Дослідження процесу тепловіддачі плоскої металевої поверхні

Мета роботи – вивчити параметри процесу тепловіддачі плоскої поверхні в умовах вільної конвекції; одержати конкретні критеріальні залежності для різних варіантів просторового розміщення плоскої поверхні.

3.1. Основні теоретичні положення

Процес тепловіддачі плоских металевих поверхонь в умовах вільної конвекції часто трапляється в хімічному устаткуванні як позитивний і в багатьох випадках як негативний процес. Як позитивний, наприклад, у випадку передавання теплоти в конкретних сушильних установках, як негативний – у випадку теплових втрат у навколишнє середовище. При цьому виникають такі випадки, коли тепловіддавальна поверхня може бути орієнтована в просторі по-різному, що істотно впливає на умови й інтенсивність теплообміну з навколишнім середовищем.

Теоретична задача до розв’язання диференціальних рівнянь Нов’є - Стокса, нерозривності і енергії без будь-яких спрощень. Задача трудомістка. Тому багато задач щодо вільної конвекції в необмеженому просторі розв’язують експериментально, з одержанням критеріальних залежностей вигляду [1-3]

. /3.1/

У практиці викликає інтерес одержання критеріальних залежностей вигляду /3.1/ для різних варіантів просторового розміщення плоскої металевої поверхні.

3.2. Опис установки

На рис. 3.1 зображено схему дослідної установки для дослідження тепловіддачі плоскої металевої поверхні. Вимірювальний вузол являє собою багатошарові плоскі стінки 2-5, розташовані з обох боків плоского електронагрівника 1. Зовнішні стінки 5, які віддають тепло завдяки конвекції в навколишнє середовище, виконано з нержавіючої сталі. Геометричні розміри стінки: B = 0,11 м – ширина; H = 0,245 м – висота.

Хромель-копелеві термопари 6 вимірюють температуру на поверхні стінок. Термопари ввімкнено до електронного потенціометра 7. Температури зовнішнього повітря вимірюють термометром 8. Вимірювальний вузол встановлено на шарнірних опорах II з можливістю обертання навколишньої їхньої осі для дослідження тепловіддачі за різного просторового розміщення площин 5.

Потужність електронагрівника регулюють ЛАТРом 9 і контролюють ватметром 10.

3.3. Порядок проведення дослідів

Перевіривши правильність ввімкнення нагрівника й приладів, а також справність усіх вузлів, ввімкнути установку. Встановити ЛАТРом за допомогою ватметра потрібну потужність теплового потоку нагрівника й дочекатися стаціонарного теплового режиму. При цьому плоскі теплові давальні поверхні мають бути певним чином зорієнтовані в просторі, тобто встановлені під певним кутом до вертикальної площини.У стаціонарному режимі виміряти температури на плоских поверхнях, а також навколишнього середовища. Результати вимірювання внести до табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Кут нахилу плас-тини	Середовище і його температура , ºС	Потужність теплового потоку , Вт	Номер виміру	Покази термопар, °С
Пластина повернена вгору	Пластина повернена вниз
			Середній

3.4. Порядок обробки результатів дослідів

За трьома вимірами кожної величини обчислюють її середнє значення.

Для кожного значення встановленої потужності теплового потоку треба визначити:

1/ середню температуру поверхні пластини, повернутої вгору,

, /3.2/

і вниз –

; /3.3/

2/ різниці температур для двох пластин

; /3.4/

. /3.5/

З/ коефіцієнти тепловіддачі на повітрі шляхом вільної конвекції

; /3.6/

, /3.7/

де – ступінь чорноти поверхні пластини з нержавіючої сталі, = 0,55; С₀ = 5,7 Вт/(м²·К⁴); F – площа поверхні пластини, м², F = BH; , – абсолютні температури пластин, повернених відповідно вгору і вниз; – абсолютна температура рідини;

4/ температуру середовища, за якою вибирають її теплофізичні властивості й критерій Прандтля, °С;

; /3.8/

; /3.9/

5/ критерій Грасгофа:

; /3.10/

, /3.11/

де l = H – у випадку, коли пластини розміщено вертикально; l = B – за будь-якого похилого й горизонтального розміщення пластини; β – коефіцієнт об’ємного розширення повітря:

; /3.12/

, /3.13/

6/ критерій Нуссельта:

; /3.14/

, /3.15/

Результати обробки дослідних даних звести в табл. 3.2.

Таблиця 3.2

Кут нахилу пластини

, °С

Q Вт

°С

Вт / (м2·°С)

, ºС

Вт / (м2·°С)

Дослідні точки нанести на графік в координатах , через точки провести криві для пластин, повернених вгору і вниз.

За дослідною кривою встановити аналітичний вираз функцій

.

Якщо точки в деякому інтервалі добутку укладаються на пряму лінію в логарифмічних координатах, то в цьому інтервалі дістаємо залежність

, /3.16/

де і n – постійні, які визначають з графіка.

3.5. Контрольні запитання

1. Що являє собою процес вільної конвекції?

2. Які умови проведення досліду необхідні?

3. Як залежить процес тепловіддачі від змочування поверхні виробу?

4. Як залежить процес тепловіддачі від геометрії поверхні кута її нахилу, орієнтації в просторі?

5. Залежність між якими величинами й параметрами встановлюється критеріями , , ?

6. Опис установки й порядок проведення дослідів.

7. Чим зумовлено застосування логарифмічної системи координат для побудови критеріальної залежності?

3.6. Техніка безпеки

1. Перед увімкненням оглянути установку, перевірити електричне коло.

2. Перед увімкненням установки попередити навколишніх працівників.

3. Заборонено залишати установку ввімкненою без нагляду.

4. Бути обережним під час електричних вимірювань.

5. Вимикаючи установку, спершу вимкнути рубильник, а потім усі прилади.

6. По закінченні роботи треба знеструмити установку.