Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования 18
1 1. Анализ состояния вопроса по конструкциям и технологии изготовления поперечно-оребренных труб 18
1.1.1. Классификация оребренных труб 18
1.1.2, Влияние термического контактного со противления 21
1.2, Обзор исследований теплоотдачи и аэродинамического сопротивления поперечнооребндадх ТШЗ>ды исследования 23
1.2.2. Результаты исследования 25
1.2.2.1. Теплоотдача в пучках 34
1.2.2.2. Аэродинамическое сопротивление пучков 3 6
1.2.2.3. Влияние неравномерности теплоотдачи по поверхности на эффективность ребра 37
1.2.3. Влияние направления теплового потока 39
1.2.4. Влияние параметров оребрения 40
1.2.5. Влияние свойств материала ребер 43
1.2.6. Влияние теплофизических свойств газа 44
1.3, Обзор исследований вязкости влажного воздуха 45
1.3.1. Обзор теоретических исследований вязкости 45
1.3.2. Обзор эмпирических исследований вязкости бинарной газовой смеси 48
1-3.3. Обзор методов экспериментальных исследований вязкости газов 50
1.3.3.1. Метод капилляра 50
1.3.3.2. Метод затухания колебаний диска 52
1.3.3.3. Метод падения груза 53
1.3.4. Обзор результатов экспериментальных исследований вязкости влажного воздуха 54
1.4. Выводы и задачи исследования 57
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование вязкости влажного воздуха 61
2.1, Назначение и описание установки 61
2.1.1. Схема установки 61
2.1.2. Капилляр 63
2.1.3. Калориметрический расходомер 66
2.1.4. Описание и назначение измерительных приборов и датчиков, точность измерений 70
2.2. Методика проведения экспериментов 72
2.2.1. Порядок измерений 72
2.2.2. Порядок обработки первичных данных 74
2,3- Анализ погрешностей измерений 76
2.3.1. Погрешность определение диаметра капилляра 76
2.3.2. Погрешность определением теплоемкости и плотности влажного воздуха 78
2.3.3. Погрешность определения At, Др, Ди и U 81
2.3,4. Суммарная погрешность определения вязкости влажного воздуха 82
2.4. Результаты и их обсуждение 83
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование теплоотдачи и аэ родинамического сопротивления оребренных труб 85
3.1. Назначение и описание установки 85
3.1.1. Схема установки 85
3.1.2. Описание и устройство узлов 87
3.1.3. Описание и назначение измерительных г± приборов и датчиков, точность измерений 89
3.2. Методика проведения экспериментов 91
3.2.1. Порядок измерений 91
3.2.2, Порядок обработки первичных данных 94
3.3. Анализ погрешностей измерений 101
3.3.1. Погрешность определения плотности воздуха 101
3.3.2. Погрешность определения Др 103
3.3.3. Погрешность измерения параметров оребрения 103
3.3.4. Погрешность определения а 104
3.3-5. Погрешность определения скорости воздуха 107
3.3.6. Погрешность определения Re, Nu и С, 108
3.4. Результаты и их обсуждение 109
ГЛАВА 4. Обобщение экспериментальных данных исследования теплоотдачи и аэродинамического сопротивления оребренных труб и оценка их эффективности 113
4.1. Обобщение экспериментальных данных 113
4.2. Оценка эффективности теплоотдачи исследованных сребренных труб 120
4.2.1. Оценка эффективности по компактности 124
4.2.2. Оценка эффективности по тепловым нагрузкам 126
4.2.3. Оценка эффективности по потерям давления 128
4.3. Сравнительная оценка эффективности теплоот дачи исследованных в диссертации оребренных труб с исследованиями других авторов 131
4.4. Результаты и их обсуждение 138
Выводы 141
Литература 143
- Обзор исследований теплоотдачи и аэродинамического сопротивления поперечнооребндадх ТШЗ>ды исследования
- Обзор методов экспериментальных исследований вязкости газов
- Описание и назначение измерительных приборов и датчиков, точность измерений
- Погрешность определением теплоемкости и плотности влажного воздуха
Введение к работе
Системы отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха находят все более широкое применение в различных областях жизнедеятельности человека - В силу ряда особенностей теплообменные аппараты (ТА) этих систем работают при низких температурных напорах и в условиях низкого предельно допустимого уровня шума. Поэтому скорость воздуха в ТА составляет не более 5 м/с, что обуславливает невысокие плотности теплового потока, определяюїдие большие массу, габариты и стоимость ТА, снизить которые можно путем развития поверхности оребрения. Как показывают исследования [1], уменьшение линейных размеров позволяет значительно интенсифицировать теплоотдачу со стороны воздуха и снизить габариты ТА. Но при этом возникают проблемы технологического и эксплуатационного характера.
