Исследование теплоотдачи при естественной конвекции около горизонтального цилиндра методом имитационного моделирования процесса теплообмена

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»

Методические указания

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОЙ КОНВЕКЦИИ ОКОЛО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ЦИЛИНДРА МЕТОДОМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА

Самара 2008

Печатается по решению Редакционно-издательского совета СамГТУ

УДК 536.242.2.

Исследование теплоотдачи при естественной конвекции около горизонтального цилиндра методом имитационного моделирования процесса теплообмена: Метод. указ/ Сост. Г.М.Синяев. Самара; Самар.гос. тех. Ун-т, 2008. 25 с.: ил.

Методические указания предназначены для студентов теплоэнергетических специальностей 140101, 140104,140105,140106 и других специальностей при выполнении ими экспериментальных исследований на имитационных компьютерных моделях лабораторных установок по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники», «Тепломассообмен», «Теоретические основы тепломассопереноса», «Теплотехника» и другим дисциплинам, в которых изучается теплообмен.

УДК 536.242.2.

Составитель: Г.М.Синяев

Рецензент докт. тех. наук, проф. А.А. Кудинов

© Г.М. Синяев составление, 2008

© Самарский государственный технический университет, 2008

Оглавление

Введение

1. Краткие теоретические сведения

2. Оценка погрешностей результатов исследований

3. Порядок проведения опытов

4. Программное обеспечение

Библиографический список

Введение

Цель работы - экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи на поверхности горизонтально расположенного цилиндра при естественной конвекции в неограниченном пространстве и сопоставление результатов опытов с расчетными данными.

1. Краткие теоретические сведения

Конвективный теплообмен - процесс переноса теплоты при перемещении нагретых элементов жидкости или газа относительно поверхности твердого тела.

Различают вынужденную и свободную (естественную) конвекции. Вынужденное движение жидкости реализуется за счет сил давления, которые создаются принудительно, например, насосом, вентилятором, компрессором или набегающим потоком газа.

Свободная (естественная) конвекция создается в поле внешних массовых сил, имеющих различную природу: гравитационные и электромагнитные поля, центробежные или кариолисовые силы и т. д. В частном случае внешние массовые силы могут быть обусловлены гравитационным полем Земли. В данном случае свободную конвекцию принято называть тепловой гравитационной конвекцией. Гравитационное поле Земли оказывает влияние на движение жидкости только при наличии свободных поверхностей или неоднородного распределения плотности жидкости. При отсутствии свободных поверхностей и однородном распределении плотности жидкости или газа сила тяжести, действующая на элемент объема среды, уравновешивается архимедовой силой выталкивания и свободная конвекция не возникает.

В общем случае при неоднородном распределении плотности жидкости сила тяжести не уравновешивается архимедовой силой. В отличие от вынужденных конвективных течений, обусловленных внешними причинами, свободные (или естественные) конвективные течения возникают исключительно под действием неравномерности плотности жидкости или газа.

Тело, внесенное в жидкость с отличной температурой, является источником нарушения равновесного состояния среды. Элементы жидкости, прилегающие к поверхности тела, принимают его температуру, начинается процесс распространения теплоты в жидкости путем теплопроводности. При малой разности температур тела и среды - это основной механизм передачи теплоты. Возникающая температурная неравномерность приводит к неоднородности плотности среды и под действием гравитационных сил возникают подъемные силы, приводящие к возникновению естественных конвективных течений.

Естественно-конвективные потоки могут быть как ламинарными, так и турбулентными. Если нагретое тело помещено в неограниченное пространство, заполненное жидкостью, то вдоль поверхности движется только тонкий слой жидкости, а основная масса жидкости остается в состоянии покоя. Если характерные размеры тела много больше, чем толщина движущегося слоя, то его можно рассматривать как пограничный слой (рис.1).

Рис.1. Естественная конвекция около вертикальной пластины (а) и горизонтального цилиндра (б).

