ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТОВ
После окончания опытов показания термопар расшифровываются с помощью градуировочной таблицы (прилож. /1/) с учетом температуры холодных спаев, если их температура не равна 0 °С. В этом случае измеряется температура холодных спаев термопар tхол, °С, и определяется соответствующий ей термо-ЭДС Et (tхол), величину которой следует прибавить к измеренным значениям термо-ЭДС термопар:
. (2.9) По значениям Et (t) из градуировочной таблицы выбираются соответствующие значения температур в °С. Затем строят для левой и правой частей кривые распределения температур по оси образца: по оси ординат откладываются значения величины избыточной температуры , °С, а по оси абсцисс – значения координаты x, м. Общее количество теплоты, переданное окружающей среде с боковых поверхностей правой и левой частей образца, определяется по формуле: , Вт (2.10) где I – показания амперметра, А; U – показания вольтметра, В. Для каждой половины образца , Вт (2.11) После того, как вычислены значения , , Q, , по формуле (2.8) определяются локальные значения , Вт/(м×К). По полученным значениям определяют коэффициент теплопроводности материала образца как среднеарифметическую величину , Вт/(м×К) (2.12) где n – число замеров температуры в правой и левой части образца. В отчете по лабораторной работе должны быть представлены: 1. Схема установки. 2. Краткое описание методики проведения опыта. 3. Протокол измерений и результатов. 4. Кривые измерений температуры для правой и левой частей образца. 5. Оценка погрешности результатов измерений. 6. По найденному значению коэффициента теплопроводности l, Вт/(м×К) по прилож. /1/ определяется материал исследуемого образца.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое изотермическая поверхность и изотермическая линия? 2. Что такое температурный градиент? 3. Что такое коэффициент теплопроводности, его физический смысл и размерность в системе СИ? 4. Почему исследуемый образец можно рассматривать, как бесконечно длинный стержень? 5. Почему температурное поле в исследуемом стержне можно считать одномерным? 6. Что такое теплопроводность (кондукция)? 7. От чего зависит коэффициент теплопроводности? 8. Что такое тепловой поток? 9. Что такое стационарный и не стационарный режим?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО
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), (3.1)
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. 3.1 протокола измерений.
Таблица 3.1 Форма протокола измерений
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 (3.2)
где - количество измерений. Тепловой поток, передаваемый трубкой путем конвекции определяется из равенства
, (3.3)
где - полный тепловой поток, который передается от нагревателя.
, Вт (3.4)
- поправка на тепловое излучение трубки, определяется по формуле
, Вт (3.5)
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: (3.6) Обычно это уравнение имеет вид (3.7) 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. 3.3 при средней температуре воздуха . Результаты расчетов вносятся в протокол результатов, табл.2. Таблица 3.2. Форма протокола результатов
Для определения постоянных коэффициентов и следует прологарифмировать критериальное уравнение (3.7); (3.8) Результаты вычислений заносятся в табл. 3.2. 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 (3.9)
За окончательное значение коэффициента принимается среднеарифметическое значение по результатам всех опытов. Работа заканчивается построением критериального уравнения (3.10)
ОТЧЕТ О РАБОТЕ ДОЛЖЕН СОДЕРЖАТЬ
1. Краткое описание работы. 2. Принципиальную схему установки. 3. Протокол измерений (табл. 3.1). 4. Обработку результатов эксперимента (табл. 3.2). 5. Графики зависимостей: 6. Критериальное уравнение
Таблица 3.3. Теплофизические свойства сухого воздуха При р=0,0981 МПа
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ТЕЧЕНИИ ЖИДКОСТИ В ТРУБЕ
Цель работы: углубление знаний по теории теплоотдачи при течении жидкости в трубе, ознакомление с методикой экспериментального исследования процесса и получения навыков в проведении эксперимента.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Ламинарный режим течения в прямых трубах круглого поперечного сечения наблюдается при , где w - скорость движения жидкости, м/с; d - внутренний диаметр трубы, м; - кинематический коэффициент вязкости жидкости, м2/с. Режим развитого турбулентного течения устанавливается при . Значение числа Рейнольдса в пределах от 2300 до 10000 соответствует переходному режиму течения. На входе в трубу профили скорости и температуры жидкости изменяются: происходит формирование гидродинамического и теплового пограничных слоев. Эти участки трубы называю соответственно динамическим и тепловым начальными участками. При ламинарном режиме течения длина начальных участков значительна, а при турбулентном - не превышает значения 5d.
На начальном участке теплоотдача уменьшается по длине трубы и число уменьшается (a - коэффициент теплоотдачи, l - коэффициент теплопроводности жидкости). Для очень длинных труб ( при турбулентном течении жидкости) влиянием начального участка на теплоотдачу можно пренебречь. Наиболее точные значения среднего коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме течения могут быть получены по формуле , (4.1) где - коэффициент сопротивления трению; Pr - критерий Прандтля жидкости; y - коэффициент, учитывающий влияние изменения свойств жидкости. Для приближенных расчетов можно также воспользоваться уравнением , (4.2) При течении в трубе газообразного теплоносителя можно принять .
ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ
Экспериментальная установка (рис. 4.1) состоит из рабочего узла 5, газового счетчика 10, вентилятора 6 и электродвигателя 7.
Рабочий узел представляет собой трубу длиной l = 1м внутренним диаметром dв = 18 мм и наружным диаметром dн = 50 мм, выполненную из материала с коэффициентом теплопроводности (строительный цементный раствор после затвердевания и длительной осушки). Снаружи на рабочий узел намотан электронагреватель 1 из нихромовой проволоки. Температура наружно поверхности трубы измеряется термопарами 2, 3 и 4, температура внутренней поверхности - термопарами 5, 6 и 7. Температура воздуха на входе в рабочий узел измеряется термопарой 8, на выходе - 9. Все термопары хромель-копелевые, подключены к потенциометру 4 через многоточечный переключатель термопар 3. Холодные спаи термопар термостатируются в сосуде Дьюара 2. Регулирование расхода воздуха через рабочий узел осуществляется изменением с помощью ЛАТРа 8 напряжения на клеммах электродвигателя 7 вентилятора 6. Аналогично ЛАТР 9 предназначен для регулирования мощности нагревателя 1. Термопара 1 подключена к самописцу и предназначена для контроля за выходом установки на стационарный режим.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
После ознакомления с описанием опытной установки, необходимо подготовить протокол для записи наблюдений, проверить правильность включения измерительных приборов и наличие льда в сосуде с холодными спаями термопар. Затем производится включение установки. Вначале подается напряжение на клеммы электродвигателя, а после его запуска - на клеммы нагревателя. Запись показаний приборов производится после выхода установки на стационарный режим (контроль осуществляется по показаниям КСП, ориентировочное время прогрева рабочего узла - 1 час). Для определения расхода воздуха через рабочий узел определяется с помощью секундомера и газового счетчика время t прокачки некоторого стандартного объема воздуха (рекомендуется 0,5 м3). В первом опыте рекомендуется подать на клеммы вентилятора напряжение 50 - 60 В, во втором - 80 - 90 В. Напряжение на клеммах нагревателя не должно превышать 200 В. В конце каждого опыта необходимо провести измерение величины атмосферного давления P.
Таблица 4.1.
ФОРМА ПРОТОКОЛА ЭКСПЕРИМЕНТА
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Вначале определяется режим движения газа , где n - кинематический коэффициент вязкости воздуха при средней температуре , °С - скорость движения воздуха, м/с, - объемный расход воздуха, м3/с. Массовый расход воздуха, кг/с, , где - средняя плотность воздуха, кг/м3, - газовая постоянная воздуха. Количество переданной воздуху теплоты, Вт, , где - средняя температура наружной стенки трубы, °С, - средняя температура внутренней стенки трубы, °С, Коэффициент теплоотдачи , . Безразмерный коэффициент теплоотдачи , где l - коэффициент теплопроводности воздуха при температуре . Все результаты расчетов заносятся в протокол
Таблица 4.2.
ФОРМА ПРОТОКОЛА РЕЗУЛЬТАТОВ
В протокол результатов заносятся также результаты расчетов по формулам (4.1) и (4.2) В завершение проводится проверка (расчет по уравнению теплового баланса) , Вт, где - теплоемкость воздуха.
ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
1. Краткое описание работы. 2. Принципиальную схему установки. 3. Протокол записи показаний приборов. 4. Протокол результатов опыта. 5. Сравнение результатов опыта с литературными данными.
Контрольные вопросы
1. Коэффициент теплоотдачи, его физический смысл и размерность? 2. Что такое безразмерный коэффициент теплоотдачи? 3. Дать определение гидродинамического пограничного слоя. 4. Дать определение теплового пограничного слоя. 5.От чего зависит количество теплоты, передаваемое при вынужденном движении жидкости (газа) в трубах?
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Термопары хромель-копель (стандартная градуировочная таблица)
Продолжение приложения
Популярное: Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (514)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |