Расчетные формулы и расчеты

1. Атмосферное давление находится по формуле:

Р_атм = 100· В, Па

где В – показание барометра, мбар.

2. Перепад давления воздуха в воздухомере:

∆P = ρ∙g·H, Па

где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м³; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек²; H – показание вакуумметра (горло воздухомера), переведенное в м вод.ст.

3. Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера

где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг∙К

4. Расход воздуха: .

5. Абсолютное давление в сечении 1-1:

где H_н - показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст.

6. Плотность воздуха по состоянию на входе в горизонтальную трубу:

где t₁ – температура воздуха при входе в трубу (сечение 1-1), °С.

7. Плотность воздуха по состоянию на выходе из горизонтальной трубы:

где t₂ – температура воздуха на выходе из трубы (сечение 2-2), °С.

8. Средняя скорость потока в сечениях 1-1 и 2-2 определяется по общему уравнению:

где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений 1-1 и 2-2 и равная 1,35·10^{-3, м2};  – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м³; j − индекс рассматриваемого сечения (1-1 или 2-2).

9. Мощность теплового потока, переданного потоку газа вынужденной конвекцией от внутренней поверхности трубы находится с учетом (1) по формуле:

.

10. Тогда мощность теплового потока, переданного естественной конвекцией от наружной поверхности трубы:

.

11. Мощность теплового потока, выделенная на участке от сечения 1-1 до сечения 2-2, находится по показаниям вольтметра и амперметра:

где I_н – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, А; U_н – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, В.

Опытные значения коэффициентов теплоотдачи получаем по формулам (2), в которых – внутренняя поверхность трубы, равная 0,352, м²; F_нар – наружная поверхность трубы, равная 0,386, м²; средний температурный напор при вынужденной конвекции  °C; средний температурный напор при естественной конвекции °C.

12. Расчетные значения коэффициента теплообмена для вынужденной конвекции находим с учетом (3) или (4) по формуле:

                                                 (6)

При вычислении критериев подобия по уравнениям (3) или (4) и коэффициента теплоотдачи по формуле (6) все теплофизические свойства воздуха (коэффициент теплопроводности λ, кинематическая вязкость ν, критерий Прандтля Pr_1п) находятся из табл.3 интерполяцией при определяющей температуре − средней температуре потока в трубе, равной t_п = 0,5·(t₁ + t₂); определяющим размером в формулах является внутренний диаметр трубы d_вн = 0,0415, м; критерий Рейнольдса Re_п следует рассчитывать при средней скорости потока воздуха в трубе W_сред = (W₁+W₂)/2.

13. Расчетные значения коэффициента теплообмена для свободной конвекции находим с учетом (5) по формуле:

                                          (7)

При вычислении критериев подобия по уравнению (5) и коэффициента теплоотдачи по формуле (7) все теплофизические свойства воздуха (коэффициент теплопроводности λ, кинематическая вязкость ν, критерий Прандтля Pr_2п) находятся из табл.3 интерполяцией при определяющей температуре − равной температуре потока, окружающего трубу t_п = t_окр; определяющим размером в формулах является наружный диаметр трубы d_нар = 0,0455, м; коэффициент объемного расширения β для воздуха рассчитывается по формуле                         β_п = 1/(273 + t_окр), 1/К; критерий Грасгофа следует рассчитывать по разности температур ∆t₂.

14. Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении табл.2 результатов расчета:

К строке 10: изменение энтальпии 1 кг потокавоздуха

                     ,                                                (8)

где с_р – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, значение которой выбирается из табл.3.

К строке 11: изменение кинетической энергии 1 кг потока воздуха                                                                                                                                                                                                                                                  .

15. Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной табл. 2.

Таблица 2

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается?

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Какими методами измеряется температура в данной работе?

4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?

5.По каким признакам можно судить о стационарном режиме теплообмена с окружающей средой?

6. Как осуществляется выбор контрольной оболочки рассматриваемой термодинамической системы?

7.Дайте формулировку и математическое выражение уравнения первого закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта.

8. Укажите способы определения величин, входящих в уравнение 1-го закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта, с полным обоснованием используемых расчетных формул.

9. Какие существуют методы и приборы для измерения температуры, давления и расхода?

10. Как определяется плотность воздуха в условиях лабораторной установки?

11. Какие виды конвекции существуют, в чем их различие?

12. В чем сущность "Теории подобия" и как с ее помощью определяются коэффициенты теплоотдачи?

13. Как составляются критериальные уравнения?

14. Составьте в общем виде критериальные уравнения для вынужденной и свободной (естественной) конвекции.

15. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для свободной конвекции?

16. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для вынужденной конвекции?

17. Что такое "определяемый" и "определяющий" критерий?

18. Как выбирается определяющий (характерный) размер и определяющая температура при расчете критериев подобия?

Таблица 3