Включить электродвигатель и довести воду в кожухе до кипения. Затем включить вентилятор и с помощью реостата установить минимальный расход воздуха. Соответствующий перепад высот жидкости в дифференциальном манометре (D h) записать в таблицу 1. Далее через каждую минуту проводить запись температуры воздуха (tвых) на выходе из воздухопровода, вплоть до установления постоянного ее значения, т.е. до достижения стационарного режима теплообмена. Убедившись, что в течение некоторого промежутка времени (5 мин) tвых остается постоянной, увеличить расход воздуха и опыт повторить. Всего производится 4-6 опытов на трех произвольно выбранных расходах воздуха.
Таблица 1 - экспериментальные данные
| № опыта | D h, мм.вод.ст | Евх, mV | tвх, оС | Евых, mV | tвых, оС | t свободных концов термопары | |
| mV | оС | ||||||
| … |
Расчетная часть
С помощью опытных данных коэффициент теплопередачи может быть определен по формуле
, Вт/м2·К.
Величина теплового потока Q или количество тепла, передаваемое от греющей среды (воды) к воздуху (нагреваемой среде), определяется по формуле:
, Вт
где tвх – температура воздуха на входе в трубу (принимаем рав-
ной температуре окружающей среды), оС;
tвых – температура воздуха на выходе из трубы при стацио-
нарном режиме теплообмена при определенном расходе
воздуха, оС;
Ср – изобарная теплоемкость воздуха (для интервала темпе-
ратур от 0 до 100 оС Ср = 1300 Дж/м3·К);
V – расход воздуха, определяемый по перепаду давления на
диафрагме D h (мм.вод.ст) по формуле:
, м3/с.
Поверхность теплообмена F рассчитывается по формуле:
, м2,
где d 1 – внутренний диаметр трубки (d 1 = 19 мм);
l – длина омываемой водой трубки (l = 1000 мм).
Разность температур греющей и нагреваемой среды D t переменна по длине теплообменника. Среднее ее значение может быть определено по формуле:
, оС,
где D tвх и D tвых – соответственно разность температур воды и
воздуха на входе и выходе, оС:
,
где tв – температура воды, равная, согласно эксперименту, тем-
пературе кипения (tв = 100 оС);
tвх – температура воздуха на входе в трубу, оС;
tвых – температура воздуха на выходе из трубы, оС.
Рассчитав значение коэффициента теплопередачи k, по формуле (1.3) можно определить опытное значение коэффициента конвективной теплоотдачи в вынужденном потоке
, Вт/м2·К,
где a 1 – коэффициент теплоотдачи кипящей жидкости и поверх-
ности трубы (принимается равным 2326 Вт/м2·К);
lс – коэффициент теплопроводности стенки трубы, Вт/м·К
(для нержавеющей стали, из которой выполнена труба
lс = 17,4 Вт/м·К)
Толщина стенки трубы рассчитывается по формуле
, м.
Рассчитанное по опытным данным значение коэффициента теплоотдачи a 2 необходимо сравнить с теоретическим его значением, определяемым по уравнению подобия. При вынужденном движении, когда Re > 2300 и Pr ≈ 1 (для воздуха близок к 1), уравнение подобия конвективного теплообмена представляется в упрощенном, но достаточно точном для технических расчетов, виде
, (4.1)
откуда
, Вт/м2·К,
где l и n - соответственно коэффициенты теплопроводности и
кинематической вязкости воздуха (см. приложение
табл. 2)
по средней температуре 
.
Re – число Рейнольдса, определяемое по формуле:
,
w – средняя скорость движения воздуха 
, м/с;
f – площадь поперечного сечения трубы, м2.
Результаты расчетов по приведенным формулам для 4-6 опытов сводятся в таблицу 2.
По полученным данным строят графики зависимости
.
Таблица 2 - расчетные данные
| Определяемая величина | Размерность | Номер опыта | |||
| … | |||||
| D h | мм | ||||
| V | м3/с | ||||
| tвх | оС | ||||
| tвых | оС | ||||
| Q | Вт | ||||
| tср | оС | ||||
| D t | оС | ||||
| w | м/с | ||||
| Re | - | ||||
| Nu | - | ||||
| a 2 | Вт/м2×К | ||||
| a 2т | Вт/м2×К | ||||
| k | Вт/м2×К |
5 содержание отчета
Отчет должен быть оформлен в соответствии с ЕСКД и содержать следующие разделы:
1. Наименование работы, ее цель.
2. Схему экспериментальной установки и ее описание.
3. Таблицы 1-2.
4. один пример расчета коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи.
5. Графики .
6. Расчет погрешности.
7. Выводы.
6 контрольные вопросы
1. Назвать виды теплообмена, наблюдаемые во время эксперимента.
2. Записать уравнение теплопередачи через плоскую стенку.
3. Как определяется температурный напор в случае изменения температуры среды вдоль поверхности теплообмена?
4. Назвать основные числа подобия конвективного теплообмена.
5. Каково назначение приборов и аппаратов, входящих в экспериментальную установку?
6. Как определяется коэффициент теплопередачи и теплоотдачи по экспериментальным данным?
7. Какие факторы влияют на изменение коэффициента теплоотдачи при вынужденном движении среды?
8. Объясните способ определения вида степенной зависимости по экспериментальным данным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергия,1981 – 416 с.
2. Осипова В.А. Экспериментальные методы исследования теплообмена. – М.: Энергия, 1969 – с.
