2-Цель работы (Лабораторная работа №10)

Цель работы: Задачей работы является углубление и закрепление знаний по теории кпнвективного теплообмена при свободном движении жидкости, ознакомление с методикой опытного исследования процесса и получение навыков в проведении эксперимента.

Общие сведения о процессе: Свободным называют движение жидкости (газ, капельная жидкость), возникающие под воздействием массовых (объемных) сил. Примером такого движения служит движение жидкости в гравитационном поле вследствие наличия разности ее плотностей в различных точках пространства. Если эта разность плотностей обусловлена разностью температур поверхности тела и жидкости в рассматриваемом объеме, то возникающий при этом конвективный теплообмен между телом и жидкостью называют теплоотдачей при свободной конвекции.

Характерной особенностью рассматриваемого явления является взаимосвязь процессов движенияи теплообмена. Увеличение градиентатемпературы ведет к увеличению градиента плотности жидкости, что в свою очередь определяет ее гравитационное движение. Скорость гравитационного движения непосредственно влияет на интенсивность конвективного теплообмена, характеризуемого коэффициентом теплоотдачи α, Вт.(м²К)

(1)

Основные факторы, определяющие интенсивность теплоотдачи: температурный напор, физические свойства жидкости, форма, размер и положение теплоотдающей поверхности в пространстве.

Анализ процесса теплоотдачи при свободной конвекции методом подобия показывает, что определяющими критериями подобия являются чтсла Грасгофа (Gr) и Прандтля (Pr), а расчетное уравнение для определения средних коэффицментов теплоотдачи горизонтальной трубы, полученное на основе теоретических и экспирементальных исследований, имеет вид

(2)

где

, , , - поправка, учитывающая переменность физических свойств жидкости; индекс ‹‹ж›› указывает на выбор физических свойств жидкости по температуре tж.

Постоянные c и n зависят от характера движения жидкости в пограничном слое. Около горизонтальных труб в широком интервале изменения Δt и d сохраняется ламинарное движение жидкости. При этом для расчета средних по периметру коэффициентов теплоотдачи рекомендуется следующая формула

(3)

Описание экспериментальной установки: В данной работе требуется опытным путем определить средний коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции капельной жидкости (воды) около горизонтальной трубы и его зависимость от температурного напора, сравнить результаты измерений с расчетным уравнением (3).

Объектом исследования является тонкостенная горизонтальная цилиндрическая труба, внутри которой помещен электрический стиральный нагреватель из нихромовой проволоки. Схема экспериментальной установки приведена на стенде. Нагреватель питается от сети переменного тока 220В через лабораторный автотрансформатор, позволяющий регулировать электрическую мощность.

Температура поверхности опытной трубы измеряется при помощи четырех дифференциальных термопар, горячие стали которых приварены по периметру среднего сечения с внутренней стороны. Электроды термопар протянуты внутри трубы и выведены к переключателю. Холодный спай (общий для всех термопар) термостатируется при температуре воды в емкости, в которую помещен измерительный участок. Постоянство температуры воды в емкости обеспечивается двумя холодильниками, подключенным к водопроводной сети. Таким образом, в описанной системе непосредственно регистрируется температурный напор, входящий в выражение (1).

Размеры теплоотдающей поверхности опытной трубы: длинна l=230 мм, диаметр d=30 мм.

Измерения и приборы: Для определения коэффициента на основе уравнения (1) необходимо измерить плотность потока qc и температурный напор Δt=tc-tж. Плотность теплового потока определяется электрической мощностью нагревателя, которая измеряется посредством узкопрофильных вольтметра и амперметра типа 3390 (класс точности 0,5). В электроизмерительной схеме установки прндусмотрены два амперметра, поочередно включаемые кнопкой на приборном щите. Последнее исключает работу в начале шкалы этих приборов, что повышает точность измерения силы тока в нагревателе. Термоэлектродвижуцая сила, мВ, дифференциальных термопар регистрируется цифровым вольтметром Щ1213 (класс точности 0,15), работающим в паре с преобразователем П1213 (класс точности 0,5), коэффициент усиления которого 1000. Температурный напор устанавливается по градуировочной таблице, приведенной в приложении.

Температура воды в рабочем объеме измеряется ртутным термометром.