В настоящее время в ТА систем отопления, охлаждения и
кондиционирования воздуха применяются трубы с насадным
пластинчатым, спирально-навивным, спирально-накатным,
проволочным оребрением. В МГТУ им. Н.Э.Баумана разработаны поверхности, полученные деформирующим резанием (ДР) -ДР - сравнительно новый метод механической обработки, сочетающий процесс частичного срезания припуска и целенаправленного пластического деформирования подрезанного поверхностного слоя. Образующаяся при ДР стружка не отделяется полностью от заготовки, сохраняя с ней связь по своей узкой стороне, поэтому изготовленные этим способом оребренные поверхности имеют монолитное соединение ребер с основной несущей трубой, а термическое контактное сопротивление (ТКС) отсутствует. Технология ДР по данным
10 H.H.Зубкова [2] позволяет получать минимальный шаг ореб-рения sp = 0,15 мм (5 = 0,02 мм) и увеличивать площадь исходной поверхности Уисх до 14 раз, при этом возможно получение ребер разнообразной формы. Таким образом, технология ДР за счет возможности получения малык шагов оребрения позволяет изготавливать более компактные ТА по сравнению с традиционными технологиями.
Ряд работ посвящен изысканию эффективных форм оребрения и различным способам интенсификации теплоотдачи на их поверхностях [3 - 7]. В.М.Антуфьев, проведя сопоставление поверхностей на основе предложенной им методики [5], пришел к выводу, что изменение формы трубы не является решающим фактором при интенсификации теплообмена. Исследование теплоотдачи ребристых труб с различной формой ребра [6] показало, что форма ребра не оказывает какого-либо существенного влияния на процесс теплообмена.
Попытки интенсификации теплоотдачи за счет разрезки ребер, специальной компоновки труб с обрезанными ребрами по данным В.Ф.Юдина [6, 7] и Г.А.Дрейцера [8], не обеспечивают высокой эффективности, По данным Е.Н.Письменного разрезка ребра может увеличить теплоотдачу в случае разворота сегментов ребер до 44% [9] , а без разворота на 10 - 30% [10, 11], однако эффект интенсификации падает с уменьшением Re, что согласуется с [12]. Кроме того, эффективность этого способа интенсификации резко падает при уменьшении линейного размера поверхности теплообмена [13] . Интенсификация теплоотдачи путем конфузорной подгибки ребер по данным Е.Н.Письменного [14, 15] позволяет в ряде случаев повышать теплоотдачу на 15 - 77% при
росте аэродинамического сопротивления на 40 - 117%. По данным [16, 17] эффект от подгибки ребер отрицательный.
Исследования [ 7] показали, что трубы с искусственной шероховатостью в виде зубьев, а также трубы с поперечными просечными и перфорированными ребрами не могут быть рекомендованы к применению, так как при сохранении примерно одинаковых объемных и массовых характеристик по сравнению с гладкоребристыми трубами усложняется технология их изготовления и растет стоимость. Исходя из этого в [3, 6, 18] рекомендуется применять трубы с винтовым оребрением как наиболее технологичные.
