Файл: метод. (Восстановлен).doc

2.1.3. Обработка результатов измерений

1. Определяется тепловой поток, выделяемый на опытном участке трубы при прохождении электрического тока

, Вт, (10)

где U – напряжение электрического тока, В;

R – электрическое сопротивление трубы, Ом:

, (11)

где l – длина трубы, м;

d – наружный диаметр трубы, м;

d₀ = d – 2 – внутренний диаметр трубы, м; (13)

r – удельное электрическое сопротивление материала трубы. Для нержавеющей стали r определяется в зависимости от температуры:

, Омм; (14)

–средняя по периметру трубы температура поверхности трубы, С;

–значения измеряемых температур по контуру поперечного сечения трубы, С;

n – количество измерений в сечении трубы.

2. Определяется тепловой поток, отдаваемый поверхностью трубы в окружающее пространство посредством теплового излучения. Согласно закону Стефана-Больцмана

, Вт, (15)

где с₀ = 5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

 = 0,5 – степень черноты поверхности цилиндра;

Т_wср – средняя по контуру поперечного сечения температура поверхности трубы, К;

Т_f – температура окружающей среды, К;

F = dl – площадь наружной поверхности трубы, м².

3. Определяется тепловой поток, отдаваемый поверхностью трубы посредством конвекции:

, Вт. (16)

4. Определяется плотность теплового потока на поверхности трубы, обусловленная теплообменом посредством свободной конвекции:

, Вт/м ². (17)

5. Определяется средний коэффициент теплоотдачи от стенки трубы в окружающую среду:

, Вт/(м²град). (18)

6. Определяются значения критериев подобия Нуссельта, Грасгофа, Прандтля:

; ;.

Для газов критерий Прандтля слабо зависит от температуры. Значение критерия Прандтля для воздуха принимается независимо от режима Рr = 0,72.

В качестве определяющей температуры T_т принимается среднее значение между температурой стенки и окружающей среды:

, К.

Физические свойства среды определяются в зависимости от температуры.

Плотность

Определяется из уравнения состояния идеального газа

, кг/м³, (19)

где Р₀ – давление окружающей среды, Па;

R = 287 газовая постоянная воздуха;

Т_т – определяющая температура, К.

Температурный коэффициент объёмного расширения:

, К^-1. (20)

Коэффициент теплопроводности:

, Вт/(мК). (21)

Коэффициент кинематической вязкости:

, м²/с. (22)

7. Результаты расчетов сводятся в таблицу 2.

Таблица 2

Результаты обработки опытных данных

8. Определяются параметры критериального уравнения для случая свободной конвекции относительно горизонтального цилиндра.

Для всех случаев свободной конвекции в неограниченном пространстве критериальное уравнение имеет следующий общий вид:

, (23)

где C и n – параметры уравнения, определяемые из опытных данных и зависящие от режима течения среды и характера обтекания поверхности.

Для нахождения значений C и n удобно использовать графоаналитический метод обработки опытных данных, основанный на том, что после логарифмирования уравнения (23) оно превращается в уравнение прямой:

. (24)

Согласно данному методу экспериментальные значения lgNu и lg(GrPr) наносятся в виде точек на график в координатах lgNu = f lg(GrPr) (рис. 5).

Рис. 5. График зависимости lgNu =flg(GrPr)

Экспериментальные точки на графике могут не ложиться точно на одну прямую в силу влияния погрешностей измерения и обработки опытных данных. В этом случае полученную зависимость обобщают уравнением прямой линии по методу наименьших квадратов (на графике проводят «усредняющую» прямую).

Величину постоянной C находят линейной экстраполяцией построенной прямой до оси ординат. Отрезок ординаты между началом координат и точкой пересечения дает величину lgC.

Показатель степени n определяют так же по графику, как тангенс угла наклона между прямой и осью абсцисс

. (25)

9. Полученный результат сравнивают с литературными данными [1, 2, 3].

2.2. Теплоотдача от вертикальной трубы (продольное обтекание)

2.2.1.Описание лабораторного стенда

Изучение процесса свободной конвекции проводится на лабораторной установке, реализующей метод имитационного моделирования реальных физических процессов. В состав установки входит управляющая ПЭВМ, соединенная с пультом управления и рабочим участком, имитирующим реальный объект исследования. Схема установки для изучения процесса свободной конвекции относительно вертикального цилиндра с системами электрического питания и измерения представлена на рис. 6.

Рабочий участок 1 представляет собой вертикальный стальной цилиндр с наружным диаметром D_нар.= 40 мм и длиной L = 1500 мм. Наружная поверхность цилиндра хромирована. На данной установке используются четыре вида газов, омывающих цилиндрическую поверхность: воздух, водород, азот и двуокись углерода. Выбор разновидности газа предусмотрен компьютерной программой эксперимента. Нагрев рабочего участка осуществляется посредством пропускания по нему переменного электрического тока низкого напряжения, который подводится к клеммам на концах трубы. Режимы нагрева плавно изменяются с помощью регулятора напряжения 7. Падение напряжения на концах цилиндра определяется по цифровому индикатору вольтметра 6. С целью предотвращения неконтролируемых тепловых потерь с торцов цилиндр закрыт тепловой изоляцией 2. Температура наружной поверхности трубы определяется посредством термоэлектрического термометра. В качестве датчиков температуры в нём используются хромель-копелевые термопары 3, которые устанавливаются в 10-ти точках вдоль вертикальной поверхности трубы на расстоянии l = 150 мм друг от друга. Термопары через многопозиционный переключатель 4 могут по очереди подключаться к прибору 5, регистрирующему термо-ЭДС подключаемой термопары. Значение температуры определяется с помощью градуировочной характеристики термопары. Для измерения температуры и давления окружающей среды лаборатория должна быть оснащена термометром и барометром.

Рис. 4. Схема установки с системами электрического питания и измерения: 1 – рабочий участок; 2 – торцевая тепловая изоляция; 3 – термопары;

4 – переключатель термопар; 5 – регистрирующий прибор для измерения термо-ЭДС термопар; 6 – цифровой индикатор вольтметра; 7 – регулятор напряжения; 8 – выключатель нагрева рабочего участка

2.2.2. Порядок выполнения работы

1. Включить установку в сеть и вступить в диалог с программой выполнения работы, заложенной в компьютер.

2. Задать род газа, омывающего цилиндрическую поверхность.

3. Включить тумблер 8 нагрева рабочего участка.

4. Плавно вращая регулятор нагрева 7, установить выбранный режим нагрева, контролируемый по цифровому индикатору вольтметра 6.

5. С помощью переключателя термопар 4 по регистрирующему прибору 5 определяются значения термо-ЭДС, развиваемой термопарами, установленными в соответствующих точках по высоте рабочего участка. Используя градуировочную характеристику хромель-копелевой термопары, определить значения температуры поверхности цилиндра в соответствующих точках.

6. Плавно вращая регулятор нагрева рабочего участка 7, установить последующие режимы. Измерения проводятся при стационарных тепловых режимах. Количество режимов должно быть не менее 3-х.

7. Измерить давление и температуру окружающей среды. Результаты всех измерений заносятся в табл. 3.

8. После окончания измерений все регулирующие органы установки привести в исходное положение.