Расчетные формулы и расчеты. 1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле
1. Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле
, Па,
где В – показание барометра, мбар; tокр – температура окружающей среды, равная температуре воздуха при входе в воздухомер, °С.
2. Перепад давления воздуха в воздухомере
, Па,
где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; H – показание вакуумметра (горло воздухомера), переведенное в м вод.ст.
3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера
, кг/м3,
где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг·К.
4. Расход воздуха
, кг/с.
5. Абсолютное давление в сечении I – I
, Па,
где Hн – показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.
6. Плотность воздуха по состоянию на входе в горизонтальную трубу
, кг/м3,
где t1 – температура воздуха при входе в трубу (сечение I-I), °С.
7. Плотность воздуха по состоянию на выходе из горизонтальной трубы
, кг/м3,
где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II-II), °С.
8. Значения энтальпии воздуха в сечениях I и II определяются по общему уравнению
, кДж/кг,
где cр – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг·°С); tj – температура в рассматриваемом сечении, °С; j – индекс рассматриваемого сечения (I или II).
9. Средняя скорость потока в сечениях I – I и II – II определяется по общему уравнению
, м/с,
где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений I-I и II-II и равная 1,35·10-3, м2; ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3; j – индекс рассматриваемого сечения (I-I или II-II).
10. Мощность теплового потока, переданного вынужденной конвекцией от внутренней поверхности трубы, находится с учетом (2) по формуле
, Вт.
11. Тогда с учетом формулы (1) мощность теплового потока, переданного естественной конвекцией, от наружной поверхности трубы
, Вт.
12. Мощность теплового потока, выделенная на участке от сечения I – I до сечения II – II находится по показаниям вольтметра и амперметра
, Вт,
где Iн – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а; Uн – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в.
13. Опытные значения коэффициентов теплоотдачи получаем по формулам (3) и (4), в которых Fвн – внутренняя поверхность трубы, равная 0,352, м2; Fнар – наружная поверхность трубы, равная 0,386, м2; средний температурный напор при вынужденной конвекции Δt1 = tx – 0,5·(t1 + t2), °C; средний температурный напор при естественной конвекции Δt2 = tx – tокр, °C. Температура трубы tx, °С находится по удлинению трубы Dl, мм: tx = tокр+30,87·Δl,°С.
14. Расчетные значения коэффициента теплоотдачи для вынужденной конвекции находим с учетом (5) или (6) по формуле
, Вт/(м2·°C). (8)
При вычислении критериев подобия по уравнению (5) или (6) и коэффициента теплоотдачи по формуле (8) все теплофизические свойства воздуха находятся по определяющей температуре – средней температуре потока в трубе равной tп = 0,5·(t1 + t2); определяющим размером в формулах является внутренний диаметр трубы dвн = 0,0415, м.
15. Расчетные значения коэффициента теплоотдачи для свободной конвекции находим с учетом (7) по формуле
, Вт/(м2·°C) (9)
При вычислении критериев подобия по уравнению (7) и коэффициента теплоотдачи по формуле (9) все теплофизические свойства воздуха находятся по определяющей температуре – средней температуре потока окружающего трубу, равной tп = 0,5·(tх + tокр); определяющим размером в формулах является наружный диаметр трубы dнар = 0,0455, м.
16. Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета: 10 – 
, Дж/кг, 11 – 
, Дж/кг.
17.Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл.2.
