Исследование теплоотдачи в канале

Тема: «Конвективный теплообмен»

Цель работы:

- опытным путем выявить влияние начального участка канала на коэффициент теплоотдачи;

- ознакомиться с методом получения критериального уравнения для турбулентного течения воздуха в канале.

Содержание работы

Объектом исследования является канал постоянного сечения, предметом – характер изменения коэффициента теплоотдачи по длине канала при разных скоростях воздуха.

В процессе выполнения работы необходимо:

- экспериментально определить в канале кольцевого сечения значения коэффициента теплоотдачи от нагретой трубки к воздушному потоку в сечениях заделки термопар;

- при различных скоростях движения воздуха в канале, определить коэффициенты теплоотдачи в пятом сечении, на основании чего получить критериальное уравнение.

Устройство и принцип работы лабораторной установки

Схема лабораторной установки представлена на рис. 2.6. Воз-

дух из ресивера компрессора через вентиль 1 подается к редукто -

ру 3. Манометр 2 используются для контроля давления в системе.

Рис. 2.6

После редуктора воздух с незначительным избыточным давлением поступает через расходомер типа «ротаметр» 4 в канал кольцевого сечения, образованного наружной 6 и внутренней 7 трубками. Изнутри трубки 7 подводится теплота от электронагревательного элемента 8, использующего электрическую энергию постоянного тока. Степень нагрева трубки изменяется с помощью реостата11, потребляемая электрическая мощность подсчитывается по показаниям амперметра А и вольтметра V. Скорость движения воздуха в канале изменяется настройкой редуктора 3. Термопарами 5 измеряется температура стенки со стороны охлаждающего воздуха (t₁ … t₆) и температура воздуха на входе в канал t_вх и выходе из него t_вых. Регистрация сигнала термопар осуществляется при помощи переключателя 9 и милливольтметра mV. У термопар спай сравнения помещен в ванночку со льдом и водой 10.

На рис. 2.7 указаны геометрические размеры нагреваемой трубки и расстояние между термопарами.

Рис.2.7

Экспериментальная часть работы

Все операции выполняются под руководством преподавателя и с соблюдением мер безопасности.

Последовательность проведения эксперимента:

- открыть вентиль 1 и по манометру 2 определить давление воздуха в ресивере компрессора;

- плавно нагружая редуктор 3, подать воздух в канал (положение поплавка ротаметра 4 должно быть не более 3-4х делений шкалы);

- установить реостатом 11 напряжение для подвода к электронагревателюнагревателю 45 в ;

- подать ток на нагреватель, включив тумблер12;

- через 2-3 минуты (воздух на выходе из канала будет иметь температуру 40-50⁰С) редуктором увеличить объемную подачу воздуха в канал – поднять поплавок ротаметра до 95 делений шкалы;

- записать положение поплавка по шкале, показания температуры воздуха на входе в канал и на выходе из него, а также температуру поверхности стенки во всех сечениях при данном режиме обтекания трубки воздухом, показания амперметра и вольтметра;

Уменьшая подачу воздуха (меняя режим течения теплоносителя в канале), провести аналогичные замеры при положениях поплавка на 80, 65 и 50 делениях шкалы ротаметра.

Результаты экспериментов записать в табл. 2.4 и 2.5.

Расчетная часть работы

Исходными данными для расчета являются геометрические размеры канала. За определяющий размер принять эквивалентный диаметр. Для кольцевого сечения канала

= D – d .

За определяющую температуру принять температуру воздуха в сечениях заделки термопар. Ее значение несложно определить, если принять допущение о линейном изменении температуры воздуха по длине канала. Из табл. 5 Приложения по определяющей температуре выбрать значения теплофизических величин воздуха.

При неизменном напряжении во всех опытах плотность теплового потока будет одинаковой. Она вычисляется по формуле

= .

Рассчитать, недостающие для заполнения табл. 2.3 и 2.4, величины в такой последовательности:

- коэффициент теплоотдачи для каждого сечения:

= ;

- скорость движения воздуха по каналу:

с = ;

- критерий Рейнольдса:

Re= ;

- критерий Нуссельта:

Nu = .

Здесь: - объемный расход воздуха по каналу, м³/с;

d_экв – эквивалентный диаметр канала, м;

n – кинематическая вязкость воздуха при температуре в 5-м сечении, м²/с;

l– коэффициент теплопроводности воздуха в 5-м сечении, Вт/м ∙ К.

Т а б л и ц а 2.4

Влияние длины канала на коэффициент теплоотдачи

Т а б л и ц а 2.5

Влияние режима течения на процесс теплоотдачи

Параметр	Номер режима
I, a
U, в
, Вт/м2
t вх, оС
t вых, оС
t5 воз, оС
t5 ст., оС
a, Вт/м2 • К
n, делений ротаметра
, м3/с
c, м/с
n, м2/с
l, Вт/м ∙ К
Re
Nu
ln Re
ln Nu

На основании экспериментов получить критериальное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи в диапазоне опытных чисел Рейнольдса. Для этого результаты опытов необходимо обработать графоаналитическим методом. Поясним его сущность.

Пусть искомое уравнение имеет вид Nu = K . Линеаризуем его:

ln Nu = ln K +a ln Re .

На поле графика логарифмических координатах строим экспериментально полученную зависимость ln Nu от ln Re (рис. 2.8), считая ее линейной, хотя экспериментальные точки из-за погрешности из-

мерений не ложатся на прямую линию. Отмечаем на этой линии две произвольные точки с и d. Тогда значение показателя степени а в критериальном уравненении определяем как отношение

.

Коэффициент пропорцио-

Рис. 2.8 нальности К вычисляется

по значениям Re и Nu для любой точки линии dc, то есть

K = .

Содержание отчета

Отчет оформляется согласно требованиям п. 2.1.2 настоящего пособия. Кроме оформленного заголовка отчет должен содержать:

1. Схему и состав лабораторной установки.

2. Исходные данные.

3. Результаты измерений и вычислений в таблицах.

4. График зависимости a от длины канала;

5. Полученное критериальное уравнение;

6. Выводы.

Выводы по данной работе должны содержать объяснение зависимости a = f (l) и суждения о сходимости полученного критериального уравнения с известным уравнением Михеева.

Контрольные вопросы по теме лабораторной работы

1. Поясните, что понимается под теплоотдачей.

2. Запишите и проанализируйте основной закон теплоотдачи.

3. Раскройте физическую сущность коэффициента теплоотдачи и поясните факторы, влияющие на него.

4. Изложите сущность теории теплового подобия.

5. Что понимается под критериальным уравнением?

6. Напишите выражения и объясните сущность критериев теплового подобия.

7. Какие критерии относят к определяемым, а какие – к определяющим?

8. Поясните, как вычисляется коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции в прямых гладких каналах.

9. Поясните, как изменяется коэффициент теплоотдачи на начальном участке канала.

10. Как влияет кривизна канала на коэффициент теплоотдачи?

11. Для чего вводятся понятия "определяющий размер", "определяющая температура"?

12.Как вычисляется эквивалентный диаметр для каналов?

Лабораторная работа № 6