Опис експериментальному установки 3 страница

(2)

де l - характерний геометричний розмір системи (для горизонтальної труби - її діаметр d; для вертикальних поверхонь, зокрема труб - висота h), м; л - коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/(м·К).

2.Число Грасгофа, що характеризує відношення сил інерції і підйомної сили

(3)

де g - прискорення вільного падіння, м2/с; у - температурний коефіцієнт об'ємного розширення рідини, 1/К ; для повітря =1/(t + 273); t - розрахунковий температурний натиск, До; v - коефіцієнт кінематичної в'язкості рідини, м2/с.

3. Число Прандтля, що є теплофізичною характеристикою рідини

P_r=v/a, (4)

де а - коефіцієнт температуропровідності, м²/с.

Згідно теорії подібності для випадку природної конвекції між вказаними числами подібності існує залежність

(5)

Опис експериментальному установки

Дослідна установка (мал.) розміщена у великому приміщенні про достатньо, стійкою температурою повітря. Об'єктом дослідження є сталева труба 1 із зовнішнім діаметром d=26 мм і довжиною l= 930мм. Усередині труби розміщений електричний нагрівач 2, потужність якого регулюється лабораторним автотрансформатором 3. Споживана нагрівачем потужність вимірюється за допомогою амперметра 4 і вольтметра 5. Температура поверхні труби вимірюється за допомогою дев'яти хромель-копелевих термопар 6, гарячі спаї яких закарбовані в стінку у її поверхні. Відстань між спаями термопар прийнята однаковою. При цьому па горизонтально розташованій трубі спаї розміщені щодо один одного із зрушенням по створюючих на 60°. Це зроблено для обліку зміни температури по периметру труби. На вертикальній трубі всі гарячі спаї термопар розміщені уздовж однієї створюючої труби. Дроти термопар виведені до кільцевого перемикача 7, при цій голодний (вільний) спай 8 є загальним і поміщений в судину з танучим льодом 9. ЕРС термопар вимірюється потенціометром 10, що підключається до термопар через перемикач 7.

Мал. 1, Принципова схема експериментальної установки.

1- досвідчена труба;

2- електронагрівача;

3-лабораторний автотрансформатор;

4 - амперметр; 5 - вольтметр;

6 -горячий шар термопари;

7 -перемикач термопар;

8-потенціонометр; 9 - ртутний термометр; 10 - тепловий захист торців труби.

Температура повітря вимірюється далеко від досвідченої труби за допомогою ртутного термометра 11.

Горизонтальна і вертикальна труби є окремими самостійними установками. Для виключення тепловіддачі торцями труб служить теплоізоляція 12.

Порядок виконання роботи

Досліди проводяться послідовно спочатку на одній, наприклад, горизонтальній установці, а потім на іншій. Порядок приймається довільно і узгоджується з викладачем. Після ознайомлення з описом установки і методикою вимірювань необхідно заготовити таблиці для запису вимірюваних величин і перевірити правильність включення вимірювальних приладів, підготувати потенціометр до роботи.

Включити електронагрівач в електромережу і за допомогою автотрансформатора встановити певну напругу. Досягши стаціонарного теплового режиму (через 15-20 хв. після включення), що характеризується незмінністю свідчень в часі приладів, провести запис в таблицю 1 показань всіх вимірювальних приладів.

Потім встановити іншу напругу і повторити все вищезгадане. Досліди провести при 3-4 різних температурах стінки труби як в горизонтальному, так і у вертикальному положенні.

Таблиця 1

Експериментальні дані і результати розрахунків

№№ режимів

U, В

I, А

Q, Вт

, °С

ЕРС, мВ

горизонтальна труба вертикальна труба

Продовження табл. 1

Температура стінки °С

°С

Вт

Продовження табл. 1

Вт	, Вт/(м²K)	n	С	, Вт/(м²А)	,%

5. Обробка результатів вимірюванні

1. За допомогою тарировочної таблиці П. 1 (додатки) по значеннях ЕРС визначити температури стінки в точках розміщення спаїв термопар

2. Визначити середнє значення температури поверхні труби

3. Визначити абсолютні значення температур повітря і стінки відповідно як :

Т_в = 273,15- t_B, К; Т_с = 273,15 + t_С, К.

