Файл: ЛабПр ТДиТМО.doc

2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

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

, Вт

где - напряжение электрического тока, В;

- электрическое сопротивление трубы, Ом;

,

где - длина трубы, м;

- площадь поперечного кольцевого сечения трубы, м²;

- наружный диаметр трубы, м;

- внутренний диаметр трубы, м;

- удельное электрическое сопротивление материала трубы. Для нержавеющей сталиrопределяется в зависимости от температуры

, Омм;

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

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

- количество измерений в сечении трубы.

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

, Вт

где - коэффициент излучения абсолютно черного тела;

- степень черноты поверхности цилиндра;

- средняя по контуру поперечного сечения температура поверхности трубы, К;

- температура окружающей среды, К;

- площадь наружной поверхности трубы, м².

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

, Вт

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

, Вт/м²;

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

, Вт/(м²град);

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 .

В качестве определяющей температуры T_m 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

где - давление окружающей среды, Па;

- газовая постоянная воздуха;

- определяющая температура, К.

Температурный коэффициент объёмного расширения.

, К^-1.

Коэффициент теплопроводности.

, Вт/(мК);

Коэффициент кинематической вязкости.

, м²/с.

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

,

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

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

.

Согласно данному методу экспериментальные значения lgNuиlg(GrPr) наносятся в виде точек на график в координатахlgNu=flg(GrPr)(см. 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 Cнаходят линейной экстраполяцией построенной прямой до оси ординат. Отрезок ординаты между началом координат и точкой пересечения дает величинуlgC.

Показатель степени nопределяют также по графику, как тангенс угла наклона между прямой и осью абсцисс

9. Полученный результат сравнивают с литературными данными

(см. например, /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.

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.

Рис. 4. Схема установки с системами электрического питания и измерения.

Рабочий участок 1 представляет собой вертикальный стальной цилиндр с наружным диаметром D_нар.= 40 мм и длинойL= 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 расстоянииl= 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.

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, устанавливаются выбранный режим нагрева, что контролируется 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, определяются значения температуры поверхности цилиндра в соответствующих точках.

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

7. Измеряются давление и температура окружающей среды. Результаты всех измерений заносятся в таблицу 3.

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