Теплоотдача трубы при свободном движении воздуха

Цель работы – углубление знаний по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости или газа (природной конвекции), ознакомление с методикой экспериментального исследования процесса и получения навыков в проведении экспериментов.

В результате работы должны быть усвоены основные понятия конвективного теплообмена – коэффициент теплоотдачи, виды конвекции, факторы, которые влияют на процесс теплоотдачи.

Конвективным теплообменом (теплоотдачей) называется одновременный перенос теплоты теплопроводностью и конвекцией от поверхности твёрдого тела к жидкости или газу и наоборот, от жидкости или газа к поверхности твёрдого тела. Конвективный тепловой поток Q_к с поверхности твёрдого тела площадью F с температурой к жидкости или газу с температурой определяется по закону теплоотдачи (Ньютона-Рихмана)

(5.1)

где - коэффициент теплоотдачи (теплообмена) от стенки к жидкости или наоборот.

Конвекция может быть свободной и вынужденной. Свободным называется движение, которое возникает в результате разницы плотности нагретых и холодных частей жидкости. Такое движение всегда возникает около тела, если температура его отличается от температуры окружающей среды в гравитационном поле. Пусть, например, нагретая труба находится в воздухе. Тогда устанавливается неравномерное распределение температуры и свободное движение воздуха. При этом, естественно, теплота, принятая воздухом от трубы, переносится ним в окружающее пространство.

Количество перенесённой теплоты будет тем больше, чем больше разница плотностей, то есть разница температур нагретых и холодных слоёв воздуха. Итак, теплоотдача тела в первую очередь определяется разницей температур тела и окружающей среды . Кроме того, интенсивность теплоотдачи зависит также от формы, геометрических размеров, расположения поверхности в пространстве, физических особенностей среды (), режима движения и ряда других факторов. В данной работе надо установить влияние только температурного напора . Экспериментально коэффициент теплоотдачи определяется по закону теплоотдачи (Ньютона-Рихмана):

(5.2)

Итак, чтобы найти значение с уравнения (5.2), надо знать

Описание установки

Исследовательская установка рис.22 расположена в большой комнате с постоянной температурой. Объектом исследования является полированная стальная труба 7, помещённая горизонтально (d=14мм – внутренний диаметр; l = 845 мм – длина трубы) или вертикально (d=14мм – внутренний диаметр; l = 706 мм – длина трубы). В середине трубы находится электронагреватель 8. Энергия выделяется по длине трубы равномерно. Тепловой поток от трубы к воздуху в стационарном режиме определяют по показаниям ваттметра 9. Мощность, которую потребляет электронагреватель регулируют с помощью лабораторного автотрансформатора 10. Для измерения температуры стенки, которая отдаёт теплоту, на внешней поверхности труб кладут 6-7 медь-константановых термопар 6. Термопары расположены вдоль двух противоположных образующих цилиндра. Электроды термопар выведены к переключателю 5. Термопары имеют общий холодный спай, размещённый в пробирке с маслом 3. Масло имеет температуру окружающей среды. ЭДС термопар измеряют вольтметром 4. Измеренная в опытах ЭДС соответствует разнице температур:

(5.3)

Температуру воздуха измеряют на расстоянии от исследуемой трубы ртутным термометром.

1 – пробирка с маслом; 2 – холодный спай; 3 – ртутный термометр; 4 – вольтметр; 5 – переключатель; 6 – горячие спаи термопар; 7 – труба; 8 – нагреватель; 9 – ваттметр; 10 – автотрансформатор.