Подъемные силы, вызывающие движение пограничного слоя в этом случае. определяются как g( -), где - плотность среды в пограничном слое, -плотность среды вне пограничного слоя, g - ускорение свободного падения. Полагая, что изменение плотности и температуры малы по сравнению с их абсолютными значениями, можно принять

 - = (Т -Т),

где - коэффициент объемного расширения жидкости.

Следовательно, подъемная сила, обусловленная изменением плотности под действием неравномерного поля температур в пограничном слое, будет равна g , и соответственно уравнения пограничного слоя для плоской (или малоискривленной) поверхности при ламинарном режиме течения запишутся в виде:

уравнение движения

;

уравнение неразрывности

;

уравнение энергии

,

где x - координата, направленная вдоль пограничного слоя; y - координата, направленная поперек пограничного слоя; u, - соответственно проекции скорости по оси x и y; - динамическая вязкость; - теплопроводность; Т - температура; - плотность; cр - массовая теплоемкость при постоянном давлении.

Вышеприведенная система уравнений пограничного слоя и соответствующие условия однозначности (геометрические, физические и граничные условия) однозначно описывают процесс конвективного теплообмена при естественной конвекции и ламинарном движении.

В инженерной практике важно знать и уметь определять интенсивность теплообмена на поверхности, которая характеризуется законом конвективной теплоотдачи Ньютона-Рихмана

, Вт/м2

где qw - плотность теплового потока, равная количеству теплоты, отдаваемой с единицы поверхности за единицу времени; Тw - темпе-

ратура поверхности, Т - температура среды вне пограничного слоя, - коэффициент теплоотдачи. Под коэффициентом теплоотдачи понимается количество теплоты, отдаваемое (или воспринимаемое) с единицы поверхности в единицу времени при разности температур между поверхностью и средой в один кельвин. Из уравнения (5) имеем

, Вт/(м2 К),

где qw - плотность теплового потока, равная количеству теплоты, отдаваемой с единицы поверхности за единицу времени; Тw - температура поверхности, Т - температура среды вне пограничного слоя.

Используя закон Фурье , выражение для определения коэффициента теплоотдачи в пограничном слое запишется в виде

.

Это выражение принято называть дифференциальным уравнением теплоотдачи. Таким образом, для определения коэффициента теплоотдачи необходимо знать профиль температур в пограничном слое, который может быть найден из решения вышеприведенной системы уравнений пограничного слоя (2), (3), (4), (6). Для этой цели могут быть использованы приближенные аналитические или численные методы решения этих уравнений.

Следует подчеркнуть, что при естественной конвекции нельзя раздельно рассматривать тепловые и гидродинамические пограничные слои, так как движение жидкости в этом случае полностью определяется процессом теплообмена.

Другой путь определения коэффициента теплоотдачи - экспериментальный метод. Однако при изучении процесса конвективного теплообмена не всегда легко проводить экспериментальные исследования. Процесс конвективного теплообмена, как правило, описывается большим количеством переменных, особенно это касается турбулентных потоков, что существенно осложняет экспериментальное исследование. Кроме того, необходимо определить, с диапазоне измерений. Предел допустимой основной погрешности средств измерений оценивается по формуле

,

где - нормируемое значение измеряемой или определяемой физической величины; - предел допустимой погрешности прибора (класс точности прибора).

Относительная погрешность определения коэффициента теплоотдачи в соответствии с расчетными зависимостями вычисляется по формуле

=

Погрешность определения электросопротивления трубы согласно зависимости для определяется по формуле

.

Погрешности определения геометрических параметров экспериментального участка , , , и удельного электросопротивления принимается равным 0,5 %.

Контрольные вопросы

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

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

3. Какими методами измеряется температура в данной работе?

Результаты обработки опытных данных.

Таблица 4.

Номер режима	Q, Вт	Qи, Вт	qw, Вт/м2	, К	, Вт/(м2К)	Nu	(GrPr)	lnNu	ln(GrPr)

8. В логарифмических координатах строится известная зависимость для среднего (по внешнему контуру поперечного сечения трубы) значения критерия Нуссельта (11).

На зависимость наносятся соответствующие экспериментальные значения.

