7. Определяющий (характерный) размер

Определяющий размер необходим для расчета значения большинства критериев подобия, входящих в критериальные уравнения.

На вертикальных поверхностях (вертикальная труба, стенка и т.п.) пограничный слой формируется по вертикали (см. рис.2), то есть его толщина, термическое сопротивление и, следовательно, локальный коэффициент теплоотдачи зависят от высоты поверхности. Поэтому в качестве определяющего размера берут текущую координату по высоте:

. (18)

Другие размеры - ширина стенки, диаметр трубы и т.п. - на толщину пограничного слоя и на величину коэффициента теплоотдачи не влияют.

8. Определяющая (характерная) температура

Физические свойства жидкости ( , , , а, Pr и др.), входящие в критерии подобия, находят в справочных таблицах [1-3] при так называемой определяющей (характерной) температуре. Она должна наиболее полно учитывать влияние температурного поля жидкости на эти свойства в пределах пограничного слоя.

Следует брать именно ту температуру, которую использовал автор формулы при ее получении (при обработке экспериментальных данных), то есть указанную в комментариях к формуле. В данной работе будем использовать температуру жидкости за пределами пограничного слоя, то есть вдали от стенки (см. рис.1,а):

. (19)

9. Сложный теплообмен

На практике конвективная теплоотдача сопровождается лучистым теплообменом между теплоотдающей поверхностью и окружающими ее телами, то есть наблюдается так называемый сложный теплообмен.

При этом суммарный тепловой поток

, (20)

где Q и - конвективный (1) и лучистый (21) тепловые потоки соответственно, Вт.

Согласно законам лучистого теплообмена [1,2]

, (21)

или

(21а)

где - приведенный коэффициент излучения системы двух тел, Вт/(м²∙К⁴) ( = 5,67 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²∙К⁴); - приведенная степень черноты системы двух тел); - абсолютная температура стенки (исследуемой поверхности теплообмена), К; - абсолютная температура окружающих тел, К; - площадь стенки (поверхности теплообмена) м².

Для цилиндрической поверхности

, (22)

где d, l - диаметр и длина цилиндра, м.

Примечания:

1. В условиях учебной лаборатории температуру окружающих тел (стен, других стендов и т.п.) можно принять равной температуре воздуха в комнате, то есть , К.

2. Так как площадь поверхности окружающих тел много больше площади исследуемой поверхности теплообмена , то , то есть приведенная степень черноты равна степени черноты стенки (поверхности теплообмена). Значение степени черноты поверхности рабочего участка приведено в 10.1.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА

10. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис.3) состоит из следующих основных элементов: рабочего участка 1 (вертикальный цилиндр), пультов управления 2 с вмонтированными в них измерительными приборами (цифровыми индикаторами), согласующего блока 3, содержащего также систему электропитания, системного блока 4 персонального компьютера, монитора 5 персонального компьютера, клавиатуры 6, манипулятора «мышь» 7.

10.1. Рабочий участок

Рабочий участок, схема его питания и схема измерения представлены на рис.4 и на экране монитора.

Рабочий участок 1 представляет собой расположенный вертикально стальной тонкостенный цилиндр. Наружный диаметр цилиндра d = 0,04 м и высота h = 1,5 м. Наружная поверхность цилиндра хромирована. Степень черноты поверхности хромированной стали = 0,2.

Нагрев цилиндра осуществляется электрическим током. Электрическое сопротивление цилиндра = 0,195 Ом. Подключение к сети производится выключателем S1. Режим нагрева может плавно изменяться с помощью регулятора напряжения 2. Падение напряжения на концах цилиндра определяется по цифровому индикатору 3 на экране монитора или по индикатору, расположенному на пульте управления № 1 (рис.5). Торцы цилиндра закрыты теплоизолирующими заглушками 4 для уменьшения влияния тепловых потерь.

Избыточная (над температурой холодного спая) температура наружной поверхности цилиндра измеряется с помощью термопар 5, размещенных в 10 точках, чередующихся по вертикали с шагом  = =150 мм. Значения избыточных температур определяются по цифровым индикаторам 6 на экране монитора или по индикатору, расположенному на пульте управления 4 (рис.5).

Температуру холодного спая термопар и температуру исследуемой газовой среды вдали от поверхности цилиндра измеряют с помощью стеклянного термометра 7.

Рис. 3. Экспериментальная установка:

1 - рабочий участок (поверхность теплообмена в форме вертикального цилиндра); 2 - пульты управления с цифровыми индикаторами; 3 - согласующий блок и блок электрического питания; 4 - системный блок персонального компьютера; 5 - монитор; 6 - клавиатура; 7 - манипулятор «мышь»

Данная установка позволяет имитировать теплоотдачу в среде четырех видов газов: воздухе, водороде (H₂), двуокиси углерода (CO₂) и азоте (N₂). Вид используемого в опыте газа высвечивается на экране монитора (рис.4, поз.8). Физические свойства газов представлены в табл. 1. Приложение.

Рис. 4. Рабочий участок. Схема питания и измерений:

1 - рабочий участок (поверхность теплообмена в форме вертикального цилиндра); 2 - регулятор напряжения; 3 - цифровой индикатор напряжения; 4 - теплоизолирующие заглушки; 5 - горячие (рабочие) спаи термопар; 6 - цифровые индикаторы избыточной температуры; 7 - стеклянный термометр; 8 - индикатор вида используемого газа

10.2. Пульты управления

В данной лабораторной работе используют два пульта управления (рис. 5):

№ 1 - пульт управления электрическими нагревателями,

№ 4 - пульт измерения температуры.

Работа с пультами управления описана в разд. 11.

11. Порядок проведения опыта

1. Подключить к сети 220 В шнур сетевого питания лабораторного стенда.

2. Включить тумблер питания на системном блоке персонального компьютера. После окончания загрузки операционной системы двойным щелчком мыши запустить файл C:\TERMO\Tp_004.exe. При этом на экране монитора отобразится схема экспериментальной установки и расположения термопар, а также засветятся индикаторы на всех пультах управления (см. рис.3).

3. На пульте управления 1 включить тумблер питания «ВКЛ». При этом на схеме установки (на экране монитора) замкнется выключатель S1 и появятся значения измеряемых величин напряжения U (выделено зеленым фоном) и избыточных температур стенки трубы (выделены желтым фоном).

4. На пульте управления № 1 переключатель U/I (напряжение/ток) установить в положение U. При этом на цифровом индикаторе пульта № 1 появится значение напряжения U, подведенного к рабочему участку трубы для его нагрева. Это значение должно совпадать с показанием «индикатора» на экране монитора (выделено зеленым фоном).

5. На пульте управления № 4 переключатель T (температура) перевести в положение «ВКЛ», остальные переключатели – в положение «ВЫКЛ». Нажать одну из кнопок (1…10) многопозиционного переключателя термопар. При этом на цифровом индикаторе пульта № 4 появится значение соответствующей избыточной температуры . Оно должно совпадать с соответствующим значением этой же температуры на экране монитора (выделены желтым фоном).

6. На экране монитора в диалоговом окне данной лабораторной работы с помощью щелчка мыши открыть пункт меню «ПАРАМЕТРЫ» и выбрать газовую среду, для которой предполагается проводить дальнейшие исследования. Название газа высвечивается в нижней части диалогового окна.

7. Вращая ручку реостата (U, I), расположенную на пульте управления № 1, установить заданное преподавателем напряжение электрического нагрева вертикального цилиндра. Величину напряжения можно наблюдать как на цифровом индикаторе пульта управления № 1, так и на экране монитора, где наблюдается также перемещение подвижного контакта регулятора нагрева R1.

8. На пульте управления № 4 с помощью переключателя термопар (кнопки 1…10) измерить значения избыточных температур в различных точках по высоте трубы. Эти значения можно наблюдать как на индикаторе пульта № 4, так и на экране монитора.

9. Значения напряжения U и избыточных температур занести в табл. 2. Результаты таких замеров соответствуют стационарному режиму теплоотдачи. Во всех опытах температуру холодного спая термопар и температуру исследуемой газовой среды вдали от поверхности цилиндра принимают равными 20 °С.

Таблица 2. Результаты наблюдений и обработки данных

U = … В = 20 °С

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
xi
ti
ti
tср,i										—
										—
Tср,i										—
qл,i										—
qi										—
										—
Nui										—
Rai										—
ln(Nu)i										—
ln(Ra)i										—
изв										—
получ										—