Работа № 4
ОПЕРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ МЕТОДОМ РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМА.
Цель работы:
!. Ознакомление с методикой определения коэффициента теплоотдачи методом регулярного режима.
2. Определение коэффициента теплоотдачи от медного шара к воздуху в условиях свободной конвекции воздуха при охлаждении шара.
Охлаждение однородного изотропного и равномерно нагретого тела в среде с постоянной температурой проходит две стадии. В первой стадии охлаждения распределение температуры в теле в основном определяется его начальным состоянием. Эту стадию охлаждения принято называть неупорядоченным режимом Во второй стадии охлаждения распределение температуры определяется лишь физическими свойствами, геометрической формой исследуемого тела и условиями охлаждения на его границе; эта стадия охлаждения называется регулярным режимом.
Регулярный режим охлаждения наступает по истечении некоторого промежутка времени 
, определяемого значением критерия Фурье:
(1)
где 
- коэффициент температуропроводности, 
/с,
- коэффициент теплопроводности тела, 
C – теплоемкость, Дж/(кг град);
- плотность, 
- определяющий размер (для шара 
- радиус), м
При регулярном тепловом режиме избыточная температура в любой точке тела изменяется по экспоненциональному закону:
(2)
где А – постоянный множитель;
U- функция координат точки, в которой измеряется температура тела;
- избыточная температура тела;
Т - температура тела,
- температура среды;
m - относительная скорость изменения температуры в единицу времени (для всех точек тела одинакова):
(3)
В соответствии с законом сохранения энергии убыль тепловой энергии 
тела за бесконечно малый промежуток времени 
равно количеству тепла 
, отданному поверхность тела F за тот же элемент времени среде:
(4)
(5)
(6)
где С - теплоемкость тела, 
;
- плотность тела, 
;
V – объем тела, 
;
-средняя объемная температура тела;
- среднее значение коэффициента теплоотдачи, 
;
F - поверхность тела;
- средняя поверхностная температура
Введем коэффициент неравномерности: 
Тогда из уравнений (4),(5)и(6) получаем:
или
(7)
При регулярном режиме охлаждения 
не зависит от времени. Учитывая зависимости (3),(7), имеем:
(8)
В теории регулярного режима, разработанной Г.М. Кондратьевым, доказывается, что между коэффициентами неравномерности и определенной критериальной величиной 
существует зависимость, справедливая для тела любой формы (см. рис. 4). Величина 
определяется из выражения:
(9)
где k - коэффициент формы
для шара 
;
для цилиндра 
;
для пластины 
(
- толщина пластины).
Таким образом, для определения коэффициента теплоотдачи необходимо экспериментально определить темп охлаждения m и далее используя зависимость (9) и (8) подсчитать 
.
Следует иметь в виду, что теплообмен между телом и окружающей средой представляет собой сложный процесс, включающий передачу тепла теплопроводностью, конвекцией и излучением. В данном случае, при изучении теплообмена между медным шаром и свободно движущимся воздухом, передача тепла теплопроводностью незначительна и ею можно пренебречь. Определенный в опыте коэффициент теплоотдачи следует рассматривать как суммарный коэффициент:
Рис. 4
Рис. 5
(10)
где 
- коэффициент теплоотдачи конвекций;
- коэффициент теплоотдачи излучением.
Количество тепла, передаваемое шаром путем теплового излучения, определяется по уравнению:
где 
- поверхность шара, 
;
- температура шара, 
;
- температура воздуха, 
;
- приведенный коэффициент излучения, определяемый по формуле:
и 
коэффициенты излучения, соответственно, шара, и окружающих стен помещения;
; 
- поверхность шара и окружающих стен, .
Так как << , то 
.
Коэффициент теплоотдачи излучением определяется из формулы:
(11)
Описание установки.
Установка состоит из исследуемого тела 1 (рис.5), в данном случае медного, шара. Диаметр шара d = 0,05896 м. Внутрь шара заложен один спай (2) дифференциальный ХК термопары, другой спай выведен наружу в окружающую среду. Свободные концы термопары подсоединены к потенциометру. (4), с помощью которого измеряется термо э.д.с., характеризующая избыточную температуру (разность температур шара и окружающей среды) в мВ. Одновременный контроль температуры окружающей среды осуществляется по ртутному термометру (3). Нагрев шара осуществляется от электрической плитки при помощи специальной подставки.
Во время проведения опыты шар отгораживается от наблюдателя экраном, что исключает посторонние возмущения движения воздуха и предохраняет от случайного прикосновения к горячей поверхности шара.
Порядок проведения опыта.
С помощью электрической плитки нагреть шар до такой степени, когда избыточная температура равна 51 
, что соответствует показанию потенциометра 3,5 мВ. После чего нагреватель отключить и плитку убрать от шара. Между шаром и наблюдателем должен быть установлен экран. В процессе охлаждения шара фиксируются показания потенциометра и ртутного термометра через определенные интервалы времени (1мин.).
Избыточная температура в определяется по градуировочной таблице (Приложение. Табл. 3).
Результаты измерений заносят в протокол наблюдений.
Протокол наблюдений.
| № п/п | Время | Термо э.д.с. термопары | Избыточная тем-ра | Температура окруж. среды | |
 с,
|  мВ
|  
| 
| 
| |
Обработка результатов опыта.
1. По полученным данным строятся графики зависимостей
2. Из последнего графика для регулярного режима охлаждения (на прямолинейном участке) определяется темп охлаждения
3. По формуле (9) вычисляется критериальная величина
при этом коэффициент температуропроводности определяется из соотношения:
Для медного шара 
= 384 Вт/(м град), С = 372 Дж/кг град, 
= 8960 кг/ 
Коэффициент формы 
(в данной работе R - радиус шара, м).
4. По графику 
(рис.4) определяется значение для данного .
5. Средний коэффициент теплоотдачи шара определяется по формуле (8), учитывая, что объем шара 
и площадью поверхности 
.
6. Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формуле (11), принимая коэффициент излучения шара С = 0,418 и вычисляя температуру шара из соотношения:
где 
- среднеарифметическое значение избыточной температуры за исследуемый период охлаждения, ;
- средняя температура окружающей среды за тот же период, .
7. Из соотношения (10) определяется коэффициент теплоотдачи конвекцией.
Вопросы для теоретической подготовки.
- Элементарные виды теплообмена.
- Свободная и вынужденная конвекция.
- Физическая сущность процесса конвективной теплоотдачи.
- Сложный теплообмен.
- Методы исследования теплоотдачи.
- Методы исследования теплообмена в нестационарном температурном режиме.
- Метод регулярного режима при исследовании теплоотдачи (сущность и основные положения метода).
