Методика проведения опытов. Включить вилку лабораторного трансформатора в розетку электрической сети

Включить вилку лабораторного трансформатора в розетку электрической сети. Установить напряжение на нагревателе по вольтметру 3 с помощью ручки лабораторного трансформатора сначала 40 В, а затем 60 и 80 В.

Для всех указанных напряжений через каждые 10 минут записывать показания измерительных приборов (вольтметра, амперметра, милливольтметра). При измерениях температур переключатель 10 последовательно устанавливать против цифр «1», «2» и «3».

Измерения при установленном напряжении продолжать до тех пор, пока два последовательных показания милливольтметра будут отличаться не больше, чем на 0,1 mV. После этого можно изменить напряжение на другое. Выполнив измерения при трех заданных напряжениях на нагревателе, установку следует выключить, выдернув вилку включения лабораторного трансформатора из розетки электрической сети, и приступить к обработке экспериментальных данных. Значения измеренных величин занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Опытные данные

№ измерения	Время, мин	В	А	mV	mV	mV	ºC	ºC	ºC

Во время заполнения таблицы необходимо перевести показания термопар в mV в градусы Цельсия. Соотношения между милливольтами и градусами Цельсия для хромель-копелевых термопар приведены в таблице Приложения Д. Кроме того, следует учесть, что так как холодные концы термопар в среде окружающего воздуха, температура которого отличается от нуля градусов, то к значению температуры, полученному из таблицы, необходимо добавить температуру в лаборатории.

3.7 Обработка опытных данных

При установившемся тепловом состоянии тепловая энергия электронагревателя через поверхность трубы передается в окружающую среду. Передача теплоты осуществляется лучеиспусканием и конвективным теплообменом при свободном движении воздуха.

3.7.1 Вычисляют количество теплоты, переданное электронагревателем в окружающую среду (тепловой поток от поверхности трубы), равное мощности электрического тока, расходуемой на исследуемом участке:

,

где U – напряжение, подаваемое на нагреватель, В;

I – сила тока, А.

3.7.2 Вычисляют количество теплоты, переданное от поверхности трубы лучеиспусканием по формуле:

,

где – степень черноты поверхности трубы ( =0,8);

– коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела
( = 5,77), Вт/м²∙град;

S – поверхность теплообмена, равная поверхности трубы, м²;

– абсолютная температура окружающего воздуха, К;

– абсолютная температура стенки трубы, К; определяется через среднюю температуру стенки: .

3.7.3 После определения значения вычисляют количество теплоты, переданное в окружающую среду посредством конвективного теплообмена:

.

3.7.4 По известной величине рассчитывают для всех трех измерений, при различных напряжениях на нагревателе, средние значения коэффициента теплоотдачи из уравнения (3.1).

По найденным значениям строят график α = f (Δt).

3.7.5 Для распространения полученных результатов на другие подобные процессы необходимо расчетные данные обобщить и представить их в виде критериального уравнения (3.7), для этого находят необходимые критерии подобия по формулам (3.4), (3.5), (3.6).

Физические параметры воздуха, входящие в уравнения критериев подобия, берутся из таблицы Приложения Г при средней температуре
= 0,5 (t_ст+ t_в).

3.7.6 Для определения коэффициентов С и n необходимо прологарифмировать уравнение 3.7:

В логарифмической системе координат это уравнение представляет прямую линию (рисунок 3.2).

Значение показателя степени n определяется как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, т.е.

.

Постоянная находится из соотношения: .

Полученное критериальное уравнение следует сравнить с имеющимся в литературе:

Nu = 0,135 (Gr·Pr)^0,333 при Gr·Pr > 2·10⁷;

Nu = 0,54 (Gr·Pr)^0,25 при Gr·Pr< 2·10⁷.

Результаты обработки экспериментальных данных следует представить в виде таблицы 3.2 и графиков функциональной зависимости и .

Таблица 3.2 – Вычисляемые величины

tстºC

TвºC

tсрºC

Q, Вт

Qл, Вт

Qк, Вт

α

Nu

Gr

Lg Nu

lg Gr

С

n

Рисунок 3.2 – Зависимость от

3.8 Контрольные вопросы

1. Какие виды переноса теплоты участвуют в теплообмене?

2. Понятие температурного градиента и изотермической поверхности.

3. Выведите уравнение теплопроводности в неподвижной среде.

4. В чем причина различного распределения температур по толщинам плоской и цилиндрической стенок?

5. Как определяют количество теплоты, переходящее от более нагретого тела к менее нагретому вследствие теплового излучения?

6. В чем состоит различие между процессами конвекции и теплоотдачи?

7. Что такое тепловое подобие? Приведите критерии теплового подобия, критериальное уравнение теплоотдачи.

8. Охарактеризуйте распределение температур в ламинарном и турбулентном потоках. Что такое тепловой пограничный слой?

9. В чем состоят различия в уравнениях для определения коэффициентов теплоотдачи при вынужденной и естественной конвекции?

10. Какими методами можно интенсифицировать процесс теплоотдачи в движущемся потоке (агрегатное состояние теплоносителя не меняется)?

Тестовые задания

1. Какое условие необходимо для конвективного переноса тепла?

а) разность температур;

б) температура выше 0 ⁰С;

в) перемещение тела;

г) перемещение макрочастиц тела в направлении теплопереноса.

2. Какой из критериев подобия характеризует подобие полей скоростей и температур?

а) Пекле (Ре);

б) Фурье (Fo);

в) Нуссельта (Nu);

г) Прандтля (Рr);

д) Рейнольдса (Re).

3. Какое из критериальных уравнений описывает стационарный процесс естественной теплоотдачи?

а) Nu = f (Fo,Рr,Re);

б) Nu = f (Рr,Re);

в) Nu = f (Рr,Gr);

г) Nu = f (Ре,Gr).

4. Влияет ли длина труб на интенсивность поперечного процесса переноса тепла в движущейся в них жидкости?

а) не влияет;

б) интенсивность в коротких трубах увеличивается;

в) интенсивность в коротких трубах уменьшается.

5. При нагревании жидкостей…

а) Рr/Pr_ст > 1;

б) Рr/Pr_ст < 1;

в) Рr/Pr_ст = 1.

6. При одинаковых начальных и конечных температурах теплоносителя коэффициент теплоотдачи a при нагревании…

а) больше;

б) меньше;

в) такой же, как и при охлаждении.

7. При отсутствии конвективного изменения температуры дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа принимает вид…

а) ;

б) ;

в) Ñ ² t = 0.

Приложение А