Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Лабораторная работа №2

по дисциплине «Тепломассообмен»

по теме «Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции»

Ульяновск

Цель работы: углубление знаний в области конвективного теплообмена, который возможен только в текучеё среде (жидкости, газе). В процессе выполнения лабораторной работы исследуется частный случай конвективного теплообмена, называемый теплоотдачей, когда обмениваются теплотой поверхность твёрдого тела и текучая среда (воздух). Отсюда и название определяемого коэффициента - коэффициент теплоотдачи.

Методика. При решении практических задач конвективного теплообмена используется уравнение Ньютона-Рихмана, которое для стационарного процесса записывается в виде:

(Вт),

где - тепловой поток, передаваемый от поверхности тела (трубы) воздуху (Вт);

- коэффициент теплоотдачи (Вт/(м2 К));

- температура поверхности трубы (К);

- температура жидкости (воздуха) (К);

- площадь поверхности трубы (м2).

Выражаем:

.

Как видно для определения коэффициента теплоотдачи необходимо произвести измерения:

- количества теплоты, передаваемой в единицу времени (теплового потока) (Вт). При стационарном (установившемся) тепловом режиме равен мощности электронагревателя W (Вт).

- температуры теплоотдающей поверхности тела (трубы) (К), и омывающей среды (воздуха) (К).

- площади теплоотдающей поверхности (м2).

теплоотдача поверхность конвективный теплообмен

Протокол опытных данных

ц	U	Температура поверхности труба, оС	Температура поверхности теплоизоляторов, оС	tв
град.	В	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	tср	11	12	tu	оС
0 60 90	18,8 17,9 16,8	62,3 66,1 68,4	62,3 66,1 68,4	62,3 66,1 68,4	63,8 65,1 67,8	63,8 65,1 68,3	64,2 66,1 67,8	64,2 65,0 66,1	63,9 65,0 67,8	63,9 65,0 67,3	63,9 64,2 66,2	63,5 65,4 67,7	19,1 19,9 25,3	19,8 19,1 19,9	19,45 19,50 22,60	20 20 20

Расчёты

1. Определяем мощность нагревателя W, которая при стационарном тепловом режиме равна тепловому потоку , отдаваемому нагретой трубой окружающей среде:

,

где U - напряжение на нагревателе (В);

Rн - сопротивление нагревателя (Ом) (Rн =24,1 Ом).

1 опыт (Вт);

2 опыт (Вт);

3 опыт (Вт).

Находим среднюю температуру поверхности трубы tcр (оС):

,

1 опыт:

(оС);

2 опыт:

(оС)

3 опыт:

(оС)

Определяем тепловой поток Qпот (Вт) в местах крепления трубы:

,

где qпот - удельный тепловой поток (Вт/м2);

Fзад - поверхность конца трубы в месте заделки в теплоизолятор (м2);

tu = 0.5 (t11+t12) - средняя температура поверхности изоляторов (оС);

, - соответственно толщина воздушной прослойки и средняя толщина изолятора в месте заделки трубы (м);

, - соответственно коэффициенты теплопроводности воздуха и материала теплоизоляторов (Вт/м К).

Для конкретной установки и средних условий эксперимента на ней (Fзад=8,47Ч10-4 м2; дu = 0.011 м; дв = 0,001 м; лв = 0.031 Вт/(м К) лu = 0,3 Вт/(м К)) получаем:

,

1 опыт:

(Вт);

2 опыт:

(Вт);

3 опыт:

(Вт).

Подсчитываем опытное значение коэффициента теплоотдачи ?оп (Вт/(м2 К)):

,

где - величина теплоотдающей поверхности трубы (м2).

1 опыт:

(Вт/(м2 К));

2 опыт:

(Вт/(м2 К));

3 опыт:

(Вт/(м2 К)).

Сравнение результатов опыта с расчётными значениями.

Расчётный коэффициент теплоотдачи ?р (Вт/(м2 К)), при сложном теплообмене определяют как сумму конвективного (?к) и лучистого (?л) коэффициентов теплоотдачи:

.

Величину (Вт/м2 К) находят с помощью критериальных уравнений с учётом расположения трубы в пространстве.

