Описание экспериментальной установки
Лабораторная работа №7
Исследование естественной конвекции в условиях комбинированного теплообмена горизонтальной трубы с окружающим воздухом
Цель работы:изучение различных механизмов переноса теплоты, расчетное и экспериментальное определение основных характеристик комбинированного теплообмена - количеств теплоты, передаваемых от поверхности в окружающую среду тепловым излучением и конвекцией, коэффициента теплоотдачи конвекцией горизонтальных и вертикальной труб.
Основные сведения
Существует три основных механизма переноса теплоты, каждый из которых имеет свою физическую природу, описывается разными законами и уравнениями, и имеет свои методы расчета и экспериментального исследования. Это - теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. В явлениях теплообмена тел с окружающей средой все эти механизмы чаще всего действуют одновременно. Если известны некоторые характеристики, поддающиеся теплотехническим измерениям, то могут быть выявлены, а затем и скорректированы в нужном направлении действия того или иного механизма переноса теплоты.
Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого тела к менее нагретому телу и основным фактором, определяющим процесс теплообмена, является разность температур.
В настоящей работе на примере теплообмена нагретых горизонтальных труб с окружающей средой могут быть решены несколько теплообменных задач. Поскольку теплота от нагретых труб отдается в окружающую среду двумя способами – конвекцией и излучением, то зная общее количество теплоты, отдаваемое трубой в окружающую среду и рассчитав потери теплоты излучением, можно определить количество теплоты, отдаваемое конвекцией, и определить коэффициенты теплоотдачи конвекцией. В данном случае, общее количество теплоты, отдаваемой нагретой поверхностью трубы в окружающую среду определяется тепловой мощностью нагревателя, расположенного внутри трубы:
Qå = U2/R (1)
где U –напряжение, подводимое к нагревателю, В;
R – сопротивление нагревателя, Ом.
В условиях стационарного теплообмена и отсутствия утечек тепла по узлам крепления трубы ее тепловой баланс выражается соотношением:
Qå = QK + Qл(1)
где QK - количество теплоты, отданное поверхностью трубы в окружающую среду конвекцией, Вт;
Qл – количество теплоты, отданное поверхностью трубы в окружающую среду излучением, Вт.
В эксперименте тепловой поток Qл, отдаваемый в окружающую среду поверхностью трубы излучением может быть определен как:
(2)
где e - степень черноты наружной поверхности трубы;
С0=5,67Вт/(м2× К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
Тст,, Т0 -температуры наружной стенки трубы и окружающей среды, (К);
F – площадь поверхности трубы, м2.
Для определения количества теплоты, отдаваемой поверхностью в окружающую среду конвекцией, используют критериальное уравнение, полученное обобщением результатов большого количества экспериментов, проведенных различными исследователями:
Nu = C× (Gr×Pr)n , (6)
гдеС и nпостоянные величины, зависящие от режима движения и теплофизических свойств среды, (приведены в таблице 1);
Nu–число подобия Нуссельта, определяющее интенсивность конвективного теплообмена и выражающее отношение теплового потока, отдаваемого поверхностью тела конвекцией к тепловому потоку, передаваемому теплопроводностью через пограничный слой среды толщиной δ;
Pr– число подобия Прандтля, характеризующий соотношение поля температур и поля скорости в пограничном слое (таблица 2);
Gr-критерий Грасгофа, определяет отношение выталкивающей силы, действующей на нагретые объемы жидкости или газа к силам вязкости.
Числа подобия или критерии подобия, это безразмерные комплексы физических величин, определяющих то или иное физическое явление. В число подобия Нуссельта входят коэффициент теплоотдачи конвекцией - a, определяющий размер d и коэффициент теплопроводности пограничного слоя:
Nu =(a×d)/l (7).
В число подобия Прандтля входят коэффициенты кинематической вязкости - ν, и температуропроводности - а:
Pr=ν/а. (8)
Число подобия Грасгофапредставляется выражением:
,(9)
гдеg=9,81 –ускорение свободного падения, м/с2;
R0 – определяющий размер, в данном случае – наружный диаметр, трубы м;
Β=1/273 –коэффициент температурного расширения, 1/К;
ΔT – разность температур поверхности трубы и окружающей среды, К;
ν – коэффициент кинематической вязкости воздуха при его средней температуре, м2/с.
Рассчитав число подобия Нуссельта по критериальной зависимостей (6), используя выражения (7)…(9), значения коэффициента теплоотдачи естественной конвекцией a:
, (10)
С другой стороны, коэффициент теплоотдачи конвекцией может быть определен экспериментально по количеству теплоты, отдаваемой трубой в окружающую среду естественной конвекцией, На основании полученных экспериментальных данных, можно определить тепловой поток QK, отдаваемый поверхностью трубы окружающей среде конвекцией, который выражается из уравнения (1):
QK = Qå- Qл,(11)
Зная тепловой этот тепловой поток и используя уравнение Ньютона – Рихмана, легко получить значения коэффициентов теплоотдачи конвекцией:
a = QK / F × ( tст - t0 ) (12)
где a -коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2·К;
F=p×d×l - площадь наружной поверхности трубы, м2;
d- наружный диаметр трубы;
l – длина нагретого участка трубы; м;
tст , t0- температуры наружной стенки трубы и окружающей среды соответственно, °С.
