ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА

 НА ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ТРУБОПРОВОДЕ

1. Цель работы

Изучение процессов теплообмена при свободной и вынужденной конвекции на горизонтальном трубопроводе:

• экспериментальное определение коэффициентов теплоотдачи;

• сравнение опытных значений с вычисленными по критериальным уравнениям.

Основные положения

При известном значении количества передаваемой теплоты Q, поверхности теплообмена F и разности температур Δt между средой и стенкой становится возможным определение коэффициента теплоотдачи α из уравнения Ньютона-Рихмана:

Q = α ∙ F ∙ ∆t.

В условиях, когда по горизонтально расположенному трубопроводу движется воздух под напором, а с внешней стороны трубопровода существует контакт с окружающим воздухом, внутри трубопровода теплообмен определяется условиями вынужденной конвекции, а с внешней стороны - естественной конвекции. Обозначим мощность теплового потока при вынужденной конвекции Q₁, а при естественной конвекции – Q₂ и, соответственно, коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂.

Введем также обозначения:

− F_вн - внутренняя поверхность трубопровода, которая участвует в теплообмене при                   вынужденной конвекции;    

− F_нар – внешняя поверхность трубопровода, обменивающаяся теплом с окружающей средой в процессе естественной конвекции;

− Δt₁ - температурный напор со стороны внутренней поверхности;

− Δt₂ - температурный напор со стороны наружной поверхности трубопровода.

Таким образом, в опыте должны быть определены Q₁ и Q₂, Δt₁ и Δt₂, а также заданы F_вн и F_нар. В таком случае из опыта становится возможным определение α_1оп и α_2оп, которые затем могут быть сравнены со значениями α_1расч и α_2расч, полученными из соответствующих характеру теплообмена критериальных уравнений. Электрический ток при прохождении по трубе совершает работу, которая полностью переходит в тепло Q_э. В таком случае уравнение первого закона термодинамики, как частный случай закона сохранения энергии, приобретает вид: Q_Э = Q₁ + Q₂ + Q₃, где Q₁ - мощность теплового потока, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы; Q₂ - мощность теплового потока, переданная воздуху, окружающему трубу; Q₃ - мощность теплового потока, затраченная на нагрев (охлаждение) трубы.

Тепловой поток Q₃ имеет место только при нестационарном режиме работы установки, а при достижении стационарного режима, когда температура трубы tx = const, Q₃ = 0 и уравнение упрощается: Q_Э = Q₁ + Q₂ .

Мощность теплового потока Q₁, переданная воздуху, движущемуся внутри трубы, может быть определена по уравнению первого закона термодинамики для участка горизонтальной трубы:

Q ₁  = G ∙ (∆h + ∆Э_кин + ∆Э_пот + l_т), Вт.                                       (1)

При выполнении расчетов следует иметь ввиду, что изменение потенциальной энергии ∆Э_пот потока равна нулю и техническая работа l_т, совершаемая потоком, также равна нулю. Тогда:

α_{1,оп =}            ; α _2,оп =                                       (2)

Для расчета средних значений коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене в воздушной среде рекомендуются следующие формулы на основе критериальных уравнений.

Для расчета средних величин критериев Нуссельта конвективного теплообмена потока воздуха в трубах рекомендуются уравнения:

а) для ламинарного режима Re<2∙10³                                                                                        (3)

б) для развитого турбулентного режима Re>10⁴                                                                           (4)

где                             - средний критерий Нуссельта;                       − критерий Рейнольдса;

 Pr_п  - критерий Прандтля воздуха при температуре потока в трубе.  

Для горизонтальных труб при естественной конвекции в неограниченном пространстве в диапазоне изменения (Gr·Pr) от 10³ до 10⁸: 

(5)

где                                  − средний критерий Нуссельта;                                      − критерий

Грасгофа; Pr_п  − критерий Прандтля воздуха при температуре потока окружающей среды.

Схема и описание установки

Воздух, являющийся в данном случае рабочим телом, забирается компрессором 1из окружающей среды (рис. 1). Параметры воздуха в окружающей среде измеряются ртутным барометром 2и термометром 3, которые расположенны на панели 4«Окружающая среда».

Рис 1. Схема установки

Далее поток воздуха через сечение 0−0 направляется в воздухомерное устройство 5типа «труба Вентури». Количество проходящего воздуха регулируется заслонкой 6. По системе соединительных трубопроводов поток воздуха поступает во входное сечение 1−1 исследуемого участка горизонтальной металлической трубы 7. К потоку воздуха, проходящему через компрессор, на участке от сечения 0−0 до сечения 1−1 подводится работа сжатия и тепло за счет охлаждения электродвигателя компрессора, поэтому его температура повышается и измеряется четырьмя концентрически расположенными термопарами 8. Все четыре термопары включены по дифференциальной схеме, поэтому вторичный регистрирующий прибор 9показывает среднюю температуру воздуха в сечении 1-1. Прибор имеет встроенное компенсационное устройство, исключающее необходимость иметь холодные спаи термопар. По такой же схеме термопарами 10и прибором 11измеряется температура воздуха в сечении 2-2 на выходе из трубы, а термопарами 12и прибором 13температура горизонтальной трубы.

С помощью U-образных манометров, расположенных на панели 14«Статические напоры», измеряются разрежение в «горле» воздухомера и давление в сечении на выходе из компрессора – на входе в горизонтальную трубу. Горизонтальный участок трубы нагревается за счет электрического тока, подводимого через трансформатор 15. Мощность теплового потока, затраченная на нагрев трубы, находится по показаниям амперметра 16и вольтметра 17, которые расположены на панели 18«Нагрев трубы».

Выполнение работы

Установить заданные преподавателем параметры 1-го режима – положение заслонки 6 (деления в диапазоне 20 – 80) и положение ползунка 15 на панели 18 «Нагрев трубы» (деления в диапазоне 0 – 30, причем первое значение обязательно меньше 5, как на рис.1). Затем включить установку нажатием на зеленую кнопку. При достижении стационарного режима показания всех необходимых приборов заносятся в протокол 19и в таблицу наблюдений (табл. 1). О стационарности режима можно судить по показанию прибора для измерения температуры трубы. Далее установить параметры следующего режима. По окончании измерений переписать данные измерений в табл. 1.

Таблица 1