Ксенфонтов_Лабораторный практикум_РИКНУ (Ксенфонтов Лабораторный практикум РИКНУ)

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ«РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ»Под редакцией А.Г. КсенофонтоваМоскваИздательство МГТУ им. Н.Э. Баумана2011УДК 621.365:669.041ББК 31.292-5Л12Рецензент Н.М. АлександроваЛабораторный практикум по курсу «Расчет и конструироЛ12 рование нагревательных устройств» : метод. указания /А.Ю. Ампилогов, А.А. Горничев, В.И. Гришин, А.Г. Ксенофонтов, А.Е.

Хрулев. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,2011. – 45, [3] с. : ил.Лабораторный практикум знакомит студентов с современнымиметодами анализа распределения температур в низкотемпературныхшахтных электрических печах сопротивления. Рассмотрены вопросысложного теплообмена при нагреве и охлаждении твердых тел.Для студентов, обучающихся по специальности «Материаловедение (в машиностроении)».Рекомендовано Учебно-методической комиссией факультетаМТ МГТУ им. Н.Э. Баумана.УДК 621.365:669.041ББК 31.292-5 МГТУ им. Н.Э.

Баумана, 2011РАБОТА № 1. ИССЛЕДОВАНИЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ШАХТНОЙЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯПродолжительность работы – 4 чЦель работы – исследовать распределение температур в электропечи при естественной и вынужденной циркуляции воздуха;сравнить скорость и равномерность нагрева загрузки и в обоихслучаях определить коэффициент теплоотдачи конвекцией.1. Теоретическая частьНизкотемпературными являются печи с рабочей температуройдо 700 °С. В таких печах осуществляются процессы нагрева подтермическую обработку и обработку давлением цветных металлови сплавов и некоторые другие процессы. Низкотемпературные печи отличаются от средне- и высокотемпературных печей тем, чтоосновная доля теплоты передается нагреваемым изделиям путемконвекции [1–6].Тепловой поток (в Вт), передаваемый конвекцией, определяется по формуле Ньютона – РихманаQк   к tср  tст  Fк ,(1.1)где Fк – площадь поверхности конвективного теплообмена; tср –температура среды, отдающей теплоту; tст – температура стенки,получающей теплоту; αк – коэффициент теплоотдачи конвекцией.3Различают естественную (свободную) и вынужденную (принудительную) конвекцию.

Естественная конвекция вызвана градиентами температуры и плотности среды, а вынужденная конвекция –внешними механическими воздействиями на среду, например насосами, вентиляторами.При малых скоростях среды ее движение имеет ламинарныйхарактер, а при больших – турбулентный.Конвективный теплообмен описывается системой дифференциальных уравнений энергии Фурье – Кирхгофа и условиями однозначности. Аналитическое решение этих уравнений вызываетбольшие трудности, поэтому расчет конвективного теплообменабазируется на экспериментальных результатах.С помощью теории подобия из дифференциальных уравненийконвективного теплообмена получены числа подобия – комплексыфизических величин, входящих в уравнения и условия однозначности.Уравнения подобия, определяющие коэффициент αк, имеют видNu = f(Gr, Pe, Re),(1.2)где Nu – число Нуссельта;Nu Gr к l; срl 3 g t2(1.3);(1.4)Pe l;aср(1.5)Re l,(1.6)где l – определяющий размер (длина стенки, диаметр трубы и т.

п.), м;λс – теплопроводность среды, Вт/(м·К); Gr – число Грасгофа; β –температурный коэффициент объемного расширения среды, 1/К; g –ускорение свободного падения, м/с2; Δt = tср – tст; ν – кинематическая вязкость среды, м2/c; Pe – число Пекле; ω – скорость среды,4м/с; aс – температуропроводность среды, м2/с; Re – число Рейнольдса.Число Пекле может быть представлено в видеPe l  Re  Pr, aс(1.7)Pr   aс .(1.8)где Pr – число Прандтля,Тогда формула (1.2) может быть записана в видеNu = f(Gr, Pr, Re).(1.9)При естественной конвекции выражение (1.9) принимает видNu = f(Gr, Pr).(1.10)Для газов одинаковой атомности (например, для воздуха), гдеPr = idem, выражение (1.10) принимает видNu = f(Gr).(1.11)Число Прандтля для большинства газов незначительно изменяется с изменением давления и температуры, поэтому при расчетахможно пользоваться следующими данными:Атомность газа …………… 1Pr …………………………...

0,6720,7230,8041,00При вынужденной конвекции и турбулентном режиме движения среды уравнение (1.9) принимает видNu = (Re, Pr),(1.12)а для газов с одинаковым атомным числом – видNu = f(Rе).(1.13)5Определение коэффициента αк при естественной конвекции. Обработкой в числах подобия большого числа экспериментовполучены зависимости, позволяющие определить средние значения коэффициента теплоотдачи при свободном обтекании твердыхтел жидкими или газообразными средами.Тела с вертикальными цилиндрическими или плоскимиповерхностями. Ламинарное движение любой текучей средыосуществляется при 103 < (GrPr)ср < 109;Nuс = 0,76 (GrPr) 0,25(Prс/Prст)0,25,с(1.14)турбулентное движение – при (GrPr)с > 109;Nuс = 0,15 (GrPr)0,33(Prс/Prст)0,25.с(1.15)В формулах (1.14) и (1.15) в качестве определяющего размераберется высота поверхности h, а в качестве определяющей температуры, по которой выбираются физические параметры средыи вычисляются числа Grс и Prс, – температура среды вдали отстенки tс.Параметр (Рrс/Рrст)0,25 в формулах (1.14) и (1.15) учитываетнаправление теплопередачи от твердого тела к среде или наоборот и температурный перепад между стенкой и средой (для газов Prс/Prст = 1).Горизонтальные трубы, стержни, прутки проволоки в условиях свободного движения среды.

