Тепловіддача керамічного циліндра в умовах вільної конвекції

Мета роботи – вивчити параметри процесу тепловіддачі в умовах вільної конвекції; одержати конкретні критеріальні залежності для керамічного циліндра.

4.1. Основні теоретичні положення

Процес теплопровідності керамічних труб в умовах вільної конвекції використовується в радіотехніці під час розрахунку режимів нагрівання керамічних резисторів, напівпровідникових керамічних ізоляторів. У технологічних схемах виробництва керамічних труб у зоні формування також відбувається тепловіддача в умовах вільної конвекції.

Процес тепловіддачі металевих тіл правильної геометричної форми вивчено досить добре [1-3]. Одержані критеріальні залежності процесу вільної конвекції вигляду

, /4.1/

очевидно, можна використати й розв’язуючи задачі щодо тепловіддачі керамічних тіл. Проте викликає інтерес вивчення впливу властивостей матеріалу на теплообмін з навколишнім середовищем. До таких властивостей можна віднести як геометричний стан поверхні так і змочування її.

4.2. Опис установки

На рис. 4.1 зображено дослідну установку для вивчення тепловіддачі керамічної труби у вільному потоці повітря у випадках, коли її розміщують вертикально, похило чи горизонтально.

У середину дослідної труби 2 вміщено електронагрівник 1, який має таку будову: на внутрішню металеву трубу накладено тонкий шар міканіту, поверх якого намотано ніхромовий дріт. Зверху ніхромову намотку покрито міканітом і азбестом і вставлено в металеву трубу, на яку посаджено дослідну керамічну трубу. Трубу ретельно ізольовано з торців.

Для вимірювання температури на зовнішній поверхні труби закладено систему термопар 3, розміщених на спіралі. Потужність струму вимірюють приладом Д 556 7, регулюють реостатом 6, ЕРС термопар вимірюють електронним потенціометром 4. Температуру середовища вимірюють термометром.

4.3. Порядок проведення дослідів

Підготувавши установку до роботи і перевіривши справність усіх вузлів, увімкнути нагрівник. Регулюючи потужність нагрівника, встановити потрібну температуру зовнішньої поверхні і до встановлення стаціонарного режиму підтримувати потужність постійною.

Вимірювання треба проводити не менш як 3 рази через 10…15 хвилин за умови сталості в часі температури на зовнішній поверхні труби й додержання заданого температурного режиму.

Потім, змінивши потужність нагрівника, провести аналогічні вимірювання за нової температури поверхні.

Результати вимірювань внести в табл. 4.1.

Таблиця 4.1

Розміри і кут нахилу труби	Середовище, його температура , ºС	Потужність теплового потоку Q, Вт	Номер виміру	Покази приладу, °С

Примітка. Термопари розміщено під кутами до вертикальної площини: 1 – 0⁰; 2 – 60⁰; 3 – 120⁰; 4 – 180⁰; 5 – 240⁰; 6 – 300⁰.

4.4. Порядок обробки результатів дослідів

За трьома значеннями кожної вимірюваної величини обчислюють її середнє значення. Для кожного температурного режиму потрібно визначити:

1/ середню температуру поверхні труби, °С:

; /4.2/

2/ різницю температур, °С;

/4.3/

3/ коефіцієнт тепловіддачі на повітрі, Вт/(м²·°С):

, /4.4/

де – площа бокової поверхні циліндра, м², ; – діаметр труби, м; – довжина труби, м; – ступінь чорноти поверхні циліндра з кераміки, = 0,85; , – абсолютна середня температура відповідно поверхні циліндра і рідини, ºС;

4/ температура середовища, за якою вибирають його теплофізичні характеристики й критерій Прандтля, °С:

; /4.5/

5/ критерій Грасгофа

, /4.6/

де у випадку, коли трубу розміщено горизонтально; , коли трубу розміщено вертикально; - коефіцієнт об’ємного розширення для повітря К^-1

; /4.7/

6/ критерій Нуссельта

. /4.8/

Результати обробки дослідних даних звести в табл. 4.2

Таблиця 4.2

Сере-дови-ще, кут нахилу

, °С

Q, Вт

F, М²

Вт / (м²·°С)

°С

м² /с

К^-1

, Вт / (м²·°С)

, м

Дослідні точки нанести на графік у координатах , через точки провести криву. За дослідною кривою встановити аналітичний вираз функції

. /4.9/

Якщо точки в деякому інтервалі добутку укладаються на пряму лінію в логарифмічних координатах, то в цьому інтервалі залежність має вигляд

, /4.10/

де і – сталі, які визначають з графіка.

