Теплотехника (стр. 2 )

Установка состоит из бака для воды емкостью 15 л, к которому присоединена стеклянная трубка с внутренним диаметром d = 0,017 м, длиной l = 1,2 м. Над водяным баком помещается сосуд для краски. Из этого сосуда краска с помощью стеклянной трубки подается внутрь трубки, по которой движется вода из бака. Скорость движения воды регулируется краном. Для определения времени установлен электрический секундомер.

Водяной бак наполняется водой из водопровода, причем кран на конце трубки немного открывается, чтобы дать свободный выход воздуха. К работе можно приступить после полного заполнения стеклянной трубки водой (без воздушных пузырей). В продолжении всей работы необходимо поддерживать постоянный уровень воды в баке. Наблюдение за характером движения ведется следующим образом. Кран на конце трубы немного открывается (для создания движения воды в трубке), после чего небольшими порциями выпускается краска. При ламинарном движении краска в движущемся потоке воды располагается в виде параболы. Медленно увеличивая скорость движения воды в трубке, достигают перехода ламинарного движения в турбулентное, о чем свидетельствуют исчезновение параболического распределения краски в трубке и начало хаотического ее движения.

После достижения турбулентного движения производится замер расхода воды мерным цилиндром. Время заполнения цилиндра замеряется с помощью электрического секундомера. Эти данные позволяют определить скорость (м/с) движения воды в трубе, соответствующую переходу ламинарного движения в турбулентное:

W = , (2.4)

где V – расход воды в см3 за время t;

d – диаметр трубки в мм;

t – время заполнения мерного цилиндра, с.

Для определения кинематического коэффициента вязкости воды необходимо измерить температуру протекающей воды и по табл. 1 выбрать его значение.

Значение критерия Рейнольдса, соответствующее переходу ламинарного течения в турбулентное, определяется по формуле (2.3).

Таблица 2.1

Физические свойства воды на линии насыщения

t, оС	р×10-5 Па	r, кг/м3	l, кДж/кг	ср, кДж/(кг×ОС)	l×102, Вт/(м×ОС)	a×108, м2/с	m×106, Па×с	n×106, м2/с	b×104, К-1	s×104,Н/м	Pr
0	1,013	999,9	0	4,212	55,1	13,1	1788	1,789	-0,63	756,4	13,67
10	1,013	999,7	42,04	4,191	57,4	13,7	1306	1,306	+0,70	741,6	9,52
20	1,013	998,2	83,91	4,183	59,9	14,3	1004	1,006	1,82	726,9	7,02
30	1,013	995,7	125,7	4,174	61,8	14,9	801,5	0,805	3,21	712,2	5,42
40	1,013	992,2	167,5	4,174	63,5	15,3	653,3	0,659	3,87	696,5	4,31
50	1,013	988,1	209,3	4,174	64,8	15,7	549,4	0,556	4,49	676,9	3,54

2.3. Контрольные вопросы

1. Какие встречаются виды движения жидкости и их различие?

2. Определение ламинарного движения. Критерий Рейнольдса.

3. Определение турбулентного движения жидкости. Какова размерность критерия Рейнольдса?

4. Критические значения критерия Рейнольдса.

5. Каков механизм передачи теплоты при ламинарном и турбу­лентном движении жидкости?

6. Дать определение динамической и кинематической вязкости.

7. Что такое переходная область?

8. Какие виды движения жидкости соответствуют переходной области?

Лабораторная работа № 3

Сопоставление коэффициентов теплоотдачи конвекцией

горизонтальной трубы, расположенной в канале

и безграничном воздушном пространстве

Цель работы: сопоставление коэффициентов теплоотдачи конвекцией горизонтальной трубы, расположенной в бесконечном и ограниченном воздушном пространствах.

3.1. Основные теоретические положения

Тепловой поток конвекции определяется формулой Ньютона

ФК = (Т1 –Т2) F, (3.1)

где Фк – тепловой поток конвективного теплообмена, Вт;

коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2×град);

Т1 и Т2 – соответственно температуры теплоотдающей и тепловоспринимающей сред, К;

F – поверхность теплообмена, м2.

Важным для расчета теплового потока конвективного теплообмена является определение коэффициента теплоотдачи конвекцией, который зависит от характера движения среды, формы и размеров тел, их расположения в пространстве, физических свойств жидкости или газа, участвующих в теплообмене и температуры. Для естественного и вынужденного движения газовых сред в литературе проводятся критериальные зависимости, позволяющие определить коэффициенты теплоотдачи конвекцией. Эти зависимости обычно имеют вид:

для естественной (свободной конвекции)

Nu = (3.2)

для вынужденной конвекции

Nu = (3.3)

где Nu = – критерий Нуссельта;

Gr = – критерий Грасгофа;

Re = – критерий Рейнольдса;

Pr = – критерий Прандтля;

– коэффициент теплоотдачи конвекцией;

– определяющий размер;

– коэффициент теплопроводности среды;

– плотность среды;

w – скорость движения среды;

– коэффициент динамической вязкости;

v – коэффициент кинематической вязкости;

а – коэффициент температуропроводности среды;

– коэффициент объемного расширения;

q – ускорение силы тяжести;

Т – перепад температуры теплоотдающей и тепловоспринимающей среды.

Под свободной (естественной) конвекцией понимают процесс теплообмена при свободном движении жидкости, обусловленном разностью плотностей нагретых и холодных элементарных объемов, при чем, если нагреваемое и охлаждаемое тело расположено в неограниченном пространстве, то для любых жидкостей и любых форм и размеров тел может использоваться критериальная зависимость вида [1, 2]:

Nu = C(Gr Pr)n . (3.4)

При этом если 10-3 < Gr·Pr < 5·102, значение С = 1,18; n = 1/8;

при 5·102 < Gr·Pr < 2·107 C = 0,54; n = 1/4;

при Gr·Pr > 2·107 С = 0,135; n = 1/3;

при Gr·Pr < 10-3 Nu = 0,45.

Физические характеристики при использовании формулы (3.4) относятся к средней температуре между жидкостью и стенкой

Тср = 1/2(Тст + Тж), (3.5)

где Тср, Тст, Тж – соответствующие температуры, ºС.

Для удобства определения в литературе приведены для указанных выше значений произведений Gr·Pr и формулы для определения в виде

= А1, (3.6)

= А2, (3.7)

= А3, (3.8)

где А1, А2, А3 – коэффициенты, приведенные для воздуха и воды при различных температурах.

За линейный размер при расчетах принимают: для шара и горизонтальной трубы – диаметр, для вертикально расположенной трубы или пластины – высоту участка теплообмена, для горизонтальной плиты – меньшую сторону плиты.

Свободная конвекция в ограниченном объемах в литературе рассматривается недостаточно, хотя иногда встречаются случаи, когда появляется необходимость рассчитывать поток конвективной теплоотдачи в таких системах.

3.2. Описание опытной установки

В состав экспериментальной установки входят (рис. 3.1): труба 1, имеющая наружный диаметр d = 60 мм, длину l = = 1000 мм, выполненная из материала, имеющего степень черноты тр = 0,9; канал 2, имеющего степень черноты к = 0,7; нихромовый спиральный нагреватель 3, расположенный внутри трубы, причем намотка спирали по всей длине трубы выполнена с одинаковым шагом с целью равномерного тепловыделения по длине трубы. Торцы трубы защищены тепловой изоляцией 4. Потребляемая электронагревателем мощность регулируется автотрансформатором 5 и рассчитывается по показаниям амперметра 6 и вольтметра 7. Температура на поверхности трубы измеряется хромель-алюмелевыми термопарами в 5 точках, а температура на внутренней поверхности канала измеряется термопарой в одной точке. Термопары подключены к автоматическому электронному потенциометру 8.