Исследования конвективного теплообмена на поверхностях с нанесенными луночными покрытиями [19 - 24] показали увеличение теплоотдачи на 35 - 40% при отстающем росте и даже уменьшении аэродинамического сопротивления. Данный метод интенсификации теплоотдачи весьма перспективен и только проблемы технологического порядка сдерживают его применение на ребрах поперечно-оребренных труб.
Оценка эффективности теплоотдачи на поперечно обтекаемых ребристых трубах является актуальной задачей. Как правило, в публикациях полученные результаты оцениваются в виде зависимости (Nu/NurjI) / (/гл) , например [9, 10, 15, 24]. Согласно А.И.Леонтьеву [25] особый интерес вызывают работы, в которых наблюдается опережающий рост теплоотдачи относительно роста аэродинамического сопротивления.
Теплоотдача в значительной степени зависит от тепло-физических свойств газа. ТА систем отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха эксплуатируются в очень широком диапазоне влажности воздуха, В процессе разработки ТА необходимы данные по теплофизическим свойствам влажного
воздухат таким как, например, вязкость, данные по которой крайне ограничены, а результаты экспериментальных исследований разных авторов противоречивы.
Объектом исследования являются ТА перспективных образцов систем отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха на основе оребренных труб с малыми шагами оребре-ния с полученными деформирующим резанием ребрами (ТДР).
Актуальность работы
ТА на основе ТДР весьма перспективны для применения в системах охлаждения и кондиционирования воздуха. По сравнению с трубчато-пластинчатыми ТА они обладают следующими достоинствами:
отсутствием ТКС;
возможностью получения большей компактности ТА вследствие возможности получения меньших шагов оребрения;
большей жесткостью и прочностью конструкции по причине монолитного соединения ребер с несущей трубой;
высокой надежностью и герметичностью ТА вследствие возможности значительного сокращения паяных или других соединений из-за цельности трубы и отсутствия калачей*
Производство ТА на основе ТДР по сравнению с производством трубчато-пластинчатых ТА обладает следующими достоинствами:
- уменьшением числа и упрощением технологических опера
ций, унификацией используемого оборудования, большей
автоматизацией работ и производительностью труда;
- меньшей стоимостью ТА в случае серийного производства.
ТДР с малыми шагами оребрения являются весьма перспективными также для использования в составе воздухонагревательной аппаратуры, где в настоящее время применяются г как правило, гладкотрубные ТА. Используемое навивное оребрение слабо интенсифицирует теплоотдачу вследствие ТКС ребер и несущей трубы, при этом возможности снижения ТКС крайне ограничены. Накатное оребрение слабо интенсифицирует теплоотдачу из-за невозможности получения малых шагов оребрения.
Применение ТА на основе ТДР сдерживается отсутствием в литературе результатов исследований теплоотдачи и сопротивления оребренных труб с малыми (менее 2 мм) шагами оребрения.
Целью работы является исследование теплоотдачи, аэродинамического сопротивления и оценка эффективности теплоотдачи ТДР с малыми шагами оребрения при поперечном обтекании влажным воздухом.
В соответствии с целью ставятся следующие задачи:
исследование вязкости влажного воздуха при характерных температуре и влажности для систем отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха;
исследование теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ТДР с шагами оребрения менее 2 мм;
оценка эффективности ТДР по объемным, тепловым и аэродинамическим характеристикам, а также по критерию
прогноз эффективности ТА на основе исследованных в диссертации ТДР.
Научная новизна исследований:
в диссертации впервые экспериментально исследованы теплоотдача и аэродинамическое сопротивление на новой теплообменной поверхности - ТДР с шагами оребрения sp = 0,2 - 1,25 мм;
- разработана методика критериальной оценки эффективности
теплоотдачи оребренных труб по потерям давления на продув
воздуха при прочих равных условиях.
На защиту выносятся:
- результаты экспериментального исследования и результаты
обобщения полученных данных о вязкости влажного воздуха
(при температуре t = 20 - 70*С и относительной влажности
Ф = 20 - 95%);
результаты экспериментального исследования и обобщения полученных данных о теплоотдачи и аэродинамическом сопротивлении ТДР с шагами оребрения sp = 0,2 - 1,25 мм;
разработанная методика критериальной оценки эффективности теплоотдачи оребренных труб по потерям давления на продув воздуха при прочих равных условиях;
результаты оценки эффективности теплоотдачи на исследованных ТДР.