За даними табл. 4.1 побудувати графіки зміни температури керамічного циліндра залежно від кута розташування термопар для різних значень потужності.

4.5. Контрольні запитання

Процес тепловіддачі від змочування поверхні виробу?

1. Що являє собою процес вільної конвекції?

2. За яких умов проводяться досліди?

3. Як залежить процес тепловіддачі від змочування поверхні виробу?

4. Як залежить процес тепловіддачі від геометрії поверхні, кута її нахилу?

5. Залежність між якими величинами і параметрами встановлюється критеріями ?

6. Принцип роботи термопар і потенціометра.

7. Чим зумовлене застосування логарифмічної системи координат для побудови критеріальної залежності?

4.6. Техніка безпеки

1. Перед увімкненням оглянути установку, перевірити електричне коло.

2. Перед увімкненням рубильника попередити навколишніх працівників.

3. Забороняється залишати установку ввімкнутою без нагляду.

4. Бути обережним під час електричних вимірювань.

5. Вмикаючи установку, насамперед увімкнути рубильник, потім прилади.

6. Після закінчення роботи прибрати робоче місце

5. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ТЕПЛОВІДДАЧІ Й
ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ В ТЕПЛООБМІННИКУ ТИПУ «ТРУБА В ТРУБІ»

Мета роботи – дослідити інтенсивність теплообміну під час руху в’язкої рідини в каналах круглого й кільцевого перерізів і одержати критеріальні рівняння для цих випадків течії, а також дослідити процес теплообміну в теплообміннику типу «труба в трубі».

5.1. Основні теоретичні положення

У разі неізометричної течії рідини, якщо Rе < 2300, мають місце два види течії: в’язкісна і в’язкісно-гравітаційна.

В’язкісною називають течію, за якої вплив сил інерції можна знехтувати. На інтенсивність тепловіддачі впливає зміна в’язкості.

У випадку, коли течія в’язкісно-гравітаційна, на інтенсивність тепловіддачі істотний вплив справляє сила ваги, й інтенсивність тепловіддачі визначається факторами як вимушеного, так і вільного руху [1].

В’язкісний режим має місце у разі течії відносно в’язкої рідини в трубах малих діаметрів. Температурний градієнт викликає зміни як в’язкості, так і швидкості.

Під час охолодження рідини через збільшення в’язкості біля стінки збільшується тертя, що викликає зменшення швидкості. За незмінної витрати швидкість у ядрі потоку збільшується. Під час нагрівання рідини спостерігається зворотне явище.

Такий режим можна описати критеріальною залежністю вигляду

де – критерій Пекле; і – відповідно діаметр і довжина труби, і – динамічна в’язкість рідини за середніх температур відповідно рідини й стінки.

Формулу для розрахунку тепловіддачі у випадку, коли течія має в’язкісний вигляд, для круглої труби можна подати як степеневий закон [2]:

, /5.1/

де сталі і визначаються в досліду.

У випадку течії в кільцевому зазорі процес тепловіддачі можна описати [3] так:

, /5.2/

де , , , – відповідно критерій Рейнольда, Прандтля, Грасгафа для рідини й Прандтля за температури стінки.

5.2. Опис установки

Експериментальна установка складається з експериментального вузла, системи трубопроводів і вентилів, двох термостатів, вимірювальних приладів.

Основним елементом експериментального вузла /Рис. 5.1/ є мідна труба 1 діаметром 10 мм, довжиною 1200 мм, товщиною стінки 2 мм, яка коаксіально розміщена в сталевій трубі 2 діаметром 20 мм.

