Горизонтальном трубопроводе. 1. Цель работы. Изучение процессов теплообмена при свободной и вынужденной конвекции 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.

2. Основные положения. При известном значении мощности теплового потока Q, поверхности теплообмена F и разности температур ∆t между средой и стенкой становится возможным определение коэффициента теплоотдачи α из уравнения Ньютона-Рихмана: .

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: , 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 t_x = const, Q₃ = 0 и уравнение упрощается: .

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

.

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

Тогда: (1) и (2).

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

Для расчета 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 − критерий Нуссельта при вынужденной конвекции; − критерий Рейнольдса; − критерий Прандтля при определяющей температуре потока воздуха в трубе.

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

, (5)

где − критерий Нуссельта для свободной конвекции вокруг горизонтальной трубы; − критерий Грасгоффа; − критерий Прандтля при определяющей температуре потока окружающей среды вокруг горизонтальной трубы.

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

Далее поток воздуха через сечение 0−0 направляется в воздухомерное устройство 5 типа «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 9 показывает среднюю температуру воздуха в сечении 1-1. Прибор имеет встроенное компенсационное устройство, исключающее необходимость иметь холодные спаи термопар. По такой же схеме термопарами 10 и при бором 11 измеряется температура воздуха в сечении 2-2 на выходе из трубы, а термопарами 12 и прибором 13 температура 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 16 и вольтметра 17, которые расположены на панели 18 «Нагрев трубы».

При достижении стационарного режима показания всех необходимых приборов заносятся в протокол 19 и в таблицу наблюдений (табл. 1). О стационарности режима можно судить по показанию прибора для измерения температуры трубы.

Протокол наблюдений

Таблица 1

№ п/п	Измеряемая величина	Обозна чение	Номера опытов
	Температура воздуха при входе в трубу (сечение 1 - 1), °С	t1
	Температура воздуха при выходе из трубы (сечение 2 - 2),°С	t2
	Средняя температура трубы, °С	tx
	Показания вакуумметра (горло воздухомера), мм вод ст	H
	Показания пьезометра (после компрессора), мм вод ст	Hн
	Напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в	Uн
	Сила тока, потребляемого на нагрев трубы, а	Iн
	Показания барометра, мбар	B
	Температура окружающей среды, °С	tокр

4. Расчетные формулы и расчеты.

1. Атмосферное давление (Р_атм, бар) находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле: , где В – показание барометра, мбар; t_окр – температура окружающей среды, равная температуре воздуха при входе в воздухомер, °С.

2. Перепад давления воздуха (ΔР, Па) в воздухомере: , где g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек²; H – показание вакуумметра (горло воздухомера), мм вод.ст.

3. Плотность (ρ_в, кг/м³) воздуха по состоянию в «горле» воздухомера ,

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

4. Расход воздуха: , кг/сек.

5. Плотность воздуха (ρ₁, кг/м³) по состоянию на входе в горизонтальную трубу: ,

где t₁ – температура воздуха при входе в трубу (сечение I-I), °С, H_н - показание пьезометра (после компрессора), в мм вод.ст.

6. Плотность воздуха (ρ₂, кг/м³) по состоянию на выходе из горизонтальной трубы: ,

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

7. Средняя скорость потока (W_j, м/сек) в сечениях I-I и II-II определяется по общему уравнению: ,

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

8. Мощность теплового потока, переданного вынужденной конвекцией, от внутренней поверхности трубы находится с учетом (4) по формуле:

, Вт,

где c_р – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1006, Дж/(кг·°С); t_1­ и t­₂ – температура воздуха в рассматриваемом сечении, (I или II) °С.

9. Тогда с учетом формулы (3) мощность теплового потока, переданного естественной конвекцией от наружной поверхности трубы: , Вт,

где I_н – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, а; U_н – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, в.

10. Опытные значения коэффициентов теплоотдачи получаем по формулам (1) и (2), где F_вн – внутренняя поверхность трубы, равная 0,408, м²; F_нар – наружная поверхность трубы, равная 0,447, м²; средний температурный напор при вынужденной конвекции Δt₁ = t_x – 0,5·(t₁ + t₂), °C; средний температурный напор при естественной конвекции Δt₂ = t_x – t_окр, °C.