Шитов В.В. Лабораторный практикум по курсу Теплотехника часть 2 - файл n1.doc

Шитов В.В. Лабораторный практикум по курсу Теплотехника часть 2
скачать (466.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc467kb.03.12.2012 21:48скачать

n1.doc

РАБОТА № 6
ТЕПЛОВОЙ ЭКВИВАЛЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
цель работы
Экспериментально определить тепловой эквивалент электрической энергии.
ЗАДАНИЕ
1. Определить электрическую энергию, подводимую к нагревателю.

2. Определить количество тепла, полученного от нагревателя водой.

3. Вычислить значение теплового эквивалента электрической энергии.

4. Сделать выводы по работе.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Первый закон термодинамики является частным случаем всеобщего закона сохранения энергии применительно к тепловым явлениям, протекающим в термодинамических системах.

Закон сохранения и превращения энергии гласит, что в изолированной системе сумма всех видов энергии является величиной постоянной. Из него следует, что уменьшение какого-либо вида энергии в одной системе, состоящей из одного или множества тел, должно сопровождаться увеличением энергии в другой системе тел.

Способность превращения механической энергии или работы в тепловую известна из жизненного опыта с древних времен. Практическое же доказательство возможности превращения теплоты в работу было дано на первых паровых машинах, работающих за счет теплоты, получаемой при сгорании топлива в топке парового котла.

Количество теплоты, как всякого другого вида энергии, измеряемо; его технической единицей служит джоуль - количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1 С. Технической единицей работы также является джоуль.

Согласно закону сохранения энергии, теплота и работа эквивалентны и могут переходить одна в другую. Так как количество теплоты Q и работа L измеряются в одних и тех же единицах, то:

Q = L, (6.1)
где Q - количество тепла, превращенное в работу,

L - работа, полученная за счет теплоты.

Или

Q = AL (6.2)
Постоянный коэффициент A = Q / L носит название теплового эквивалента работы. Тепловой эквивалент работы - величина размерная и зависит от системы единиц, выбранной для теплоты и работы.

Промышленной единицей электрической энергии является киловатт-час. Где киловатт - промышленная единица электрической мощности. Согласно этому количество тепла, эквивалентное одному киловатт-часу электрической энергии носит название теплового эквивалента электрической энергии.
(6.3)
Опытами установлено, что 1 кВт ч = 3.6106 Дж, т.е. Аэл = 3.6 Дж/кВт ч.

В установленном соотношении теплоты и работы говорится не только об их эквивалентности, т.е. о количественном постоянстве энергии, но и об изменении качества самой энергии.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА


Рисунок 6.1 Схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка представляет собой калориметр 1, заполненный водой, которая перемешивается с помощью мешалки 5. Внутрь калориметра помещен электронагреватель 2, мощность которого регулируется переключателем 8.

При включении нагревателя в сеть тепло от него передается воде, залитой в калориметр. Температура воды определяется по показаниям термометра 7, а уровень - с помощью водомерного стекла 9.

Количество электрической энергии Wн в кВтч, подводимая к нагревателю, измеряется по показаниям амперметра 3 и вольтметра 4 за определенный промежуток времени, отмеряемый секундомером 6.

Следует отметить, что не вся теплота от нагревателя отдается воде, часть ее идет на нагревание стенок калориметра, мешалки и нагрев воздуха, окружающего калориметр.

Для практических расчетов на данной установке можно принять, что 90% теплоты, выделенной электрическим нагревателем, идет на нагревание воды. Т. е. количество электрической энергии, воспринятое водой, будет:
Wв = 0.9Wн (6.4)
Теплоту, полученную водой, можно определить, зная количество воды в калориметре G, кг, удельная теплоемкость воды с, Дж/(кгК) и средние температуры воды в калориметре в начале и в конце процесса нагревания t1 и t2 . (G = 15 кг, с = 4.19 кДж/(кгК).
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
1. Определить количество электрической энергии (кВт ч), подведенное к нагревателю и затраченное на нагрев воды:
(6.5)
2. Определить количество теплоты (Дж), полученное водой:
Qв = Gc(t2 - t1) (6.6)
3. Вычислить значение теплового эквивалента электрической энергии (Дж/кВт ч):

(6.7)

4. Повторить опыт при новом значении , t1, t2, заданных преподавателем.

5. Определить среднее значение теплового эквивалента электрической энергии.

