Обработка результатов опытов
Цель работы
1. Углубление знаний по теории теплоотдачи при свободном движении.
2. Усвоение методики опытного исследования теплоотдачи и обработки результатов.
3. Развитие навыков в проведении эксперимента.
При выполнении данной работы должны быть усвоены: понятия и сущность теплоотдачи, свободного движения, закон Ньютона – Рихмана,
сущность коэффициента теплоотдачи и его зависимость от различных факторов, методика экспериментального определения коэффициента теплоотдачи, понятие о теории подобия, числах и уравнениях подобия конвективного теплообмена.
Задание
1. Определить коэффициент теплоотдачи 
при свободном движении воздуха около вертикальной трубы и установить зависимость от температурного напора.
2. Полученные в опытах величины коэффициента теплоотдачи сравнить с вычисленными по уравнению подобия.
3. Составить отчёт по выполненной работе.
Методика определения коэффициента теплоотдачи
Процесс конвективного теплообмена между поверхностью твердого тела и соприкасающейся с ней жидкостью (или газом) называется теплоотдачей.
Этот процесс осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией и неразрывно связан с движением жидкости (газа).
Движение жидкости или газа, возникающее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, называется свободным движением.
Количество переносимой теплоты в единицу времени – тепловой поток QК, Вт, при теплоотдаче определяется по закону Ньютона – Рихмана:
QK = F (tC – tЖ) = F 
t,
где
F – поверхность теплообмена, м2;
t = tC – tЖ - температурный напор, 
;
tC – температура поверхности стенки, ;
tЖ – температура жидкости или газа, ;
- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К).
Опытным путём коэффициент теплоотдачи можно определить по закону Ньютона – Рихмана:
.
Следовательно, для определения по этой формуле при опытах необходимо знать тепловой поток конвективного теплообмена QK , поверхность теплообмена F, её среднюю температуру tC и температуру жидкости (газа) tЖ.
Схема опытной установки.
d = 50 мм
h = 2630 мм
= 0,5
1-вертикальная дюралевая труба.
2- электронагреватель в виде спирали.
3- медь-константановые термопары, 8 шт.
4-ваттметр класса 0,5.
5-лабораторный автотрансформатор.
Журнал наблюдений.
| № опыта | № замера | Температура, °С | Средняя температура поверхности, tc , °С | Температура воздуха, tж, °С | Мощность эл. двигателя, W, Вт | |||||||
| 1-й опыт | 50,5 | 50,3 | 50,7 | 50,5 | 49,5 | 49,8 | 50,4 | I=1,43A U=100B W=143Bт | ||||
| 50,8 | 50,5 | 50,8 | 50,3 | 49,8 | 49,4 | 50,2 | ||||||
| 50,8 | 50,6 | 50,6 | 49,9 | 49,5 | 50,3 | |||||||
| 2-й опыт | 60,1 | 61,3 | 60,1 | 61,5 | 60,5 | 59,1 | 59,2 | 59,3 | 60,6 | I=1,73A U=125B W=216Вт | ||
| 60,4 | 61,8 | 61,4 | 61,7 | 59,8 | 59,9 | 59,9 | 59,8 | 60,6 | ||||
| 60,7 | 61,5 | 61,8 | 61,2 | 59,9 | 59,9 | 60,6 | ||||||
| 3-й опыт | 70,2 | 69,3 | 67,8 | 67,9 | 67,6 | 69,1 | I=1,87A U=136B W=255Bт | |||||
| 68,1 | 71,5 | 70,5 | 71,5 | 67,8 | 67,5 | 69,2 | ||||||
| 68,3 | 69,6 | 69,6 |
Обработка результатов опытов
Расчёт для 1-го опыта:
Коэффициент теплоотдачи от поверхности трубы вычисляется по формуле:
Вт/(м2 К) (1),
где
d и h – диаметр и высота исследуемой трубы, м;
d h – её поверхность теплообмена, м2;
tC – средняя температура поверхности, °С;
tЖ – температура окружающего воздуха, 
С.
Тепловой поток, передаваемый от поверхности трубы к воздуху путём конвективного теплообмена, определяется как разность
QK = Q – QЛ , Вт (2),
где
Q – полный тепловой поток, Q =W;
W – мощность, потребляемая электронагревателем.
Тепловой поток, передаваемый излучением от поверхности трубы к окружающим её телам, определяется по уравнению
QЛ = 
F1, Вт (3),
Здесь с0 – излучательная способность абсолютно черного тела;
с0 = 5,67 Вт/(м2 К4).
F1 = d h – поверхность трубы, м2;
Т1 = tС + 273 – средняя абсолютная температура поверхности трубы, К;
Т2 = tЖ + 273 – абсолютная температура окружающих тел, принимаемая равной температуре воздуха, К;
П – приведены коэффициент теплового излучения системы тел.