Практическая значимость работы:
результаты работы позволяют определять динамическую
вязкость влажного воздуха при параметрах, характерных для
систем отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха,
(при температуре t = 20 - 70 С и относительной влажности
результаты работы позволяют определять конвективный и приведенный коэффициенты теплоотдачи и аэродинамическое сопротивление сребренных труб с шагами оребрения 0,2 -1,25 мм;
на основании результатов исследования теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ТДР ребрами разработаны и внедрены ТА на перспективных образцах кондиционеров и воздухонагревателей.
Реализация работы
На основании разработанных в настоящей диссертации методов расчета теплоотдачи и сопротивления ТДР разработаны и внедрены ТА опытных образцов систем отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха в ОАО «Машиностроительный завод» (г. Электросталь Московской области).
Апробация работы
Основные положения работы были доложены на:
заседаниях кафедры Теплофизики (Эб) МГТУ им. Н.Э. Баумана;
XIII пік.-сем. молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева (Санкт-Петербург, 2001 г.);
XII международной конференции по компрессорной технике (Казань, 2001 г.);
III Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2002 г.);
XIV шк.-сем. молодых ученых и специалистов под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева (Рыбинск, 2003 г.) .
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 основных работ, в том числе б работ самостоятельно.
Структура и объем диссертации
Настоящая диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы.
В первой главе дан обзор и критический анализ материалов, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе и относящихся к аналитическим и экспериментальным исследованиям теплоотдачи и аэродинамического сопротивления поперечно~оребренных труб, а также вязкости влажного воздуха, Определяется объем необходимых исследований теплоотдачи и аэродинамического сопротивления на сребренных трубах и вязкости влажного воздуха.
Во второй главе приведено описание экспериментальной установки исследования вязкости влажного воздуха, системы измерений, методики проведения экспериментов, проведен анализ погрешностей измерений, приведены результаты экспериментального исследования, методика и результаты обобщения опытных данных вязкости влажного воздуха.
В третьей главе приведено описание экспериментальной установки исследования теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ТДР, системы измерений, методики проведения экспериментов, проведен анализ погрешностей измерений, приведены результаты экспериментального исследования конвективной и приведенной теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ТДР с приведенными в таблице 3 параметрами оребрения.
В четвертой главе приведены методика и результаты обобщения экспериментального исследования конвективной и приведенной теплоотдачи и аэродинамического сопротивления ТДР, методика и результаты оценки эффективности теплоотдачи исследованных ТДР, результаты сравнительной оценки эффективности теплоотдачи исследованных в диссертации ТДР и оребренных труб, исследованных другими авторами.
Диссертация имеет объем 157 страниц, включая 119 страниц печатного текста, 38 рисунка на 37 страницах, 5 таблиц. Список использованной литературы включает 122 наименования на 15 страницах.
Диссертационная работа выполнена в ОАО «Машиностроительный завод» г. Электростали Московской области и на кафедре Теплофизики {36} МГТУ им. Н.Э.Баумана.
