ЛР №11 - Исследование конвективного теплообмена при вынужденном движении газов в трубах

Московский Государственный Вечерний

Металлургический Институт

(МГВМИ)

Лабораторная работа № 11

Тема: «Исследование конвективного теплообмена при вынужденном движении газов в трубах.»

Группа: МО - 97

Студент:

Преподаватель: Могилевский Е. И.

Москва 2000 г.

Введение.

Конвективный перенос тепла осуществляется движущимися макро объемами жидкости, газа, поэтому интенсивность теплообмена зависит от характера движения среды и ее физических свойств. В зависимости от сил, вызывающих движение газов, теплопередача конвекцией рассматривается при свободном и вынужденном движении. В первом случае движение газов происходит под действием внутренних сил, во втором под действием внешних сил.

Вынужденное движение газов по своему характеру может быть ламинарным (Re < 2000) и турбулентным (Re > 10⁴).

О
бласть Re = 2 ∙ 10³ – 10⁴ является переходной.

У
дельный тепловой поток конвекцией от какой либо поверхности к движущейся среде (газу) и наоборот обычно определяется по формуле:

Где: tn – средняя температура омываемой поверхности, ºС.

tср – средняя температура омывающей среды, ºС.

αк – коэффициент теплоотдачи конвекцией, который описывает в этом уравнении всю сложность процесса передачи тепла Вт/м² ∙К.

Величина αк не может быть рассчитана на основании теоретических зависимостей, ее определяют пользуясь экспериментальными данными, представлены в виде критериальных уравнений.

В результате большого кол-ва экспериментальных работ и последующей обработки данных на основе теории подобия для целого рода случаев теплопередачи конвекцией при вынужденном движении воздуха по трубе были получены следующие критериальные уравнения при ламинарном движении воздуха:

N₄ = 0,15R^0,33 ∙ Cr^0,1 (2)

При турбулентном движении воздуха:

N₄ = 0,18Re^0,8

В этих уравнениях N₄ – критерий Нуссельта и находится по формуле:

Критерий Грасгофа находится по формуле:

β = 1/273; g = 9,8 м/с².

α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией от стенки трубы к воздуху

( или на оборот);

λ – коэффициент теплопроводности движущегося в трубе воздуха

(определяется при средней температуре потока), Вт/м² ∙ К

υ – коэффициент кинематической вязкости воздуха при средней темпе-

ратуре потока м/с².

Δt – разность температур между слоями воздуха находящимися у стенки и центра. Δt = 30ºС

d – диаметр трубы по которым движется воздух d = 0,015м.

g – ускорение силы тяжести g = 9,8 м/с²

W_ср – скорость воздуха в трубе при средней температуре потока, м/с

t
_ср = средняя температура потока, ºС

Для переходного режима значения N₄ могут быть определены из графиков.

Определив значения N₄ можно найти α_к по формуле:

Цель работы:

Определение расчетным и опытным путем зависимости α_к при вынужденном движении воздуха, а так же сравнение расчетных и экспериментальных данных.

Описание работы.

Установка представляет собой горизонтальную трубу с внутренним диаметром d = 0,015м, длиной l = 0,8м, с толщиной стенок

g_ст = 0,008м, помещенную в печь типа СУОЛ, температура которой поддерживается постоянной при помощи регулятора (Р). Через трубу подается воздух, расход которого измеряется ротолетром (Рт). Температура печи измеряется термопарой, сигнал с которой поступает на милливольтметр, установленный на печи. Температура воздуха на входе и выходе, а так же температура стенок трубы измеряется хромель-алюмелевыми термопарами подключенными через шаговый искатель (переключатель) к милливольтметру (МВ), установленному на пульте управления.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. МВ – милливольтметр, ШИ – шаговый искатель, И – индикаторная лампа, Р – регулятор, З_g – задатчик, П – преобразователь, Рт – ротаметр, В – вентиль.

Расчетная часть.

При расчете определяется кол-во тепла, получаемое воздухом, от нагретой трубы в результате теплообмена конвекцией.

Q = V_возд (С_вых ∙ t_вых – С_вх ∙ t_вх), Вт (4)

Где: V_возд – расход воздуха, м³/с

С_вых , С_вх – теплоемкость воздуха, принимаемая равной

Дж/м³ ∙ К; 1,32 ∙ 10³ Вт/м² ∙ К

t_вых, t_вх – температура воздуха соответственно на выходе и входе трубы, ºС.

Интенсивность теплоотдачи от печи к воздуховоду определяется коэффициентом теплопередачи (К), который находят из уравнения:

Где: F_тр – теплопередающая поверхность трубы; F_тр = 0,038 м².

t_n – температура печи;

Δt_лог – средняя логарифмическая разность температур воздуха и печи, ºС.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от внутренней стенки трубы к воздуху α_к определяется из соотношения:

Где: α₁ – коэффициент теплоотдачи от печи к наружно стенке трубы (м. т. примет равным 2330);

ρ_ст – толщина стенки трубы, равная 0,008;

λ_ст – коэффициент теплопроводности материала из которого изготовлена труба; равный 40,8 Вт/м ∙ К

1. Определяем коэффициент теплоотдачи для 1 серии:

Q = V_возд (C_вых ∙ t_вых - C_вх ∙ t_вх) = 0,00083 ∙ 1,32 ∙ 10³ (190 – 20) = 186 Вт.

1. Q = 0,00139 ∙ 1,32 ∙ 10³ (193 – 20) = 317Вт

1. Q = 0,0017 (196 – 20) 1,32 ∙ 10³ = 395Вт

Расчетная часть.

т
. к. известны значения Re и Cr, по графику определяем N_u; N_u = 9. Зная значение N_{u ,} можно найти значение α_к.

при t_ср = 190 + 20 / 2 = 105º_.

2. Cr = 0,6 ∙ 10⁴

ρ = 1,77 ∙ 10^-4м²

По графику находим значение N_u; N_u = 17.

3. Cr = 0,6 ∙ 10⁴

ρ = 1,77 ∙ 10^-4м²

Из графика находим значение N_u; N_u = 19.

Зависимость коэффициента теплоотдачи конвекцией (α_к) от скорости воздуха.

4 5 6 7 8 9

Скорость воздуха.