Протокол результатов измерений

Таблица 3.2

№ режима	I, A	U, B	Q, Вт	, К	, К	, К	, Вт/(м×К)	, 100%

В отчете по лабораторной работе должны быть представлены:

1. Схема лабораторной установки.

2. Краткое описание методики опыта.

3. Протоколы измерений и результатов.

4. График зависимости .

5. Оценка предельной погрешности результатов измерений с указанием типов применяемых приборов и их точности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Дать определение температурного поля.

2. Изотермическая поверхность. Определение, примеры.

3. Что такое температурный градиент?

4. Коэффициент теплопроводности, его смысл и размерность?

5. Почему исследуемый в работе образец можно считать бесконечно длинным?

6. Тепловой поток, его смысл и размерность?

7. Граничные условия первого, второго и третьего рода.

8. Дифференциальное уравнение теплопроводности в общем виде.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО
ЦИЛИНДРА ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ В
НЕОГРАНИЧЕННОМ ОБЪЕМЕ

Цель работы: углубление знаний по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости – естественной конвекции в неограниченном объеме, ознакомление с методикой опытного исследования процесса и получение навыков экспериментирования.

В результате работы должны быть усвоены понятия свободного движения жидкости, конвективного теплообмена и зависимость коэффициента теплоотдачи от различных факторов.

ЗАДАНИЕ

1. Определить значение среднего коэффициента теплоотдачи для горизонтального цилиндра при свободном движении воздуха и установить его зависимость от температурного напора.

2. Обработать результаты опытов по средней теплоотдаче в обобщенном критериальном виде.

3. Построить зависимость .

4. Составить отчет о выполненной работе.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Свободное движение – движение возникающее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости. Подобное движение всегда возникает около тела, если температура этого тела отличается от температуры окружающей среды. Тогда в окружающей среде устанавливается неравномерное распределение температуры и свободное движение частиц жидкой или газообразной среды. По мере нагревания частицы жидкости или газа становятся легче и поднимаются вверх, а на их место поступают более холодные частицы. Теплота, воспринятая частицами жидкости или газа от тела, переносится в окружающую среду.

Количество перенесенной теплоты будет тем больше, чем больше скорость жидкости или газа, скорость тем больше, чем больше разность температур тела и окружающей его среды. Кроме того, интенсивность теплоотдачи зависит от физических свойств среды, от формы и положения в пространстве.

В настоящей работе требуется установить влияние температурного напора на значение среднего коэффициента теплоотдачи от горизонтальной трубки к окружающему воздуху при свободной конвекции.

Средний коэффициент теплоотдачи определяется по соотношению

; Вт/(м²×К), (4.1)

где - тепловой поток от нагретого тела, передаваемый путем конвекции, Вт;

- площадь поверхности тела, м²;

- температура поверхности тела, °С;

- температура окружающей среды, °С.

На рис.3.1. приведена схема лабораторной установки, которая состоит из стальной полированной трубки 1, внешним диаметром , длиной . Внутри трубки установлен электронагреватель 2. Регулирование электрической мощности нагревателя осуществляется автотрансформатором 5. Напряжение и сила тока, потребляемая нагревателем, измеряются вольтметром 3 и амперметром 4.

Геометрия трубки указана на стенде:

d – диаметр трубки – 25 мм;

l – длина трубки – 1000 мм.

Для измерения температурного поля на поверхности трубки вмонтировано шесть термопар типа хромель-копель. Холодные спаи термопар помещены в сосуд Дюара 8, наполненном тающим льдом или дистиллированной водой.

Термоэлектродвижущая сила (термо-э.д.с.) термопар измеряется с помощью потенциометра 6 типа ПП-63, который подключается к термопарам через переключатель 7 типа ПМТ-12. Схема заделки термопар показана на рис. 1.

Ознакомившись с описание установки и методикой измерений необходимо детально разобраться в электрической схеме обогрева трубки. Далее следует заготовить протокол для записи измеряемых величин и проверить правильность подключения измерительных приборов.