Обзор исследований теплоотдачи и аэродинамического сопротивления поперечнооребндадх ТШЗ>ды исследования
Общепринятой методикой исследования теплоотдачи на оребренных трубах является определение приведенного коэффициента теплоотдачи, характеризующего суммарный теплообмен. Он учитывает как термическое сопротивление конвективной теплоотдачи, так и термическое сопротивление теплопроводности ребер и вычисляется по формуле: путем деления плотности теплового потока на температурный напор между температурой поверхности основания ребер и температурой потока. При такой обработке экспериментальных данных получаются сравнительно простые и удобные для практического применения зависимости. Методика хорошо себя оправдывает при определении теплоотдачи с конкретной теплоотдающей поверхности. В то же время, методика недостаточно пригодна для получения обобщенных зависимостей. Определение коэффициента теплоотдачи ак связано с необходимостью производить замер температуры всей сребренной поверхности. Конвективный коэффициент теплоотдачи является отношением плотности теплового потока к температурному напору между средней температурой всей поверхности оребренной трубы и температурой потока: Температура поверхности усредняется в соответствии с рекомендацией [37] пропорционально поверхности. По данным [7] конвективный коэффициент теплоотдачи на оребренных трубах определяется экспериментально в исключительных случаях вследствие трудности измерения температуры ребра в различных точках. Теоретически приведенный и конвективный коэффициенты теплоотдачи связаны между собой зависимостью для ребер постоянной толщины в соответствии с [7]: где Ч - поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность коэффициента теплоотдачи по ребру, Из ряда аналитических и экспериментальных работ [38 -41] следует, что Ч не является постоянной величиной. Экспериментальное исследование локальных коэффициентов теплоотдачи оребренных труб является важным для определения механизма процесса теплоотдачи. Поперечное омыва-ние оребренных труб представляет сложную гидродинамическую картину. Сложность процесса отражается на распределении локальных коэффициентов теплоотдачи как по окружности, так и по высоте ребра [42 - 44]. Изменение локальных коэффициентов теплоотдачи зависит от геометрических параметров оребрения и от режима течения потока Моделирование локальной теплоотдачи пучков оребренных труб также является весьма сложной экспериментальной задачей.
Применяются 2 метода локального моделирования: местного (точечного) нагрева, когда нагревается только часть ребра [42, 43] и полного нагрева всей трубы [44]. Общепринятой методикой исследований аэродинамического сопротивления пучков, а также одиночных оребренных труб [45 - 47] является измерение падения статического давле ния на рабочем участке. В работах [9, 48, 49] сопротивление пучка определялось с учетом потерь на трение в проточной части стенда: В работах [7, 37, 50 - 52] полное сопротивление пучка принималось равным падению статического давления на экспериментальном участке вследствие незначительности потерь на трение в проточной части стенда. Для неизотермического потока из общего перепада давления в пучке Др необходимо вычитать потерю давления Apt, обусловленную ускорением воздуха, согласно [4] . При этом аэродинамическое сопротивление пучка: Результаты исследований теплоотдачи в подавляющем большинстве опубликованных работ приводятся в виде чисел Nu, полученных на основе сслр. Параметры исследованных поперечно-оребренных труб при обдуве воздухом по данным работ [4, 43, 53 - 67] представлены на рис. 1.1 - 1.8. Для сравнения на рис. 1,1 - 1.8 показаны параметры ореб-рения экспериментально исследованных в данной диссертации сребренных труб, которые обозначены индексом «О и» (область исследования). Из рисунков следует, что исследуемые в диссертации сребренные трубы имеют геометрические параметры, которые до настоящего времени не исследовались. Мало того, сам диапазон параметров оребрения вновь исследуемых труб выходит за рамки исследованных другими авторами параметров оребрения.
