Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения всех специальностей Бийск (стр. 8 из 12)
1 – труба; 2 – электрический нагреватель; 3 – вольтметр;
4 – амперметр; 5 – трансформатор лабораторный; 6, 7 – термопары;
9 – милливольтметр; 10 – переключатель
Рисунок 9 – Схема установки
В середине трубы выделен исследуемый участок длиной 290 мм, для того чтобы при определении количества теплоты уменьшить ошибку, связанную с потерями тепловой энергии с торцов трубы. Количество теплоты, проходящее через выделенный участок, считается равным расходу электроэнергии, потребляемой нагревателем.
Напряжение, поданное на нагреватель на исследуемом участке трубы 1, измеряется вольтметром 3, а сила электрического тока – амперметром 4. Регулирование тока и напряжения осуществляется лабораторным трансформатором 5. Включение лабораторного транс-форматора в розетку электрической сети производится с помощью вилки.
Для измерения температуры трубы 1 используются хромель-копелевые термопары 6 и 7. Они расположены в диаметрально проти-воположных точках сверху и снизу трубы. Термопара 8 служит для контроля температуры электронагревателя. Значения ЭДС термопар фиксируются с помощью милливольтметра 9. Для последовательного подключения термопар к измерительному прибору служит переклю-чатель 10. В положении ручки переключателя против цифры 1 изме-ряется температура электронагревателя – t1. Если ручка переключателя находится около цифры 2, то измеряется температура верха трубы 1 – t2. При положении ручки переключателя против цифры 3 на мили-вольтметр подается ЭДС термопары, расположенной внизу трубы – t3. Для перевода величины ЭДС, измеренной с помощью милливольтметра, в градусы Цельсия используется специальная таблица.
Порядок проведения работы
Включают вилку лабораторного трансформатора в розетку электрической сети. Устанавливают напряжение на нагревателе по вольтметру 3 с помощью ручки лабораторного трансформатора сначала 40 В, а затем 60 и 80 В.
Для всех указанных напряжений через каждые 10 минут записы-вают показания измерительных приборов (вольтметра, амперметра, милливольтметра). При измерениях температур переключатель 10 последовательно устанавливают против цифр «1», «2» и «3».
Измерения при установленном напряжении продолжают до тех пор, пока два последовательных показания милливольтметра будут отличаться не больше чем на 0,1 mV. После этого можно изменить напряжение на другое. Выполнив измерения при трех заданных напряжениях на нагревателе, установку следует выключить, выдернув вилку включения лабораторного трансформатора из розетки электрической сети, и приступить к обработке экспериментальных данных. Значения измеренных величин заносят в таблицу 8.
Таблица 8 – Опытные данные
| Номер измерения | Время, мин |  В |  А |  mV |  mV |  mV |  ºC | ºC | ºC |
| 1 | |||||||||
| 2 | |||||||||
| … | |||||||||
| n |
Во время заполнения таблицы необходимо перевести показания термопар в mV в градусы Цельсия. Соотношения между милливольтами и градусами Цельсия для хромель-копелевых термопар приведены в справочной литературе. Кроме того, следует учесть, что так как холодные концы термопар находятся в среде окружающего воздуха, температура которого отличается от нуля градусов, то к справочному значению температуры необходимо добавить температуру в лабора-тории.
Обработка экспериментальных данных
При установившемся тепловом состоянии тепловая энергия электронагревателя через поверхность трубы передается в окружаю-щую среду. Передача теплоты осуществляется лучеиспусканием и конвективным теплообменом при свободном движении воздуха.
1. Вычисляют количество теплоты, переданное электронагрева-телем в окружающую среду (тепловой поток от поверхности трубы), равное мощности электрического тока, расходуемой на исследуемом участке:
,где U – напряжение, подаваемое на нагреватель, В;
I – сила тока, А.
2. Вычисляют количество теплоты, переданное от поверхности трубы лучеиспусканием, по формуле
,где
– степень черноты поверхности трубы ( =0,8); 
– коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела(
= 5,77), 
;S – поверхность теплообмена, равная поверхности трубы,
; 
– абсолютная температура окружающего воздуха, К; 
– абсолютная температура стенки трубы, К; определяется через среднюю температуру стенки: 
.3. После определения значения
вычисляют количество теп-лоты, переданное в окружающую среду посредством конвективного теплообмена: 
.4. По известной величине
рассчитывают для всех трех изме-рений, при различных напряжениях на нагревателе, средние значения коэффициента теплоотдачи из уравнения (4.1).По найденным значениям
строят график α = f (Δt).5. Для распространения полученных результатов на другие подобные процессы необходимо расчетные данные обобщить и представить их в виде критериального уравнения (4.7), для этого находят необходимые критерии подобия по формулам (4.4), (4.5), (4.6).
Физические параметры воздуха, входящие в уравнения критериев подобия, берутся из таблицы А.3 Приложения А при средней температуре
.6. Для определения коэффициентов С и n необходимо пролога-рифмировать уравнение (4.7):
.В логарифмической системе координат это уравнение представляет прямую линию (рисунок 10).
Значение показателя степени n определяется как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс, т.е.
.Постоянная
находится из соотношения: 
.  |
Рисунок 10 – Зависимость
от 
Полученное критериальное уравнение следует сравнить с имею-щимся в литературе:
при Gr·Pr>2·107; 
при Gr·Pr<2·107.Результаты обработки экспериментальных данных следует представить в виде таблицы 9 и графиков функциональной зависимости
и 
.Таблица 9 – Вычисляемые величины
| tстºC | TвºC | tсрºC | Q, Вт | Qл, Вт | Qк, Вт | α | Nu | Gr | Lg Nu | lg Gr | С | n |