Материал: Экспериментальное исследование процессов теплообмена. методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам для студентов. Мелькумов В.Н., Петрикеева Н.А

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ

3.1. Цель работы

Определить коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности горизонтальной трубы к окружающей среде.

3.2. Краткие теоретические сведения

Коэффициент теплоотдачи горизонтальной трубы при естественной конвекции определяется по формуле Ньютона [3]:

где Qк - количество теплоты, отданное при конвективном теплообмене наружной поверхностью трубы воздуху, определяется как разность между полным количеством теплоты Qпол и количеством теплоты, отданным лучеиспусканием Qл, Вт, по формуле

где I - сила тока в нагревателе, А; U - напряжение в сети, В.

Это значение численно равно мощности электронагревателя, расположенного внутри трубы.

Количество теплоты, отданное трубой лучеиспусканием, определяется по формуле

16

где C0 - коэффициент излучения абсолютно чёрного тела, равный 5,7 Вт/(м2 ·К4); ε - степень черноты поверхности трубы, зависящая от материала трубы и состояния ее поверхности.

При известных значениях Qл, tст, tв определяется экспериментальное значение коэффициента α.

Расчетное значение коэффициента αр определяется по формуле

где dн - наружный диаметр трубы, м; λв – коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м·град); Nuв – число Нуссельта, определяемое при параметрах воздуха.

Число Нуссельта вычисляется из критериального уравнения для естественной конвекции горизонтальной трубы:

В данной формуле присутствуют критерий Прандтля Pr, являющийся физическим параметром среды и критерий Грасгофа Gr, определяемый по формуле

где β = 1/Тв - температурный коэффициент объемного расширения воздуха, 1/K; t = tст - tв - температурный напор, °С; νв – кинематический коэффициент вязкости среды, принимаемый по таблице «Физические свойства среды» или

приложению данных методических указаний.

Значения λв, νв, Prв определяются по табл. П.1 приложения при температуре среды.

3.3.Принципиальная конструктивная схема экспериментальной установки

Установка (рис. 3.1) для определения коэффициента теплоотдачи α состоит из горизонтальной трубы 1, электронагревателя (ЭН) 2, латра 3 регулирования мощности ЭН. Система измерений включает медноконстантановые термопары 4 для измерения температур в четырех точках поверхности трубы, ваттметр 5 для измерения теплового потока от ЭН, вольтметр 6, потенциометр 7, переключатель термопар 8 и термометр 9. Холодный спай термопар помещается в сосуд с тающим льдом (при отсутствии тающего льда холодный спай термопар может находиться на открытом воздухе при температуре помещения).

3.4. Порядок проведения экспериментальных исследований

Подключить установку к сети и установить необходимую мощность ЭН; по истечении 20 - 30 мин, когда значение температур tст во времени не будут

17

меняться, снять показания ваттметра, потенциометра по 4 термопарам, термометра, измеряющего температуру воздуха на расстоянии от трубы. С интервалом в 3 минуты испытания повторить 3 раза.

Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки:

1 – труба; 2 – электронагреватель; 3 – латра регулирования мощности электронагревателя; 4 – медь-константановые термопары; 5 – ваттметр; 6 – вольтметр; 7 – потенциометр; 8 - термометр; 9 – сосуд Дьюара

18

Результаты измерений записать в табл. 3.1.

Таблица 3.1

3.5. Обработка экспериментальных данных

Обработку результатов испытаний произвести следующим образом:

- определить среднюю по показаниям четырех термопар температуру наружной поверхности трубы по формуле

где t1, t2, t3, t4 – температура в соответствующих точках поверхности трубы, °C;

-по формуле (3.4) определить величину Qл, при значениях ε= 0,053;

-определить площадь поверхности теплоотдачи по формуле F= πdнl, м2;

-по формуле (3.2) определить величину Qк, имея в виду, что значение Qпол определено по показаниям ваттметра;

-по формулам (3.1), (3.7), (3.6) и (3.5) определить значения α, Gr, Nu, αр;

-сопоставить экспериментальное и расчетное значения и определить погрешность

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ВОДО-ВОДЯНОМ (ВОДО-ВОЗДУШНОМ) ТЕПЛООБМЕННИКЕ

4.1. Цель работы

Исследовать работу водо-водяного (водо-воздушного) теплообменника типа «труба в трубе» при различных схемах включения (прямоток, противоток). Определить коэффициент теплопередачи.

4.2. Краткие теоретические сведения

Устройство, служащее для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, называется теплообменным аппаратом или теплообменником. По

19

принципу действия теплообменные аппараты разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Врекуперативных теплообменниках горячий и холодный теплоносители протекают одновременно, и тепло передается через разделяющую их стенку. В регенеративных одна и та же поверхность омывается то горячим, то холодным теплоносителем. В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путём непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей.

Вработе исследуется действие рекуперативного теплообменника типа «труба в трубе». Если горячий и холодный потоки движутся параллельно и в одном направлении, то такая схема движения теплоносителей называется прямотоком. Если потоки движутся параллельно, но в прямо противоположном направлении, - противотоком. Если потоки протекают в перекрестном направлении – перекрестным током.

При проектировании новых теплообменных аппаратов целью расчета является определение площади поверхности нагрева. Если же последнее известно, то целью расчета является установление режима работы аппарата и определение конечной температуры теплоносителей. В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются уравнение теплопередачи [3]

где нижний индекс 1 означает, что величины относятся к горячей среде, а индекс 2 – к холодной. Штрих «'» обозначает температуру при входе, а штрих «''» - на выходе теплоносителя из аппарата.

F – поверхность нагрева, м2; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·град); m - массовый расход теплоносителя, кг/ч; Cp - массовая изобарная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кгград); t – температура теплоносителей, °C.

В общем случае температура теплоносителя в теплообменниках изменяется вдоль поверхности. Поэтому в формулу (4.1) при расчетах подставляется среднее значение температурного напора.

Определение среднего температурного напора производится по формуле

20