4. Обчислити повний потік теплоти, яка виділяється усередині труби і передається навколишньому середовищу:

Q=I·U

5. Обчислити тепловий потік, передаваний з поверхні труби навколишньому середовищу випромінюванням, Вт:

де - приведений коефіцієнт випромінювання, Вт/(м⁴К⁴); F=·dl, площа зовнішньої поверхні труби, м². Приведений коефіцієнт випромінювання рівний :

де С_о - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, С_о=5,67 Вт/(м²·К⁴); - приведений ступінь чорноти системи тіл; - ступінь чорноти зовнішньої поверхні труби; для шорстко!'! окисленій сталі 0,8; _ср - ступінь чорноти тіла, що облягає трубу; приблизно як це тіло приймаємо шорстку поверхню штукатурки стелі і стенів, для яких _ср0,91; F_ср - сумарна площа поверхні огорож, створюючих приміщення, в якому розміщена експериментальна установка, м²^.

Враховуючи нехтує мале значення величини

можна прийняти в роботі С_ср=5,67/(1/0,8)4,54 Вт/( м²·К⁴).

6. Обчислити тепловий потік, передаваний досвідчено трубою навколишньому повітрю шляхом вільної конвекції, Вт

7. Обчислити середній коефіцієнт тепловіддачі, Вт (м²·К).

(6)

8. За даними 3-4 режимів побудувати на міліметрівці в зручному масштабі графік залежності . Ця залежність справедлива лише для нашій конкретної труби.

9. По формулах (2) -(4) обчислити для якого режиму значення чисел подібності N_u,C_r,P_r. При цьому фізичні параметри повітря ,,v беруться з довідкової таблиці П2 (додатки) по температурі t_в далеко від досвідченої грубі. Набутих значень чисел подібності Нуссельда, Грасгофа і Прандтля наносяться на міліметрівку в логарифмічних координатах у вигляді залежності (5). Через отримані крапки провести пряму, рівняння якої має вигляд

(7)

10, Визначити, значення постійних коефіцієнтів «С» і «n» в рівнянні (7). Значення «n» визначається тангенсом утла нахилу прямої до осі абсцис, а постійна «С» знаходиться із співвідношення для будь-якої крапки прямої:

(8)

11. Отримані для рівняння (7) коефіцієнти «С» і «n» порівняти з відомими в літературі (див. таблицю П3 (додатки) для інтервалу експериментальних значенні твору С_rР_r . Рівняння (7) дозволяє розповсюдити наші експериментальні дані на інші подібні процеси

12 Використовуючи знайдені з дослідів значення «С» і «n» обчислити по залежності (7) значення , а потім (див. формулу (2)) і визначити погрішність знаходження коефіцієнта тепловіддачі теоретичним шляхом:

, %

Приведені в пп. 1-12 дії є аналогічними як для горизонтальної, так і вертикальною труб і виконуються для кожної з них окремо.

6. Звіт про роботу

Звіт про виконану роботу повинен містити:

1. Найменування, мета і завдання роботи.

2. Принципові схеми установки і їх опис.

3. Протокол запису показань вимірювальних приладів, тобто таблицю із зміряними і розрахунковими даними.

4. Обробку результатів дослідів з викладом формул в буквеному і числовому вигляді, а також з побудовою необхідних графіків.

5. Аналіз результатів виконаної роботи і порівняння їх з літературними даними.

6. Виводи по роботі.

В кінці звіту ставиться особистий підпис студента і дата оформлення.

7. Контрольні питання для самоперевірки

1. Пояснити механізм процесу конвективного теплообміну при вільному русі повітря навколо горизонтальної і вертикальної труб невеликого діаметру.

2. Чим викликається вільна конвекція рідини 7

3. Дати визначення коефіцієнта тепловіддачі і назвати його розмірність.

4. Від чого залежить коефіцієнт тепловіддачі при вільній конвекції ?

5. Назвати види теплообміну, що беруть участь в перенесенні теплоти від труби до навколишнього повітря.

6. Як визначається тепловий потік, передаючий конвективним шляхом від труби до повітря?

7. Які числа подібності характеризують теплообмін при вільній конвекції?

8. Пояснити схему дослідної установки.

9. Пояснити методику експериментального визначень коефіцієнта тепловіддачі.

10. Пояснити характер зміни коефіцієнта тепловіддачі при збільшенні температурного натиску.

11. Як визначається кількість теплоти, переданої від труби в навколишній простір шляхом випромінювання ?