На зовнішній поверхні мідної труби розміщено п’ять хромель-копелевих термопар 3, а на поверхні сталевої – шість таких самих термопар.

З робочої порожнини мідної труби зроблено три відводи для мікроманометрів 5. на зовнішню поверхню сталевої труби через шар ізоляції намотано електронагрівник 4.

Коаксіальний зазор, утворений двома трубами, і робоча порожнина мідної труби не сполучаються між собою. Обидві порожнини мають свої вхідні й змішувальні камери. Для мідної труби це вхідна камера 13 і змішувальна 6.

Циркуляція і нагрівання масла в системах здійснюється окремо термостатами 14 і 15.

Система трубопроводів і вентилів дає змогу здійснювати реверсування руху масла в коаксіальному зазорі /табл. 5.1/

Температура масла регулюється контактними термометрами /ТК-100/ 16, 17, які встановлено на термостатах.

Циркуляція масла здійснюється насосами 18. Температура масла у вхідних і змішувальних камерах вимірюється термометрами 11, 12, 8 і 7 з ціною поділки 0,1 ºС. Потужність, споживану електронагрівником, контролюють ватметром 9. Для реєстрації показів термопар використовують потенціометр 10. Витрату масла вимірюють гравіметричним способом, за допомогою триходових вентилів В6, В7, В8. Масло із зливної труби відбирають у мірний циліндр. Час відбирання фіксують секундоміром.

5.3. Порядок проведення дослідів

Вивчаючи процес тепловіддачі і теплопередачі в теплообміннику типу «труба в трубі», розв’язують послідовно три задачі дослідження.

Задача 1. Дослідження процесу тепловіддачі у випадку в’язкісного руху рідини в круглій трубі.

Задача 2. Дослідження процесу тепловіддачі у випадку в’язкісного руху рідини в кільцевому каналі.

Задача 3. Дослідження процесу в теплообміннику типу «труба в трубі».

Для організації досліджень за цими задачами потрібно використати певне положення вентилів на експериментальній установці /табл. 5.1/.

У таблиці знаком «+» позначено положення вентиля, яке відповідає його повному або частковому відкриттю, знаком «-» – повне закриття вентиля.

Вибравши систему вентилів для відповідної задачі, треба встановити на задавальних контактних термометрах термостатів температури масла, що відповідають умовам задачі.

Таблиця 5.1

Задача	Умови	В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7	В8
Задача 1 Течія в круглій трубі Задача 2 Течія кільцевим каналом Задача 3 Течія в теплообміннику «труба в трубі»	Прямотік Прямотік Прямотік Прямотік Прямотік	+ - - + +	+ - - + +	- + - + -	- - + - +	- + + + +	- + - + -	- - + - +	+ - - + -

Задача 1. Гріючим теплоносієм є масло, що циркулює в кільцевому каналі за умовою прямотоку або протитоку.

Задача 2. Гріючим теплоносієм є масло, що циркулює в круглій трубі за умовою прямо току, або джерелом теплового потоку є нагрівник на зовнішній поверхні труби більшого діаметра.

Задача 3. Увімкнути електронагрівник. Температура теплоносія в кільцевому більша від температури теплоносія в круглій трубі /відповідно і в термостатах/. Увімкнути нагрівники термостатів і організувати циркуляцію теплоносіїв по короткому контуру, для чого повністю відкрити вентиль байпасної системи і повністю закрити вентиль на подавальній системі.

Після досягнення заданої температури масла встановити байпасним і подавальним вентилями необхідну витрату теплоносія. Після цього /якщо це треба за умовами задачі/ увімкнути нагрівник дослідної ділянки і встановити потрібну потужність теплового потоку, контрольовану ватметром.

Після досягнення стаціонарного режиму теплообміну виміряти температури стінок труб і масла на вході і виході з камер, а також витрати теплоносіїв. Повторити аналогічні вимірювання через 2-3 хв. Досліди провести за різних витрат теплоносіїв і різної потужності нагрівника /не менше як 4-5 режимів/.

Дослідні дані внести до табл. 5.2, яка відповідає розв’язуваній задачі.