,
Таблица 1. Значения величин С и nв критериальном уравнении(6)
Режим свободной конвекции | (Gr×Pr) | С | n |
Пленочный | 1×10-5 | 0,5 | |
Переходный | 5×102 | 1,18 | 0,125 |
Ламинарный | 2×107 | 0,54 | 0,25 |
Турбулентный | 1×1015 | 0,135 | 0,33 |
Таблица 2 . Теплофизические свойства сухого воздуха при Р=0,101 МПа
t0, 0С | ρ, кг/м3 | l, Вт/м×К | n·106, м2/с | а·106, м2/с | Pr |
1,293 | 0,0244 | 13,28 | 18,8 | 0,706 | |
1,205 | 0,0259 | 15,06 | 21,4 | 0,704 | |
1,128 | 0,0267 | 16,96 | 24,3 | 0,699 | |
1,029 | 0,0290 | 18,97 | 27,2 | 0,697 | |
1,000 | 0,0305 | 21,09 | 30,2 | 0,698 | |
0,946 | 0,0321 | 23,13 | 33,6 | 0,688 |
Описание экспериментальной установки
Рабочая часть установки, которая показана на рисунках 1..3 представляет собой платформу, на которой закреплены 4 трубы одинаковой длины с различными формами и размерами поперечных сечений, а также радиационными характеристиками наружных поверхностей, определяющими теплообмен излучением – окисленной, полированной и окрашенной в белый цвет. Внутри каждой трубы установлен трубчатый нагреватель диаметром 12 мм с сопротивлением 48 Ом. Пространство между нагревателем и внутренней поверхностью трубы заполнено воздухом, являющимся диатермической средой, т.е. прозрачной для теплового излучения. Для уменьшения контактных утечек теплоты, трубы закреплены в кольцах стоек на тонких стержнях. Для контроля температуры поверхности труб используются современные цифровые датчики со встроенными системами усиления и калибровки выходного сигнала.
На общей платформе установлен лабораторный автотрансформатор, с помощью которого регулируется напряжение, подаваемое на электронагреватели, и согласующее устройство для ввода сигнала с трансформатора в аналого-цифрового преобразователь компьютерной системы измерения. Установка снабжена конвектором 2, который используется для охлаждения труб после проведения экспериментов.
Кроме горизонтально расположенных труб, на установке имеется вертикально расположенная труба 8, с длиной 0,1 м и наружным диаметром 30 мм, теплообмен которой с окружающей средой можно исследовать также как и горизонтальных труб, но с учетом внутренней поверхности трубы, которая в данном случае, принимает участие только в конвективном теплообмене.
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки
1 – трубчатые электронагреватели, 2 – воздушный конвектор, 3 – цифровой измеритель-регулятор температуры ТРМ 202, 4 – цифровой измеритель температуры ТРМ 200, 5 – переключатель нагревателей, 6 – цифровой измеритель температуры ТРМ 200, 7 – ЛАТР с измерительным трансформатором, 8 – вертикальный нагреватель. 9 – выключатель пинания установки ВК-1.
Рисунок 2 – фото лабораторной установки
Рисунок 3 – Электрическая принципиальная схема установки
XP1 – вилка для подключения стенда к сети 220 В / 50 Гц, заземление обязательно!
XP2 – вилка USB для подключения к компьютеру (протокол USB 1.1)
XS1 – розетка для подключения дополнительных приборов к сети 220 В / 50 Гц, располагается сзади стенда в белом коробе. Максимальная мощность 1,5 кВт. Используется для подключения компьютера (ноутбука) при работе со стендом.
S1 – автоматический однофазный выключатель, мощность 6А (10А, 16А или 25А) в зависимости от модели стенда. Установлен на лицевой панели стенда.
S2 – выключатель подачи питания к автоматическому трансформатору со встроенным индикатором (светодиод). Расположен на лицевой панели с обозначением ВК1.
S3-S7 – набор электронных ключей, встроенных в приборы ТРМ 202 для коммутации нагрузок.
La1 – индикаторная лампа, загорается при подаче к стенду питания 220В с помощью автоматического выключателя S1.
T1 – автотрансформатор, подающий регулируемое напряжение (0-220В) к нагревателям. Мощность 500 Вт, максимальный ток 2А.
R1, R2, R3, R4, R5 – нагреватели, сопротивление каждого 48 Ом.
ТРМ 202 – измерители-регуляторы сигналов с термопар. Передача данных осуществляется по протоколу RS 485 c последующим преобразованием (преобразователь АС-4) и передачи данных в компьютер по протоколу USB. Управление электронными ключами происходит с помощью внутреннего цифрового канала.
Temp1…4 – термопары, установленные на поверхности труб.