Обработка результатов экспериментального исследования

Контрольный опыт по исследованию конвективной теплоотдачи при свободной конвекции проводился на горизонтальной трубе длиной l = 0,8 м и диаметром d = 0,03 м. Опытные данные, полученные с помощью контрольно-измерительных приборов в процессе эксперимента, представлены в табл. 4

Таблица 4

Данные контрольного опыта по исследованию теплоотдачи
при свободной конвекции

Наименование величины	Значения измеряемых величин
Напряжение, подаваемое на опытную трубу, U, В	2,986
Длина трубы l, м	0,8
Наружный диаметр трубы d, м	0,03

Продолжение табл. 4

Температура окружающего воздуха tж, ^0С	20,0
Перепад температур между наружной поверхностью опытной трубы и окружающей средой , ^0С	Номера термопар		22,834
	23,061
	24,081
	25,915
	29,398
	36,883

Обработка опытных данных начинается с определения теплового потока Q, передаваемого от опытной трубы в окружающую среду. На основе обработки тарировочных опытов была получена зависимость значения теплового потока Q от напряжения U, подаваемого на опытную трубу. Эта зависимость может быть представлена в виде графика (рис. 2) или в аналитической форме (5).

Рис. 2. Зависимость теплового потока Q, передаваемого от опытной трубы в окружающую среду, от электрического напряжения U

Соотношение для определения значения теплового потока Q в зависимости от напряжения U, подаваемого на опытную трубу, имеет следующий вид:

= 21,5 Вт. (5)

Средний перепад температур между наружной поверхностью опытной трубы и окружающей средой составляет

,

а средняя температура наружной поверхности опытной трубы равна

.

Средняя температура пограничного слоя воздуха у поверхности опытной трубы равна

или T_m @ 306,7 К.

Теплота передается от наружной поверхности опытной трубы в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена. В условиях проведения контрольного опыта величина теплового потока, передаваемого от опытной трубы в окружающую среду путем излучения, составляет [3]

=
= 8,79 Вт,

где С₀ – излучательная способность абсолютно черного тела,
С₀ = 5,67 Вт/(м²×К⁴); ε – степень черноты наружной поверхности опытной трубы, ε = 0,66 [2]; F – площадь наружной поверхности опытной трубы,
F = p dl = 3,14×0,03×0,8 = 0,0754 м².

Тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду путем конвекции, равен

Вт,

а опытное значение коэффициента теплоотдачи составляет

Вт/(м²×К).

Определив при средней температуре пограничного слоя t_m теплофизические свойства сухого воздуха: λ = 2,68×10^-2 Вт/(м×К); ν = 16,97×10^-6 м²/с;
β = 0,0033 К^-1; Pr = 0,71 (табл. 1), находятся значения числа Грасгофа

и комплекса

.

В зависимости от значения комплекса подбирается коэффициент C = 0,54 и показатель степени n = 1/4 в уравнении подобия конвективного теплообмена (табл. 2) и определяются число Нуссельта

и расчетное значение коэффициента теплоотдачи

Вт/(м²×К).

Относительное расхождение между опытным и расчетным значениями коэффициента теплоотдачи в условиях проведения контрольного опыта составляет

%.

Результаты обработки опытных данных заносятся в табл. 5.

Таблица 5

Характеристики конвективной теплоотдачи при свободной конвекции, определенные расчетным путем

Наименование величины	Номер опыта
Тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду Q, Вт
Средний перепад температур между наружной поверхностью опытной трубы и окружающей средой , ^0С
Средняя температура наружной поверхности опытной трубы , ^0С
Средняя температура пограничного слоя	, ^0С
Tm = tm + 273,15 К
Тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду путем излучения, , Вт
Тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду путем конвекции, , Вт
Опытное значение коэффициента теплоотдачи , Вт/(м^2×К)

Продолжение табл. 5

Число Грасгофа
Число Прандтля
Значение комплекса (Gr×Pr)
Число Нуссельта
Расчетное значение коэффициента теплоотдачи , Вт/(м^2×К)
Относительное расхождение между опытным и расчетным значениями коэффициента теплоотдачи , %

Контрольные вопросы

1. Какова цель лабораторной работы?

2. В чем заключается содержание лабораторной работы?

3. Что называется конвекцией?

4. Что называется конвективным теплообменом?

5. Что называется конвективной теплоотдачей?

6. Укажите причины возникновения свободной конвекции.

7. Приведите математическое выражение закона Ньютона-Рихмана.

8. В каких единицах измеряется тепловой поток Q, плотность теплового потока q?

9. В каких единицах измеряется коэффициент теплоотдачи a?

10. В чем заключается физический смысл коэффициента теплоотдачи?

11. Какой вид имеет уравнение подобия при свободной конвекции?

12. Как определяются числа Грасгофа Gr, Нуссельта Nu, Прандтля Pr?

13. Что характеризуют числа Грасгофа Gr, Нуссельта Nu, Прандтля Pr?

14. Какая характеристика принята в качестве определяющего размера при расчете чисел подобия при свободной конвекции от горизонтальной
трубы?

15. Какая температура принята в качестве определяющей при расчете чисел подобия при свободной конвекции от горизонтальной трубы?

16. Что учитывает множитель (Pr/Pr_c)^0,25 в уравнение подобия конвективного теплообмена ?

17. Теплофизические свойства каких тел или материалов входят в числа подобия конвективного теплообмена при свободной конвекции?

18. В зависимости от каких характеристик находятся значения C и n в уравнении подобия конвективного теплообмена при свободной конвекции?

19. Приведите дифференциальное уравнение теплоотдачи.

20. Какова основная часть лабораторной установки?

21. Каким устройством измеряется перепад температуры между наружной поверхностью опытной трубы и окружающей средой?

22. Какие характеристики при проведении лабораторной работы определяются опытным путем?

23. Из какого соотношения определяется температура наружной поверхности опытной трубы?

24. По какому соотношению определяется тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду за счет лучистого теплообмена Q_л?

25. По какому соотношению определяется тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду за счет конвективного
теплообмена Q_к?

26. Из какого соотношения определяется опытное значение коэффициента теплоотдачи a _к(оп)?

27. Из какого соотношения определяется расчетное значение коэффициента теплоотдачи a _к(р)?

28. Каким образом определяется тепловой поток, передаваемый от опытной трубы в окружающую среду?

29. Какие формы передачи теплоты имеют место при передачи теплоты от наружной поверхности опытной трубы в окружающую среду?

30. При каких значениях комплекса (Gr×Pr) коэффициент теплоотдачи от горизонтальной трубы при свободной конвекции не зависит от определяющего размера (диаметра)?

31. По какому соотношению определяется и в каких единицах измеряется термическое сопротивление теплоотдачи?

ЛИТЕРАТУРА

1. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности): Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 349 с.

2. Теплотехнический справочник. Издание 2-е переработанное. Под редакцией В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. Т. 1. – М.: Энергия, 1975. – 744 с.

3. Трошин А.К. Методические рекомендации к лабораторным работам по теплопередаче. – М.: МИНГ, 1988. – 50 с.

Дата добавления: 2015-07-15