Задача 1

Но-мер дос- ліду	Но- мер ви- міру	Вит-рата м³/с	Температура, °С
рідини	стінки	середня
На вході	На виході
ºС	ºС			Тепло- носія	стінки

Середній

Задача 2

Но-мер дос- ліду

Но- мер ви- міру

Вит-рата

м³/с

Температура, °С

рідини

стінки

середня

На вхо- ді

На ви- ході

Середній

Задача 3

Но-мер дос- ліду

Но- мер ви- міру

Витрата м³/с

Температура, °С

Потуж- ність нагрі- вника, Вт

теплоносіїв

стінки

5.4. Порядок обробки результатів дослідів

За трьома вимірами кожної величини обчислити її середнє значення.

Для кожного значення встановленої витрати теплоносія треба визначити:

Задача 1

1/ середню температуру теплоносія

; /5.3/

2/ середню температуру стінки

; /5.4/

3/ теплофізичні властивості теплоносія , , , за середньою температурою рідини і – за середньою температурою стінки;

4/ площа поверхні теплообміну

; /5.5/

де – внутрішній діаметр, = 0,01 м; – довжина дослідної ділянки труби, = 1,2 м;

5/ кількість теплоти, передана теплоносію, Вт,

; /5.6/

6/ температурний напір

; /5.7/

7/ коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія, Вт(м²·°С):

; /5.8/

8/ критерій Нуссельта

; /5.9/

9/ значення комплексу

. /5.10/

Результати розрахунків внести до табл. 5.3.

Таблиця 5.3

Номер дос- ліду

м³/с

Q, Вт

, °С

, Вт(м²·°С)

Результати обробки експериментальних даних нанести на графік у логарифмічних координатах

через точки провести апроксимуючу криву.

За дослідною кривою встановити аналітичний вираз функції /5.1/

Задача 2.

1/ середню температуру теплоносія

; /5.11/

2/ середню температуру стінки

; /5.12/

3/ теплофізичні властивості теплоносія , , , , , за середньою температурою рідини і – за ;

4/ середню температуру стінки /у випадку, коли теплий потік з боку труби меншого діаметра/,

; /5.13/

5/ критерій Прандтля за ;

6/ площу поверхні кільцевого каналу

, /5.13/

де = 0,014 м, = 0,02 м – діаметри кільцевого перерізу;

7/ швидкість теплоносія

; /5.15/

8/ критерій Рейнольдса

, /5.16/

де ; /5.17/

9/ кількість тепла, переданого теплоносію

; /5.18/

10/ площу поверхні теплообміну у випадку, коли тепловий потік – з боку труби меншого діаметра;

; /5.19/

11/ площу поверхні теплообміну у випадку, коли тепловий потік – з боку зовнішнього нагрівника,

; /5.20/

12/ температурний напір відповідно для двох випадків теплового потоку

; /5.21/

; /5.22/

13/ коефіцієнт тепловіддачі від стінки до теплоносія

; /5.23/

14/ критерій Нуссельта

; /5.24/

15/ критерій Грасгофа

. /5.25/

Результати розрахунків внести до табл. 5.4.

Таблиця 5.4

Номер дос- ліду

Результати обробки експериментальних даних нанести на графік у логарифмічних координатах

через точки провести апроксимуючу криву.

За дослідною кривою встановити аналітичний вираз функції /5.2/

Задача 3.

1/ середню температуру теплоносіїв за /5.3/ /5.11/;

2/ середні температури стінок труб за /5.4/ і /5.12/

3/ температурний напір у випадку прямотоку теплоносіїв:

а/ коли гріючий теплоносій – у трубі меншого діаметра,

; /5.26/

. /5.27/

Якщо , то

; /5.28/

Якщо , то

; /5.29/

б/ коли гріючий теплоносій – у кільцевому каналі,

; /5.30/

. /5.31/

Якщо , то за /5.28/,

Якщо , то за /5.29/;

4/ температурний напір у випадку протитоку теплоносіїв:

а/ гріючий теплоносій – у трубі меншого діаметра

; /5.32/

. /5.33/

Якщо , то за /5.28/,

Якщо , то за /5.29/;