6. Определить погрешности найденного в опыте значения коэффициента теплового эквивалента электрической энергии и табличного значения (%).
. (6.8)
7. Сделать вывод по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ [1-3]
1. О чем гласит уравнение первого закона термодинамики?

2. Что понимается под внутренней энергией?

3. Что называется работой?

4. Какие вы знаете частные случаи уравнения первого закона термодинамики?

5. По какой диаграмме можно определить величину работы?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др. Теплотехника Издательство: Высшая школа, 2008 г. 671 стр.

2. В. Л. Ерофеев, П. Д. Семенов, А. С. Пряхин. Теплотехника. Издательство: Академкнига, 2008 г. 488 стр.

3. Л. С. Мазур Техническая термодинамика и теплотехника Издательство: ГЭОТАР-МЕД, 2003 г. 352 стр.

4. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. М.: Машиностроение, 1973.- 344 с.
РАБОТА № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО СЛОЯ
цель работы
Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу теплопередачи "Теплопроводность", овладение методом экспериментального определения коэффициента теплопроводности; получение навыков измерений, анализ полученных результатов.
ЗАДАНИЕ


  1. Экспериментальным путем определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.

  2. Записать табличное значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

  3. Вычислить погрешность найденного в опыте значения коэффициента теплопроводности по отношению к табличному.

  4. Сделать вывод по работе.


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
При проведении технических расчетов необходимо располагать значениями коэффициентов теплопроводности различных материалов.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность материала проводить теплоту. Численная величина  твердых материалов, особенно теплоизоляторов, как правило, определяется опытным путем.

Физический смысл коэффициента теплопроводности определяется из уравнения Фурье, записанного для удельного теплового потока:

g = – grad t (7.1)
Существует несколько методов экспериментального определения величины , основанных на теории стационарного или нестационарного теплового режима.

Хорошо себя зарекомендовали методы экспериментального определения , основанные на теории стационарного теплового режима.

Дифференциальное уравнение теплового потока Q, Вт, при стационарной теплопроводимости можно записать в виде
Q = – F grad t . (7.2)
Если рассматривать тонкостенный цилиндр, когда l / d > 8, температурный градиент температурного поля в цилиндрической системе координат будет записан в виде:
grad t = dt / dr , (7.3)
а уравнение (7.2) данного случая:
, (7.4)
где d1, d2 – соответственно внутренний и нижний диаметры цилиндра, м;

l – длина цилиндра, м;

(t2 - t1) = t - перепад температур между температурами на внутренней и внешней поверхности цилиндра, 0С;

 - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр, Вт/(м0С);

grad t – градиент температуры по нормали к поверхности теплообмена, 0С/м.

Если уравнение (7.4) решить относительно коэффициента теплопроводности , Вт/(м0С), то будем иметь
 = Q ln(d2 /d1) / (2lt). (7.5)

Уравнение (7.5) может быть использовано для экспериментального нахождения величины коэффициента теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр.

При проведении эксперимента необходимо определить величину теплового потока Q, Вт, и значения (t2 - t1) = t 0С, при наступлении стационарного теплового режима.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка (рисунок 7.1) состоит из цилиндра 1, во внутренней полости которого помещен электронагреватель 2, его мощность регулируется автотрансформатором (тумблером)3 и определяется по показаниям амперметра 4 и вольтметра 5. Температура внутренней и наружной поверхностей цилиндра измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 7, подключенных к микропроцессорному измерителю температур 6. По разности этих температур в стационарном тепловом режиме определяется коэффициент теплопроводности исследуемого материала из которого изготовлен цилиндр.


Рисунок 7.1 Схема экспериментальной установки для определения

коэффициента теплопроводности материала цилиндра.

ПОРЯДОК проведения ОПЫТА


  1. Включить аппаратуру поворотом ручки на щите в положение 1.

  2. Поворотом ручки автотрансформатора (тумблера) установить заданную преподавателем мощность нагревателя.

  3. Наблюдая за показаниями измерителя температур, дождаться установления стационарного теплового режима.

  4. Результаты измерений представить в таблицу:


Таблица 7.1 Результаты наблюдений

Номер опыта

U, В

I, А

t1, 0С

t2, 0С

















где U, I - напряжение и сила тока в нагревателе;

t2, t1 - температура внутренней и наружной поверхности цилиндра.
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ


  1. Вычислить коэффициент теплопроводности исследуемого материала, , Вт/(м0С):


эк = Q ln (d2 /d1) / (2lt), (7.6)
где Q = UI – мощность нагревателя, Вт;

d1 = 0.041 м, d2 = 0.0565 м – внутренний и наружный диаметры цилиндра;

l = 0.55 м – длина цилиндра.

