3 Схема и описание экспериментальной установки

С хема экспериментальной установки приведена на рис. 2.

Данные установки:

d_в = 7,4 мм – внутренний диаметр трубы;

d_н = 8,0 мм – наружный диаметр трубы;

= 450 мм – длина рабочего участка трубы;

R₀ = 4,7·10^-2 Ом – электрическое сопротивление трубы при t = 20 ºС;

A = 0,08 Вт/К – коэффициент тепловых потерь;

K = 20 – коэффициент трансформации тока;

S = 75 мм – расстояние между термопарами.

Тонкостенная труба 1 из нержавеющей стали, наружным диаметром 8 мм, толщиной 0,3 мм и длиной 450 мм нагревается проходящим через неё электрическим током низкого напряжения, подаваемого на торцевые фланцы 2, припаянные к трубке. Электрический ток на фланцы подается через блок управления БУ, включающий в себя понижающий автотрансформатор 3, блок питания 4 БП и регулятор тока 5. Подводимая электрическая мощность к трубке может регулироваться в широких пределах автотрансформатором 3 и регулятором тока 5, что позволяет изменять в опытах температурный напор между наружной поверхностью трубки и окружающим воздухом в широких пределах. Охлаждение нагретой трубки выполняется только с наружной стороны, так как внутренняя ее полость условно замкнута и принимает температуру самой трубки. Параметры электрического тока, подаваемого на трубку, можно регистрировать установленными вольтметром 6 и амперметром 7. Температура нагретой поверхности опытной трубки измеряется в пяти сечениях, равномерно распределенными по ее длине хромель-алюмелевыми дифференциальными термопарами 8. Как видно на рис. 1 толщина пограничного слоя и скорость омывания окружающего воздуха нагретой трубки неодинаковы, и поэтому условия теплообмена различны по периметру окружности сечения трубки. Различны будут и местные коэффициенты теплоотдачи (КТО) по окружности сечений. По отдельным горизонталям опытной трубки скорость обтекания воздухом и условия теплообмена практически остаются одинаковы, поэтому и температура по линиям горизонтали не меняется. В связи с этим, важное значение имеет место установки термопары в сечении трубки, то есть положение точки замера относительно крайней нижней точки в сечении. Поэтому на опытной трубке точки установки термопар в пяти сечениях расположены на разных ее горизонталях с целью определения усредненного значения температуры напора и расчета среднего по сечению коэффициента теплоотдачи.

Концы всех чувствительных термопар выведены наружу через полые камеры токоподводящих фланцев к механическому переключателю 9. Общий для всех термопар холодный спай находится в термостате 10 при температуре окружающего воздуха. ЭДС термопар поочередно с помощью переключателя 9 замеряется цифровым вольтметром 11 В7-38. Определение температуры по ЭДС термопар осуществляется по переводной таблице 1 [4, с. 88].

4 Расчетные формулы

По определению, среднее значение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции

, (8)

где q_c – плотность теплового потока на стенке трубы, Вт/м²; – температура стенки трубы; t_ж – температура воздуха вдали от стенки трубы (температура в лаборатории).

Коэффициент теплоотдачи – это мера интенсивности процесса тепло-обмена на твердой поверхности (стенке), обтекаемой теплоносителем.

Конвективная составляющая плотности теплового потока выражается разностью плотностей теплового потока, обусловленной электрическим тепловыделением в трубе и плотностью теплового потока излучения поверхности теплообмена:

, (9)

где q_с,эл – местная плотность теплового потока, обусловленная электрическим тепловыделением, Вт/м²; q_с,и – местная плотность теплового излучения поверхности теплообмена, определяемая расчетным путем, Вт/м².

Полная плотность теплового потока, обусловленного электрическим тепловыделением, находится из соотношения

, (10)

где I и U – сила тока и напряжение в цепи трубки; d и – наружный диаметр и длина трубки.

Таблица 1