Исследование конвективной теплоотдачи

Министерство образования Российской Федерации

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра КиПР

Лабораторная работа № 2

Исследование конвективной теплоотдачи

Выполнили: Гардымова А. П.

                  Дудник А. И.

                  Гр. Р 32-3

Проверил: Круглик И. В.

Красноярск 2005

Цели и задачи работы:

            Целью работы является изучение конвективного теплообмена и методов получения количественного описания конвекции.

            Задачи работы:

• ознакомление с физической сущностью конвекции и основами теории подобия;
• экспериментальное исследование свободной теплоотдачи вертикальной пластины;
• обобщение опытных данных на основе теории подобия и получение критериальных уравнений, описывающих эксперимент.

Краткие теоретические сведения

Понятие конвективного теплообмена

            Конвективным теплообменом называется процесс переноса теплоты между поверхностью твердого тела и жидкой средой. При этом перенос тепла осуществляется одновременным действием теплопроводности и конвекции.

            В отличие от теплопроводности процесс конвекции связан с переносом самой среды. Массы жидкости, непосредственно прилегающие к нагретой поверхности, нагреваются за счет теплопроводности жидкости. При этом от стенки отбирается некоторое количество тепла. При движении жидкости нагретые массы удаляются от твердой поверхности, а их место занимают холодные, которым также отдается тепло от стенки.

            Движение жидкости может быть свободным и вынужденным. Свободное движение возникает вследствие уменьшения плотности нагретых слоев жидкости, контактирующих со стенкой, и действия на них подъемной силы. Таким образом, при естественной конвекции происходит только восходящее перемещение жидкости от нагретой стенки. Вынужденное движение возникает под действием постороннего возбудителя: насоса, вентилятора и т.п.

            В общем случае конвективная теплоотдача описывается уравнением Ньютона-Рихмана:                                                            (1),

где P — мощность теплового потока, Вт; T_c и T_ж — температуры стенки и жидкости на удалении от стенки, К; S — площадь теплоотдающей поверхности, м²; α — коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м²·К.

            В каждом виде движения можно выделить три режима движения: два крайних и один промежуточный. Наличие того или иного режима связано со скоростью движения жидкости, со свойствами, конфигурацией и степенью шероховатости стенок твердого тела.

            При малых скоростях движения, гладких и хорошо обтекаемых стенках имеет место ламинарный (слоистый) режим течения. В этом случае небольшие объемы жидкости движутся параллельно стенкам твердого тела.

            При больших скоростях, шероховатых и плохо обтекаемых стенках имеет место турбулентный (вихревой) режим течения. В этом случае небольшие объемы жидкости движутся хаотически, неупорядоченно.

            При любом режиме, даже при турбулентном, около стенки всегда имеется тонкий слой жидкости, в котором сохраняется ламинарный характер движения. Этот слой называется пограничным, и именно он оказывает наибольшее влияние на тепловое сопротивление теплоотдачи.

Оборудование, измерительные приборы, образцы

В настоящей работе построение математического описания проводится для случая свободной конвекции в неограниченном пространстве возле плоской поверхности.

Измерительный участок 1 установки (рис. 1) представляет собой плоский электронагреватель 2 с металлическими поверхностями, закреплённый на штативе с помощью теплоизоляции. Питание нагревателя осуществляется через регулируемый автотрансформатор (ЛАТР) 4.

Рис. 1

Измерение мощности производится с помощью ваттметра 3. Эти приборы вмонтированы в пульт установки 5. КПД нагревателя принимается равным 100%.

Для измерения температуры нагревателя на его поверхности размещены медь-константановые термопары Д1 – Д5. Для выбора датчика служит переключатель П1 на пульте. ТермоЭДС измеряется встроенным в пульт милливольтметром 6 или внешним потенциометром 7 типа КСП-4 с временной записью на диаграммной ленте. Размеры нагревателя 100×150 мм. Степень черноты поверхности =0,1.

Обработка результатов измерений

Температура окружающей среды t = 23⁰C.

Длина пластины l= 220 мм.

Ширина пластины d = 115 мм.

U = 13 В, I = 0.04 А  P₁ = 0,4 Вт.

	Номера датчиков
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ЭДС, м В	0,18	0,19	0,2	0,2	0,2	0,19	0,2	0,21	0,21	0,2
Температура, 0С	28	28	28	28	28	28	28	28	28	28

U = 14,5 В, I = 0.05 А   P₂ = 0,725 Вт.      

	Номера датчиков
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ЭДС, м В	0,2	0,22	0,24	0,23	0,22	0,22	0,24	0,26	0,26	0,24
Температура, 0С	28	28,5	29	29	28,5	28,5	29	29,5	29,5	29

U = 28 В, I = 0,1 А    P₃ = 2,8 Вт.  

	Номера датчиков
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ЭДС, м В	0,53	0,56	0,64	0,63	0,62	0,62	0,68	0,72	0,72	0,7
Температура, 0С	36	37	38,5	38	38	38	39,5	40,5	40,5	40

Рис. 2. Зависимости температур по поверхности пластины для каждого значения мощности.

1.  Поскольку датчики по поверхности пластины распределены равномерно, среднюю поверхностную температуру определяют как среднее арифметическое температур Т_j всех контролируемых точек:

                                                          (2).

Для Р₁: Т_с1 = 28⁰С; для Р₂: Т_с2 = 29⁰С; для Р₃: Т_с3 = 38,6⁰С.

2.  Для нахождения среднего коэффициента теплоотдачи α по уравнению Ньютона-Рихмана необходимо определить мощность Р, отводимую от стенки в окружающую жидкость путем конвекции, так как полная электрическая мощность, потребляемая нагревателем, кроме конвекции, рассеивается излучением: Р_эл = Р + Р_луч. Последняя (Р_луч )определяется по уравнению Стефана-Больцмана:

                                    (3),