б/ гріючий теплоносій – у вільному каналі

; /5.34/

. /5.35/

Якщо , то за /5.28/,

Якщо , то за /5.29/;

5/ теплофізичні властивості теплоносіїв , , , за ; ; ; ; ; ; ; за , а також за ; по ; за ;

6/ значення комплексу за /5.10/

7/ критерій Нуссельта за /5.1/;

8/ коефіцієнт тепловіддачі

; /5.36/

9/ швидкість теплоносія в кільцевому каналі за /5.15/ і /5.14/;

10/ критерій Рейнольдса за /5.16/;

11/ температурний напір для критерію Грасгофа за /5.21/ або /5.22/ відповідно до напрямку теплового потоку;

12/ критерій Грасгофа за /5.25/;

13/ критерій Нуссельта за /5.2/;

14/ коефіцієнт тепловіддачі

, /5.37/

де за /5.17/;

15/ теоретичний коефіцієнт теплопередачі

, /5.38/

де δ – товщина стінки трубки,

, /5.39/

= 0,014 м, = 0,01 м.

– теплопровідність міді, = 380 Вт(м²·°С).

16/ кількість теплоти, переданої теплоносію у випадку, коли гріючий теплоносій – у кільцевому каналі, за /5.6/;

17/ кількість теплоти переданої теплоносію у випадку, коли гріючий теплоносій – у трубі меншого діаметра, за /5.18/;

18/ площу поверхні теплообміну у випадку, коли гріючий теплоносій – у кільцевому каналі, за /5.19/;

19/ площу поверхні теплообміну у випадку, коли гріючий теплоносій – у трубі меншого діаметра, за /5.5/;

20/ дійсний коефіцієнт теплопередачі:

; /5.40/

, /5.41/

де визначається за /5.28/ і /5.29/ згідно з умовами теплообміну.

Результати розрахунків внести до табл. 5.5.

Таблиця 5.5

Ном-ер дос- ліду	, м³/с	, м³/с	, °С		Вт(м²· ·°С)	Вт(м²· ·°С)
Вт(м²·°С)

За результатами обробки дослідних даних побудувати графіки

= , = –

у разі, коли гріючий теплоносій – у трубі меншого діаметра;

= , = –

у разі, коли гріючий теплоносій – у кільцевому каналі.

Провести аналіз одержаних графічних залежностей.

5.5. Контрольні запитання

1. Конструкція установки.

2. Суть ізометричної течії рідини /коли Rе < 2300/.

3. Вплив температури на швидкість потоку.

4. Призначення камери змішування.

5. Принцип роботи лабораторної установки.

6. Побудова і робота термостата.

7. Призначення контактного термометра.

8. Як визначити витрату масла?

9. Чому дорівнює кількість теплоти, переданої від стінки труби до масла?

10. Як визначають коефіцієнти с і n?

11. Принцип вимірювання температури за допомогою термопар.

12. Яка мета обробки дослідних даних у критеріальному вигляді?

13. Температурний напір у процесі тепловіддачі й теплопередачі.

14. Фізична суть критеріїв Nu, Pe, Re, Pr, Gr, а також величин і K.

5.6. Техніка безпеки

1. Перед увімкненням провести огляд установки ф ретельно перевірити за схемою гідравлічне, електричне й вимірювальне кола.

2. Задаючи умови відповідної задачі, треба суворо керуватися табл. 5.1 /положення вентилів/.

3. Заборонено вмикати насос циркуляції теплоносія, якщо вентиль байпасної системи закритий.

4. Заборонено регулювати подавання теплоносія різким відкриттям і закриттям вентилів.

5. Вимірювання витрати теплоносіїв виконувати тільки за допомогою вентилів В6, В7 і В8.

6. Заборонено вмикати нагрівник зовнішнього обігрівання без подавання теплоносія в кільцевий канал.

7. Заборонено залишати установку ввімкненою без нагляду.

8. Вимикаючи установку, спочатку вимкнути зовнішнє нагрівання, а потім припинити через деякий час циркуляцію теплоносія.

9. По закінченні роботи знеструмити й прибрати робоче місце.