F1 = 3,14 0,05 2,63 = 0,412 м2
Т1 = 50,3 + 273 = 323 К
Т2 = 19 + 273 = 292 К
QЛ = 
0,412 = 46,44 Вт
QК = 143 – 46,44 = 96,56 Вт
= 7,47 Вт/(м2 К).
Pr = 
- число Прандтля, характеризующее физические свойства жидкости;
= 21,27 10-6, м2/с, (табл.) - коэффициент температуропроводности;
= 14,97 10-6, м2/с, (табл.) – кинематический коэффициент вязкости.
Pr = 
= 0,704
Gr = 
(4),
где
Gr - число Грасгофа, характеризующее подъёмную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей;
- коэффициент объёмного расширения, 1/К, определяется по формуле:
= 1 / (tж +273), (5),
= 1 / (19 + 273) = 0,0034;
g – ускорение свободного падения, м/с2,
= tС - tЖ - температурный напор, °С
= 50,3 – 19 = 31,3 °С
Gr = 
= 8,4 1010
GrЖ РrЖ = 0,704 8,4 1010 = 5,9 1010
Для турбулентного режима
NuЖ = 0,15 (GrЖ РrЖ )0,33
NuЖ = 0,15 (5,9 1010)0,33 = 538
= NuЖ 
, Вт/(м2 К), (6),
где = 0,0258 Вт/(м2 К) – коэффициент теплопроводности (табл.).
= 538 
= 5,27 Вт/(м2 К)
Расчёт для 2-го опыта:
= 60,6 – 19 = 41,6 °С
Вт/ (м2 К)
QЛ = F1, Вт
F1 = 0,412 м2
Т1 = 60,6 + 273 = 333,6 К
Т2 = 19 + 273 = 292 К
Q =W = 216 Вт,
QЛ = 
0,412 = 65,65 Вт
QК = 216 – 65,65 = 150,35 Вт
= 8,75 Вт/(м2 К).
Pr = - число Прандтля, характеризующее физические свойства жидкости;
= 21,27 10-6, м2/с, (табл.) - коэффициент температуропроводности;
= 14,97 10-6, м2/с, (табл.) – кинематический коэффициент вязкости.
Pr = = 0,704
Gr = – число Грасгофа, характеризующее подъёмную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей;
где
- коэффициент объёмного расширения, 1/К, определяется по формуле:
= 1 / (tж +273),
= 1 / (19 + 273) = 0,0034;
g – ускорение свободного падения, м/с2,
= tС - tЖ - температурный напор, °С
= 41,6 °С
Gr = 
= 11,2 1010
GrЖ РrЖ = 0,704 11,2 1010 = 7,8 1010
Для турбулентного режима
NuЖ = 0,15 (GrЖ РrЖ )0,33
NuЖ = 0,15 (7,8 1010)0,33 = 589
= NuЖ , Вт/(м2 К),
где = 0,0258 Вт/(м2 К) – коэффициент теплопроводности (табл.).
= 589 = 5,77 Вт/(м2 К)
Расчёт для 3-го опыта:
= 69,3 – 19 = 50,3 °С
Вт/(м2 К)
QЛ = F1, Вт
F1 = 0,412 м2
Т1 = 69,3 + 273 = 342,3 К
Т2 = 19 + 273 = 292 К
Q =W = 255 Вт,
QЛ = 
0,412 = 83 Вт
QК = 255 – 83 = 172 Вт
= 8,28 Вт/(м2 К).
Pr = - число Прандтля, характеризующее физические свойства жидкости;
= 21,27 10-6, м2/с, (табл.) - коэффициент температуропроводности;
= 14,97 10-6, м2/с, (табл.) – кинематический коэффициент вязкости.
Pr = = 0,704
Gr = – число Грасгофа, характеризующее подъёмную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей;
где
- коэффициент объёмного расширения, 1/К, определяется по формуле:
= 1 / (tж +273),
= 1 / (19 + 273) = 0,0034;
g – ускорение свободного падения, м/с2,
= tС - tЖ - температурный напор, °С
= 69,3 °С
Gr = 
= 18,5 1010
GrЖ РrЖ = 0,704 18,5 1010 = 13,024 1010
Для турбулентного режима
NuЖ = 0,15 (GrЖ РrЖ )0,33
NuЖ = 0,15 (13,024 1010)0,33 = 698
= NuЖ , Вт/(м2 К),
где = 0,0258 Вт/(м2 К) – коэффициент теплопроводности (табл.).
= 698 = 6,84 Вт/(м2 К)
Результаты расчёта
| № Опыта | 
Вт/(м2 К)
| 
Вт/(м2 К)
| 
|
| 7,47 | 5,27 | 31,3 | |
| 8,75 | 5,77 | 41,6 | |
| 8,28 | 6,84 | 50,3 |
График зависимостей 
по эксперементу и по расчёту.
