3 Методические указания к лабораторной работе №3 «Исследование теплоотдачи при естественной конвекции газа около вертикальной трубы»

3.1 Цель работы

Целью проведения лабораторной работы является изучение механизма теплообмена при свободной конвекции, структуры потока в пограничном слое, характера распределения температуры поверхности вертикальной стенки и коэффициента теплоотдачи по её высоте.

3.2 Краткие сведения из теории

Передача тепла от нагретого твердого тела к газообразному теплоносителю или наоборот, является одним из наиболее распространенных случаев сложного теплообмена.

Теплоотдача осуществляется конвекцией, теплопроводностью, лучистым теплообменом. Различают теплоотдачи при свободном и вынужденном движении теплоносителя, а также при изменении его агрегатного состояния. Теплоотдача при естественной конвекции возникает при движении теплоносителя за счет разности плотностей в различных точках его объема: более нагретые макрочастицы среды, имеющие меньшую плотность, поднимаются вверх, а более холодные опускаются вниз и затем, нагревшись, также движутся вверх. Таким образом, возникают конвекционные токи теплоносителя. Интенсивность теплоотдачи характеризуется коэффициентом теплоотдачи – количеством теплоты, переданным в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и средой-теплоносителем в 1 Кельвин.

Развитие свободного конвективного течения вблизи обогреваемой вертикальной поверхности показано на рисунке 3. Показано также изменение местного коэффициента теплоотдачи вдоль обогреваемой поверхности.

Рисунок 3 – Теплообмен при свободной конвекции на вертикальной поверхности:

α_х- местный коэффициент теплоотдачи; х_кр – координата зоны перехода от ламинарного к турбулентному течению; q – плотность теплового потока на стенке; δ – толщина пограничного слоя; ω_x∞, t_ж∞ - продольная составляющая скорости и температура вдали от стенки

При ламинарном режиме α_х ~ λ_ж/δ. Коэффициент теплоотдачи убывает по высоте поверхности вследствие роста толщины пограничного слоя. При турбулентном режиме α_х практически не изменяется по высоте поверхности, так как вместе с ростом толщины пограничного слоя увеличивается интенсивность турбулентного переноса.

Теоретические исследования свободной конвекции с использованием уравнений пограничного слоя показывают, что в данном случае справедливо уравнение подобия Nu=f(GrPr), где Nu – число Нуссельта, Gr – число Грасгофа, Pr – число Прандтля.

Рисунок 4 – Графики зависимости:

скорости w = f (y), температуры среды t = f (y) и коэффициента теплоодачи при естественной конвекции по высоте нагретой поверхности (стенки), где: - толщина пограничного слоя; - температура стенки, ‑ температура окружающей среды.

3.3 Описание лабораторной установки, приборов и оборудования

Принципиальная схема установки представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Схема установки для исследования местной теплоотдачи вертикальной трубы в воздушной среде

Основным её элементом является измерительный участок 1, представляющий собой трубу из нержавеющей стали ОХ18Н10Т диаметром 8,0 мм, длиной 1300 мм, толщиной стенки 1 мм.

Труба 1 нагревается проходящим через неё электрическим током.

Электропитание трубы осуществляется от понижающего трансформатора 2, снабженного регулятором напряжения и выпрямителем. Мощность, подводимая к трубе, определяется по напряжению на ней, измеряемому вольтметром 3, и силе тока в цепи, определяемой по падению напряжения на шунте 300 А – 75 мВ с помощью милливольтметра 4, отградуированном в амперах.

Экспериментальный участок оснащен хромель-копелевой термопарой 5, помещенной внутри трубы 1. Координата горячего спая термопары может меняться. Для определения величины изменения координаты термопары установлена линейка 6.

Холодные концы термопары подключены к автоматическому потенциометру КСП‑4.