Определение коэффициента теплоотдачи при конвекции и степени черноты твёрдого тела
При наличии разности температур между телами в системе происходит обмен тепла между ними. Различают возможность этого обмена путём:
теплопроводности при наличии тесного контакта между молекулами тел и возможности передачи колебательной энергии от тела к телу; конвективного теплообмена между поверхностью тела и движущейся средой (газа или жидкости) при естественном или принуждённом движении; путём лучеиспускания или теплового излучения – процесса распространения электромагнитных колебаний различной длины волн, обусловленным тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Эта энергия поглащается другими телами и снова превращается в тепло. Тепловое излучение – явление того же рода, что и световое. Оно характеризуется общими закономерностями оптики и описывается законами Ламберта, Планка, Стефана-Больцмана и Кирхгофа.В реальных условиях теплообмен осуществляется обычно сразу всеми тремя известными механизмами переноса – конвекцией, излучением, теплопроводностью, а доля тепла, переданного тем или иным способом определяется условиями – температурой, скоростью и характером движения, степенью черноты, свойствами тел и т. д.
Целью настоящей лабораторной работы является определение
коэффициента теплоотдачи α при естественной конвекции в воздухе, установление степенной зависимости между критериями подобия Нуссельта (Nu), Грасгофа (Gr) и Прандля (Pr) степени черноты твёрдого тела.Лабораторная установка
Исследуемое представляет собой медную трубу диаметром 22×1 мм и длиной 1 м, закреплённую тепло - и электроизолированно на лабораторном стенде так, что обеспечены условия естественной конвекции воздуха (Рис.1). Внутри трубы располагается элетронагрева, подключённый автотрансформатору (3), что позволяет плавно регулировать напряжение и силу тока нагревателя. Их регистрация осуществляется при помощи измерительного блока (4), что позволяет вычислить электрическую мощность W. Температура наружной поверхности трубы (1) измеряется дистационным инфракрасным термометром...................(5). Включение установки в электросеть осуществляется выключателем (6). При движении стационарного режима нагрева (температуры во всех точках по длине трубы остаются постоянными во времени) принимается, что тепловая мощность установки Q равняется электрической т. е. Q = W без учёта тепловых потерь с торцевых поверхностей трубы. Для предотвращения ожогов перед трубой расположен защитный экран.
Рисунок 1. Схема опытной установки
Результаты измерений заносятся в Таблицу 1.
Таблица 1. Опытные данные
Katse nr | Aeg, min | t, ⁰C mõõtepunktis | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
Ход работы
Выполнение работы начинается с установления стационарного температурного поля испытуемого тела, что должно быть подтверждено графически в отчёте по лабораторной работе.
На исследуемую трубу подают ступенчато напряжение нагрева в пределах 30 - 100V. При достижении стационарного распределения температуры значение тепловой мощности, выделяемой электрическим нагревателем, совпадает со значением суммарного теплового потока Q, отдаваемого боковой поверхностью трубки конвекцией Qk и излучением Qл,
N = 
.
Фиксируют установившейся стационарный тепловой режим не менее чем при двух различных значениях W. Результаты измерения температур в процессе заносятся в Таблицу 1.
Обработка опытных данных и составление протокола
Определить общий средний коэффициент теплоотдачи:
(1) , где
Q = W [W] – тепловой поток, отводимый от поверхности трубы конвекцией и излучением
, [0C] – средняя температура поверхности нагрева
tвозд, [0С] – температура воздуха вдали от экспериментальной установки
F, [m2] – теплоотдающая площадь поверхности.
Определить средний коэффициент теплоотдачи излучением:
(2).
2.1. Тепловой поток Qл определяется как разность между полным Q и конвективным Qк тепловыми потоками от испытуемого тела в окружающюу среду: 
(3).
2.2. Величину конвективного теплового потока расчитывают по формуле Ньютона:
(4), где
tст, [0C] – температура поверхности нагрева
tвозд, [0C] – температура окружающей среды
αк, [W/m2·K] - коэффициент теплоотдачи конвекцией.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией расчитывается с помощью уравнений подобия.Если теплообмен происходит за счёт свободной конвекции, то при стационарном режиме устанавливается следующая функциональная связь между критериями подобия:
,
которая обычно аппроксимируется степенной зависимостью:
.
(5)
(6), где
с – теплоёмкость газа, Дж/кг·К; μ – динамический коэффициент вязкости, Па·с; λ - коэффициент теплопроводности Вт/м·К.
! Для воздуха Pr = 0,722 мало зависит от температуры.
Чтобы установить эту системную зависимость, необходимо определить постоянные С и n. Это можно сделать графически. При графическом изображении степенной зависимости в логарифмических координатах получают прямую линию:
.
Значения постоянной n определяют как тангенс угла наклона прямой к оси абцисс, т. е.: 
.
Постоянную C находят из соотношения:
(7), где
(8)
По литературным данным [] на подобной установке в пределах сравнительно небольших областей Gr·Pr величины С и n можно считать постоянными:
Gr·Pr | С | n |
10-3 - 5·102 | 1,18 | 1/8 |
5·102 - 2·107 | 0,54 | 1/4 |
> 2·107 | 0,134 | 1/3 |
Выбрав соответствующие значения С и n, осуществляют расчёт Nu = C(Gr·Pr)n и вычисляют коэффициент теплоотдачи конвекцией.
После того, как из выбранного уравнения подобия найден коэффициент теплоотдачи, по формуле (4) определяется конвективный тепловой поток; из выражения (3) – лучистый поток. Зная лучистый тепловой поток можно определить приведённую степень черноты тела. В основу методики определения степени черноты тела положена формула лучистого теплового потока между двумя телами, одно из которых находится в объёме, ограниченном поверхностью другого:
(9), где
С0 = 5,67 W/m2K4 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела
F, [m2] –площадь поверхности излучения испытуемого тела
T1, [K] – температура поверхности испытуемого тела
T2, [K] – температура окружающих тел, которую можно принять равной температуре воздуха в лаборатории
εпр – приведённая степень черноты, которая в условиях эксперимента равна степени черноты испытуемого тела, так как площадь его поверхности много меньше площади поверхности окружающих тел.
На основе полученных результатов составляются выводы.Литература
1. , ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ Сборник лабораторных работ, Новосибирский гту, 2002
