Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Лысьвенский филиал
(ЛФ ПНИПУ)
Кафедра Естественнонаучных дисциплин
Теплофизика. Теплотехника
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Для всех специальностей и направлений обучения
Лысьва, 2015г.
Составитель: ст. преподаватель А.Н.Селиванов, ЛФ ПНИПУ, 2015г. 19 с.
Данные методические указания содержат краткие теоретические сведения и порядок выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Теплофизика» и «Теплотехника».
Предназначены для выполнения лабораторного практикума студентами очной, очно-заочной и заочной форм обучения. Студенты всех форм обучения выполняют лабораторные работы в пределах учебной нагрузки.
Методические указания составлены на основе методических указаний:
Теоретические основы теплотехники: Метод. указания по лабораторных работ / Сост. К.С.Калягин, Е.И.Вахрамеев, И.П.Лошманов, М.А. Ошивалов, Ю.А.Селянинов, Т.А.Ульрих; Перм.гос.техн.ун-т. Пермь, 2004. 47 с.
Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры Естественнонаучных дисциплин ЛФ ПНИПУ «16 » 01 2013 г., протокол № 17.
Зав. кафедрой ЕН доцент А.В. Волков
Содержание
Методические указания по выполнению лабораторных работ. 4
Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА.. 5
Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА.. 12
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. 19
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Лабораторные работы являются практической частью курса изучения дисциплины «Теплотехника». В данный лабораторный практикум включены краткие сведения по теории и порядок выполнения лабораторных работ.
Цели лабораторного практикума:
1. Закрепление, углубление и конкретизация знаний, полученных студентами на лекциях и при самостоятельной работе с учебными пособиями;
2. Знакомство с оборудованием и приборами, используемыми при определении основных теплофизических и теплотехнических величин;
3. Приобретение практических навыков проведения типовых теплотехнических измерений и расчетов.
Лабораторные работы по данной дисциплине в ЛФ ПНИПУ выполняются на базе лаборатории физики с использованием приборов и оборудования, перечисленных в лабораторном практикуме.
Работы выполняются бригадами по 2-3 человека после прослушивания курса лекций. Приступая к выполнению лабораторных работ, студент должен изучить основные положения теории к данной работе, описание работы из методического пособия, подготовить таблицы для оформления результатов измерений.
Лабораторные работы выполняются в соответствии с порядком выполнения каждой работы, описанном в методических указаниях.
После выполнения каждой работы каждым студентом оформляется отчет, который подлежит защите. Зачет по всем работам, предусмотренным программой, является одним из необходимых условий для допуска к сдаче зачета по дисциплине.
Отчеты к лабораторным работам оформляются на листах формата А4 либо в ученических тетрадях в клетку каждым студентом в отдельности четким почерком. На титульном листе к работе указывается наименование предмета, фамилия, имя студента и номер группы.
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
- название и цель выполняемой работы;
- перечень оборудования и материалов;
- таблицы и графики, отображающие результаты проводимых измерений;
- расчётную часть;
- выводы и заключения по результатам выполнения работы;
- ответы на контрольные вопросы и дополнительные задания, по указанию преподавателя.
Рисунки и графики помещаются по тексту в соответствующих местах или на отдельных листах и выполняются в удобном для чтения масштабе. Расчетные формулы записываются сначала в буквенном виде, а затем подставляются числовые значения. Принятые обозначения должны быть пояснены и выдерживаются от начала до конца текста. Работа должна быть датирована и подписана студентом.
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ
ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА
Цель работы:
1. Провести теплотехнические измерения для определения коэффициента теплоотдачи горизонтальной трубы при свободном движении воздуха для одного или нескольких режимов нагрева (количество режимов задаётся преподавателем).
2. Обобщить результаты эксперимента с использованием теории подобия.
Оборудование и материалы: лабораторная установка для изучения конвективной теплоотдачи
Теоретические сведения
Основной задачей теории конвективного теплообмена является определение коэффициента теплоотдачи. Величина теплового потока при конвективном теплообмене определяется формулой Ньютона:
Q к = a·D t · А,(1.1)
где Q к – конвективная составляющая теплового потока, Вт;
a – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2×К);
А - площадь теплоотдающей поверхности, м2;
D t = t ст– t cр– температурный напор, °С;
t ст – средняя температура поверхности тела, °С;
t ср – температура теплоносителя (окружающей среды), °С.
