Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции

Определение коэффициента теплоотдачи при сложном теплообмене. Обмен теплотой поверхности твёрдого тела и текучей среды. Использование уравнения Ньютона–Рихмана при решении практических задач конвективного теплообмена. Стационарный тепловой режим.

Рубрика Физика и энергетика
Вид лабораторная работа
Язык русский
Дата добавления 29.04.2015
Размер файла 67,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

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

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


Подобные документы

  • Изучение понятия теплоотдачи, теплообмена между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Конвективный перенос теплоты. Анализ основного закона конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона-Рихмана. Получение критериев теплового подобия.

    презентация [189,7 K], добавлен 09.11.2014

  • Понятие конвективного теплообмена (теплоотдачи). Схема изменения температуры среды при конвективном теплообмене. Система уравнений, которая описывает конвективный перенос. Основной закон теплоотдачи, расчет ее коэффициента. Критерии теплового подобия.

    презентация [207,9 K], добавлен 28.09.2013

  • Определение массовой, объемной и мольной теплоемкость газовой смеси. Расчет конвективного коэффициента теплоотдачи и конвективного теплового потока от трубы к воздуху в гараже. Расчет по формуле Д.И. Менделеева низшей и высшей теплоты сгорания топлива.

    контрольная работа [117,3 K], добавлен 11.01.2015

  • Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей; естественной конвекции, изменении агрегатного состояния вещества. Движение жидкости около горизонтальной и вертикальной поверхности. Значения коэффициента теплоотдачи для разных случаев теплообмена.

    презентация [1,3 M], добавлен 24.06.2014

  • Описание процесса передачи тепла от нагретого твердого тела к газообразному теплоносителю. Определение конвективного коэффициента теплоотдачи экспериментальным методом и с помощью теории подобия. Определение чисел подобия Нуссельта, Грасгофа и Прандтля.

    реферат [87,8 K], добавлен 02.02.2012

  • Основной закон конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Критерий Нуссельта. Уравнение Фурье-Кирхгофа. Получение критериев подобия. Характеристика температурного поля и гидродинамические характеристики потока.

    презентация [209,4 K], добавлен 24.06.2014

  • Условия подобия процессов конвективного теплообмена. Безразмерное дифференциальное уравнение теплоотдачи. Приведение к безразмерному виду уравнения движения. Числа подобия Рейнольдса, Грасгофа, Эйлера. Общий вид решений конвективной теплоотдачи.

    презентация [155,3 K], добавлен 18.10.2013

  • Моделирование процессов конвективного теплообмена. "Вырождение" критериев подобия. Определение средней скорости жидкости в трубе. Теплоотдача при продольном обтекании горизонтальной поверхности. Изменение коэффициента теплоотдачи вдоль пластины.

    презентация [175,2 K], добавлен 18.10.2013

  • Основные понятия конвективного теплообмена: конвекция, коэффициент теплоотдачи, термическое сопротивление теплоотдачи, сущность процессов теплообмена. Циклонные топки для сжигания дробленого угля. Характеристики газообразного топлива, доменного газа.

    контрольная работа [122,9 K], добавлен 25.10.2009

  • Конвективный теплообмен - одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. Основные факторы, влияющие на процесс теплоотдачи. Свободная конвекция в неограниченном пространстве. Вынужденная конвекция. Уравнения конвективного теплообмена.

    реферат [14,5 K], добавлен 26.01.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.