  1. Записать табличное значение , Вт/(м0С).

  2. Определить погрешность эк по отношению к справочному значению , %:


 = (эк – )100/. (7.7)


ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ


  1. Установившийся и неустановившийся тепловой режимы.

  2. Температурное поле, стационарное и нестационарное, стационарное поле трехмерное, двухмерное и одномерное.

  3. Температурный градиент.

  4. Физическая сущность процесса теплопроводности.

  5. Уравнение Фурье, его анализ.

  6. Коэффициент теплопроводности, факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности.

  7. Привести численно значение коэффициента теплопроводности для некоторых материалов.

  8. Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

  9. Записать величину температурного градиента для одномерного температурного поля в декартовой и цилиндрической системах координат.

  1. Записать формулы для определения теплового потока Q, Вт, плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

  1. Записать формулы для определения удельных тепловых потоков g1, Вт/м2, g2, Вт/м для плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др. Теплотехника Издательство: Высшая школа, 2008 г. 671 стр.

2. В. Л. Ерофеев, П. Д. Семенов, А. С. Пряхин. Теплотехника. Издательство: Академкнига, 2008 г. 488 стр.

3. Л. С. Мазур Техническая термодинамика и теплотехника Издательство: ГЭОТАР-МЕД, 2003 г. 352 стр.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1981.

РАБОТА № 8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА

цель работы
Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу основы теории теплообмена "Лучистый теплообмен", а также овладение методом экспериментального определение коэффициента излучения и степени черноты твердого тела.
ЗАДАНИЕ
1. Экспериментальным путем определить коэффициент излучения и степень черноты твердого тела.

2. Найти погрешность полученного значения степени черноты по отношению к справочному значению (в процентах).

3. Сделать вывод по работе.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Все тела непрерывно излучают и поглощают тепловую энергию. Носителем лучистой тепловой энергии является электромагнитные колебания с длиной волны от 0.8 до 800 мкм. Процесс лучистого теплообмена происходит между телами, имеющими разное значение температур и разделенных газообразной средой.

Лучистый тепловой поток от тела, попав на другое тело, частично поглощается, частично отражается, а частично проходит через тело. Часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую энергию. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений излучаемая телом энергия полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

Для определения лучистого потока излучаемого телом, (Вт) используется формула:
, (8.1)
где С - коэффициент излучения серого тела, Вт/(м2К4),
С = Со; (8.2)
где Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Со = 5,67 Вт/(м2К4)

 - степень черноты испытуемого тела;

F - площадь поверхности испытуемой трубки, м2;

Т1- абсолютная температура поверхности испытуемой трубки, К;

Тв- абсолютная температура воздуха в помещении, К.

Из формулы (8.1) определяется величина коэффициента излучения испытуемого тела, Вт/(м2К4),
(8.3)
При рассмотрении лучистого теплообмена часть величин, входящих в расчетные формулы, определяется опытным путем; например степень черноты тела. Для определения опытным путем численной величины степени черноты тела, можно воспользоваться экспериментальной установкой.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка (рисунок 8.1) состоит из испытуемого 1 и эталонного 2 тел, выполненных в виде трубок длиною l, установленных вертикально. Наружные диаметры трубок одинаковы: d = 0.025 м.

Таким образом, испытуемое (серое) и эталонное (черное) тела имеют одинаковую величину поверхностей теплообмена F. Эталонная трубка покрыта :черным лаком с известной степенью черноты (эт = 0.97). Внутри трубок смонтированы электрические нагреватели 3, обеспечивающие равномерное выделение тепла по длине труб. Нагреватели питаются от сети переменного тока, их мощности регулируются лабораторными автотрансформаторами 4 и измеряются ваттметрами 5. Тепловой поток, создаваемый электронагревателем и проходящий через стенку трубы в окружающий воздух, определяется по мощности электронагревателя. Предотвращение утечек тепла в окружающий воздух торцы трубок достигается установкой теплоизоляционных заглушек.

Температура на поверхности трубок измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 6 и микропроцессорного измерителя температур 7.

Температура воздуха в лаборатории определяется термометром, установленным вдали от установки. Предполагается, что температура тел в помещении (кроме тел 1 и 2) равна температуре воздуха в нем.

