Опыты проводятся (после изучения устройства опытной установки и ознакомления с измерительной схемой) в следующем порядке.
Включателем В включаются электрические нагревательные элементы НЭ1, НЭ2 и регуляторами напряжения Р1, Р2 устанавливается определенное значение мощности (тепловой поток), определенное по показаниями ваттметров PW1, PW2.
В первом режиме мощность устанавливается в пределах от 30 до 50 Вт. По достижении установившегося теплового режима, при котором показания измерительных приборов сохраняются неизменными во времени, производиться запись показаний приборов в протокол (таблица 1) через равные промежутки времени между замерами (3 минуты).
Другие режимы задаются преподавателем.
Результаты расчетов сводятся в таблицу2.
По результатам расчетов производится сравнение степени черноты поверхности окрашенной меди (элемент 1) и полированной стали (элемент 2) с табличными значениями из литературы.
Таблица 1
| Наименование величин | Режим 1 | ||||||||
| Элемент 1 | Элемент 2 | ||||||||
| Замеры | Замеры | ||||||||
| Тепловой поток Q, Вт | |||||||||
| Температура поверхности элементов труб | |||||||||
| Средние значения температуры поверхности элементов tw? oC | |||||||||
| Температура окружающего воздуха tf, oC | |||||||||
Таблица 2
| № | Наименование величины | Определение величин и расчетные соотношения | Первый режим | |
| Элемент 1 | Элемент 2 | |||
| 1. | Критерий Грасгофа | 
| ||
| А. | Коэффициент объемного расширения | 
| ||
| В. | Определяющая температура | 
| ||
| C. | Температурный напор | 
| ||
| D. | Коэффициент кинематической вязкости воздуха |
| ||
| 2. | Критерий Нуссельта | 
| ||
| А. | Критерий Прандтля | 
| ||
| В. | Коэффициенты, выбираются из л.р.№2 | c | ||
| n | ||||
| 3. | Поверхность трубы | 
| ||
| 4. | Коэффициент теплоотдачи | 
| ||
| А. | Коэффициент теплопроводности воздуха | 
| ||
| 5. | Конвективная составляющая теплового потока | 
| ||
| 6. | Величина лучистого теплового потока | 
| ||
| 7. | Степень черноты | 
| ||
| 8. | Коэффициент излучения | 
|
Оценка погрешности измерения.
Оценка погрешности проводится по максимальной относительной погрешности измерения. В рассматриваемом случае максимальная погрешность определения степени черноты поверхности тела будет:
Вывод:
Лабораторная работа № 3-4
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРУБ ОДИНАКОВОГО ДИАМЕТРА, ИЗГОТОВЛЕНЫХ ИЗ ОДИНАКОВОГО МАТЕРИАЛА»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Дальнейшее изучение конвективного теплообмена.
2. Установление качественной зависимости коэффициента теплоотдачи от геометрического положения, теплоотдающей поверхности (трубы) в пространстве.
ЗАДАНИЕ
1. Определить коэффициенты теплоотдачи α1 и α2 от двух труб одинакового диаметра, изготовленных из одного материала, одна из которых вертикальная (элемент 2), а вторая – горизонтальная (элемент 1). Отметим, что, как и в предыдущих работах, на обе трубы подаётся одинаковая мощность тока, т.е. тепловой поток, поступающий от нагревателя, расположенного внутри трубы, одинаков.
2. Установить, влияет ли расположение труб в пространстве на α. Если да, то как, если нет, то почему?
3. Составить отчёт по работе.
Теоретическое введение
Конвективный теплообмен (теплоотдача) представляет собой процесс передачи тепла от твердой поверхности к газу или жидкости, или наоборот, от жидкости или газа к поверхности. Механизм теплоотдачи включает в себя теплопроводность внутри тонкого неподвижного слоя газа или жидкости у поверхности (пограничный слой) и конвекцию, т.е. способ передачи тепла, связанный с перемещением макрообъемов газа или жидкости.
Конвекция может быть свободной или вынужденной. При вынужденной конвекции перемещение различно нагретых объемов жидкости происходит под действием какого-либо постороннего источника движения (насоса, вентилятора, компрессора и т.д.)
