Материал: Исследование теплоотдачи цилиндра в закрученном потоке

В начале и конце каждого опыта производится запись показаний следующих приборов: термометров в воздушных коллекторах перед измерительным участком трубопровода t и циклонной камерой tвх, термометра, измеряющего температуру окружающей среды tос, микроманометра, измеряющего перепад давления в сужающем устройстве (нормальной диафрагме) ∆Р, дифференциальных водяных манометров, измеряющих избыточные статические давления в контрольных сечениях перед сужающим устройством Рсд, во входных каналах Рс.вх и на боковой поверхности циклонной камеры Рс.ст, барометра-анероида В.

Конденсат срабочего участка собирается через гидравлический затвор в специальную емкость, после чего его взвешивают на аналитических весах. Время опыта фиксируют секундомером и также заносят в журнал наблюдений. Для обеспечения необходимой точности измерений тепловых потоков продолжительность отдельного опыта выбирают исходя из получения массы конденсата Gк = (200…250) г.

При переводе установки на новый режим снова производят ее гидродинамическую и тепловую стабилизацию, устанавливают необходимое давление пара в котле и его перегрев, после чего приступают к производству замеров.

Для изучения гидродинамической обстановки в рабочем объеме камеры производится также измерение скоростей и давлений в одном или нескольких радиальных сечениях. Для тепловой задачи основной интерес представляет величина максимальной вращательной скорости wφm, достигаемой на радиусе rφm. Поэтому снятие полей скоростей и давлений производят на одном режиме (обычно максимальном), устанавливая величину rφm, а на остальных режимах замеры осуществляют лишь на данном радиусе.

При проведении аэродинамических измерений трехканальным цилиндрическим зондом необходимо придерживаться следующей последовательности:

) ввернуть ножку координатника зонда в бобышку измерительного сечения;

) установить зонд в горизонтальное положение по уровню;

) поворотом лимба координатника относительно указательной стрелки в соответствующую сторону установить величину угловой поправки к показаниям зонда по данным его аэродинамической тарировки;

) вращением зонда установить приемные отверстия против потока и продуть сжатым воздухом (с помощью ручного насоса) импульсные трубки;

) вращением ходовой гайки координатника установить приемные отверстия зонда в начальное положение (относительно стенки камеры), после чего подключить зонд согласно схеме аэродинамических измерений (см.рисунок 2) и приступить к производству замеров.

При снятии полей скоростей и давлений производится отсчет и запись следующих величин: радиального расстояния y = RK - r (r - радиус точки замера) от стенки рабочего объема камеры до точки измерения (по рейке координатника); угла скоса потока φ (угла между направлением вектора полной скорости потока и направлением горизонтали), отсчитываемого по лимбу координатника; полного избыточного давления потока A2 перепада давления между центральным и боковым отверстиями A1 пропорционального скоростному напору в точке замера.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ

Определение расхода воздуха через установку

Модуль сужающего отверстия m вычисляем по формуле:

;(5.1.1)

Плотность воздуха перед сужающим устройством ρ, кг/м3, вычисляем по формуле:

,(5.1.2)

где g - ускорение силы тяжести, м/с2, g = 9,81;

кг/м3,

Поправочный множитель на расширение измеряемой среды ε для нормальных диафрагм определяется по формуле:

,(5.1.3)

где k - показатель адиабаты измеряемой среды, для воздуха k = 1,4;

.

Величина перепада давления:

(5.1.4)

где ρж - плотность рабочей жидкости микроманометра (спирта) при 20°С, г/см3; 0,8095 - плотность эталонного спирта при 20°С, г/см3;

,0011 - коэффициент объемного расширения спирта, 1/°С;ж - температура рабочей жидкости, принимаемая равной tОС; изм - множитель, равный синусу угла наклона измерительной трубки микроманометра;

Нпок - показание прибора, отсчитываемое по измерительной шкале, мм;

 мм.вод.ст.

Теоретический расход воздуха через экспериментальную установкуqт, м3/с, находим по формуле:

;(5.1.5)

где αи - исходный коэффициент расхода,значение αизависит от типа сужающего устройства и модуля m:при,

;(5.1.6)

k2 - поправочный множитель на шероховатость измерительного трубопровода; - поправочный множитель на неостроту входной кромки диафрагмы;

произведение поправочных множителей k2,3 = k2k3 находят из таблицы 2 [1] по значениям m, DТР, k2,3 = 1,009;

 м3/с.

Коэффициент кинематической вязкости воздуха ν, м/с, рассчитывают, используя известную формулу Милликена:

;(5.1.7)

м/с.

Число Рейнольдса, отнесенное к диаметру измерительного трубопроводаRe находим по формуле:

(5.1.8)

Действительный расход воздуха q, м3/с, вычисляем по формуле:

,(5.1.9)

где k1- поправочный множитель на число Рейнольдса, определяемый по номограмме, представленной на рисунке 5 [1].Для основной диафрагмы, используемой на стенде (m= 0,259), k1 можно рассчитать также по приближенному аппроксимационному уравнению:

;(5.1.10)

;

 м3/с.

Плотность воздуха во входных каналах циклонной камерыρвх, кг/м3, вычисляем по формуле:

;(5.1.11)

кг/м3.

Среднерасходная скорость воздуха в шлицахVвх, м/с, определяется по формуле:

;(5.1.12)

м/с.