3. Хииш Л.И. Тепломассообмен. – Мариуполь.: ПГТУ, 2002 – 257 с.
Приложения
Таблица 1 – Таблица перевода термо-ЭДС в градусы
| mV | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | |
| 0,0 | 0,5 | 1,0 | 1,4 | 1,9 | 2,3 | 2,8 | 3,3 | 3,8 | 4,2 | |
| 4,7 | 5,1 | 5,5 | 5,9 | 6,3 | 6,8 | 7,2 | 7,6 | 8,0 | 8,4 | |
| 8,8 | 9,2 | 9,6 | 10,0 | 10,4 | 10,8 | 11,3 | 11,7 | 12,1 | 12,5 | |
| 12,9 | 13,3 | 13,7 | 14,0 | 14,4 | 14,8 | 15,2 | 15,6 | 15,9 | 16,3 | |
| 16,7 | 17,1 | 17,4 | 17,8 | 18,2 | 18,5 | 18,9 | 19,3 | 19,7 | 20,0 | |
| 20,4 | 20,8 | 21,2 | 21,5 | 21,9 | 22,3 | 22,7 | 23,0 | 23,4 | 23,8 | |
| 24,2 | 24,6 | 25,0 | 25,3 | 25,7 | 26,1 | 26,5 | 26,9 | 27,2 | 27,6 | |
| 28,0 | 28,4 | 28,7 | 29,1 | 29,5 | 29,9 | 30,2 | 30,5 | 30,8 | 31,1 | |
| 31,4 | 31,7 | 32,1 | 32,5 | 32,9 | 33,2 | 33,5 | 33,9 | 34,2 | 34,6 | |
| 34,9 | 35,2 | 35,5 | 35,9 | 36,3 | 36,7 | 37,1 | 37,4 | 37,7 | 38,1 | |
| 38,4 | 38,7 | 39,0 | 39,4 | 39,8 | 40,1 | 4,05 | 40,9 | 41,3 | 41,6 | |
| 42,0 | 42,3 | 42,6 | 43,0 | 43,3 | 43,7 | 44,0 | 44,4 | 44,8 | 45,1 | |
| 45,4 | 45,7 | 46,0 | 46,4 | 46,8 | 47,1 | 47,5 | 47,8 | 48,2 | 48,6 | |
| 49,0 | 49,4 | 49,7 | 50,0 | 50,4 | 50,7 | 51,0 | 51,4 | 51,8 | 52,2 | |
| 52,6 | 53,0 | 53,4 | 53,7 | 54,0 | 54,4 | 54,8 | 55,1 | 55,4 | 55,7 | |
| 56,0 | 56,3 | 56,7 | 57,0 | 57,4 | 57,8 | 58,1 | 58,5 | 58,9 | 59,2 | |
| 59,6 | 60,0 | 60,4 | 60,7 | 61,0 | 61,4 | 61,8 | 62,1 | 62,5 | 62,8 | |
| 63,1 | 63,4 | 63,7 | 64,1 | 64,5 | 64,8 | 65,2 | 65,6 | 65,9 | 66,3 | |
| 66,7 | 67,0 | 67,4 | 67,8 | 68,1 | 68,5 | 68,9 | 69,2 | 69,5 | 69,8 | |
| 70,1 | 70,4 | 70,7 | 71,1 | 71,4 | 71,7 | 72,1 | 72,4 | 72,8 | 73,2 | |
| 73,6 | 74,0 | 74,3 | 74,6 | 75,0 | 75,3 | 75,7 | 76,1 | 76,4 | 76,7 | |
| 77,1 | 77,4 | 77,7 | 78,1 | 78,4 | 78,8 | 79,2 | 79,6 | 80,0 | 80,4 | |
| 80,8 | 81,2 | 81,5 | 81,9 | 82,2 | 82,6 | 83,0 | 83,3 | 83,7 | 84,1 | |
| 84,5 | 84,9 | 85,3 | 85,6 | 85,9 | 86,3 | 86,7 | 87,1 | 87,4 | 87,8 | |
| 88,1 | 88,5 | 88,9 | 89,2 | 89,5 | 89,9 | 90,3 | 90,7 | 91,0 | 91,3 | |
| 91,6 | 91,9 | 92,3 | 92,7 | 93,0 | 93,4 | 93,8 | 94,1 | 94,5 | 94,9 | |
| 95,2 | 95,5 | 95,9 | 96,3 | 96,7 | 97,1 | 97,4 | 97,7 | 98,0 | 98,3 | |
| 98,6 | 98,9 | 99,3 | 99,7 |
Таблица 2 - Теплофизические свойства сухого воздуха
| t, оС | l .102, Вт/м·К | а .108 м2/с | n .106 м2/с | Рr |
| 2,51 | 20,0 | 14,16 | 0,705 | |
| 2,59 | 21,4 | 15,06 | 0,702 | |
| 2,67 | 22,9 | 16,00 | 0,701 | |
| 2,76 | 24,3 | 16,96 | 0,699 | |
| 2,83 | 25,7 | 17,95 | 0,698 | |
| 2,90 | 26,2 | 18,97 | 0,696 | |
| 2,96 | 28,6 | 20,02 | 0,694 | |
| 3,05 | 30,2 | 21,09 | 0,692 | |
| 3,13 | 31,9 | 22,10 | 0,690 | |
| 3,21 | 33,6 | 23,13 | 0,688 |