает неоднородность плотности среды около тела, что приводит под действием гравитации к возникновению подъемных сил и свободной конвекции среды у поверхности тела. Тепловой поток при конвективном теплообмене определяется законом Ньютона (1):  , (1)где,  Вт/м2 - плотность теплового потока, равная количеству теплоты, отдаваемой с единицы поверхности за единицу времени;Tw,K- температура поверхности Tf, К- температура среды вне пограничного слоя Коэффициент теплоотдачи α представляет собой количество теплоты, передаваемое через единицу площади изотермической поверхности теплообмена в единицу времени при разности температур стенки и газа, равной одному кельвину. Коэффициент теплоотдачи α является функцией многих переменных: режима течения среды, скорости течения, физических характеристик среды и т.д. Определение коэффициента теплоотдачи производится теоретическими или экспериментальными методами с использованием теории подобия. Для расчета местных коэффициентов теплоотдачи при свободной ламинарной конвекции вдоль вертикальной поверхности в неограниченном пространстве используют зависимость (2):  , (2)В данном уравнении определяющей является температура среды 7) за пределами пограничного слоя, число ПрандтляPrw определяется по местной температуре стенкиTw. Определяющий размер х отсчитывается от места начала теплообмена вдоль вертикальной поверхности (рис.1).  Рис. 1 Зависимость коэффициента теплоотдачи вдоль вертикальной стенки и картина течения в пограничном слое при свободной конвекции в неограниченном пространстве. При турбулентном режиме течения в пограничном слое вдоль вертикальной поверхности при свободной конвекции используют зависимость (3):  , (3)где за определяющие температуру и координату выбраны также температура среды за пределами пограничного слоя их - координата вдоль вертикальной поверхности. Так как:  , то следует, что коэффициент теплоотдачи не зависит от координаты при развитом турбулентном течении в пограничном слое. Развитое турбулентное течение наступает при числахGrfx· Prf> 6 • 1010. Ламинарное течение может сохраняться доGrfx· Prf= 109. На рис.1 показана зависимость изменения коэффициента теплоотдачи а при свободном движении вдоль вертикальной стенки и характер изменения течения вдоль стенки. Сначала имеет место ламинарный режим течения в пограничном слое, толщина пограничного слоя растет, а коэффициент теплоотдачи уменьшается пропорционально x-0,25. Затем наступает переходный режим течения, где коэффициент теплоотдачи нестабилен по времени и в среднем увеличивается до значения, характерного для турбулентного течения. При турбулентном режиме течения коэффициент теплоотдачи не зависит от координаты х и остается постоянным. Задачей экспериментального исследования процесса теплоотдачи при свободной конвекции является определение показателей степени п при произведенииGrf· Prf и константы С в критериальной зависимости: Эксперименты проводятся в широком диапазоне изменения определяющих критериевGrf иPrf, строится график зависимости Nux= f(Grx·Pr) в логарифмических координатах. Результаты обобщаются выражением: где показатель степени определяется как тангенс угла наклона проведенной линейной зависимости: При обработке и обобщении экспериментальных данных большое значение имеет определяющая температура, по которой определяются физические величины, входящие в критерии подобия. В общем случае за определяющую температуру можно принять температуру стенкиTw, температуру среды Tf и среднеарифметическую температуру Тср:  Описание экспериментальной установки: Лабораторная установка состоит из исследуемого вертикального цилиндра, длиной 1,5 м; подсоединенного к нему десяти термопар, расстояние между которыми равно 150 мм; нагревателя. Температура нагрева регулируется плавным вращением ручки автотрансформатора «Регулятор напряжения». Значения температуры показывает вольтметр DP- 6, а также дублируются на монитор ПК. Выбор термопар осуществляется при помощи переключателя. Порядок проведения эксперимента: По указанию преподавателя включить питание стенда. Установить ручку галетного переключателя «Выбор установки» в положение «ММТП 004». После чего включится соответствующая экспериментальная установка, что просигнализирует горящий светодиод над установкой. Установить напряжение на нагревателе, вращая ручку автотрансформатора «Регулятор напряжения». Через 10 минут после включения установки необходимо снять показания термопар, вращая ручку галетного переключателя S1 «Выбор термопар». Повторить опыт, изменяя напряжение на нагревателе. Полученные данные внести в таблицу 1. Табл. 1.
Обработка результатов измерений: Для определения локального коэффициента теплоотдачи а согласно закону Ньютона (1) необходимо рассчитать конвективный тепловой поток QK, поскольку все остальные величиныtwi, tf измерены.QKопределяется из баланса энергии:Qk=Q-QИ, так как электрическая мощностьQ, затраченная на нагревание исследуемого цилиндра, отдается в окружающую среду как свободной конвекциейQK, так и излучением Электрическая мощность, подводимая к цилиндру, рассчитывается по формуле:  'где,U, В — напряжение, подаваемое на экспериментальный участок, R=, Ом - омическое сопротивление трубы. Излучаемый тепловой поток определяется по формуле:  где,Twi,K- средняя по контуру поперечного сечения температура поверхности трубы, Tf, К- температура окружающей среды, Fб = 0,19 м2 - площадь боковой поверхности трубы, ε = 0,5 - степень черноты. Местный коэффициент теплоотдачи определяется:  Находится значение определяющей температуры по формуле: где,Twcp - среднее значение температуры стенки. По найденному значению определяющей температуры выписываются из приложения 1 теплофизические параметры (λ, μ, Pr) и подсчитывается объемный коэффициент расширения β:  Критерии подобиявычисляютсяNumi, Grmi, Prm:  ,  По найденным значениям критериев строится график, в котором по оси ординат откладываетсяlgNum, а по оси абсциссlg{Grm· Рrт) и аппроксимируются прямой линией, тангенс угла наклона которой определяет значение показателя n в критериальной зависимости:  Значение постоянной С определяется из выражения по любой точке аппроксимирующей прямой. Аналогично определяются критерии подобия для определяющей температуры Tf. Сопоставляются экспериментально полученные зависимости Nux= С · (Grx·Рrx)п с теоретическими для ламинарного и турбулентного режимов течения. Ламинарный режим течения реализуется приGrfx·Prf< 109 и теоретическая зависимость имеет вид: Nufx= 0,55 · (Grfx· Prf)1/4. Турбулентный режим течения в пограничном слое реализуется при Grfx• Prf> 6 · 1010, в данном случае теоретическая зависимость имеет вид: Nufx= 0,13 · (Grfx· Prf)1/3 В данной работе могут реализоваться сразу оба режима течения в зависимости от исследуемой газовой среды, ламинарный и турбулентный, и экспериментальные результаты аппроксимируются двумя прямыми с различным наклоном, и соответственно получаются два значения показателя степени п1 и п2 при (Grfx· Prf) и постоянной С1 и С2. Результаты расчетов сводятся в таблицу 2. Табл. 2.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||