2. Оценка погрешностей результатов исследований

Специфика методики по оценке погрешностей заключается в том, что в данной лабораторной работе используется моделирование режимов нагрева и теплообмена по жесткой, заранее заданной программе на ЭВМ, согласно которой переход с одного режима на другой осуществляется ступенчато, а значения падения напряжения и температуры поверхности на экспериментальном участке строго фиксированы.

Измерительная информация снимается с помощью установленного на пульте управления индикаторного прибора и отображается на экране монитора.

Поэтому при обработке результатов экспериментов на имитационной установке для каждого режима нагрева и теплообмена необходимо учитывать класс применяемого измерительного прибора и его допустимые погрешности измерений в соответствии с метрологическими требованиями ГОСТ 8.009-84 и ГОСТ 8.508-86.

Так как при выполнении работы на каждом заданном стационарном режиме проводится однократное измерение электрических и температурных параметров, то рекомендуется следующий порядок расчета при оценке погрешностей.

Определяется класс точности измерительных приборов и оценивается погрешность измерения величины на выбранном диа какой степенью достоверности полученные экспериментальные исследования на моделях можно использовать на реальных объектах.

Таким образом, при экспериментальном исследовании процесса теплообмена необходимо уметь моделировать этот процесс в лабораторных условиях. Разрешить эти трудности помогает теория подобия, с помощью которой размерные физические величины можно объединить в безразмерные комплексы (критерии подобия), причем так, что число этих комплексов будет меньше, чем число размерных величин. Полученные безразмерные комплексы можно рассматривать как новые переменные, которые отражают влияние не только отдельных факторов, но и их совокупность, что позволяет существенно облегчить поиск физических связей в исследуемом процессе.

Теория подобия устанавливает также условия, при которых результаты лабораторных исследований можно распространить на другие явления или реальные объекты, подобные рассматриваемым, дает возможность распространить результаты единичного эксперимента на класс подобных явлений.

Теория подобия является не только теоретической базой эксперимента, но и важным подспорьем в аналитических исследованиях.

Геометрическое подобие хорошо известно. Для того чтобы установить физическое подобие, необходимо ввести понятие класса физических явлений и единичного явления.

Класс физических явлений - это совокупность явлений, которые могут быть описаны одной общей системой уравнений и имеющие одинаковую физическую природу.

Единичное явление - это часть класса физических явлений, отличающихся определенными условиями однозначности, заданными численными значениями величин, входящих в уравнения, и условия однозначности (геометрические, физические, начальные и граничные условия).

Подобные явления можно определить как группу явлений одного класса с одинаковыми условиями однозначности, кроме численных значений постоянных величин, содержащихся в этих условиях. Рассмотрим основные положения теории подобия на примере конвективного теплообмена при естественной конвекции, описываемые вышеприведенной системой уравнений.

В основу теории подобия положено три теоремы.

Первая теорема подобия. У подобных явлений одноименные критерии подобия равны, а индикаторы подобия равны единице. Для ее доказательства применим к системе дифференциальных уравнений преобразование подобия. Рассмотрим это преобразование на примере уравнения теплоотдачи (6). Пусть имеется две подобные физические системы, тогда:

(для системы 1),

(для системы 2). (7б)

Обозначим

, , , ,

, , , , .

Постоянная с называется константой подобия. Выразим переменные второй системы через константы подобия и переменные первой системы. Например:

, , , .

После подстановки их в уравнение теплоотдачи для второй системы (7б) имеем:



Если комплекс = 1, то оба уравнения теплоотдачи становятся идентичными. Комплекс называется индикатором подобия. Сделаем обратную замену для констант с:

= 1 или = = Nu

Безразмерный комплекс Nu=l/ называется критерием Нуссельта. Как следует из проведенного анализа, у подобных явлений критерии Нуссельта должны быть равны: .

Физический смысл критерия Нуссельта можно представить как отношение величины плотности теплового потока, переданного

, Вт,

где - степень черноты; Tw - средняя по контуру поперечного сечения температура поверхности трубы, измеренная в кельвинах; Т - температура среды в кельвинах; S = dl, м2 - площадь наружной поверхности трубы.