Обзор методов экспериментальных исследований вязкости газов
В литературе [89] приводятся следующие наиболее употребительные методы экспериментального исследования газов, паров и их смесей: 1. Метод капилляра; 2. Метод затухания колебаний диска; 3. Метод падения груза. Из этих методов строгое теоретическое обоснование (подтвержденное экспериментально) имеет только метод капилляра. При прочих равных условиях скорость течения газа, соответствующая переходу из ламинарной в турбулентную область, тем выше, чем меньше диаметр трубы. Поэтому при течении газа через капилляры можно получить ламинарный лоток даже при больших скоростях течения. Все капиллярные вискозиметры основаны на применении уравнения Пуазейля: Для определения вязкости нужно знать размеры капилляра, падение давления в капилляре и расход газа. Существуют 3 фактора [89], поправки на которые необходимо вводить в первоначальное уравнение Пуазейля: ? поправка на скольжение газа на стенках капилляра; ? поправка на расширение газа в капилляре; ? поправка, связанная с неустановившимися условиями течения газа на входе и выходе капилляра. Поправку на скольжение нужно вводить при малых давлениях газа, когда длина свободного пробега молекул газа $ соизмерима с диаметром капилляра. Практически при экспе риментальном исследовании вязкости при диаметре капилляра порядка 1 мм поправку на скольжение нужно вводить по рекомендации [89] при абсолютном давлении ниже 2 - 4 мм ртутного столба. Падение давления в капилляре вызывает «расширение» текущего в нем газа, что в свою очередь обусловливает необходимость введения соответствующей поправки в уравне-ние Пуазейля. Для газов при значительных давлениях, когда падение давления в капилляре Др незначительно по сравнению со средним давлением газа, этой поправкой можно пренебречь . Если капилляр помещен в термостат, то процесс течения газа принимается изотермическим. В противном случае имеет место политропный процесс. Для идеального газа при изотермическом процессе расширения уравнение (1.38) в соответствии с [89] принимает вид: Поправки, связанные с условиями течения газа на входе и выходе капилляра, не имеют строгого теоретического обоснования, однако они могут быть определены опытным путем, поэтому их влияние можно скомпенсировать. По данным [89] вязкость большинства газов и газовых смесей была исследована методом капилляра. Полученные данные отличаются большой точностью, причем измерения различных исследователей согласуются между собой. Маятниковые вискозиметры, в которых наблюдается затухание вращательных колебаний диска, были применены многими исследователями для определения вязкости различных газов, паров и их смесей. Если диск погрузить в газ и заставить его совершать крутильные колебания, то эти колебания будут затухающими вследствие вязкости окружающей среды.
Величина логарифмического декремента затухания пропорциональна вязкости, что и является основанием экспериментального метода определения вязкости, предложенного Кулоном и описанным в литературе [92]. Несмотря на кажущуюся простоту вискозиметров и особенно удобство применения этого способа, незавершенность теории этого метода ограничивают широкое его применение. При движении колеблющегося диска, особенно в момент изменения направления его движения, возможно возникновение турбулентности, вероятность возникновения которой возрастает с увеличением плотности газа. По данным [89] методом колебаний диска получена меньшая часть значений вязкости, при этом данные различных исследователей для одних и тех же газов хуже согласуются между собой по сравнению с данными, полученными методом капилляра и имеют, как правило/ завышенные значения. Метод описан в работе [89]- Газ, перемещаясь вдоль падающего цилиндрического груза или катящегося шарика, проходит через узкий кольцевой зазор между падающим или катящимся грузом и внутренней стенкой трубки. Сопротивление при падении цилиндрического груза в трубке комбинируется из трех частей: ? обусловленной формой струй у концов груза; ? обусловленной истечением газа через кольцевой зазор; ? вызванной вязким торможением от относительного движения двух цилиндрических стенок. При пользовании удлиненным падающим цилиндром в узком кольцевом зазоре первым сопротивлением можно пренебречь. Вязкость определяется по формуле Лавачека [89]: где pi и р2 - плотности падающего груза и газа, а и b - радиусы трубки и падающего цилиндра, z - время падения цилиндра на расстояние s. Так как величину (а - Ь) с желаемой точностью измерить очень трудно и она обычно неодинакова в различных частях трубки, то прибор калибруется по газу с известной вязкостью. При этом определяется постоянная прибора: учитывающая также и действие первого сопротивления. По данным [89] достаточно точных результатов по вязкости газов и их смесей этим методом получить не удалось.
