3.2 Опис експериментальної установки

Схема установки з параметрами (див. рис. 3.1): , ; площа поверхні теплообміну ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Усередині сталевої вертикальної труби 1 розміщена спіраль електронагрівача 2 із живленням від мережі через автотрансформатор 4. Для вимірювання потужності W(Вт), споживаної нагрівачем, застосовується ватметр 3. На зовнішній

поверхні труби по її висоті розміщеноно десять хромель-копелевих термопар, які в комплекті з потенціометром 6 (через перемикач 5) служать для вимірювання температури стінки у фіксованих точках .

Оскільки у схемі вимірювання температур стінки труби відсутня автоматична компенсація температури вільних кінців термопар, необхідно до показників потенціометра додавати показники ртутного термометра, розміщеного у вільних спаях термопар, тобто фактичну температуру навколишнього середовища.

Рисунок 3.1 – Схема експериментальної установки

3.3 Порядок виконання роботи

Електрична потужність W нагрівача встановлюється в межах 600-800 Вт. У зв'язку зі значною інерційністю установки після її вмикання необхідно систематично (через 5-10 хв) реєструвати показання приладів (табл.3.1) до повного досягнення стаціонарного режиму теплообміну, коли останні вимірювання температури відрізняються не більше ніж на 2-3 %.

Таблиця 3.1

, хв	W, Вт	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС	, оС

3.4 Обробка результатів вимірювань

Необхідні розрахунки виконують для умов стаціонарного режиму за результатами останнього вимірювання.

3.4.1 Густина теплового потоку (Вт/м²) від стінки труби до навколишнього повітря

, (3.1)

де – - поверхня теплообміну, м² .

3.4.2 Густина теплового потоку (Вт/м ) від стінки труби до навколишнього повітря за рахунок конвективної тепловіддачі:

, (3.2)

де - густина теплового потоку за рахунок радіаційного випромінювання, Вт/м ;

- ступінь чорноти поверхні сталевої труби ( =0,8); - постійна Больцмана теплового випромінювання.

3.4.3 Локальний коефіцієнт тепловіддачі (Вт/м ) в і-й точці

(3.3)

визначається для кожного з десяти точок на поверхні труби.

3.4.4 За результатами вимірювань у межовому шарі (рис.3.2а) будується графік , показаний рис. 3.2 б.

а) б) в)

Рисунок 3.2 – Зміна температури і локального коефіцієнта тепловіддачі при вільному русі повітря вздовж вертикальної труби.

Згладжені значення температур використовують для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі. За результатами розрахунків будується графік (рис. 3.2в).

3.4.5 На графіку визначають висоту труби, що відповідає кінцю ламінарного режиму течії і теплообміну (в кінці ламінарної області спостерігається мінімальна тепловіддача, тобто , а також висоту , що відповідає початку розвиненого турбулентного режиму течії і теплообміну (див. рис.3.2). На ділянці ( - ) труби спостерігається перехідний режим.

Критичні значення , , і заносять до таблиці 3.2.

Таблиця 3.2

Вт/ (м2/К)	Вт/ (м2/К)	Вт/ (м2/К)	Вт/ (м2/К)	Вт/ (м2К)	Вт/ (м2/К)	м	м	0С	Вт	%

3.4.6 Використовуючи безрозмірний опис конвективної тепловіддачі, одержаний для даного випадку теоретичним шляхом у вигляді

, (3.4)

необхідно знайти зв'язок між усередненими значеннями коефіцієнтів тепловіддачі і локальними величинами для трьох характерних режимів.

У рівнянні (3.4) - число Нуссельта; - критерій Грасгофа; - коефіцієнт об'ємного розширення (для газу , ); Рr – критерій Прандтля. Здобуток називають критерієм Релея Rа_.

Для ламінарного режиму , а для турбулентного .

У турбулентному режимі (тепловіддача є автомодельною відносно геометричних розмірів (доведіть це)) середній коефіцієнт тепловіддачі

. (3.5)

У ламінарному режимі

(3.6)

(доведіть це).

Для перехідного режиму

. (3.7)

3.4.7 Середній коефіцієнт тепловіддачі для вертикальної труби:

. (3.8)

3.4.8 Середнє значення температури стінки

, (3.9)

Значення температур , що входять у формулу (3.9), беруть на "згладженому" графіку , який розбивають на (N+1) рівномірних ділянок (можна використовувати десять точок вимірювання температури стінки).

3.4.9 Тепловий потік (Вт) від вертикальної труби до навколишнього середовища за рахунок термогравітаційної (вільної) конвекції:

. (3.10)

Отримане значення необхідно зіставити з потужністю нагрівача W і пояснити розбіжність між цими величинами.

Рівняння (3.10) використовується в інженерних розрахунках тепловіддачі.