4. Определяется плотность теплового потока на поверхности трубы, обусловленная теплообменом посредством естественной конвекции

, Вт/м2.

5. Определяется среднее (по контуру поперечного сечения трубы) значение коэффициента теплоотдачи для каждого температурного режима по формуле Ньютона-Рихмана (5).

6. Определяются критерии подобия Nu, Gr, Pr :

,

,

,

где в качестве определяющей температуры используется температура среды Т; критерий Прандтля для воздуха можно принять Pr = 0,7; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; а = 1/Та - коэффициент объемного расширения; - плотность воздуха, определяемая из уравнения состояния

,

(р0 - давление окружающей среды в паскалях), R = 287 Дж/(кг К) - удельная газовая постоянная воздуха; , - соответственно теплопроводность и динамическая вязкость воздуха, определяемые в зависимости от температуры среды Т согласно эмпирическим зависимостям

;

.

7. Результаты расчетов сводятся в табл. 4.

Поэтому теплота, отдаваемая поверхностью трубы посредством конвекции Qк , определяется как разность между теплотой Q , выделяемой электрическим током и теплотой Qи, отдаваемой посредством лучистого теплообмена, т. е.

Qк = Q - Qи

Соответственно плотность теплового потока qw определится как

qw = ,

где S - площадь наружной поверхности трубы, - тепловой поток.

2. Определяется тепловой поток, выделенный на экспериментальном участке в результате пропускания по нему электрического тока

, Вт,

где U - напряжение электрического тока, подаваемое на экспериментальный участок и измеряемое вольтметром в вольтах; R - электросопротивление трубы: R = l/F, где l - длина трубы, - площадь поперечного кольцевого сечения (материала) трубы; d - наружный диаметр трубы; d0 = d - 2 - внутренний диаметр трубы; - удельное электросопротивление материала трубы, для нержавеющей стали определяется в зависимости от температуры:

, Ом м;

- средняя температура трубы; ( twі - значение измеряемых температур по контуру поперечного сечения трубы, n - количество измерений в сечении трубы).

3. Определяется тепловой поток, отдаваемый поверхностью трубы в окружающее пространство посредством излучения согласно закону Стефана-Больцмана:

в процессе теплоотдачи, к величине плотности теплового потока, прошедшего через слой толщиной l м вследствие его теплопроводности. Применив аналогичные преобразования к уравнению движения (2) и энергии (4), получим другие критерии подобия:

- критерий Грасгофа;

- критерий Прандтля,

где и a - кинематическая вязкость и температуропроводность. Критерий Грасгофа характеризует соотношение подъемных сил и сил вязкости, а критерий Прандтля целиком составлен из величин, характеризующих физические свойства среды, и является мерой подобия поля температур и скоростей в пограничном слое.

Вторая теорема подобия. Решение системы дифференциальных уравнений может быть представлено как функция критериев подобия, то есть в виде функциональной зависимости определяемого критерия подобия от определяющих критериев.

Определяемые критерии - это критерии, в которые входят зависимые переменные (неизвестные величины), в рассматриваемом случае - это критерий Нуссельта (Nu). Определяющие критерии - это критерии, которые составлены из независимых переменных и постоянных величин, входящих в уравнения и условия однозначности, в данном случае - это критерий Грасгофа Gr и критерий Прандтля Pr. Таким образом, на основании второй теоремы подобия критериальное уравнение для естественной конвекции запишется в виде

Nu= (Gr Pr).

Следует также отметить, что важным фактором, определяющим процесс теплообмена при естественной конвекции, является ориентация теплообменной поверхности относительно вектора гравитационного поля.

Третья теорема подобия отвечает на вопрос, какие явления подобны. Необходимым и достаточным условием подобия систем является подобие условий однозначности и равенство одноименных определяющих критериев.

Для того, чтобы критериальную зависимость Nu можно было бы использовать в инженерной практике, необходимо в результате лабораторных исследований реализовать такой диапазон изменения

определяющих критериев Gr и Pr, который бы соответствовал реальным практическим ситуациям.