а) Горизонтальная труба (ц = 00).

В этом случае используется критериальное уравнение

,

где - критерий Грасгофа;

- критерий Прандтля;

- критерий Нуссельта;

С, n - постоянные.

Значения постоянных С и n выбирают в зависимости от величины произведения Ч по таблице.

Критерий Грасгофа вычисляют по формуле:

,

где g = 9,81 - ускорение свободного падения (м/с2);

d - определяющий размер (диаметр трубы) (м);

= Тср - Тв - температурный напор при данном режиме (К);

Тср, Тв - средние абсолютные температуры поверхности трубы и воздуха (К);

= 1/Tm - коэффициент объёмного расширения воздуха (1/К);

- кинематический коэффициент вязкости воздуха (по таблице) (м2/с);

Tm=0,5(Тср+ Тв) - расчётная температура пограничного слоя (К);

(оС)

При tm = 41.75 (оС) получаем = 17,13Ч10-6 (м2/с), следовательно:

Критерий Прандтля находят следующим образом:

,

где - коэффициент температуропроводности (по таблице = 2,447Ч10-6 м2/с).

Так как Ч=133437,005, то принимаем С = 0,540 и n = 0,250.

Найдём критерий Нуссельта:

Найдём значение конвективного коэффициента теплоотдачи:

,

где - коэффициент теплопроводности воздуха (по таблице = 2,768Ч10-2 Вт/(м К)).

(Вт/(м2 К)).

Коэффициент лучистой теплоотдачи независимо от определяют по формуле:

,

где - степень черноты поверхности трубы. Для окисленной меди принять =0,57.

(Вт/(м2 К))

Найдём расчётный коэффициент теплоотдачи:

(Вт/(м2 К))

б) Вертикальная труба (ц=900) .

При tm = 41.75 (оС) получаем = 2,783Ч10-2 (Вт/(м К));

= 2,485Ч10-6 (м2/с);

= 17,34Ч10-6 (м2/с).

Расчёт (Вт/(м2 К)) ведётся аналогично предыдущему случаю, однако при вычислении критерия Gr в качестве определяющего размера следует взять не диаметр, а длину трубы (м)

Критерий Грасгофа:

.

Критерий Прандтля находят следующим образом:

Так как , то получаем Ч=1Ч109. Следовательно принимаем

С = 0,135 и n = 0,333.

Найдём критерий Нуссельта:

Найдём значение конвективного коэффициента теплоотдачи:

(Вт/(м2 К)).

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

Вт/(м2 К)

Найдём расчётный коэффициент теплоотдачи:

(Вт/(м2 К))

в) Наклонная труба ().

При tm = 42.7 (оС) получаем = 2,775Ч10-2 (Вт/(м К));

= 2,468Ч10-6 (м2/с);

= 17,23Ч10-6 (м2/с).

При расчёте критерия Gr определяющим параметром в этом случае является диаметр трубы d (м).

Критерий Грасгофа:

,

.

Критерий Прандтля находят следующим образом:

Так как , то получаем Ч=137279,05. Следовательно принимаем

С = 0,540 и n = 0,250.

В этом случае критериальное уравнение имеет вид:

,

Найдём значение конвективного коэффициента теплоотдачи:

(Вт/(м2 К)).

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

(Вт/(м2 К)).

Найдём расчётный коэффициент теплоотдачи:

(Вт/(м2 К)).

Сравнение опытных и расчётных данных

№ п/п	ц, град.	Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К)	Расхождение, %
		Опытный,	Расчётный,
1	0	19,53	21,90	12,1
2	90	13,89	16.51	18.9
3	60	11,12	12,39	11,4

Вывод: в процессе выполнения лабораторной работы мы исследовали частный случай конвективного теплообмена, называемый теплоотдачей, когда обмениваются теплотой поверхность твёрдого тела и текучая среда (воздух). Получили коэффициент теплоотдачи опытным и расчётным путём, выполнили их сравнение. При ц = 0 коэффициент теплоотдачи имеет наибольшее значение, т. к. пограничный слой имеет наименьшую толщину.

Размещено на Allbest.ru