Таблица 2
| № п/п | Расчетная величина | Обозна- чение | Единицы измерения | Номера опытов | |||||
| Атмосферное давление | Ратм | Па | |||||||
| Перепад давления воздуха в воздухомере | ΔР | Па | |||||||
| Плотность воздуха по состоянию в горле воздухомера | ρв | кг/м3 | |||||||
| Расход воздуха | G | кг/с | |||||||
| Плотность воздуха в сечении I – I | ρ1 | кг/м3 | |||||||
| Средняя скорость потока воздуха в сечении I – I | W1 | м/с | |||||||
| Плотность воздуха при выходе из трубы (сечение II) | ρ2 | кг/м3 | |||||||
| Средняя скорость потока при выходе из трубы (сечение II) | W2 | м/с | |||||||
| Теплота, вносимая электрическим током в систему (нагрев трубы) | Qэ | Вт | |||||||
| Изменение энтальпии воздуха по потоку в системе (трубе) | Δh | Дж/кг | |||||||
| Изменение кинетической энергии потока воздуха в трубе | ΔЭкин | Дж/кг | |||||||
| Теплота, передаваемая потоку воздуха в трубе | Q1 | Вт | |||||||
| Теплота, передаваемая окружающему трубу воздуху | Q2 | Вт | |||||||
| Средний температурный напор в условиях внутреннего теплообмена | Δt1 | °С | |||||||
| Средний температурный напор в условиях внешнего теплообмена | Δt2 | °С | |||||||
| Критерий Рейнольдса | Reп | – | |||||||
| Критерий Прандтля в условиях вынужденной конвекции | Pr1п | – | |||||||
| Критерий Нуссельта в условиях вынужденной конвекции | Nu1п,d | – | |||||||
| Критерий Грасгофа | Grп | – | |||||||
| Критерий Прандтля в условиях естественной конвекции | Pr2п | – | |||||||
| Критерий Нуссельта в условиях естественной конвекции | Nu2п,d | – | |||||||
| Коэффициент теплоотдачи в условиях внутреннего теплообмена (вынужденная конвекция) | α1 оп | Вт/(м2·°С) | |||||||
| α1 расч | Вт/(м2·°С) | ||||||||
| Коэффициент теплоотдачи в условиях внешнего теплообмена (свободная конвекция) | α2 оп | Вт/(м2·°С) | |||||||
| α2 расч | Вт/(м2·°С) |
Контрольные вопросы
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается.
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какими методами измеряется температура в данной работе?
4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?
5.По каким признакам можно судить о стационарном режиме теплообмена с окружающей средой?
6. Как осуществляется выбор контрольной оболочки рассматриваемой термодинамической системы?
7. Дайте формулировку и математическое выражение уравнения первого закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта.
8. Укажите способы определения величин, входящих в уравнение 1-го закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта, с полным обоснованием используемых расчетных формул.
9. Какие существуют методы и приборы для измерения температуры, давления и расхода?
10. Как определяется плотность воздуха в условиях лабораторной установки?
11. Какие виды конвекции существуют, в чем их различие?
12. В чем сущность «Теории подобия» и как с ее помощью определяются коэффициенты теплоотдачи?
13. Как составляются критериальные уравнения?
14. Составьте в общем виде критериальные уравнения для вынужденной и свободной (естественной) конвекции.
15. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для свободной конвекции?
16. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для вынужденной конвекции?
17. Что такое «определяемый» и «определяющий» критерий?
18. Как выбирается определяющий (характерный) размер и определяющая температура при расчете критериев подобия?
Библиографический список
1. Теплотехника: Уч. для вузов/Под ред. А. П. Баскакова М.: Энергоатомиздат, 1991. 224 с.
2. Мурзаков В. В. Основы технической термодинамики. М.: Энергия, 1973. 304 с.
3. Зубарев В. Н. , Александров А. А. Практикум по технической термодинамике: Уч. пособие для вузов. М.: Энергия, 1971. 352 с.
4. Ривкин С. А., Александров А. А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.,: Энергия,1980. 424 с.
5. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 245 с.
6. Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. Л.: Машгиз, 1957. 87 с.
содержание
Введение………………………………………………………………...........3
Работа 1. Первый закон термодинамики……………………………….......4
Работа 2. Первый закон термодинамики в применении к решению одной из технических задач………………… ……………………...9
Работа 3. Определение параметров влажного воздуха………………..…16
Работа 4. Исследование процесса истечения из суживающегося сопла 24
Работа 5. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала (метод цилиндрического слоя)……………..31
Работа 6. Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции (метод струны)………………………………………...…35
Работа 7. Исследование процессов теплообмена при горизонтальном трубопровде……………………………………………………….….40
Библиографический список…………………………………….…………..47