Обычно критериальное уравнение для теплоотдачи при естественной конвекции (9) представляют в виде степенной зависимости:

,

и задача экспериментального исследования состоит в определении константы С и показателя степени n. Для этой цели проводят лабораторные исследования в определенном диапазоне изменения определяющих критериев подобия Gr и Pr. Для определения критериальной зависимости (10) экспериментальные данные целесообразно представлять как графическую зависимость в логарифмических координатах.

Логарифмируя уравнение (10), получаем

ln Nu = ln C+ n ln (Gr Pr),

т. е. уравнение прямой линии в логарифмических координатах. Экспериментально найденные значения lnNu и ln(Gr Pr) отмечают точками на графике. конвективный теплообмен программный обеспечение

По этим точкам проводят прямую линию. При этом не все точки будут соответствовать прямой (оказывают влияние погрешности измерений и обработки, отклонение режима от заданного при проведении опытов).

Каждая секция может работать автономно. В правом нижнем углу находится включатель каждой секции (подключения регуляторов, индикаторов).

В правом верхнем углу пульта управления расположен включатель дисплея (подсветка), а ниже регулятор яркости дисплея.

В данной работе используется только секция 1 (при включенном пульте управления ПУ ММТП) и регулятор силы тока и напряжения (регулятор в левом нижнем углу секции 1).

Обработка результатов опытов.

1. Для определения среднего по поверхности трубы коэффициента теплоотдачи используется формула Ньютона-Рихмана (5).

В рассматриваемых условиях опытов теплота Q, выделенная на экспериментальном участке в результате пропускания по нему электрического тока, отдается в окружающую среду как посредством естественной конвекции Qк , так и посредством излучения Qи .

Внешний вид всей установки показан на рис. 9.



Рис. 9. Внешний вид установки

Пульт управления отдельно изображен на рис. 10.

На пульте управления расположены четыре секции (под соответствующими номерами).

Данная установка используется для выполнения нескольких экспериментальных работ. Для исследования в различных работах используется или отдельные секции или их комбинации:

секция 4 - включение электропитания установки (пульта управления ПУ ММТП),

секция 2 - регулировка расхода холодного теплоносителя,

секция 3 - регулировка расхода горячего теплоносителя,

секция 1 - регулировка нагрева холодного и горячего теплоносителей и регулировка напряжения и силы тока.

Величину постоянной С находят линейной экстраполяцией зависимости до оси ординат. Отрезок ординаты между началом координат и точкой пересечения и дает величину lnC.

Показатель степени n определяют также по графику, как тангенс угла наклона между прямой и осью абсцисс:

.

При обработке и обобщении экспериментальных данных важную роль играет определяющая температура. Под определяющей температурой понимается температура, по которой определяются физические свойства, входящие в критерии подобия. В качестве определяющей температуры может быть использована температура поверхности Тw или температура среды Т (температура вне пограничного слоя), или их комбинация, например, среднеарифметическое значение Тw и Т : Тm = 0,5 (Тw + Т).

В данной лабораторной работе исследуется процесс теплообмена при естественной конвекции от горизонтально расположенной трубы к воздуху.

Основные особенности процесса теплообмена в этих условиях состоят в следующем: характер течения вблизи горячего, горизонтально расположенного цилиндра показан на рис. 1. Вблизи поверхности цилиндра, как и вблизи нагретой, вертикально расположенной пластины, образуется пограничный слой. Вдали от цилиндра среда неподвижна. В нижней области цилиндра толщина пограничного слоя минимальна и соответственно коэффициент теплоотдачи максимальный. Вдоль образующей цилиндра с увеличением расстояния от нижней (критической) точки цилиндра толщина пограничного слоя нарастает и соответственно уменьшается коэффициент теплоотдачи. Однако характер развития пограничного слоя (и соответственно теплоотдачи) зависит от режимов течения, определяемых значением величины (GrPr).

Выделяют пять режимов.

При малых значениях температурных напоров между поверхностью и средой вблизи поверхности цилиндра образуется неподвижная пленка нагретой среды (например, воздуха). Естественная конвекция практически отсутствует, и процесс теплообмена определяется только теплопроводностью.

