3 Определение коэффициента теплоотдачи при свободной

9. Произвести расчет коэффициента теплоотдачи по зависимости (5) для
условий опыта и сравнить результат со значением, полученным в опыте.
Физические свойства воздуха взять из справочника при температуре окружающей среды.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Название работы.
Цель работы с приведением необходимых формул.
Схема опытной установки.
Таблица экспериментальных данных.
График зависимости ln   f  .
Расчет и значение темпа охлаждения.
Расчет коэффициента теплоотдачи, проведенный по формуле (3).
Расчет коэффициента теплоотдачи, проведенный по формуле (5).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Почему в жидкости возникает свободная конвекция?
2. От каких факторов зависит теплоотдача при свободной конвекции?
3. Какие числа подобия являются определяющими для теплообмена в условиях свободной конвекции?
4. В какое число подобия входит искомый коэффициент теплоотдачи?
5. Какой режим движения жидкости в пограничном слое соответствует условиям проведения опыта?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. 4-е изд.
М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.
2. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. 2-е изд. М.: Энергия, 1960. 392 с.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы - углубление знаний по теории нестационарной теплопроводности, теории конвективного теплообмена при свободной конвекции, а также получение навыков в проведении теплофизических экспериментов, обработке и
обобщении результатов опытов.
К лабораторной работе можно приступать после проработки следующего теоретического материала 1, с.74-86, 101-107, 201-210.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Свободная конвекция наблюдается у нагретых стен печей, трубопроводов, у
батарей центрального отопления, в холодильниках и т.д. Свободное движение , или
свободный конвективный теплообмен, возникает в жидкости (газе) за счет массовых (гравитационных) сил в связи с изменением плотности жидкости от нагревания.
Если тело имеет более высокую температуру, чем окружающая среда, то слои жидкости, нагреваясь от тела, становятся легче и под действием возникающей подъемной силы поднимаются вверх, а на их место из окружающего пространства поступают более холодные слоя. Так происходит свободное движение.
Как показывает опыт, теплоотдача при свободной конвекции зависит, в основном, от режима движения жидкости в пограничном слое, ее физических свойств, а
также от геометрических размеров, формы и расположения тела в пространстве.
Одним из методов определения коэффициента теплоотдачи как при свободной,
так и при вынужденной конвекции является метод регулярного теплового режима.
Из теории теплопроводности известно, что охлаждение нагретого тела в среде
с постоянной температурой проходит в стадии:
1) стадия неупорядоченного процесса, когда процесс охлаждения зависит от
начального распределения температур в теле и имеет случайный характер;
2) стадия регулярного режима, когда с некоторого момента времени =1
начальные условия начинают играть второстепенную роль и процесс полностью
определяется только условиями охлаждения на поверхности тела, его физическими
свойствами, геометрической формулой и размерами;
3) стадия теплового равновесия, когда температура во всех точках тела становится равной температуре жидкости.
Стадия регулярного режима характеризуется тем, что темп охлаждения m(с-1)
для всех точек тела является одинаковой величиной, постоянной во времени, и
определяется следующим выражением:
1 
(1)
m
,
 
где   t  tж  избыточная температура.
Согласно формуле (1), темп охлаждения имеет физический смысл относительной скорости изменения избыточной температуры. Интегрируя уравнение (1), получим
1
ln  C  m .
Таким образом, в стадии регулярного режима зависимость ln   f   имеет
линейный характер.
Теория регулярного режима применима к телам любой формы и устанавливает
связь между темпом охлаждения тела, его физическими свойствами, геометрическими параметрами и внешними условиями теплообмена.
На основании первой теоремы Кондратьева, зная темп охлаждения, можно
определить среднее значение коэффициента теплоотдачи по формуле
  mc
V
F
2) если 5 102  Ra  2 107 , то С = 0,54; n = 1/4;
(2)
(3)
3) если 2 107  Ra , то С = 0,135; n = 1/3.
Здесь 1 - слаборазвитое движение в пограничном слое (режим псевдотеплопроводности); 2 - режим развитой ламинарной конвекции; 3 - переходный и турбулентный
режимы течения в пограничном слое.
ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ
Схема опытной установки представлена на рисунке. Установка состоит из
электрической печи 1, опытного образца - трубы 2 с зачеканенной термопарой,
прибора для измерения температуры 3 (потенциометр типа ЭПП-2) и стойки 4.
Чтобы установить темп охлаждения, по опытным данным строится график зависимости ln   f  . Затем на линейном участке графика, который соответствует
стадии регулярного режима, выбираются две достаточно удаленные друг от друга
точки, для которых находят ln1, ln2 , 1, 2 . По этим данным темп охлаждения может быть определен из уравнения
m
ln1  ln2
.
 2  1
(4)
Теплофизические свойства материала с, Дж/(кгК), и , кг/м3 берутся из таблиц. Значения объема тела V, м3 и площади поверхности F, м2 вычисляются по результатам измерения размеров тела.
На основании обобщения экспериментальных данных по исследованию теплообмена при свободной конвекции для тел простой формы (пластина, цилиндр) получено обобщенное уравнение подобия
Nu ж  C Raжn t ,
(5)
где t  Prж / Prс 0,25 - опытная поправка, учитывающая переменность физических
свойств жидкости (для газов при небольших значениях Tс /Tж t  1 );
Nu ж 
l
gl 3
- число Нуссельта; Raж  Grж  Prж - число Рэлея; Grж  2 ж t - чисж
ж
ло Грассгофа; Prж 
ж
- число Прандтля;  - средний коэффициент теплоотдачи,
aж
Вт/(м2К); l - определяющий размер, м (для вертикальных пластин и цилиндров высота, для горизонтальных цилиндров - диаметр);  ж - теплопроводность жидкости, Вт/(мК); g - ускорение свободного падения, м/с2; ж  1/ T - коэффициент объемного расширения среды, К-1; ж - кинематическая вязкость, м2/с; aж - температуропроводность, м2/с; t  tс  tж - температурный напор, 0С.
Коэффициент C и показатель степени n в формуле (5) зависят от значения числа Рэлея:
1) если 103  Ra  5 102 , то С = 1,18; n = 1|8;
2
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИЗМЕРЕНИЙ
Включить электрическую печь.
Поместить трубку в печь и нагреть ее до температуры 100 - 105 0С.
Вынуть трубку из печи и установить ее на стойке.
Записывать показания прибора через каждые 30 с в течение периода охлаждения (6 - 7 мин.).
5. Определить по термометру температуру окружающей среды. Результаты
измерений занести в таблицу.
1.
2.
3.
4.
№
п /п
,
с
t,
0C
  t  tж ,
ln 
С
0
6. Построить график зависимости ln   f  .
7. На линейном участке графика по формуле (4) определить тангенс угла
наклона прямой, т.е. темп охлаждения.
8. Определить значение коэффициента теплоотдачи по формуле (3).
3
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОЙ
КОНВЕКЦИИ МЕТОДОМ
РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМА
Методические указания
к лабораторной работе № 3
Самара
Самарский государственный технический университете
2008
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 536.24 (07).
Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции методом
регулярного режима: Метод. указ. к лаб. работе № 3/ Сост. В.И.Кугай,
Г.М.Синяев. Самара, Самар. гос. техн. ун-т; 2008. 4 с.
Содержит пояснения, необходимые для выполнения лабораторной работы
по тепло- и массообмену
УДК 536.24 (07).
Составители: В.И.КУГАЙ, Г.М.СИНЯЕВ
Рецензент:
Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции
методом регулярного режима
Составители:
КУГАЙ Валентин Иванович
СИНЯЕВ Геннадий Михайлович
Редактор В. Ф. Е л и с е е в а
Технический редактор В. Ф. Е л и с е е в а
Подп. в печать . Формат 60х84 1/16. Бум. офсетная. Печать офсетная.
Усл. п. л.. Усл. кр.-отт. . Уч-изд. л.. Тираж 50. Рег. №
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Самарский государственный технический университет»
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
Главный корпус.
© В.И.Кугай, Г.М. Синяев
составление, 2008
© Самарский государственный
технический университет, 2008
Отпечатано в типографии
Самарского государственного технического университета
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244.
Корпус № 8.