После того, как установка подготовлена к работе и проверена исправность действий всех ее элементов, включают нагреватель.

До наступления стационарного режима мощность нагревателя поддерживают постоянной в течение 50-70 мин. О наступлении стационарного режима свидетельствует постоянство показаний любой из шести термопар, установленных на внешней поверхности трубки.

Измеряются следующие величины: сила тока и падение напряжения в нагревателе, ЭДС термопар в шести точках , температура воздуха вдали от трубки и температура холодного спая термопар

Температура воздуха вдали от трубки измеряется ртутным термометром. Все измерения при данном температурном режиме проводятся три раза через 3-5 мин. Всего исследуется три температурных режима.

Все измеренные величины заносятся в табл. 4.1 протокола измерений.

Таблица 4.1

Форма протокола измерений

№ пп	U, B	I, A	Показания термопар	°С	°С
Е1	Е2	Е3	Е4	Е5	Е6

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТОВ

По среднему значению термо-ЭДС термопар , найденному с учетом поправки на температуру холодного спая определяется величина средней температуры по поверхности цилиндра (трубки) . (см. стандартную градуировочную таблицу для термопар хромель-копель).

мВ (4.2)

где - количество измерений.

Тепловой поток, передаваемый трубкой путем конвекции определяется из равенства

, (4.3)

где - полный тепловой поток, который передается от нагревателя.

, Вт (4.4)

- поправка на тепловое излучение трубки, определяется по формуле

, Вт (4.5)

где - степень черноты поверхности трубки, в диапазоне температур t = 40 ¸ 260 °C - e = 0.07 ¸ 0.1;

- коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- площадь поверхности трубки, м²;

- абсолютная температура окружающей среды и поверхности трубки соответственно, К.

Результаты экспериментов представляются графически в виде зависимости , где . Полученные результаты можно использовать и для других процессов, но необходимо экспериментальные данные обобщить и представить их в критериальном виде:

(4.6)

Обычно это уравнение имеет вид

(4.7)

где С и n – экспериментальные постоянные;

- критерий Нуссельта;

- критерий Релея;

- критерий Грасгофа;

- критерий Прандтля;

- диаметр трубки (определяющий размер), м;

- коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м×К);

- ускорение свободного падения, м/с²;

- температурный коэффициент объемного расширения воздуха, К^-1;

- коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с;

- коэффициент температуропроводности воздуха, м²/с.

Теплофизические свойства воздуха ( , , ) определяются из табл. 4.3 при средней температуре воздуха .

Результаты расчетов вносятся в протокол результатов, табл.2.

Таблица 4.2.

Форма протокола результатов

№ п/п	tC,°C	tЖ, °C	Dt=tc-tж	bж, К-1	Вт/(м×К)	м2/с	Nuж	Raж	lg Nu	Gr

Для определения постоянных коэффициентов и следует прологарифмировать критериальное уравнение (4.7);

(4.8)

Результаты вычислений заносятся в табл. 4.2.

По вычисленным значениям строится зависимость , которая в случае и является линейной.

Постоянная определяется как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс; .

Постоянная для каждого опыта определяется из выражения

(4.9)

За окончательное значение коэффициента принимается среднеарифметическое значение по результатам всех опытов.

Работа заканчивается построением критериального уравнения

(4.10)

ОТЧЕТ О РАБОТЕ ДОЛЖЕН СОДЕРЖАТЬ

1. Краткое описание работы.

2. Принципиальную схему установки.

3. Протокол измерений (табл. 4.1).

4. Обработку результатов эксперимента (табл. 4.2).

5. Графики зависимостей:

6. Критериальное уравнение

Таблица 4.3.