Безразмерное избыточное статическое давление газа на боковой поверхности циклонной камеры находим по формуле:

(5.1.13)

Безразмерное (отнесенное к динамическому давлению на входе) статическое давление во входных каналах находим по формуле:

;(5.1.14)

Гидравлическая характеристика циклонной камеры - суммарный коэффициент сопротивления по входу ζ вычисляем по формуле:

,(5.1.15)

где РП- перепад полного давления в циклоне, мм вод.ст.;

РДИН - динамическое давление во входных каналах, мм вод.ст.;

Коэффициент кинематической вязкости воздуха при входных условиях ν, м3/с, рассчитаем по формуле:

;(5.1.16)

Входное число РейнольдсаReвхвычисляется по формуле:

;(5.1.17)

распределений скоростей и давлений в объеме циклонной камеры (по данным замеров пневмометрическим цилиндрическим зондом)

Избыточное статическое давление потока в произвольной точкеРс, мм. вод. ст., вычисляется по формуле:

,(5.2.1)

где А1, А2 - показания пневмометрического насадка, мм вод.ст.;Ц, kЦ-Б - поправочные коэффициенты, определяемые тарировкой насадка;

 мм вод.ст..

Плотность воздуха в произвольной точке потока ρ, кг/м3, определяется по формуле:

; (5.2.2)

кг/м3.

Полная скорость потока в точке замераV, м/с, определяется по формуле:

; (5.2.3)

м/с.

Безразмерная осевая составляющая полной скорости  определяется по формуле:

; (5.2.4)

Безразмерная вращательная составляющая полной скорости потока определяется по формуле:

; (5.2.5)

Избыточное безразмерное статическое давление в точкезамера определяется по формуле:

; (5.2.6)

.

Безразмерное избыточное полное давление в точке замера определяется по формуле:

; (5.2.7)

Размерная величина максимальной вращательной скорости, м/с, определяется по формуле:

; (5.2.8)

м/с

Обсчет опытных данных по конвективному теплообмену

Суммарный тепловой поток от калориметра к охлаждающему воздуху Q, Вт, определяется по количеству конденсата, собранному за время опыта с рабочего участка по формуле:

, (5.3.1)

где GК - масса конденсата, кг;

τ - время опыта, с;- теплота парообразования, Дж/кг, вычисляется по формуле:

 (5.3.2)

температура насыщенияtн, 0С, определяется по формуле:

; (5.3.3)

где РИЗБ - избыточное давление в калориметре, создаваемое столбом воды в гидрозатворе, РИЗБ =НГИДР, мм вод.ст;

0С;

Дж/кг;

Вт.

Лучистый тепловой поток между калориметром и боковой поверхностью циклонной камерыQп, Вт, находим по формуле:

, (5.3.4)

где - приведенная степень черноты системы вычисляется по формуле:

; (5.3.5)

εЦ - степени черноты калориметра, εЦ ≈ 0,2;

εСТ- степени чернотыповерхности циклонной камерыεСТ = 0,35; Ц- площадь поверхности теплообмена калориметра, м2, вычисляется по формуле:

FЦ=πdЦlК; (5.3.6)

 м2;

FСТ - площадь боковой поверхности циклонной камеры, м2, вычисляется по формуле:

 (5.3.7)

 м2;

=5,77 - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2·К4);

ТЦ - абсолютная температура внешней поверхности калориметра, К; СТ - абсолютная температура внутренней поверхности камеры ();

Вт.

Конвективный тепловой потокQк, Вт, вычисляется по формуле:

; (5.3.8)

Вт.

Приращение температуры воздуха, охлаждающего калориметр Δt, 0С, находится по формуле:

, (5.3.9)

где СР - средняя массовая теплоемкость воздуха при постоянном давлении, равная 1005 Дж/(кг °С) в диапазоне температур от 0 до 60 0С.

0С.

Средняя температура циклонного потока tср, 0С, находится по формуле:

;(5.3.10)

0С.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от калориметра к закрученному воздуху αк находится по формуле:

;(5.3.11)

Вт/(м2К).

Число Нуссельта Nu вычисляем по формуле:

,(5.3.12)

где λ - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре потока, Вт/(м2·0С), λ = λср и вычисляется по формуле:

;(5.3.13)

 Вт/(м.К);

Плотность воздуха на радиусе rφmρт, кг/м3, вычисляем по формуле:

,(5.3.14)

где РСТ - избыточное статическое давление воздуха на радиусе rφm, мм вод. ст.;

кг/м3.

Коэффициент кинематической вязкости воздуха на радиусе rφmνт, м2/с, находим по формуле:

; (5.3.15)

 м2/с.

Число РейнольдсаReφm находим по формуле:

(5.3.15)

Статистическая обработка данных

После обработки опытных данных по теплоотдаче для всех исследованных в работе режимов по числу Рейнольдса устанавливается функциональная связь между числами Nu и Re в виде зависимости (2.6).

Наиболее обоснованным и широко распространенным в практике научных исследований видом аппроксимации опытных данных является метод "наименьших квадратов", связанный со статистическим законом распределения случайных ошибок эксперимента.

Сущность метода заключается в том, что он обеспечивает минимальное значение суммы квадратов отклонений опытных точек по вертикали от расчетной зависимости, описывающей экспериментальные данные.

Применим данный метод для окончательной обработки результатов экспериментов, используя значение показателя степени m при комплекса. D, полученное ранее. (Следует заметить, что m , как правило, значительно меньше n и погрешность в определении m не сказывается существенно на результатах расчетов чисел Nu.).