Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции

Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Лабораторная работа №2

по дисциплине «Тепломассообмен»

по теме «Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции»

Ульяновск

Цель работы: углубление знаний в области конвективного теплообмена, который возможен только в текучеё среде (жидкости, газе). В процессе выполнения лабораторной работы исследуется частный случай конвективного теплообмена, называемый теплоотдачей, когда обмениваются теплотой поверхность твёрдого тела и текучая среда (воздух). Отсюда и название определяемого коэффициента - коэффициент теплоотдачи.

Методика. При решении практических задач конвективного теплообмена используется уравнение Ньютона-Рихмана, которое для стационарного процесса записывается в виде:

 (Вт),

где - тепловой поток, передаваемый от поверхности тела (трубы) воздуху (Вт);

- коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2 К));

- температура поверхности трубы (К);

- температура жидкости (воздуха) (К);

- площадь поверхности трубы (м2).

Выражаем:

 .

Как видно для определения коэффициента теплоотдачи необходимо произвести измерения:

количества теплоты, передаваемой в единицу времени (теплового потока) (Вт). При стационарном (установившемся) тепловом режиме  равен мощности электронагревателя W (Вт).

температуры теплоотдающей поверхности тела (трубы)  (К), и омывающей среды (воздуха)  (К).

площади теплоотдающей поверхности (м2).

теплоотдача поверхность конвективный теплообмен

Протокол опытных данных

Расчёты

1.      Определяем мощность нагревателя W, которая при стационарном тепловом режиме равна тепловому потоку , отдаваемому нагретой трубой окружающей среде:

 ,

где U - напряжение на нагревателе (В);

Rн - сопротивление нагревателя (Ом) (Rн =24,1 Ом).

опыт  (Вт);

опыт  (Вт);

Находим среднюю температуру поверхности трубы tcр (оС):

,

опыт:

(оС);

опыт:

(оС)

опыт:

(оС)

Определяем тепловой поток Qпот (Вт) в местах крепления трубы:

,

где qпот - удельный тепловой поток (Вт/м2);

Fзад - поверхность конца трубы в месте заделки в теплоизолятор (м2);

tu = 0.5 (t11+t12) - средняя температура поверхности изоляторов (оС);

,  - соответственно толщина воздушной прослойки и средняя толщина изолятора в месте заделки трубы (м);

,  - соответственно коэффициенты теплопроводности воздуха и материала теплоизоляторов (Вт/м К).

Для конкретной установки и средних условий эксперимента на ней (Fзад=8,47×10-4 м2; δu = 0.011 м; δв = 0,001 м; λв = 0.031 Вт/(м К) λu = 0,3 Вт/(м К)) получаем:

,

1 опыт:

(Вт);

опыт:

(Вт);

опыт:

 (Вт).

Подсчитываем опытное значение коэффициента теплоотдачи ɑоп (Вт/(м2 К)):

,

где - величина теплоотдающей поверхности трубы (м2).

опыт:

 (Вт/(м2 К));

опыт:

 (Вт/(м2 К));

опыт:

 (Вт/(м2 К)).

Сравнение результатов опыта с расчётными значениями.

Расчётный коэффициент теплоотдачи ɑр (Вт/(м2 К)), при сложном теплообмене определяют как сумму конвективного (ɑк) и лучистого (ɑл) коэффициентов теплоотдачи:

.

Величину  (Вт/м2 К) находят с помощью критериальных уравнений с учётом расположения трубы в пространстве.

а) Горизонтальная труба (φ = 00).

В этом случае используется критериальное уравнение

,

где  - критерий Грасгофа;

 - критерий Прандтля;

 - критерий Нуссельта;

С, n - постоянные.

Значения постоянных С и n выбирают в зависимости от величины произведения × по таблице.

Критерий Грасгофа вычисляют по формуле:

,

где g = 9,81 - ускорение свободного падения (м/с2);

d - определяющий размер (диаметр трубы) (м);

= Тср - Тв - температурный напор при данном режиме (К);

Тср, Тв - средние абсолютные температуры поверхности трубы и воздуха (К);

 = 1/Tm - коэффициент объёмного расширения воздуха (1/К);

 - кинематический коэффициент вязкости воздуха (по таблице) (м2/с);

Tm=0,5(Тср+ Тв) - расчётная температура пограничного слоя (К);

(оС)

При tm = 41.75 (оС) получаем  = 17,13×10-6 (м2/с), следовательно:

Критерий Прандтля находят следующим образом:

,

где  - коэффициент температуропроводности (по таблице = 2,447×10-6 м2/с).

Так как ×=133437,005, то принимаем С = 0,540 и n = 0,250.

Найдём критерий Нуссельта:

Найдём значение конвективного коэффициента теплоотдачи:

,

где - коэффициент теплопроводности воздуха (по таблице = 2,768×10-2 Вт/(м К)).

 (Вт/(м2 К)).

Коэффициент лучистой теплоотдачи независимо от определяют по формуле:

,

где - степень черноты поверхности трубы. Для окисленной меди принять =0,57.

 (Вт/(м2 К))

Найдём расчётный коэффициент теплоотдачи:

 (Вт/(м2 К))

б) Вертикальная труба (φ=900) .

При tm = 41.75 (оС) получаем  = 2,783×10-2 (Вт/(м К));

= 2,485×10-6 (м2/с);

 = 17,34×10-6 (м2/с).

Расчёт  (Вт/(м2 К)) ведётся аналогично предыдущему случаю, однако при вычислении критерия Gr в качестве определяющего размера следует взять не диаметр, а длину трубы  (м)

Критерий Грасгофа:

.

Критерий Прандтля находят следующим образом:

Так как , то получаем ×=1×109. Следовательно принимаем

С = 0,135 и n = 0,333.

Найдём критерий Нуссельта:

Найдём значение конвективного коэффициента теплоотдачи:

 (Вт/(м2 К)).

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

Вт/(м2 К)

Найдём расчётный коэффициент теплоотдачи:

 (Вт/(м2 К))

в) Наклонная труба ().

При tm = 42.7 (оС) получаем  = 2,775×10-2 (Вт/(м К));

= 2,468×10-6 (м2/с);

 = 17,23×10-6 (м2/с).

При расчёте критерия Gr определяющим параметром в этом случае является диаметр трубы d (м).

Критерий Грасгофа:

,

.

Критерий Прандтля находят следующим образом:

Так как , то получаем ×=137279,05. Следовательно принимаем

С = 0,540 и n = 0,250.

В этом случае критериальное уравнение имеет вид:

,

Найдём значение конвективного коэффициента теплоотдачи:

 (Вт/(м2 К)).

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

 (Вт/(м2 К)).

Найдём расчётный коэффициент теплоотдачи:

 (Вт/(м2 К)).

Сравнение опытных и расчётных данных

Вывод: в процессе выполнения лабораторной работы мы исследовали частный случай конвективного теплообмена, называемый теплоотдачей, когда обмениваются теплотой поверхность твёрдого тела и текучая среда (воздух). Получили коэффициент теплоотдачи опытным и расчётным путём, выполнили их сравнение. При φ = 0 коэффициент теплоотдачи имеет наибольшее значение, т. к. пограничный слой имеет наименьшую толщину.