Свободная конвекция возникает при соблюдении двух условий:
1. Наличия разности температур, и, следовательно, разности плотностей в объеме теплоносителя. В исследуемом случае разность температур создается между поверхностью трубы и окружающей средой.
2. Наличия поля тяготения. Необходимость этого условия становится ясной из следующих соображений: если в объеме теплоносителя, имеющего температуру 
, возник некоторый объем с температурой 
, то плотность последнего объема становится либо больше (если 
), либо меньше (
) по сравнению с первоначальной. Тогда рассматриваемый объем, имеющий температуру , в силу закона Архимеда будет либо всплывать, либо опускаться относительно всего объема теплоносителя, т.к. он стал легче или тяжелее окружающих слоев газа или жидкости. Но понятия «легкий» и «тяжелый» справедливы в поле сил тяготения. При его отсутствии (в невесомости) свободная конвекция не возникает.
Одной из важнейших задач расчетов конвективного теплообмена является определение количества тепла, отдаваемого или принимаемого той или иной поверхностью теплообмена. Это количество тепла определяется по закону Ньютона-Рихмана:
Здесь αК – основная характеристика конвективного теплообмена как при свободной, так и при вынужденной конвекции. Этот коэффициент носит название коэффициента теплоотдачи и представляет собой количество тепла, отдаваемое или принимаемое единицей поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и теплоносителем в один градус. Следовательно, его размерность 
Определение величины α К представляет значительные трудности, т.к. αК зависит от многих факторов, например, геометрии поверхности, свойств теплоносителя, температуры и т.д.
Величина αК определяется обычно из критериальных уравнений, полученных на основании теорий подобия и размерностей. Например, теплоотдача в условиях вынужденной конвекции описывается уравнением:
а в условиях свободной конвекции:
В уравнениях (2), (3), Nu – критерий Нуссельта, который служит для определения коэффициента теплоотдачи αК:
Понятие о критериях подобия, входящих в уравнение (2), (3) вводится при помощи специальной теории, называемой теорией подобия.
| Наименование критерия | Формула | Что характеризует |
| 1. Критерий Нуссельта | 
| Интенсивность теплообмена на границе стенка – жидкость |
| 2.Критерий Рейнольдса | 
| Соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости |
| 3. Критерий Грасгофа | 
| Соотношение подъемных сил и вязкости |
| 4. Критерий Прандтля | 
| Физические свойства жидкости |
В критериях Нуссельта, Грасгофа, Рейнольдса содержится величина, называемая определяющим линейным размером 
. Выбор этого размера для каждого конкретного случая производится так, чтобы был учтен тот путь, который проходит нагреваемый (охлаждаемый) теплоноситель около поверхности. Например, воздух вдоль вертикальной трубы проходит путь, равный длине трубы, а горизонтальную трубу воздух обтекает по диаметру. Значит, в первом случае 
трубы, а во втором 
.
В упомянутые критерии подобия входят также свойства теплоносителя:
– коэффициент теплопроводности, 
–коэффициент кинематической вязкости и 
– коэффициент объемного расширения. Эти параметры, а также критерий 
выбираются из таблиц физических свойств теплоносителей по температуре. Коэффициент объемного расширения для воздуха может также определятся из выражения:
где 
– температура жидкости вдали от поверхности трубы;
– температура поверхности трубы.
Коэффициенты в критериальных уравнениях
| С | n |
| Для вертикальной стенки | ||
| от 103 до 109 | 0,54 | 0,25 |
| от 109 до 1013 | 0,15 | 0,33 |
| Для горизонтальной трубы | ||
| от 10-3 до 103 | 1,18 | 0,125 |
| от 103 до 109 | 0,5 | 0,25 |
Следует отметить, что количество тепла Q, передаваемое трубой в окружающее пространство, определяется по мощности, потребляемой электронагревателем. Это количество тепла передается окружающей среде путем конвекции и радиации (излучения).
Коэффициент теплоотдачи αК вычисляется (для последующего определения критерия Нуссельта) по доле конвективной составляющей теплового потока:
В свою очередь, конвективная составляющая теплового потока 
определяется как полный тепловой поток за вычетом радиационной составляющей 
где 
– степень черноты поверхности полированной трубы (
); 
– коэффициент излучения абсолютно черного тела. Необходимо вычислить коэффициент теплоотдачи αК по классическому уравнению (7) и сравнить его с опытом.