Тепловой поток с поверхности трубки к воздуху, определяемый в опыте, представляет собой сумму конвективного и лучистого тепловых потоков (Вт):
Q = Qк + Qл (8.4)
тогда

Qл = Q - Qк (8.5)
Значение Qк можно рассчитать по формулам конвективного теплообмена, но удобнее эту величину исключить из рассмотрения за счет использования эталонного тела с известной степенью черноты. Для данной экспериментальной установки эт 0,97.

Излучение эталонного тела будет определяться по формуле
(8.6)

Рисунок 8.1 Схема экспериментальной установки
Если форма, размер и температуры испытуемого и эталонного тел одинаковы, конвективные составляющие можно приравнять, т.е.

(8.7)

тогда

(8.8)
Подставив (8.8) в (8.3), получим расчетную формулу:
. (8.9)
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА
1. Включить установку поворотом ручки на щите в положение "I".

2. Поворотом ручек автотрансформаторов установить одинаковые для обеих трубок мощности нагревателей (по указанию преподавателя).

3. Дождаться стабилизации температур для испытуемой и эталонной трубок.

4. Регулируя напряжение на нагревателе эталонного цилиндра и наблюдая за изменением его температуры, добиться равенства температур обеих трубок в стационарном тепловом режиме.

5. При наступлении стационарного теплового режима показания приборов записать в таблицу.

6. Поворотом ручки на щите в положение "0" выключить установку.

Таблица 8.1 Результаты наблюдений

Номера

опытов


Испытуемое тело W, Вт

Эталонное тело Wэт, Вт

t1, °C

tв,°С













ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

  1. Определить тепловые потоки с поверхности испытуемой и эталонной трубок, которые принять равными мощностям электронагревателей внутри трубок (Вт) Q = W, Qэт = Wэт.

  2. Определить площадь поверхности трубки (м2), где F = dl, d = 0.025м, l = 0.42 м.

  3. Определить коэффициент излучения С испытуемого тела по формуле (7).

  4. Вычислить степень черноты испытуемого тела при температуре поверхности t1, °C :

 = C / C0 (8.10)


  1. Из справочных таблиц (см. приложение) находится значение степени черноты испытуемого материала таб.

  2. Определить погрешность найденной в эксперименте степени черноты материала по отношению к справочному значению таб по формуле:

. (8.11)

  1. Сделать вывод по работе.


ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ


  1. Установившийся и неустановившийся тепловой режим.

  2. Физическая сущность лучистого теплообмена.

  3. Понятия: абсолютно черное, белое, и прозрачное тела, серое тело.

  4. Основные законы излучения и поглощения лучистой энергии различными телами.

  5. Коэффициент излучения абсолютно черного и серого тел.

  6. Степень черноты тела.

  7. Лучистый теплообмен между твердыми телами.

  8. Приведенная степень черноты системы.

  9. Сущность способа определения коэффициента излучения тепла методом сравнения с эталонным телом.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др. Теплотехника Издательство: Высшая школа, 2008 г. 671 стр.

2. В. Л. Ерофеев, П. Д. Семенов, А. С. Пряхин. Теплотехника. Издательство: Академкнига, 2008 г. 488 стр.

3. Л. С. Мазур Техническая термодинамика и теплотехника Издательство: ГЭОТАР-МЕД, 2003 г. 352 стр.