Теория конвективного теплообмена позволяет определить коэффициенты теплоотдачи для подобных случаев теплообмена путем обобщения экспериментальных данных. Для этого применяются критериальные числа подобия:
· критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность конвективного теплообмена
, (1.2)
где l – коэффициент теплопроводности окружающей среды, Вт/(м×К);
d – характерный геометрический размер теплоотдающей поверхности,
который для горизонтально расположенной трубы принимается равным наружному диаметру (d = d), (м);
а для вертикально расположенной ее длине (d = l), м;
· критерий Грасгофа, характеризующий интенсивность и режим свободного движения
, (1.3)
где g – ускорение свободного падения, м/с2;
b – коэффициент объемного расширения, который для газов может быть определен из закона Гей–Люссака в виде
b = 1 /(t cр+273),K -1;
n – кинематическая вязкость окружающей среды, м2/с;
· критерий Прандтля, характеризующий соотношение механических (вязкостных) и тепловых свойства теплоносителя
Pr = n / а, (1.4)
где а – коэффициент температуропроводности окружающей среды, м2/с.
Применение теории подобия позволяет обобщить результаты экспериментальных исследований теплоотдачи в виде критериальных уравнений для
конкретного класса явлений. Критериальные уравнения подобия теплоотдачи устанавливают зависимость критерия Нуссельта от определяющих критериев (Pr, Gr). Как правило, эти уравнения представляются в виде степенных функций. В условиях свободной конвекции критериальное уравнение имеет вид:
(1.5)
Эмпирические коэффициенты c и n, входящие в уравнение (5), определяются путем статистической обработки многочисленных экспериментальных данных.
Для теплоотдачи с поверхности горизонтальной трубы при свободной конвекции в диапазоне величин 5×102 < Gr×Pr < 2×107 эти коэффициенты имеют постоянные значения:
c = 0,5; n = 0,25,
а критериальное уравнение теплоотдачи принимает следующий вид:
. (1.6)
Опыт показывает, что при температурном перепаде ³ 1°С для горизонтальных труб и цилиндров уже выполняется условие 5×102 < Gr×Pr, поэтому режим обтекания воздухом нагретой трубы всегда турбулентный и при расчетах нужно использовать уравнение (1.6).
Для вертикальных труб за характерный геометрический размер принимается высота трубы, а вид критериального уравнения определяется интенсивностью свободного движения:
– ламинарный режим (10 3 < Gr× Pr < 10 9), c = 0,76; n = 0,25;
; (1.7)
– турбулентный режим (Gr× Pr > 10 9) c = 0,15; n = 0,33;
(1.8)
Для данной лабораторной установки смена режимов обтекания трубы воздухом, при её вертикальном расположении происходит при мощности нагревателя ~10¸12 Вт, что соответствует температурному перепаду ~15¸20 °С.
Практическое использование эмпирических уравнений подобия заключается в нахождении коэффициентов теплоотдачи по значению Nu, вычисленному из критериального уравнения для данного класса явлений.
Лабораторная установка
Теплоотдающей поверхностью в опытах по определению коэффициента теплоотдачи конвективного теплообмена служит поверхность металлической трубы (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Схема установки
Внутри трубы, установленной на стойках, находится электрический нагреватель, мощность которого регулируется автотрансформатором и измеряется ваттметром. Мощность нагревателя W в условиях стационарного теплового режима равна полному тепловому потоку Q полн с поверхности нагретой трубы в окружающую среду.
Теплотехнические измерения на данной лабораторной установке включают в себя измерения тепловых потоков и температур. Для определения температуры стенки трубы на ее наружной поверхности закреплены измерительные спаи восьми хромель-копелевых термопар. Выходы термопар подключены к прибору ОВЕН УКТ38-Щ4, который осуществляет измерение температуры и через адаптер АС2 передает данные на компьютер.