Теплофизические свойства сухого воздуха

При р=0,0981 МПа

t,°C	r кг/м3	Ср КДж/ (кг×К)	l×102 Вт/(м×К)	а×106 м2/с	m×106 МПа×с	n×106 м/с2	Pr
	1,251	1,00	2,438	19,4	17,19	13,75	0,71
	1,207	1,00	2,51	20,7	17,19	14,68	0,71
	1,166	1,00	2,58	22,0	18,19	15,61	0,71
	1,127	1,00	2,65	23,4	18,68	16,48	0,71
	1,091	1,00	2,72	24,8	19,16	17,57	0,71
	1,057	1,00	2,79	26,3	19,63	18,58	0,71
	1,026	1,01	2,86	27,6	20,10	19,60	0,71
	0,996	1,01	2,92	28,6	20,56	20,65	0,71
	0,997	1,01	2,99	30,6	21,02	21,74	0,71

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое свободное движение?
2. Дать определение естественной конвекции?
3. От чего зависит количество теплоты, переносимое при естественной конвекции?
4. Физический смысл критерия Nu?
5. Физический смысл критерия Ra?
6. Физический смысл критерия Gr?
7. Физический смысл критерия Pr?
8. Коэффициент теплоотдачи, физический смысл, формула, размерность?

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Термопары хромель-копель

(стандартная градуировочная таблица)

Температура рабочего конца, °С
ТермоЭДС, мВ
	0.00	0.07	0.13	0.20	0.26	0.33	0.39	0.46	0.52	0.59
	0.65	0.72	0.78	0.85	0.91	0.98	1.05	1.11	1.18	1.24
	1.31	1.38	1.44	1.51	1.57	1.64	1.70	1.77	1.84	1.91
	1.98	2.05	2.12	2.18	2.25	2.37	2.38	2.45	2.52	2.59
	2.66	2.73	2.80	2.87	2.94	3.00	3.07	3.1	3.21	3.28
	3.35	3.42	3.49	3.56	3.63	3.70	3.77	3.84	3.91	3.98
	3.95	4.12	4.19	4.26	4.33	4.41	4.48	4.55	4.62	4.69
	4.76	4.83	4.90	4.98	5.05	5.12	5.20	5.27	5.34	5.47
	5.48	5.55	5.63	5.70	5.78	5.85	5.92	5.99	6.07	6.14
	6.21	6.29	6.36	6.43	6.51	6.58	6.65	6.73	6.80	6.87
	6.95	7.03	7.10	7.17	7.25	7.32	7.40	7.47	7.54	7.62
	7.69	7.77	7.84	7.91	7.99	8.06	8.13	8.21	8.28	8.35
	8.42	8.50	8.58	8.65	8.73	8.80	8.88	8.95	9.03	9.10

Продолжение приложения 1

	9.18	9.25	9.33	9.40	9.48	9.55	9.63	9.70	9.78	9.85
	9.93	10.00	10.08	10.16	10.23	10.31	10.38	10.46	10.54	10.61
	10.69	10.77	10.85	10.92	11.00	11.08	11.15	11.23	11.31	11.38
	11.46	11.54	11.62	11.77	11.85	11.93	12.00	12.08	12.13	12.16
	12.24	12.32	12.40	12.48	12.55	12.63	12.71	12.79	12.87	12.95
	13.03	13.11	13.19	13.27	13.35	13.44	13.52	13.60	13.68
	13.84	13.92	14.00	14.08	14.16	14.25	14.34	14.42	14.50	14.58
	14.66	14.74	14.82	14.90	14.98	15.06	15.14	15.22	15.30	15.38

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Теплоемкость воздуха

Температура °С	Мольная теплоемкость, кДж/кмоль×К	Массовая теплоемкость, кДж/кг×К	Объемная теплоемкость, кДж/м3×К
t	СР	СР	СР	СР	СР	СР
	29,073 29,152 29,299	20,758 20,838 20,984	1,0036 1,0061 1,0115	0,7164 0,7193 0,7243	1,2971 1,3004 1,3071	0,9261 0,9296 0,9362