Этот режим принято называть пленочным, он реализуется при (Gr Pr ) 10-3. Такой режим процесса теплообмена наблюдается на тонких проволоках, диаметром d = 0,2 1 мм. В этом случае число Нуссельта Num = 0,5, где в качестве определяющей температуры используются ее среднеарифметические значения. Температуры в пограничном слое Tm = 0,5 (T+Tm), а в качестве характерного размера используется диаметр цилиндра. В некоторых случаях уже при (Gr Pr) 10-3 появляются конвективные токи, и коэффициент теплоотдачи увеличивается с ростом GrPr.

Анализ экспериментальных исследований показал, что в диапазоне 10-3 GrPr 5102 распределение температур в среде, окружающей тело, лишь незначительно отличается от температурного поля в условиях чистой теплопроводности, которое имело бы место при полном отсутствии движения среды. Эту область режимов теплообмена, характеризующую переход от пленочного к развитому ламинарному, принято называть режимом псевдотеплопроводности.

В диапазоне 5102 (GrPr) 2107 характерно существование окончательно сформировавшегося ламинарного пограничного слоя у поверхности цилиндра и его принято называть ламинарной естественной конвекцией.

Диапазон (GrPr) 2107 включает переходный (от ламинарной к турбулентной конвекции) и развитый турбулентный режимы течения в пограничном слое. Интенсивность процесса теплообмена в этих режимах увеличивается под действием турбулентных пульсаций (скорости жидкости и температуры), то есть под действием турбулентного переноса теплоты, как и при вынужденном движении.

Следует иметь в виду, что значение границ перехода от одного режима к другому носит приближенный характер, поскольку на практике границы вышеуказанных режимов зависят от конкретных условий развития процесса естественной конвекции и внешних возмущающих факторов, имеющих место при проведении опытов. Для ламинарной естественной конвекции около горизонтального цилиндра имеются теоретические решения.

На основе этих решений критериальное уравнение для определения локального коэффициента теплоотдачи вдоль образую

2. На пульте управления последовательно включаются тумблер питания … и тумблер включения нагрева ….

3. Плавным вращением ручки реостата … устанавливается нужное напряжение.

4. Определяются значения температур температурных датчиков, которые вместе со значением U заносятся в протокол эксперимента (табл. 3).

Эксперименты проводятся при стационарном тепловом режиме.

Регистрация показаний производится по индикаторному прибору на пульте управления, показания которого дублируются на мониторе.

5. По окончании эксперимента производится перевод всех регулирующих органов в исходное положение.

Протокол эксперимента.

Барометрическое давление р0 =

Температура окружающей среды Т =

Таблица 3.

Номер режима	U	Показания термопар
		tw1	tw2	…	twі
	B		0C		oC			oC
1
2
3
4

Эксперименты (всего не менее 2-х) проводятся и при других Тг.

Данная установка позволяет работать на ней в режиме «физического эксперимента», т. е. выполнять экспериментальные исследования на имитационной компьютерной модели лабораторной установки, управлять режимами работы установки, используя пульт управления (рис.10) и управлять ремами работы с пульта управления.

Регистрация показаний измеряемых величин производится по индикаторному прибору на пульте управления (рис.10), показания которого дублируются на мониторе.

Рис. 8. Окно списка сохраненных значений.

Точки, в которых производятся измерения соответствующих параметров, отображены на условном изображении окна измерений.

Единицы измерений приведены в заголовках столбцов вместе с самими параметрами.

Контрастным цветом на рисунке выделена строка, соответствующая измерению, которое в данный момент анализируется.

Выбор анализируемой диаграммы осуществляется путем подведения курсора и нажатием левой кнопки "мыши" на нужной строке таблицы.

Добавление строки в список можно осуществить только при наличии исправной аппаратуры (см. Редактирование-Внести в список).

Удаление анализируемой строки из списка можно осуществить в любое время (см. Редактирование-Удалить из списка).