В этом случаеNuс = 0,5(GrPr) 0,25(Prс/Prст)0,25.с(1.16)За определяющий размер здесь берется диаметр d трубы,стержня или прутка.Замкнутые объемы, прослойки. В прослойках, заполненныхжидкостью или газом, при различных температурах стенок возникает циркуляция среды.Теплоотдача от более нагретой стенки к менее нагретой стенкезависит от свойств среды, заполняющей прослойку, температурысреды, разности температур стенок, формы и размеров замкнутогообъема, а также от взаимного расположения горячей и холоднойстенок.6В практических расчетах для определения потока Qк в прослойках применяется формула, описывающая теплопередачу теплопроводностью через плоскую однородную стенку:Qк =tст1  tст2,Sпр  экв(1.17)где tст1 и tст2 – температуры горячей и холодной стенок, °С; Sпр –толщина прослойки, м; λэкв = εк λс – эквивалентная теплопроводность прослойки, учитывающая перенос теплоты конвекцией итеплопроводностью, Вт/(м2·К); εк = f(Gr·Pr)c – поправочный коэффициент, отражающий влияние конвекции на теплопроводность; λс –теплопроводность среды при температуре tс; tс = (tст1 + tст2) / 2 –определяющая температура стенки.При (Gr·Pr)ср < 103 коэффициент εк = 1 и передача теплотыосуществляется только теплопроводностью.При 103 < (GrPr)ср < 106 коэффициентεк = 0,105 (GrPr) 0,3сp ;(1.18)при 106 < (GrPr)ср < 1010 коэффициентεк = 0,4 (GrPr) 0,2сp .(1.19)Формулы (1.18) и (1.19) применимы к прослойкам любых форм –к вертикальным, горизонтальным, плоским, кольцевым, сферическим и другим прослойкам.В качестве определяющего размера при вычислении числаГрасгофа берется толщина прослойки Sпр.Определение коэффициента αк при вынужденном движении среды.

В зависимости от конфигурации твердого тела, скорости и характера движения среды, а также физических свойств среды уравнения подобия теплообмена при вынужденном движениисреды различны.Ламинарное движение среды имеет место при Reс ≤ 2300. Дляпластин Reс ≈ 105.При обтекании пластины газами1/31/3Nuср = 0,67Pr 1/3с Pr с Re с .(1.20)7При движении среды в круглом прямом канале (в трубе) длиной l и диаметром D (для некруглых каналов принимается эквивалентный диаметр Dэкв = 4f/П, где f – площадь сечения; П – периметр сечения) и при PeсD/l >12Nuс = 1,61 (PeсрD/l)1/3;(1.21)Если PeсрD/l  12, тоNuс = 3,66.(1.22)При движении среды в плоской щели шириной δ, длиной l ипри Peсδ/l >70Nuс = 1,85 (Peс2δ /l)1/3.(1.23)Если Peсδ/l  70, тоNuс = 7,6.(1.24)Турбулентное течение (Re > 5000).

Для прямой трубы диаметром D и длиной l при l/D ≥ 50 и 0,6 < Pr < 1000,8Nuс = 0,023Pr 0,4с Re с .(1.25)Для кольцевой щели с определяющим размером δ′ = D2 – D10,80,25Nuс = 0,015Pr 0,4.с Re с (D2 – D1)(1.26)Для изогнутой трубы или змеевика (Re > 2300 + 10,5 d/R, где d –диаметр трубы; R – радиус скругления трубы)0,8Nuс = εR0,023Pr 0,4с Re с ,(1.27)где εR = 1 + 1,8 d/R.При обтекании пластины средой с Pr ≥ 0,5:0,8Nuс = 0,035Pr 1/3с Re с .При обтекании пластины воздухом8(1.28)Nuс = 0,032Re 0,8с ;(1.29)В случае поперечного обтекания одиночного стержняRe сm .Nuс = сPr 0,35с(1.30)Значения коэффициентов c и m выбираются в зависимости отформы сечения стержня (табл. 1.1).Таблица 1.1Форма сечения стержняКругКвадратПрямоугольникRecm0,1..4,04,0…50,0102…1035·103…5·1042,5·103…8·1035·103…1·1054·103…1,5·1040,9900,8600,6650,2200,1800,1040,2320,3050,4100,4700,6000,6990,6750,731При обтекании сферического тела в случаях 0,3  Re  3105 и0,6  Pr  8103Nuс = 2 + 0,03Re0,54Pr0,330,35Re0,58Pr0,356.(1.31)За определяющий размер принимается диаметр шара.

Если тело не сферическое, то принимается эквивалентный диаметрDэкв =36V,(1.32)где V – объем тела, м3.2. Описание экспериментальной установкиЭксперименты проводятся на установке, сконструированнойна базе лабораторной печи СШОЛ-1.1,6/12-М3. Мощность печи92,5 кВт, напряжение в сети переменного тока 220 В. Схема установки приведена на рис. 1.1. Температура кожуха (наружнойстенки) печи измеряется термопарой Т1. В рабочем пространстверасположено шесть термопар. С помощью термопар Т2–Т4 определяется перепад температур между внутренней стенкой печи исадкой. Термопары Т5–Т7 определяют распределение температурвнутри садки по вертикальной оси.Рис.

1.1. Схема экспериментальной установки (для работы № 1):1 – кожух; 2 – футеровка; 3 – керамический муфель; 4 – нагреватель; 5 – вентилятор; 6 – электродвигатель; 7 – крышка; 8 – садка (l = 100 мм, d = 50 мм)103. Содержание работы3.1. Экспериментальная частьОзнакомиться с конструкцией печи.Подготовить табл.