 |
Лабораторная работа № 2. «изучение процесса теплоотдачи при свободной конвекции воздуха. Около горизонтальной трубы». 1. Ведение
|
|
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
«Изучение процесса теплоотдачи при свободной конвекции воздуха
около горизонтальной трубы»
1. ВЕДЕНИЕ
Процесс теплоотдачи путём свободной конвекции имеет широкое распространение в самых различных областях техники и производства. Например, он имеет место при передаче тепла через ограждающие конструкции зданий, от нагревательного прибора к воздуху помещения и т. д.
Значение закономерностей, которым подчиняется этот процесс, позволяет правильно проектировать теплообменные аппараты, рассчитывать необходимую толщину ограждений зданий, экономично расходовать энергоресурсы.
2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы – изучить механизм процесса конвективной теплоотдачи, влияние на его эффективность различных факторов, получить навыки обработки опытных данных на основе теории теплового подобия.
3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Между твёрдым телом и окружающей средой (жидкость или газ) происходит конвективный теплообмен при их непосредственном соприкосновении. При этом передача тепла происходит за счёт излучения, теплопроводности и перемещения масс среды (конвекция). Перемещение масс среды при свободной конвекции происходит под влиянием разности температур между стенкой и средой, которая определяет разность плотностей нагретого (около стенки) и холодного (вдали от стенки) вещества. Под действием сил гравитации более холодные массы опускаются вниз, более нагретые – поднимаются вверх.
Количество тепла, передаваемое от нагретой поверхности в окружающую среду в процессе свободной конвекции определяется формулой Ньютона – Рихмана:
|
|
|
Q = α ( tст – tв ) F, Вт, ( 1 )
где α – коэффициент теплоотдачи, Вт / м2К,
tст, tв – температуры поверхности тела и окружающей среды, ℃,
F - площадь поверхности, передающей тепло, м2.
Это тепло передаётся в окружающую среду частично путём конвективного переноса, частично – излучением:
Q = Qк + Qл, ( 2 )
где Qк – тепло, передаваемое конвекцией, Вт,
Qл – тепло, передаваемое излучением, Вт.
4. ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ
Схема установки представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Схема установки
Опытный элемент представляет собой горизонтально расположенный трубчатый электронагреватель (ТЭН). За счёт нанесённой на его поверхность теплоизоляции две половины его имеют различные внешние диаметры: d2 и d3. Таким образом, здесь исследуется процесс теплоотдачи от двух цилиндров разного диаметра, покрытых алюминиевой фольгой. Температуры поверхностей цилиндров измеряются посредством термопар 2, 4, 6, 8, которые поочерёдно подключаются с помощью переключателя 10 через холодный спай 11 к потенциометру 12.
К полученным по показаниям термопар температурам необходим прибавить температуру воздуха помещения tв.
Электрическая нагрузка нагревателя регулируется посредством лабораторного автотрансформатора, а величина её измеряется ваттметром.
5. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
Опыт проводят на трёх стационарных температурных режимах.
Результаты замеров и расчётов заносят в таблицу 2.
Таблица 2
|
№ п/п |
Показания термопар в Мв и ℃ |
Показание ваттметра |
Температуры поверхностей | α ˈ к | α ˈ ˈ к | ||||
| t1 | t3 | t5 | t7 | W, Вт | tˈ СТ, ℃ | tˈ ˈ СТ, ℃ | Вт/м2К | Вт/м2К | |
|
|
|
W – электрическая нагрузка нагревателя, Вт.
Средние температуры поверхностей определяют:
tˈ ст = 0. 5 ( t1 + t3 ), ℃ ( 3 ) tˈ ˈ ст = 0. 5 ( t5 + t7 ), ℃ ( 4 )
Суммарные коэффициенты теплоотдачи находят по формулам:
α ˡ = 
, ( 5 ); α ˡ ˡ = 
, ( 6 )
где Q = 0. 5 W – величина теплового потока, Вт
Δ tˡ = tстˡ - tв, Δ tˡ ˡ = tстˡ ˡ - tв.
Fˡ и Fˡ ˡ - величина боковой поверхности цилиндров, м2:
|
|
|