Приложение 3

Степень черноты нормального излучения для различных материалов

Наименование материала

t, °С



Алюминий полированный

225-572

0.039-0.057

Алюминий шероховатый

26

0.055

Алюминий, окисленный при 600 °С

200-600

0.11-0.19

Железо полированное

425-1020

0.144-0.377

Железо, свежеобработанное наждаком

20

0.242

Железо окисленное

100

0.736

Железо окисленное гладкое

125-525

0.78-0.82

Железо литое необработанное

925-1115

0.87-0.95

Стальное литье полированное

770-1040

0.52-0.56

Сталь листовая шлифованная

940-1100

0.55-0.61

Сталь, окисленная при 600 °С

200-600

0.80

Сталь листовая с плотным блестящим слоем окиси

25

0.82

Латунная пластина, прокатанная с естественной

поверхностью


22


0.06

Латунная пластина, прокатанная, обработанная

грубым наждаком


22


0.20

Латунная пластина тусклая

50-350

0.22

Латунь, окисленная при 600 °С

200-600

0.61-0.59

Медь, тщательно полированная, электролитная

80-115

0.018-0.023

Медь торговая, шабреная до блеска, но не зеркальная

22

0.072

Медь, окисленная при 600 °С

200-600

0.57-0.87

Лак белый эмалевый, на железной шероховатой пластине

23

0.906

Лак черный блестящий, распыленный на железной пластине

25

0.875


Лак черный матовый

40-95

0.96-0.98

Лак белый







Шеллак черный блестящий, на луженом железе

40-95

0.80-0.95

Шеллак черно-матовый

21

0.821

Масляные краски различных цветов

75-145

0.91

Штукатурка шероховатая, известковая

100

10-88

0.92-0.96

0.91



РАБОТА № 9
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ЦИЛИНДРА

В СВОБОДНОМ ПОТОКЕ ВОЗДУХА
цель работы
Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу теплопередачи "Конвективный теплообмен", овладение методом экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении (конвекции) жидкости.
ЗАДАНИЕ


  1. Экспериментальным путем определить коэффициент теплоотдачи от поверхности горизонтального цилиндра к воздуху в условиях его свободного движения при различных температурных напорах между поверхностью цилиндра и воздухом.

  2. Построить графическую зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора.

  3. Для условий одного-двух опытов вычислить значение коэффициента теплоотдачи, используя расчетное критериальное значение.

  4. Вычислить погрешность найденного в опыте значения коэффициента теплоотдачи по отношению к расчетному.

  5. Сделать вывод по работе.


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Конвективная теплоотдача – это теплообмен между поверхностью твердого тела и окружающей это тело жидкостью. Тепло в данном случае распространяется одновременно теплопроводностью и конвекцией жидкости. Тепловой поток при конвективной теплоотдаче (Вт) подсчитывается по формуле Ньютона-Рихмана:

Q = Ft (9.1)
где F - поверхность твердого тела участвующая в теплообмене, м2;

t = (tс - to) -температурный напор между поверхностью твердого тела и окружающей тело жидкостью, °С;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2С).

При практических расчетах вся сложность их проведения сводится к определению численной величины коэффициента теплоотдачи , поскольку эта величина зависит от большого числа факторов, определяющих процесс теплоотдачи. В общем случае коэффициент теплоотдачи является функцией физических параметров жидкости, характера течения и режима движения жидкости, формы, размеров, расположения тела и др.

При изучении различных физических явлений применяют два метода исследования, которые позволяют получить количественные закономерности для исследуемых явлений. В первом методе используют экспериментальное изучение конкретных свойств, единичного явления, во втором исходят из теоретического исследования рассматриваемой проблемы. Однако оба метода имеют недостатки. Недостатком экспериментального метода исследования является невозможность распространения результатов, полученных в данном опыте, на другие явления, отличающиеся от изученного. Недостатком теоретического исследования является невозможность перейти от класса явлений, характеризуемых дифференциальными уравнениями и условиями однозначности, к единичному конкретному явлению. Поэтому каждый из методов в отдельности не может быть эффективно использован для решения практических задач.

Для нахождения численной величины коэффициента теплоотдачи используют уравнения теории подобия (критериальные уравнения). Теория теплового подобия это теоретическая база для постановки опытов и обработки экспериментальных данных.

Для теплообмена при свободном движении жидкости в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет вид:
(9.2)
Для газа уравнение (9.2) преобразуется к виду:
Num = C (GrmPrm)n (9.3)
Численные значения критериев определяются по следующим формулам:

Num =  l0 / m – критерий Нуссельта;

Grm =  gl03t / m2 – критерий Грасгофа;

Prm = m / m – критерий Прандтля.

В указанные критерии входят величины:

l0 - определяющий размер, м (для горизонтальной трубки l0 = d, для вертикальной l0 = h );

m - коэффициент теплопроводности жидкости Вт/(м°С );

m - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м /с;

 = 1/(tm+273) - коэффициент объемного расширения, 1/град;

t = tc – t0 - температурный напор между стенкой и жидкостью, °С.

В уравнениях (9.2) и (9.3) индекс "m" указывает на то, что за определяющую температуру (°С) принята среднеарифметическая температура:

tm = 0.5(tc + t0).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка (рисунок 9.1) состоит из трубки 1, внутри которой находится электронагреватель 2. Величина теплового потока, который отводится от наружной поверхности трубы, регулируется автотрансформатором 3 и определяется по показаниям вольтметра 4 и амперметра 5. Разность между температурами стенки трубы и окружающего воздуха измеряется с помощью дифференциальной термопары 6 и милливольтметра 7. По результатам измерений определяются конвективная составляющая теплового потока, и рассчитывается коэффициент теплоотдачи.

