Учебная работа. Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции

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

φ UТемпература поверхности труба, оСТемпература поверхности теплоизоляторов, оС tвград.В12345678910tср1112tuоС0 60 9018,8 17,9 16,862,3 66,1 68,462,3 66,1 68,462,3 66,1 68,463,8 65,1 67,863,8 65,1 68,364,2 66,1 67,864,2 65,0 66,163,9 65,0 67,863,9 65,0 67,363,9 64,2 66,263,5 65,4 67,719,1 19,9 25,319,8 19,1 19,919,45 19,50 22,6020 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).

опыт (Вт);

опыт (Вт);

опыт (Вт).

Находим среднюю температуру поверхности трубы tcр (оС):

,

опыт:

(оС);

опыт:

(оС)

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=8,47×10-4 м2; δu = 0.011 м; δв = 0,001 м; λв = 0.031 Вт/(м К) λu = 0,3 Вт/(м К)) получаем:

,

1 опыт:

(Вт);

опыт:

(Вт);

опыт:

(Вт).

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

,

где — величина теплоотдающей поверхности трубы (м2).

опыт:

(Вт/(м2 К));

опыт:

(Вт/(м2 К));

опыт:

(Вт/(м2 К)).

сравнение результатов опыта с расчётными значениями.

Расчётный коэффициент теплоотдачи ɑр (Вт/(м2 К)), при сложном теплообмене определяют как сумму конвективного (ɑк) и лучистого (ɑл) коэффициентов теплоотдачи:

.

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

а) Горизонтальная труба (φ = 00).

,

где — критерий Грасгофа;

— критерий Прандтля;

— критерий Нуссельта;

С, n — постоянные.

Значения постоянных С и n выбирают в зависимости от величины произведения × 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 = 17,13×10-6 (м2/с), следовательно:

Критерий Прандтля находят следующим образом:

,

где — коэффициент температуропроводности (по таблице = 2,447×10-6 м2/с).

Так как ×=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 = 2,768×10-2 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 (φ=900) .

При tm = 41.75 (оС) получаем = 2,783×10-2 (Вт/(м К));

= 2,485×10-6 (м2/с);

= 17,34×10-6 (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 ×=1×109. следовательно принимаем

С = 0,135 и n = 0,333.

Найдём критерий Нуссельта:

Найдём (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 = 2,775×10-2 (Вт/(м К));

= 2,468×10-6 (м2/с);

= 17,23×10-6 (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 ×=137279,05. следовательно принимаем

С = 0,540 и n = 0,250.

В этом случае критериальное уравнение имеет вид:

,

Найдём (Вт/(м2 К)).

Коэффициент лучистой теплоотдачи:

(Вт/(м2 К)).

Найдём расчётный коэффициент теплоотдачи:

(Вт/(м2 К)).

сравнение опытных и расчётных данных

№ п/пφ, град.Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К)Расхождение, %опытный, Расчётный, 1019,5321,9012,129013,8916.5118.936011,1212,3911,4

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 путем, выполнили их сравнение. При φ = 0 коэффициент теплоотдачи имеет наибольшее

Учебная работа. Исследование теплоотдачи от нагретой трубы к воздуху в условиях свободной конвекции