Исследование теплоотдачи поверхности горизонтальной трубы при естественной конвекции

Лабораторная работа № 4 «Исследование теплоотдачи поверхности горизонтальной трубы при естественной конвекции»

1.Цель работы: освоить метод экспериментального  определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении жидкости (естественной конвекции), методику обработки результатов эксперимента методом теории подобия; получить соответствующее критериальное уравнение, описывающее теплоотдачу горизонтальной трубы.

2.Экспериментальный стенд:

    Работа выполняется на установке, приведенной на рис.1.

   Основным элементом  установки является горизонтальная  трубка 1 диаметром d=4 мм и длиной l=170 мм, нагреваемая изнутри при помощи спирали электрическим током. Мощность электрического нагревателя, затраченная на нагрев трубки, регулируется регулятором напряжения 2 и измеряется по показаниям амперметра 3 и вольтметра 4:

                                     N=Q=I·U, Вт 

   Теплота, выделенная  электрическим нагревателем в 1 секунду (тепловой поток),  в установившемся  режиме передается с поверхности  горизонтальной трубки окружающему воздуху тепловым излучением и теплоотдачей

                                    N=Q=QЛ+QК,

зависящими от температуры поверхности трубки tс и tж .

ЛР. 260501.08.000 ПЗ

Лист

2

Изм.

Лист

№ докум

Подп.

Дата

Для измерения температуры поверхности на поверхности трубки зачеканена хромель-алюминевая термопара 6. Измерения этой температуры производятся по шкале температур автоматического многоточечного потенциометра 5. Температура окружающего воздуха принята равной температуре воздуха в лаборатории.

3. Порядок проведения  опыта.

1.Ознакамливаемся с экспериментальной  установкой, заготавливаем протокол  измерений.

2.Устанавливаем на нагревателе  трубки минимальное напряжение, равное 1/3 или ¼ от максимально  допустимого напряжения на нагревателе. Записать один раз показания вольтметра, амперметра и температуру воздуха в лаборатории. А температуру поверхности трубки последовательно записывать с интервалом 2 минуты до наступления стационарного режима, характеризуемого постоянством температуры поверхности трубки.

3.Повторить измерения пункта 2 на  нескольких больших значениях  напряжений на электрическом  нагревателе. Последнее значение  напряжения равно максимально  допустимому, указанному на стенде. Составляем таблицу данных.

Таблица 1.

4. Для дальнейших расчетов  коэффициентов теплоотдачи α, разности  температур 

Δt =tс - tж  берутся температуры поверхности трубки tс в установившемся стационарном режиме.

5.Коэффициент теплоотдачи  определяется из уравнения

,

где d, l – диаметр и длина трубки, м.

   Нагретая поверхность  трубки передает теплоту окружающему  воздуху конвективной теплоотдачей  и лучеиспусканием, поэтому тепло, передаваемое теплоотдачей, определяется из выражения

ЛР. 260501.08.000 ПЗ

Лист

3

Изм.

Лист

№ докум

Подп.

Дата

                                                   Qк=Q – Qл,

где Q=N – количество теплоты, выделенное в единицу времени нагревателем, определяется по формуле:

                                                  N=Q=I·U, Вт.

   Количество тепла, переданное трубкой в единицу  времени  посредством  теплового  излучения, равно:

                                                Qл=

где ε –степень черноты трубки, εБ=0,07;

      С0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, С0=5,67 Вт/м2·К4;

      dн =0,004 м; l = 0,17 м.

6. Строим график зависимости         α=f(Δt).

4.Обработка результатов опыта:

1.Δt =tс - tж

 Δt =(54+273)-(19+273)=35 К;

Qл=0,07·5,67 Вт;

 Q=I·U=0,19·5,5=1,045 Вт;

Qк= 1,045 – 0,035=1,01 Вт;

αк= .

2. Δt =tс - tж

 Δt =(76+273)-(19+273)=57 К;

Qл=0,07·5,67 Вт;

 Q=I·U=9,1·0,3=2,73 Вт;

Qк= 2,73 – 0,064=2,67 Вт;

αк= .

3. Δt =tс - tж

ЛР. 260501.08.000 ПЗ

Лист

4

Изм.

Лист

№ докум

Подп.

Дата

Δt =(108+273)-(19+273)= 89К;

 Qл=0,07·5,67 Вт;

 Q=I·U=12·0,4=4,8 Вт;

Qк= 4,8 – 0,117=4,683 Вт;

αк= .

График зависимости         α=f(Δt):

Вывод:

с ростом температурного набора коэффициент теплоотдачи увеличивается.

ЛР. 260501.08.000 ПЗ

Лист

5

Изм.

Лист

№ докум

Подп.

Дата