3. Порядок проведения опытов

После включения установки в сеть, на мониторе высвечивается тема лабораторной работы и отображается схема рабочего участка экспериментальной установки. Далее Вы вступаете в диалог с ЭВМ, в которой заложены все возможные варианты проведения эксперимента.

В процессе дальнейшей работы осуществляется следующая последовательность действий.

1. В рекомендуемом диапазоне изменения геометрических параметров рабочего участка (наружный диаметр трубы d = 20 50 мм, длина L = 0,5 1 м, толщина стенки трубы = 0,51 мм ) выбирается один из вариантов геометрических характеристик рабочего участка (d, L, ) с помощью панели управления Установки. При нажатии на пиктограмму с помощью появившегося диалогового окна Вам будет предложено задать вышеуказанные параметры. щей цилиндра при числах Pr, близких к единице, можно записать в виде

.

Здесь в качестве определяющей температуры используется температура среды Т, в качестве характерного размера - диаметр цилиндра d , - поправка, учитывающая изменение коэффициента теплоотдачи вдоль контура цилиндра в зависимости от угла , отсчитываемого от нижней (критической) точки, значения которой приведены в табл. 1.

Среднее по периметру цилиндра значение коэффициента теплоотдачи определяется путем интегрирования распределения локального коэффициента теплоотдачи по периметру цилиндра. В данном случае его значение определяется критериальным уравнением

.

Значения поправок к коэффициенту теплоотдачи

в зависимости от угла .

Таблица 1.

	00	300	600	900	1200	1500	1650	1800
	0,76	0,752	0,708	0,664	0,581	0,458	0,36	0

В практике используются также приближенные критериальные степенные зависимости, которые с некоторой погрешностью позволяют обобщить экспериментальные данные по среднему (по поверхности) коэффициенту теплоотдачи при естественной конвекции для тел простейшей формы: пластины, горизонтально и вертикально расположенных цилиндров, шаров.

Критериальное уравнение для среднего коэффициента теплоотдачи имеет вид (10), в котором в качестве определяющей температуры используется среднеарифметическое значение температуры в пограничном слое Тm.= 0,5(Tw+T), в качестве характерного размера для вертикальных пластин и цилиндров принимается высота, а для горизонтальных цилиндров и шаров - диаметр.

Значение константы С и показателя степени n зависят от режима процесса теплообмена, определяемого диапазоном значения (GrPr).

В представленной ниже табл. 3 показаны экспериментально определенные значения констант С и n для различных режимов процессов теплообмена при свободной конвекции (в зависимости от диапазонов изменения численного значения GrPr).

Значения констант С и n для различных режимов.

Таблица 2.

Режим	(GrPr)f	С	n
1	10-3 GrPr 5 102	1,18	1/8
2	5 102 GrPr 2 107	0,54	1/4
3	(GrPr) 2 107	0,135	1/3

Где 1 - режим псевдотеплопроводности,

2 - режим развитой ламинарной естественной конвекции,

3 - переходный и турбулентный режим течения.

Экспериментальная установка

Внешний вид основного элемента (горизонтальной трубы) экспериментальной установки для определения коэффициента теплоотдачи на поверхности горизонтально расположенного цилиндра при естественной (свободной) конвекции показан на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид основного элемента экспериментальной установки.

Установки.

Установки - Выбирается температурный режим работы установки. При нажатии на пиктограмму Вам будет предложено задать температуру горячей поверхности пластин Тг (ТГ) в пределах 45-100 оС;

Редактирование.

Внести в список - добавляет в список измеренных значений все текущие параметры. При этом осуществляется сортировка по возрастанию параметров в соответствии их положением в таблице слева направо;

Удалить из списка - удаляет из списка измеренных значений выделенное измерение (выделение осуществляется щелчком левой кнопки "мыши" в области выделяемой линии таблицы).

Кроме того имеются еще несколько пиктограмм.

Справка - получение этой справки;

Авторы - информация об авторах программы ММТП-003М;

Выход - завершение работы с программой.

Окно списка сохраненных значений

В любой момент времени все текущие параметры измерения могут быть сохранены в списке для последующего просмотра, анализа и обработки.

