Содержание

4.1 Работа №1

Исследование процесса теплоотдачи при вынужденной конвекции

Цель работы: изучение механизма теплоотдачи при вынужденной конвекции; определение тепловых потоков, коэффициента теплоотдачи, получение критериального уравнения, расчет коэффициента полезного действия установки.

Описание схемы лабораторной установки

         Схема экспериментальной установки для исследования процесса теплоотдачи при вынужденном движении потока воздуха представлена на рис.4.1 (конструктивные размеры см. на стенде установки).

         Установка состоит из электрического нагревателя (1), теплообменной трубки (2), образующих кольцевое пространство (3), по которому движется воздух, поступающий по воздуховоду (4). Регулирование подачи воздуха производят с помощью вентиля (6). Расход воздуха определяют с помощью ротаметра (5). Измерение температуры теплоносителя и стенок аппарата осуществляется термопарами, соединенными с цифровым индикатором (8). Потребляемая электрическим нагревателем мощность регулируется трансформатором (9) и измеряется по показаниям амперметра и вольтметра.

Рис.4.1. Принципиальная схема лабораторной установки:

1 – электронагреватель; 2 – теплообменная трубка; 3 – кольцевой зазор; 4 – воздуховоды; 5 – ротаметр; 6 – вентиль; 7 – термопары; 8 – цифровой индикатор; 9 – регулятор напряжения; 10 – тепловая изоляция

         В данной лабораторной установке нагретая наружная стенка электронагревателя передает теплоту излучением внутренней стенке теплообменной трубки. Проходящий по кольцевому пространству воздух нагревается за счет конвективного теплообмена, так как воздух, являясь двухатомным газом, не поглощает лучистую энергию.

         В зависимости от теплового режима в рассматриваемой схеме могут иметь место два случая (рис. 4.2). В первом – при t_ст2>t_в воздух получает теплоту за счет конвекции как от наружной стенки нагревателя, так и от внутренней поверхности теплообменной трубки:

.                (4.1)

         Во втором – при t_в>t_ст2, воздух получает теплоту за счет конвекции от наружной стенки нагревателя и отдает таким же путем часть теплоты внутренней поверхности теплообменной трубки:

.               (4.2)

         Количество теплоты, полученное воздухом, можно определить из уравнения теплового баланса:

,                                        (4.3)

где G – массовый расход воздуха, кг/с; с_р – удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); ,  - начальная и конечная температура воздуха, °С.

                              а) t_ст2>t_в                                                            б) t_ст2<t_в

,  ,

Рис. 4.2. Схема тепловых потоков в воздушном теплообменнике:

1 – стенка нагревателя; 2 – спираль нагревателя; 3 – наружная стенка теплообменника;  4 – тепловая изоляция

    Общий тепловой поток от нагревателя:

,                                                  (4.4)

где U – показания вольтметра, В; I – показания амперметра, А,

или

,                                             (4.5)

где Q_п – потери теплоты в окружающую среду, Вт,

или

.                                              (4.6)

         Конвективная составляющая в зависимости от температуры стенки теплообменной трубки рассчитывается по уравнениям (4.1) или (4.2).

         Лучистую составляющую рассчитывают по уравнению (2.4). Коэффициенты теплоотдачи a₁ и  a₂ могут быть найдены в зависимости от критерия Рейнольдса по уравнениям (1.4) – (1.8). Температуру воздуха находят как среднеарифметическую величину

                                            (4.7)

         Средние температуры стенок t_ст1 и t_ст2 находятся как средние интегральные величины. Для этого необходимо изобразить схему размещения термопар для измерения температур по длине поверхности стенки (рис.4.3).

Рис. 4.3. Схема размещения термопар

         Тогда средняя температура стенки может быть рассчитана:

.                                                    (4.8)

         Применяя для вычисления определенного интеграла формулу численного интегрирования методом трапеций, получаем расчетные соотношения для данного частного случая:

, (4.9)

.                             (4.10)

Порядок выполнения работы

1. Устанавливают с помощью ротаметра заданный расход воздуха G.

2. Включают электрический нагреватель и устанавливают заданное значение силы тока.

3. Через определенные интервалы времени измеряют температуры воздуха на входе и выходе из аппарата и температуры стенок нагревателя и теплообменной поверхности до наступления стационарного режима процесса теплоотдачи

4. Опытные данные заносят в таблицу 4.1.

Таблица 4.1.

Значение экспериментальных данных

Рас-ход воз-духа G,  кг/с

Си-ла тока I, А

Напря-же-ние U, В

Температура стенки теплообменной поверхности

Сред-няя темпе-ратура tст1

Температура стенки нагревателя

Сред-няя темпе-ратура tст2

Температура воздуха

Сред-няя темпе-ратура tв

t2

t4

t6

t8

t10

t3

t5

t7

t9

t11

tн= t1

tк= t12

Обработка опытных данных

1. Рассчитывают среднюю скорость движения воздуха в кольцевом пространстве установки:

,                                       (4.11)

где - плотность воздуха при средней температуре; D_вн – внутренний диаметр теплообменной трубки, м; d – наружный диаметр нагревателя.

2. Определяют численное значение критерия Рейнольдса:

,                                            (4.12)

где d_экв=D_вн-d.

3. Рассчитывают коэффициент теплоотдачи в зависимости от значения Re по уравнениям (1.4) – (1.8).

4. Тепловой поток, передаваемый воздуху, определяют по уравнениям (4.1) или (4.2) и по (4.3), значения которых  сравнивают.

5. Определяют мощность электронагревателя по уравнение (4.4).

6. Рассчитывают тепловой поток, поглощенный внутренней поверхностью теплообменной трубки, Q_л по уравнению (2.4).

7. Определяют потери теплоты в окружающую среду:

                                             если t_ст2<t_в, то Q_п=Q_л+Q₂,                                        (4.13)

                                             если t_ст2>t_в, то Q_п=Q_л-Q₂.                                         (4.14)

8. Определяют коэффициент полезного действия установки:

.                                            (4.15)

9. Рассчитывают общий коэффициент теплоотдачи при сложном теплообмене по уравнению:

,           (4.16)

где С_1-2 – коэффициент взаимного излучения, который рассчитывается по формуле (2.5).

10. Делают выводы по работе.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой способ переноса теплоты называется вынужденной конвекцией?

2. Каким образом определяется коэффициент теплоотдачи в зависимости от  значения критерия Рейнольдса?

3. Перечислите основные критерии теплового подобия и сформулируйте их физический смысл.

4. Запишите уравнение теплового баланса для данной установки.

5. Дайте определение тепловому излучению.

6. По какому уравнению определяется тепловой поток, переходящий от более нагретого тела к менее нагретому посредством излучения?

7. Как рассчитывается общий коэффициент теплоотдачи при сложном теплообмене?