Рисунок 9.1 Схема экспериментальной установки
ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТА


  1. Включить установку в сеть, повернув ручку на щите в положение "1".

  2. Поворачивая ручку автотрансформатора, установить заданную преподавателем мощность нагревателя.

  3. Наблюдая за показаниями вольтметра, дождаться установления стационарного теплового режима и записать показания приборов в таблицу наблюдений.

  4. Опыты повторить при нескольких различных значениях мощности нагревателя.

Таблица 9.1 Результаты наблюдений

№ опыта

U, B

I, А

E, мВ

T, К

Тс, K




















ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ


  1. Вычислить полный поток тепла, передаваемый путем конвекции и излучения, Вт

Q = UI (9.4)
где U-напряжение, В I-сила тока, А

  1. Лучистая составляющая теплового потока, Вт:


, (9.5)
где  = 0.5 - степень черноты поверхности испытуемой трубы;

Со=5.67- коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2К4);

F = dl - площадь поверхности трубы, излучающей тепло в окружающий воздух, м2, d = 0.013;

l = 0.780 - диаметр и длина трубы, м;

То - температура окружающего воздуха. К;

Тc - температура стенки трубы. К; Тc = То +T

T - температурный напор между поверхностью трубы и окружающим воздухом. К; T = Е·100

Е - термоЭДС дифференциальной хромель-капелевой термопары, мВ.

  1. Вычислить конвективную составляющую теплового потока, Вт:

Qк = Q - Qл (9.6)


  1. Вычислить экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи, Вт / ( м2К):

э = Qк / (Ft) (9.7)


  1. Аналогичным образом производится обработка данных для второго и последующих опытов.

  2. По данным опытов строится графическая зависимость:

э = (t) (9.8)


  1. По условиям одного из опытов вычислить коэффициент теплоотдачи на основании решения расчетного критериального уравнения (9.3).

Последовательность расчетов следующая.

Найти численное значение определяющей температуры, °С
tm = 0,5(tc + t0) (9.9)
По найденному значению tm из таблицы 9.2 выбрать значение констант жидкости m, m, ­m.

Вычислить значение критериев Грасгофа и Прандтля.

Определить режим движения жидкости при свободной конвекции по величине произведения (GrmPrm) и по найденному его из таблицы 3 принять значения коэффициента С и показателя степени n.

Найдя численные значения Num и учитывая, что критерий Нуссельта определяется по формуле:
Num = l0 / m (9.10)
Определить расчетное значение коэффициента теплоотдачи , Вт/(м2°С)

Таблица 9.2 Расчетные значения

tm, °С

 102, Вт/(мК)

а 106, м2

  106, м2

10

2.51

20.0

14.16

20

2.59

21.4

15.06

30

2.67


22.9

16.00

40

2.76

24.3

16.90

50

2.83

25.7

17.95

60

2.90

27.2

18.97

70

2.96

28.6

20.02

80

3.05

30.2

21.09

90

3.13

31.9

22.10

100

3.21


33.6

23.13


Таблица 9.3 Расчетные значения

(Grm Prm )

С

n

110-3 5102

1.18

0.125

5102  2107

0.54

0.25

2107  11013

0.135

0.33




  1. Определить погрешность найденного в эксперименте значения коэффициента теплоотдачи э по отношению к расчетному значению  по формуле, %

(9.11)

  1. Сделать вывод по работе.


ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ
1. Установившийся и неустановившийся тепловые режимы.

2. Физическая сущность процесса конвективной передачи.

3. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи; факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи.

4. Свободное и вынужденное движение жидкости.

5. Сущность теории подобия, критерия теплового подобия, их физический смысл.

6. Понятия: определяющая температура, определяющий размер.

7. Критериальные уравнения в неявном виде для различных случаев конвективной передачи, их анализ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др. Теплотехника Издательство: Высшая школа, 2008 г. 671 стр.

2. В. Л. Ерофеев, П. Д. Семенов, А. С. Пряхин. Теплотехника. Издательство: Академкнига, 2008 г. 488 стр.

3. Л. С. Мазур Техническая термодинамика и теплотехника Издательство: ГЭОТАР-МЕД, 2003 г. 352 стр.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия,1981.