Описание и назначение измерительных приборов и датчиков, точность измерений
Перепад давления микроманометра Ah (мм водяного столба) измерялся при температуре окружающей среды t0 (вС) Преобразование первичных значений ДЬ к стандартным параметрам температуры проводились по рекомендации [101], где высота столба жидкости Діі0 при температуре t = 4С для воды и t2o = 20С для шкалы равна: где у - коэффициент линейного расширения материала шкалы (для стали равный 1,2 10 5 К"1); р - средний коэффициент расширения жидкости в области температур, близких к 20 аС (для воды равный 0,0002 К"1). Таким образом, Ah0 = ДЬ-{1-[0-0002 (t0 - 4)-0.000012 (to - Потери давления воздуха в капилляре (Па) : где р 1 кг/м3 - плотность воды при температуре t4 = 4С; g - ускорение свободного падения, g = 9,80665 м/с2. Динамическая вязкость определялась по формуле Пуазей-ля при Re я= 1 103 с учетом расхода воздуха в калориметри Вязкость определялась по зависимости (2,18) Рассмотрим экспериментальные составляющие погрешности, входящие в уравнение (2.18). Взвешивания капилляра без воды и заполненного дистиллированной водой производились на электронных весах АБ204 фирмы METTLER TOLEDO с погрешностью измерения не более бгпвєс = 0,01 г. Диаметр капилляра определялся по формуле: Для повышения точности использовалось значение плотности воды из таблицы [99]. Погрешность определения заполнявшей капилляр массы воды состоит из трех независимых друг от друга компонентов : Погрешность взвешивания 5гпвес = 0,01 г; Погрешность, связанная с наличием мениска воды в трубке, 5мен; Погрешность, связанная с минимально возможным размером капли (минимально возможной дозой воды), 5доз; Погрешность, связанная с наличием мениска воды в капилляре, возникает из-за смачиваемости водой внутренней поверхности капилляра. При визуальном наблюдении мениск воды в капилляре имел форму полусферы, масса которого: Максимально возможная масса мениска воды: Погрешность, связанная с минимально возможным размером капли (минимально возможной дозой воды), связана с дискретностью заливаемого количества воды.
Размер дискретности не превышает минимальный размер капли, который зависит от способа заливки воды, Б эксперименте вода в трубку заливалась с помощью шприца. Измеренная на весах масса капли, отрывающаяся с иглы шприца, гакапли = 7,5 мг. Так как 5доэ ЯБЛЯеТСЯ НЄ более ГПкэпли/ Итоговая абсолютная погрешность измерения массы воды: 5„ = Относительная погрешность измерения массы воды; Погрешность измерения длины капилляра: Длина капилляра измерялась штангенциркулем ШЦ 3000-0.1 с погрешностью в данном диапазоне измерения 5L = 1 мм. Измеренное значение длины трубки L = 2003.2 мм. Относительная погрешность измерения длины капилляра: Относительная погрешность определения плотности воды р с точностью до знака табличной величины [99]: Итоговая относительная погрешность определения среднего значения внутреннего диаметра капилляра: Абсолютная погрешность определения внутреннего диаметра капилляра: Измерения геометрических размеров капилляра производились при температуре t = 20 С, максимальная температура воздуха в ходе эксперимента составляла t = 70 С- Относительная погрешность определения линейных размеров капилляра вследствие тепловой деформации: Т.к. в уравнение (2.16) геометрические размеры входят в виде d4/LpaC, то в уравнение суммарной погрешности член єс входит со множителем «З», а член Єа со множителем «4». Суммарная погрешность геометрии: Погрешность вычисляется при максимальном влагосодер-жании в ходе эксперимента, т.е. для максимальной температуры t = 70"С и относительной влажности ср = 95%. В камере поддерживалась температура с точностью ±0,1 0. Точность измерения температуры в эксперименте также ±0,1аС. Таким образом, температура воздуха могла отличаться от номинального значения на 0,2 С. Для t = 70 С рн = 31,168 кПа, для t = 70,2 С рн = 31,438 кПа [100]- Относительная погрешность определения давления насыщенного пара Рн: Отклонения относительной влажности от номинальных значений не превышали 2%. Хотя относительная погрешность определения ф выше при ее малых значениях, ее вклад в погрешность определения теплоемкости выше при больших