Окно списка сохраненных значений предназначено для отображения всех наборов параметров, которые Вы решили использовать для последующего анализа.

Приблизительный внешний вид окна списка представлен на рис. 8.

Где:U - напряжение на нагревателе (в вольтах);

t1 - t6 - температуры (в градусах оC) в характерных точках согласно условному графическому изображению установки.

Область отображений измеренных значений представлена на рисунке в виде условного изображения установки.

Все параметры измерений, их названия, местоположение датчиков и единицы измерения очевидны из рисунка.

Панель инструментов

Вся работа с программой осуществляется с помощью панели инструментов, находящейся в нижней части окна программы, нажатием левой кнопки "мыши" в области соответствующей пиктограммы. При движении курсора "мыши" внутри областей пиктограмм появляется короткая подсказка о выполняемом действии.

Панель инструментов условно разделена на несколько групп:

Работа с файлами.

-Новый - создание нового документа (т. е. пустого списка измеренных значений) для последующего заполнения согласно заданию;

-Открыть - открытие файла ранее сохраненного документа для последующего анализа, печати и т. д.;

Сохранить как... - сохранение документа (т. е. списка измеренных значений) в файл с явным указанием имени;

Предварительный просмотр и печать.

Печатать - вывод результатов измерений на принтер;

Установки печати - настройка различных параметров печати (бумага, ориентация и т.д.);

Предварительный просмотр печати - просмотр на экране, как будет выглядеть напечатанный документ. В окне Предварительный просмотр нажмите кнопку Закрыть, чтобы вернуться в документ.

Перед началом работы все регулировочные вентили пульта управления должны быть полностью закрыты (переведены в крайнее против часовой стрелки положение), и все тумблеры питания должны быть выключены.

Все дальнейшие действия производятся в соответствии с порядком проведения опытов.

4. Программное обеспечение

Запуск оборудования.

Выполняемым файлом данной лабораторной работы является MMTP-001M.EXE. После его запуска сначала производится поиск и тестирование необходимого оборудования и, в случае его отсутствия или несоответствия данной работе, выдается сообщение об ошибке аппаратуры как показано на рис. 4.



Рис. 4. Сообщение об ошибке.

В этом случае Вы должны закрыть данное окно и можете продолжать работу только в режиме анализа, предварительно открыв (если таковые имеются) ранее измеренные значения. Измерения в данном случае становится невозможными.

В любом случае (т. е. была ошибка оборудования или нет), перед Вами появится информационное окно, как показано на рис. 5.

Это окно закроется автоматически через 10 секунд, если Вы раньше не нажмете любую клавишу или любую кнопку мыши.

Это же окно можно отобразить в любое время нажатием на пиктограмму Авторы панели инструментов.

Рис. 5. Информационное окно.

Основное окно программы.

Приблизительный вид основного окна программы ММТП-003М показан на рис. 6.:



Рис. 6. Основное окно программы.

Как видно из рис. 6., окно программы разбито на несколько областей отображения:

1. Область отображения измеренных значений.

2. Область списка сохраненных значений. Любая точка измерения может быть сохранена в списке для последующего просмотра, анализа и обработки.

3. Область панели инструментов (Toolbar). В данной программе, с целью упрощения управления, визуально отсутствует "меню". Все управление осуществляется путем нажатия левой кнопки "мыши" на соответствующую пиктограмму панели инструментов. "Всплывающие" подсказки, появляющиеся при помещении курсора "мыши" в область соответствующей пиктограммы, вкратце объясняют то, что произойдет при нажатии на пиктограмму.

Библиографический список

1. Клименко А.В., Зорин В.М.. Теоретические основы теплотехники. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 561 с.

2. Теория тепломассообмена. Учебник для технических университетов и вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; Под ред. А.И. Леонтьева - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 683 с.

3. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. - М.: Высшая школа, 2003. - 261 с.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. - 486 с.

5. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 319 с.

6. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - М.: Энергия, 1979. - 319 с.

7. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена / Под ред. В. Крутова, Г. Петражицкого. - М.: Высшая школа, 1986. - 383 с.

Размещено на Allbest.ru

...