РАБОТА № 10
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ЦИЛИНДРА

ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Усвоение теоретического материала по разделу теплопередачи "Конвективный теплообмен", а также овладение методом экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении жидкости.
ЗАДАНИЕ


  1. Экспериментально определить коэффициент теплоотдачи от поверхности цилиндра к воздуху в условиях его вынужденного движения (поперечное омывание) при различных температурных напорах между поверхностью цилиндра и воздухом (три-четыре опыта).

  2. Построить графическую зависимость коэффициента теплоотдачи от температурного напора.

  3. Вычислить значения коэффициента теплоотдачи, используя критериальные уравнения.

  4. Вычислить погрешность найденного в опыте значения коэффициента теплоотдачи по отношению к расчетному.

  5. Сделать вывод по работе.


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Конвективная теплоотдача – это теплообмен между поверхностью твердого тела и окружающей это тело жидкостью за счет одновременной теплопроводности и конвекции жидкости.

Тепловой поток при конвективной теплоотдаче Q, Вт, определяется по формуле Ньютона-Рихмана:
Q = Ft, (10.1)
где  - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м20С);

F – площадь поверхности твердого тела, участвующего в теплообмене, м2;

t = tc – tо – температурный напор между поверхностью твердого тела и окружающей тело жидкостью, 0С.

При проведении теплотехнических расчетов вся сложность процесса сводится к вычислению величины коэффициента теплоотдачи , т.к. эта величина зависит от большого числа факторов, определяющих процесс теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи является функцией физических параметров жидкости, характера течения и режима движения жидкости, формы, размеров, расположения твердого тела и многих других факторов.

При изучении различных физических явлений одним из методов получения количественных закономерностей является эксперимент. Недостатком этого метода является невозможность распространения результатов, полученных в данном опыте, на другие явления, чем-то отличающиеся от изученного.

Недостаток теоретического исследования процесса заключается в невозможности перехода от класса явлений, характеризуемых дифференциальными уравнениями и условиями однозначности, к единичному конкретному явлению. Поэтому каждый из этих методов в отдельности не может быть эффективно использован для решения практических задач.

При решении задач конвективного теплообмена для нахождения численной величины коэффициента теплоотдачи используют уравнения теории теплового подобия (критериальные уравнения). Для теплообмена при вынужденном движении жидкости в случае поперечного обтекания одиночного цилиндра критериальные уравнения имеют вид:
При Rе = 110  1105

Nu = 0.5Re0.5Pr0.38(Pr0 / Prc)0.25. (10.2)
При Re = 1103 2105

Nu = 0.25Re0.6Pr0.38(Pr0 / Prc)0.25 (10.3)
Численные значения критериев подобия определяются следующим образцом:
Nu = lo / m – критерий Нуссельта;

Re = wlo / m – критерий Рейнольдса;

Рr = m / аm – критерий Прандтля.
В указанные критерии входят величины:

lo – определяющий размер, м (для горизонтальной трубки lo = dн, для вертикальной lo = h);

m – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м20С);

w – линейная скорость движущейся жидкости, м/с;

m – коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с;

аm – коэффициент температуропроводности жидкости, м2/с.

ПРИМЕЧАНИЕ. Индекс "m" указывает на то, что за определяющую температуру t, 0С, принята среднеарифметическая температура tm = 0.5(tc + t0).

Формулы (10.2) и (10.3) справедливы для любых жидкостей: для воздуха эти закономерности упрощаются и принимают соответственно вид:
Num = 0.43Rem0.5 (10.4)

и

Num = 0.216Rem0.6 (10.5)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Тепловой поток, источником которого является электронагреватель 1 (рисунок 10.1), отводится от наружной поверхности трубки 2 путем загруженной конвекции и излучения. Величина теплового потока регулируется автотрансформатором 3 и определяется по показаниям вольтметра 4 и амперметра 5. Скорость воздушного потока в коробке 6 регулируется путем изменения автотрансформатором 7 числа оборотов вентиляторов 8 и измеряется анемометром 9 после выравнивающей поток сетки 10. Разность между температурами стенки трубки и окружающего воздуха измеряется с помощью батареи дифференциальных термопар 11 и вольтметра 12. По результатам измерений при различных значениях мощности нагревается и скорости воздушного потока определяется конвективная составляющая теплового потока и рассчитывается коэффициент теплоотдачи.



