ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I»
(ФГБОУ ВО ПГУПС)
Кафедра «Электротехника и теплоэнергетика»
ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №6
«Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции
Воздуха»
| Выполнил: | студент гр. ЭТ-817 Быстров Н. И. |
| Принял: | Рыжова Е.Л. |
Санкт-Петербург
Лабораторная работа № 6.
Определение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции воздуха
Схема экспериментальной установки и методика измерений.
Экспериментальная установка рис.1. состоит из горизонтально расположенного отрезка медной тонкостенной трубы 3. На поверхности трубы по её длине расположены шесть термопар измеряющие температуры t1 - t6. Для уменьшения тепловых потерь на концах трубы находятся заглушки 6 из теплоизолирующего материала. Седьмая термопара измеряет температуру воздуха вблизи трубы t7.
Рис.1. Схема экспериментальной установки.
В центре трубы находится электрический нагреватель 5, подключённый через образцовый резистор R0 к источнику переменного напряжения 1 (далее ЛАТР). Напряжение на нагревателе Uн и падение напряжения U 0 на образцовом резисторе измеряется мультиметром.
Нагреватель 5 размещается в медном цилиндрическом термостате 4.
Все термопары подключены к электронному преобразователю ТРМ200. Установка необходимого напряжения на нагревателе и его регулирование производится на ЛАТРе поворотной ручкой 2.
Данные установки:
Внешний диаметр трубы-28 мм;
Длина трубы-420 мм;
Электрическое сопротивление образцового резистора-1 Ом
Порядок проведения эксперимента и расчеты
1. Подключить установку к сети 220в.
2. Включить измеритель температуры и мультиметр (переключатель прибора следует установить на измерение переменного напряжения).
3. Включить ЛАТР и установить напряжение на нагревателе примерно 100 В (показания контролировать по мультиметру).
4. При достижении температуры поверхности цилиндра 70-85 С уменьшить напряжение на нагревателе до 20-30В и выйти на стационарный режим, подождав некоторое время (показания температуры на термопаре в центре трубы не должны изменяться).
5. Снять показания термопар t1 …. t6.
6. Измерить падение напряжения на образцовом резисторе.
7. Повторить пункты 5-6, установив заданное преподавателем следующее значение напряжения на нагревателе. Полученные данные занести в таблицу 1.
Таблица 1. Результаты измерений.
| № | Показания термопар | U1,B | U2,B | Q, Bт | ||||||
| t1,°С | t2,°С | t3,°С | t4,°С | t5,°С | t6,°С | t7,°С | ||||
| 55.4 | 55.9 | 56.6 | 55.4 | 21.6 | 49.5 | 0.527 | 26.08 |
Общее количество теплоты Q, выделяемое нагревателем и отдаваемое трубой воздуху путем конвекции и излучения при работе установки в установившемся состоянии:
Q = Qк + Qл. (1)
Величина Q может быть определена по формуле:
Q = I *Uн= 0.527*49.5=26.08, Вт
где: I - ток идущий через нагреватель, А:
Количество теплоты, отдаваемое трубой путем излучения:
(2)
где: 
- степень черноты поверхности экспериментальной трубы, которая оценивается по специальным таблицам;
- коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, 
Тср - средняя температура поверхности трубы, К;
Твоз - температура окружающего воздуха, К;
F - площадь теплоотдающей поверхности трубы,м2.
Количество теплоты, отданное поверхностью трубы воздуху путем конвекции:
Qк = Q – Qл = 26.08-2.17 = 23.91 Вт (3)
Это же количество теплоты по закону Ньютона – Рихмана равно
(4)
Вт
где: 
- коэффициент теплоотдачи конвекцией, 
tср - средняя температура теплоотдающей поверхности трубы, °С;
tвоз - температура окружающего воздуха, °С.
Таким образом, на основании уравнения (4)
(5)
Определения теплоотдающей поверхности трубы,
F = π*d*𝑙 = 3.14*14*420 = 0.037 
Вывод
В лабораторной работе определили коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции воздуха 
4. Ответы на контрольные вопросы
1. Что понимают под конвекцией теплоты?
Вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоками самого вещества.
2. В чем заключается сущность конвективного теплообмена и метод решения с помощью теории подобия и критериев подобия?
Конвективный теплообмен, процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла — собственно конвективного переноса и теплопроводности.
Метод решения с помощью теории подобия заключается в нахождении условий, позволяющих без решения дифференциальных уравнений, описывающих процесс, переносить в количественном отношении результаты эксперимента, полученного в лабораторных условиях.
3. Что характеризует собой число Рейнольдса Re?
Характеризует смену режимов течения от ламинарного к турбулентному. Re является критерием подобия течения вязкой жидкости.
4. Укажите основной закон конвективного теплообмена (закон Ньютона-Рихмана)?
Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона-Рихмана, которая гласит, что количество теплоты, передаваемая конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела и окружающей среды.
5. Какие существуют частные случаи естественной и вынужденной конвекции и принципы определения коэффициента теплопередачи?
Свободной (естественной, плотностной) конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое неоднородностью плотности частиц жидкости (газа), находящихся в поле тяготения. Поэтому свободно конвективный перенос теплоты обусловлен перемещением частиц жидкости лишь в силу изменения их плотности, что, в свою очередь, обусловлено нагреванием или охлаждением ее или изменением концентрации (солености). Например, если воду в сосуде, находящуюся при температуре выше 4°С, охлаждать сверху, то в воде возникнет свободная конвекция, т. е. активный перенос частиц воды снизу вверх. Одновременно будет происходить перенос более охлажденных частиц в обратном направлении. В этом случае наблюдается нестационарная свободная конвекция. Увеличение плотности поверхностных слоев водоема может произойти также за счет увеличения мутности, обусловленной притоками, или осолонения при испарении.
Вынужденной конвекцией называется движение жидкости (газа), вызываемое воздействием внешних сил (ветер, насос и т.д.), а также однородного поля массовых сил в жидкости (уклон и т.д.). Таким образом, перенос теплоты вынужденной конвекцией обусловлен турбулентным перемешиванием водных или воздушных масс потока, а также связан с переносом теплоносителя. При вынужденной конвекции осуществляется перенос тепла, связанный, например, с течением водных и воздушных потоков, с ветровым перемешиванием и ветровым течением водных масс суши. В отличие от свободной конвекции при вынужденной конвекции происходит полярный перенос водных масс, а не молекулярный, т. е. перенос больших объемов жидкости.