Додатки

Таблиця П.1

Залежність термо -ЕРС хромель-копелевых термопар при температурі вільних кінців 0°С (ГОСТ-3044-74)

Термо ЕРС, мВ

	0,00	0,07	0,13	0,20	0.26	0,38	0,39	0.46	0.52	0,59
	0,65	0.72	0.78	0,85	0,91	0,98	1,03	1.11	1.18	1.24
	1.31	1,38	1,44	1.61	1,57	1,64	1,70	1,77	1,84	1.91
	1,98	2,05	2.12	2^8	2.М	2,32	2^8	2,43	2,52	2,59
	2,66	2,73	2,80	2.87	2:94	3.00	3,07	3.14	3,21	3,28
	3,35	3,42	3,49	3.56	3,63	3,70'	3,7^	3,84	3.91	3,98 4.69
	4.05	4.12	4,19	4.26	4.33	4,41	4,48	4.65	4,62

Таблиця П.2

Показники фізичної властивості сухого повітря Р=1,01 •10⁵ Па

,°С	л·102, Вт/(м·К)	б·106,м2/с	v·106 м2/с
	2,51	20,0	14,16	0,705
	2,59	21,4	15,06	0,703
	2,67	22.9	16,00	0.701

Таблиця П 3.

	З	п
вертикальна труба
1О3...1О⁹	0,76	0,25
>109	0,15	0,33
горизонтальна труба
10³...10⁸	0,50	0,25

Лабораторна робота № 5

Визначення коефіцієнта випромінювання твердого тіла

Калориметричним методом

Мета роботи: Навчитися експериментально визначати коефіцієнт випромінювання (або ступінь чорноти) вольфрамового дроту калориметричним методом і визначати його залежність від температури

1. Короткі теоретичні відомості

Теплове випромінювання властиве всім тілам і є результатом внутріатомних процесів, обумовлених впливом температури. При нагріві тіла теплова енергія переходить в променисту. Згідно електромагнітної теорії випромінювання, носіями променистої енергії є електромагнітні хвилі, що випромінюються нагрітими тілами. При попаданні на інші тіла, промениста енергія може частково або повністю поглинатися ними, знову перетворюючись на теплову енергію. Так, з подвійним взаємним перетворенням енергії (теплово-променево-теплова) і здійснюється променистий теплообмін між тілами.

Повна кількість енергії, що випромінюється в одиницю часу одиницею поверхні абсолютно чорного тіла, що має температуру Г (К), визначається законом Стефана-Больцмана:

(1)

Величина (Вт/м²) називається інтегральною щільністю потоку випромінювання чорного тіла, тобто такого тіла, яке поглинає всю падаючу на нього енергію. Таким чином, закон Стефана-Больцмана показує, що інтегральна щільність потоку випромінювання абсолютно чорного тіла прямо пропорційна четвертому ступеню його абсолютної температури.

Величина G₀ =5,67·10^-8 [Вт/(м²·К⁴)] називається постійною Стефана-Больцмана.

У технічних розрахунках закон Стефана-Больцмана зручно застосовувати в іншій формі:

E₀=С₀·(T/100⁴) (2)

де величина С_о =G₀·10⁸ = 5,67називається коефіцієнтом випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/(м²·К⁴).

Коефіцієнт випромінювання для різних тіл різний і визначається природою тіла, станом поверхні і температурою.

Закон Стефана-Больцмана можна застосовувати і для сірих тіл. В цьому випадку він приймає наступний вигляд:

(3)

де Е цикл інтегральна щільність потоку випромінювання сірого тіла, Вт/м²; Е₀- інтегральна щільність потоку випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/м2; = Е Е₀ - інтегральний ступінь чорного тіла; С- коефіцієнт випромінювання сірого тіла, Вт/ м²

Результуючим потоком випромінювання називають різницю між кількістю енергії, що випромінює тілом, і поглиненою ним кількістю енергії, що випромінює і відбитої іншими тілами. У разі теплообміну випромінюванням між тілом і його оболонкою результуючий потік випромінювання Q1,2, Вт, виражається формулою:

(4)

де

(5)

- приведений коефіцієнт випромінювання даної системи тіл, Вт/(м²·К⁴). С₁ ,С₂- коефіцієнт випромінювання відповідно тіла і оболонки.

Вт/(м²·К⁴), Т₁ ,Т₂- абсолютні температури тіла і оболонки °К; F₁,F₂- площі поверхонь дзига і оболонки, м².

Якщо поверхня тіла але багато раз менше поверхні оболонки, тобто те, згідно виразу (5)

С_1,2=С₁(6)

В цьому випадку коефіцієнт випромінювання тіла з меншою поверхнею може бути підрахований па підставі (4) і (6) по формулі:

(7)

2. Опис експериментальної установки

Установка виконана у вигляді лабораторного стенду на два робочих місця (рис.1). Робочу ділянку установки (рис.2) є скляний калориметр, виконаний з подвійними стінками . Досліджуване тіло – випромінювач

d=0,2 м м² упаяну в скляний циліндр 2, з якого відкачано повітря. Даний циліндр поміщений в скляну колбу 3 для охолоджування його водопровідною водою. Дріт нагрівається шляхом безпосереднього пропускання через неї електричного струму. Поверхня дроту може передавати теплоту не тільки випромінюванням, по ще і шляхом конвекції _ітеплопровідності Проте, при достатньому розрідженні повітря тепловий потік від тіла передається практично тільки за рахунок випромінювання, тому з внутрішньої порожнини калориметра відкачано повітря до тиску 10^{-5 мм рт. ст.}

Мал. 1. Установка ТП-011.

1 - стіл; 2 - блок випромінювача; 3- панелі управління; 4 - панель комутації;5 - каркас; 6 - панель транзисторного регулятора струму; 7 - перетворювач вимірювальний НП-ТМ-М; 8 - прилад вимірник; 9 – годинник цифровий електронний.

Температура води на вході і виході калориметра вимірюється термопарами ТХК 4 і 5 відповідно. Сигнали від термопар подаються через перетворювач А9 (R1) і перемикач S1 на цифровий вольтметр Щ-4313-Р2.

Колба з випромінювачем встановлюється в спеціальний піддон і кріпиться до нього за допомогою двох затисків. Підведення води, що охолоджує, до колби виконане від центральної системи водопостачання. Блок випромінювача встановлюється в центрі столу і кріпиться до каркаса (рис.3).

Мал. 2. Колба з випромінювачем

1 - вольфрамовий дріт; 2 - скляний порожнистий циліндр; 3 - скляна колба; 4, 5 - термопара.

Рас. 3. Блок випромінювача

1 - кришка з прозорого оргскла; 2— затиски ; 3 — колба випромінювача; 4, 5 – термопари;6- кріплення блоку.

Зверху блок випромінювача закритий кришкою з прозорого оргстекла, чим забезпечується наочність експерименту і збереження колби.

3.Хід роботи

Перед включенням установки в електричну мережу слід відкрити воду і дочекатися заповнення оболонки калориметра водою, що охолоджує. Потім встановити регулятор напруження проволікай R1 в крайнє ліве положення (нульове) до упору і включити установку в мережу тумблером 1 (спалахує контрольна

лампочка 2), після чого включити нагрів притягай перемикачем 3 і регулятором R1встановити падіння напруги U = 1,7 В для першого режиму.

Через декілька хвилин після встановлення стаціонарного режиму, який характеризується постійністю свідчень в часі величин, вимірюваних в досвіді, натиснути тумблер 5 і зміряти цифровим вольтметром приладу Щ-4313-Р2 падіння напруги. Зміряти також силу струму після натиснення на тумблер 6 і температуру води па вході і виході з калориметра після натиснення тумблера 7 по цифровому вольтметру (перемикання термопар здійснюється натисненням відповідної кнопки 4).

Результати вимірювань внести до журналу спостережень, складеного за формою таблиці 1:

Таблиця 1

№ режиму	Сила струму І, А	Падіння напруги U , В	Температура на вході °С	Температура на виході ,°С

		1,7
		2, 5
		4,0

Провести вказані вимірювання ще на двох режимах, відповідних падінню напруги на робочій ділянці U = 2,5 В і U = 4 В.

Після закінчення вимірювань вивести ре1улятор нагріву 3 проти годинникової стрілки до упору (відключити) і вимкнути перемикачем 4 нагріваючи дроту.

Потім відключити електроживлення установки і перекрити подачу води.

4. Обробка результатів вимірювань

Вимірювання проводяться на стаціонарному режимі установки, відповідної певному значенню температури поверхні досліджуваного дроту, тому дріт і оболонка (внутрішня поверхня калориметра), беруть участь в процесі сталого променистого теплообміну. В цьому випадку, кількість енергії, витрачену в процесі нагрівання проволікай, є результуючий потік випромінювання, а оскільки,то коефіцієнт випромінювання визначається співвідношенням (7).

Таким чином, розрахунок значень коефіцієнта випромінювання дроту проводиться в такій послідовності:

1. Визначити електричний опір досліджуваного дроту по формулі:

(8)

2. Знайти абсолютне значення температури поверхні дроту використовуючи градировочну залежність електричного опору проволікай від температури (рис.4).

3. Визначити абсолютну температуру оболонки калориметра T₂, яка може бути прийнята рівній середній температурі води, що охолоджує калориметр:

°K (9)

4. Підрахувати результуючий потік випромінювання:

Вт (10)