Рисунок 10.1 Схема экспериментальной установки
ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТА


  1. Включит установку в сеть, повернуть ручку на щите в положение "1".

  2. Поворачивая ручку автотрансформатора 3, установить заданную преподавателем мощность нагревателя.

  3. Поворачивая ручку автотрансформатора 7, установить скорость движения воздуха в канале ~ 2 м/с.

  4. Наблюдая за показаниями вольтметра 12, дождаться установления стационарного теплового режима и записать показания приборов в табл. 1.

  5. Опыт повторить при других значениях мощности нагревателя и скорости.

Таблица 10.1 Результаты наблшюдений

Номер опыта

W,

м/с

U,

B

I,

А

E,

мВ

Tс,

К

T,

К

, Вт/(м2К)

Re

Nu
































ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ


  1. Вычислить полный тепловой поток Q, Вт,


Q = UI (10.6)



где U – напряжение, В;

I – сила тока, А.

  1. Вычислить лучистую составляющую теплового потока Qл, Вт,


Qл = C0F[(Tc/100)4 – (To/100)4] , (10.7)
 = 0.5 – степень черноты трубы;

C0 = 5.67 – коэффициент излучения абсолютного черного тела, Вт/(м2К4);

F = dнl – площадь поверхности цилиндра, м2;

dн = 0.013 м, l = 0.3 м – диаметр и длина цилиндра;

T0 – температура окружающего воздуха, К;

Tc = To + T – средняя температура стенки цилиндра, К;

T = 1,48Е – средний температурный напор между поверхностью цилиндра и окружающим воздухом, К;

E – темоЭДС батареи дифференциальных хромель-копелевых термопар, мВ.

  1. Вычислить конвективную составляющую теплового потока Qк, Вт,


Qк = Q – Qл. (10.7)


  1. Вычислить экспериментальное значение коэффициента теплоотдачи э, Вт/(м2К):

э = Qк/(FТ). (10.8)


  1. Аналогичным образом производится обработка данных для второго и последующих опытов.

  2. По данным опытов строится графическая зависимость:

э = (Т). (10.9)


  1. По условиям опытов вычислить коэффициент теплоотдачи на основании решения расчетного критериального уравнения (10.4) или (10.5).

Последовательность расчетов следующая.

Найти численное значение определяющей температуры, 0С:
tm = 0,5(tс + t0).
По найденному значению tm из табл. 10.2 выбрать значение констант жидкости m, m.

Таблица 10.2 Теплофизические показатели жидкости

t, 0С

10


20

30

40

50

60

70

80

90

100

102,

Вт/(мК)

2.51

2.59

2.67

2.76

2.83

2.90

2.96

3.05

3.13

3.21

106, м2

14.6

15.06

16.00

16.90

17.95

18.97

20.02

21.09

22.10

23.13


Вычислить значение критерия Рейнольдса и выбрать расчетное уравнение.

Вычислить критерий Нуссельта, и используя его значение, определить расчетный коэффициент теплоотдачи р, Вт/(м2К)
р = Numm /d . (10.10)


  1. Определить погрешность (%) найденного в эксперименте значения коэффициента теплоотдачи э по отношению к расчетному значению р по формуле


 = (э - р)100/р . (10.11)

  1. Сделать вывод по работе.


ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ


  1. Неустановившийся и установившийся тепловые режимы.

  2. Физическая сущность и механизм процессе конвективной теплоотдачи.

  3. Уравнение Ньютона-Рихмана, его анализ. Коэффициент теплоотдачи: факторы, влияющие на величину коэффициента теплоотдачи.

  4. Свободное и вынужденное движение жидкости.

  5. Особенности процесса теплоотдачи при поперечном омывании одиночного цилиндра и пучка труб.

  6. Сущность теории подобия, критерии теплового подобия, их физический смысл.

  7. Понятие: определяющая температура, определяющий размер.

  8. Критериальные уравнения в неявном виде для различных случаев конвективной теплоотдачи, их анализ.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др. Теплотехника Издательство: Высшая школа, 2008 г. 671 стр.

2. В. Л. Ерофеев, П. Д. Семенов, А. С. Пряхин. Теплотехника. Издательство: Академкнига, 2008 г. 488 стр.

3. Л. С. Мазур Техническая термодинамика и теплотехника Издательство: ГЭОТАР-МЕД, 2003 г. 352 стр.

4. Теплотехника: Учеб. для вузов / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. – 2-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1991. –224 с.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации