Контрольные вопросы

1. Может ли тело поглощать больше лучистой энергии, чем излучать?

2. Может ли отраженный лучистый поток быть больше падающего лу­чистого потока?

3. Всегда ли тело, температура которого выше окружающей среды, из­лучает энергии больше, чем поглощает?

4. Может ли возрастать спектральная плотность потока излучения при увеличении длины волны излучения?

5. Может ли собственное излучение тела быть меньше отраженного этим телом излучения?

6. Может ли собственное излучение тела быть больше поглощенного этим телом излучения?

7. Может ли собственное излучение тела быть больше эффективного излучения этого тела?

Лабораторная работа № 7 (4 часа) «теплоотдача при вынужденном движении воздуха в трубе»

Цель работы: определение локальных и среднего значения коэффициента теплоотдачи при движении воздуха в трубе.

Задачи работы: 1. Исследование влияния скорости воздуха на коэффициент теплоотдачи a.

1. Исходя из экспериментальных данных определить длину участка тепловой стабилизации.

2. Оценка погрешности измерений.

Общие сведения

Конвективный теплообмен, возникающий под действием внешних сил, называется вынужденной конвекцией.

При малых скоростях движения жидкости и больших перепадах Теплоотдача при температур теплота переносится как за счет естественной, так и вынужденной конвекции. в случае, если скорости движения теплоносителя достаточно велики, а температурные перепады незначительны – влиянием свободной конвекции на суммарный теплообмен можно пренебречь.

Интенсивность теплоотдачи конвекцией зависит от характера течения жидкости в пограничном слое. различают режимы: устойчивый ламинарный (Re < 210³ ), переходной (210³ < Re < 10⁴ ) и развитый турбулентный (Re > 10⁴ ).

При ламинарном режиме течения жидкости, когда линии тока параллельны теплоотдающей поверхности, интенсивность теплообмена невелика, слабо зависит от скорости потока, но сильно изменяется при изменении теплофизических свойств теплоносителя.

При турбулентном режиме течения жидкости возникает интенсивное поперечное перемещение теплоносителя, что вызывает интенсивный теплообмен на теплоотдающей поверхности.

При вынужденном течении жидкости в трубах стабилизированное течение, т.е. вполне определенное распределение скорости и температуры, имеет место на достаточном удалении от входа. на этом участке теплоотдача зависит от скорости, диаметра трубы, физических свойств теплоносителя. на начальном участке, где имеет место нестабилизированное течение, процесс теплоотдачи отличается большой сложностью и коэффициент теплоотдачи α резко изменяется по длине трубы.

Обобщение большого числа опытных данных дает следующую критериальную зависимость для расчета коэффициента теплоотдачи α от стенки трубы к текущему в ней теплоносителю на участке стабилизированного течения:

. (1)

При вынужденном турбулентном течении воздуха в трубе поправкой можно пренебречь [1].

В так называемой переходной области теплоотдача может быть рассчитана по следующей зависимости:

, (2)

где – функция, зависящая от :

	2300	2500	3000	3500	4000	5000	6000	7000	8000	9000	> 104
	3,6	4,9	7,5	10	12,2	16,5	20	24	27	30

При вычислении критериев подобия , , , входящих в уравнения (5-1) и (5-2), в качестве определяющего размера принимают внутренний диаметр трубы , а в качестве определяющей температуры – среднюю температуру жидкости ; ` – средняя скорость, м/c.

Описание экспериментальной установки

Рабочий участок установки (рис.1) представляет собой трубку 2 из нержавеющей стали (размеры ее указаны на рисунке). один конец трубки соединен с атмосферой, а другой – шлангом с центробежным вентилятором. опоры 1 и 3, в которых закреплена трубка, изготовлены из фторопласта. Они тепло- и электроизолируют трубку 2 от остальных элементов конструкции. На концах трубки припаяны медные шайбы, к которым от понижающего трансформатора подводится электрический ток низкого напряжения для нагревания рабочего участка.

Электрическое сопротивление трубки составляет 0,0344 Ом.

Р ис. 1 – Рабочий участок установки тп-3.

На рисунке 2 показана схема измерений. В реальной схеме напряжение в цепи нагревателя регулируется автотрансформатором латр×2м-2а и регистрируется цифровым комбинированным прибором щ-4313-26. Температура стенки трубки измеряется десятью термопарами тхк 1-10, горячие спаи которых припаяны к ее наружной поверхности. термопарами 11 и 12 измеряется температура на входе и выходе из трубки соответственно. координаты горячих спаев термопар, отсчитываемые от входа, приведены ниже:

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	25	45	85	155	250	370	490	610	695	715
	25	30	55	82,5	107,5	120	120	102,5	52,5	25

здесь – номер термопары; – координата горячего спая; – длина участка трубы, соответствующего – термопаре (см. рис.1 ).

Номера термопар, указанные на схеме измерений, соответствуют позициям на переключателе 3б. термо-э.д.с. термопар измеряется милливольтметром 3в с автоматической компенсацией температуры холодных спаев.

Скорость воздуха в рабочем участке измеряется трубкой пито-прандтля в комплекте с дифференциальным манометром 1б, измеряющих динамический напор . С помощью второго дифманометра 4б измеряется падение давления на рабочем участке.

Регулирование скорости воздуха осуществляется изменением частоты вращения электродвигателя вентилятора регулятором напряжения.

Р ис. 2 – Схема измерений

Математическая модель установки, представленная в компьютерном варианте (см. работу программы mmtp005k ), повторяет все перечисленные элементы реальной экспериментальной установки. данные по динамическому напору и перепаду давления на рабочем участке представлены в па, падение напряжения, в, показания термопар, °С.

Методика расчета

Представление полученных экспериментальных данных в критериальной форме необходимо:

1. Определить тепловой поток q (Вт) на рабочем участке по формуле:

, (3)

где – напряжение, заданное на рабочем участке трубы;

– сопротивление рабочего участка, Ом.

2. Подсчитать массовый расход воздуха по показаниям трубки Пито-Прандтля:

, (4)

где – динамический напор, измеряемый трубкой Пито-Прандтля, Па;

– поверхность трубки, м²;

– плотность воздуха в измерительном сечении, кг/м³;

– абсолютное давление воздуха в измерительном сечении, Па;

– барометрическое давление, Па;

– падение давления на рабочем участке, Па; = 287 Дж/(кг×К) – газовая постоянная воздуха; = 0,96 – коэффициент, полученный по результатам градуировки расходомерного устройства.

3. Учитывая, что при нагреве рабочего участка в условиях = const температура жидкости по длине трубки x изменяется по линейному закону, определить среднюю температуру жидкости по формуле:

. (5)

4. Подсчитать среднюю плотность жидкости:

, (6)

где – среднее абсолютное давление жидкости по длине рабочего участка, Па.

5. Вычислить значения температурного напора в сечениях трубки с координатами ( = 1, 2, … , 10).

, (7)

где – координаты горячих спаев термопар, м; , °С;

– температура окружающей среды, °С;

6. Определить локальные значения коэффициента теплоотдачи по формуле

, (8)

где – потери теплоты с наружной поверхности рабочего участка в окружающую среду за счет свободной конвекции, излучения и торцевых потерь; подсчитывается по формуле:

, (9)

где ` – средняя температура стенки, °С;

=0,18 – коэффициент, определенный опытным путем.

7. Подсчитать среднее значение коэффициента теплоотдачи по формуле:

.` (10)

При определении среднего значения коэффициента теплоотдачи значения и вследствие влияния утечек теплоты с торцов рабочего участка исключаются из рассмотрения.

8. По полученным локальным значениям коэффициента теплоотдачи определить основной участок трубы (участок стабилизированного течения), где коэффициент теплоотдачи перестает зависеть от условий на входе в трубу.

9. Подсчитать значения коэффициентов теплоотдачи на основном участке трубы по зависимости (2), в которой число Рейнольдса определяется по массовому расходу и средней плотности жидкости :

, (11)

и сравнить полученные результаты с экспериментальными значениями .

10. Построить график зависимости (1) в логарифмических координатах , , на который нанести полученные экспериментальные значения, соответствующие основному участку трубы для исследованных режимов.

Порядок выполнения работы

1. Убедитесь, что все системы измерений находятся в исходном варианте.

2. Тумблером (см. схему) включить центробежный вентилятор, установив с помощью реостата первоначальный перепад давления = 200 Па.

3. Тумблером подать напряжение на рабочий участок исследуемой трубы, для чего нажать клавишу .

4. Установить падение напряжения на рабочем участке трубы = 1,1 В.

5. Измерить динамический напор , показываемый трубкой Пито-Прандтля.

6. Записать показания всех 12 термопар, шкала которых градуирована в °С (клавиши , , , ).

7. Установить с помощью реостата (клавиша ) перепад давления = 400 Па.

8. Записать показания динамического напора и показания всех 12 термопар.

9. Повторить измерения при = 800 и 1600 Па.

10. Установить с помощью реостата (клавиша ) падение напряжения = 1,3 В.

11. Снять показания динамического напора и показания термопар при соответственно 200, 400, 800, 1600 Па.

12. Повторить опыты при падении напряжения = 1,5 и 1,7 B.

13. Снятые показания свести в сводную таблицу измерений (табл. 1). По окончании опыта снять напряжение с рабочего участка (клавиша ), отключить вентилятор (клавиша ). В случае выхода из программы нажмите , в случае продолжения работы нажмите .

Таблица 1 – результаты исследований и расчетов

, Па

, Па

, В

Температура в ºС

Оценка погрешности измерений

Относительная среднеквадратичная погрешность косвенного измерения коэффициента теплоотдачи в соответствии (3), (8) и (10) будет равна:

(12)

Предельные относительные погрешности измерения физических величин, входящих в уравнение (12), определяются по классу точности измерительных приборов.