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:

Q_{å =} 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:

Q_å = Q_K + Q_л(1)

где Q_K - количество теплоты, отданное поверхностью трубы в окружающую среду конвекцией, Вт;

Q_л – количество теплоты, отданное поверхностью трубы в окружающую среду излучением, Вт.

В эксперименте тепловой поток Q_л, 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;

Т_ст,, 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 Q_K, отдаваемый поверхностью трубы окружающей среде конвекцией, который выражается из уравнения (1):

Q_K = Q_å- Q_л,(11)

Зная тепловой этот тепловой поток и используя уравнение Ньютона – Рихмана, легко получить значения коэффициентов теплоотдачи конвекцией:

a ₌ Q_K / F × ( t_ст - 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;

t_{ст ,} 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.