Описание опытной установки

Лабораторная работа №2-ТМО

Тема: «ИЗУЧЕНИЕ СЛОЖНОГО ТЕПЛОООБМЕНА»

Цель работы – определить коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией и коэффициент теплоотдачи излучением.

Общие сведения

Различают три вида теплообмена: теплопроводность, конвективный, излучение. Эти виды теплообмена отличаются механизмом физических процессов переноса теплоты.

В денной работе исследуем конвективный теплообмен и теплообмен излучением.

Конвективным теплообменом называют процесс, обусловленный совместным действием конвективного и молекулярного переносов теплоты.

Теплообмен излучением представляет собой сложный процесс превращения внутренней энергии вещества в энергию излучения (энергию фотонов электромагнитных волн), распространения излучения в пространстве и поглощения веществом, которое оказалось на пути фотонов или электромагнитных волн.

В зависимости от условий и характера процесса конвективный теплообмен разделяют на теплообмен при свободной (естественной) конвекции и теплообмен при вынужденной конвекции. Свободная конвекция возникает при свободном движении жидкости, обусловленном внешними полями (гравитационным, магнитным, электрическим). При вынужденной конвекции жидкость перемещается под воздействием внешних побудителей (вентилятор, ветер и т.д.)

При расчетах конвективной теплоотдачи используют закон Ньютона-Рихмана:

(4.1)

где Q – тепловой поток; α – коэффициент теплоотдачи; t_о, t_ж – температура соответственно поверхности тела и окружающей жидкой или газообразной среды; F – площадь поверхности тела.

Основная задача теории теплообмена – установление закономерностей процессов обмена тепловой энергией (определение коэффициента α).

Коэффициент теплоотдачи α в общем случае является функцией формы и размеров тела, режима движения, скорости, температуры и физических параметров жидкости и других величин. Конвективный теплообмен – процесс весьма сложный и не всегда может быть описан аналитически. Поэтому многие задачи были решены экспериментально.

Академик М.А. Михеев обобщил результаты многочисленных экспериментальных измерений и для теплообмена при свободой конвекции в неограниченном пространстве предложил следующую зависимость:

, (4.2)

где – критерий Нуссельта; (α – коэффициент теплопроводности среды; L – характерный линейный размер); – критерий Грассгофа (β – коэффициент объемного расширения среды, g – ускорение свободного падения; l – характерный линейный размер; Dt – разность температур стенки и среды; V – коэффициент кинематической вязкости); Pr – критерий Прандтля. Значение констант с и n берут из табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Физические константы жидкости, входящие в уравнение (4.2), определяют по средней температуре пограничного слоя:

При расчетах теплообмена излучением используют закон Стефана-Больцмана:

(4.3)

где Е_о – излучательная способность абсолютно черного тела (Вт\м²); σ=5,67·10⁸–константа излучения абсолютно черного тела (Вт/(м²К⁴); Т(К) – абсолютная температура тела.

Применительно к технике закон Стефана-Больцмана записывают:

, (4.4)

где с_о= 5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела (Вт/(м²К⁴).

Для серых тел вводят понятие степени черноты поверхности:

, (4.5)

где с–коэффициент излучения серого тела.

С учетом (4.5) зависимость (4.4) для серых тел будет иметь вид:

, (4.6.)

Описание опытной установки

Излучение теплоотдачи при свободной конвекции проводят на опытной установке (рис. 4.1). Установка состоит из двух трубок 2 и 5, изготовленных из разно­го материала. Геометрические параметры трубок L₁ = L₂ = 1 м; d₁ = 21 мм; d₂ = 33 мм. Внутри каждой трубки имеется электронагреватель, режим работы которого задается ЛАТРом 3 (лабораторный автотрансформатор регулировочный). Параметры режима контролируются с помощью Барьер 80Д для каждой трубки отдельно. Для измерения температуры поверхностей трубок установлены термопары 4 (по три на каждой трубке). Горячие спаи термопар размещены на поверхности исследуемых трубок, холодные - в термостате 8, температура в кото­ром определяется термометром 9. С помощью переключателя 7 термопары подсоединяются к микровольтметру 6. Температура окружающего воздуха определяется термометром 1.

Порядок выполнения работы:

1.Включить установку и задать нужный режим (параметры замет преподаватель):

2. Периодически (через каждые 5 минут) контролировать температуру поверхностей трубок до наступления стационарного режима, т.е. режима, при котором температура не изменяется во времени.

3. Для стационарного режима снять показания амперметров и вольтметров, температуры поверхностей трубок, окружающего воздуха в термостате.

4. Опыты повторить 3-4 раза при новых значениях режимных параметров U,I. Результаты занести в табл. 5.2.

Таблица 5.2.