значениях. Поэтому относительная погрешность определения значения ф: Относительная погрешность определения значения парциального давления водяного пара рп: Абсолютная погрешность определения значения рп: Атмосферное давление измерялось барометром ЕАММ-1 с точностью Spa = Относительная погрешность определения значения ра: Абсолютная погрешность вычисления влагосодержания по формуле (2.11): (2.36) Относительная погрешность вычисления влагосодержания при значении влагосодержания d = 0,2678 кг/кг: (2.37) Теплоемкость водяного пара при t = 70 С срп = 1,944 (кДж/(кг»Ю) [99]. Подогрев влажного воздуха в расходомере составляет примерно At = 50 С. Теплоемкость водяного пара при t = 120С срп = 2,202 (кДж/(кг-К)) [99]. Относительные отклонения теплоемкости водяного пара от среднего значения: (2.38) Теплоемкость сухого воздуха при t = 70 С и при t = 120"С ср св = 1,009 (кДж/(кг К)) [99]. Таким образом, погрешности, связанные с использованием постоянного значения теплоемкости сухого воздуха равны нулю. Теплоемкость влажного воздуха: Т 70 + 273.16 Относительная погрешность определения поправки на влажность в формуле плотности воздуха (2.14): Погрешность измерения перепада температур эталонными платиновыми термометрами сопротивления, подключенными к преобразующему устройству YOKOGAWA HR 1300 5 (At) = 0,1вС. При этом величина перепада температур At 50С. Относительная погрешность вычисления перепада температур влажного воздуха: Исходя из паспортных данных нашего микроманометра МКВ, пределы допускаемой основной погрешности на указанные диапазоны измерений не превышают ±0,12 мм водяного столба. Предельные значения величин водяного столба 57,12 - 79,37 мм. Таким образом, погрешность определения Др:
Погрешность определением теплоемкости и плотности влажного воздуха
Было проведено экспериментальное исследование вязкости влажного воздуха в диапазоне температур t = 20 - 70 С и относительной влажности р = 20 - 95%. Из представленных на рис. 2,6 экспериментальных данных видно, что при t = const в исследованном диапазоне ц влажного воздуха падает с ростом tp, что качественно согласуется с [93] и противоречит [94]. Результаты экспериментального исследования аппроксимированы по формуле: являющейся модифицированной формулой Сазерленда (1.34) Параметры А и В уравнения (2.49) получены методом наименьших квадратов. Их значения сведены в таблицу 2. На рис. 2.6 представлены также расчетные значения ц влажного воздуха, определенные по формуле Вилка (1,37). Как видно, уравнение (2.49) лучше согласуется с полученными экспериментальными данными, чем формула Вилка . При выполнении теплотехнических расчетов в исследованном диапазоне t и ф следует использовать зависимость (2,4 9) для определения значений ц влажного воздуха. При этом погрешность значений ц не превышает ±2-4%. Экспериментальная установка исследования теплоотдачи и аэродинамического сопротивления сребренных труб разработана и изготовлена для исследования тепловых и аэродинамических характеристик одиночных оребренных труб в диапазоне скоростей набегающего потока воздуха до 5 м/с. Установка экспериментального исследования теплоотдачи и аэродинамического сопротивления оребренных труб работает в составе калориметрической камеры типа Psychometric RAC фирмы SAMSUNG, поддерживающей заданный температурно-влажностной режим. Установка, схема которой показана на рис. 3 1 f представляет собой разомкнутую низконапорную аэродинамическую трубу с шириной проходного сечения 0,19 м и высотой 0, Об м. Температура воздуха определяется двумя эталонными платиновыми термометрами сопротивления Pt 100 класса 1, один из которых является сухим термометром, другой - влажным. Для регулирования расхода воздуха использовался центробежный вентилятор с регулируемой частотой вращения. Для выравнивания потока и сглаживания пульсаций давления воздуха после вентилятора использовался ресивер. Объемный расход воздуха измерялся соплами Вентури, встроенными в расходомер Cord Tester калориметрической камеры. Исследуемые медные трубы с полученными деформирующим резанием ребрами (ТДР) имели винтовое оребрение прямоугольного профиля с приведенными в таблице 3 геометрическими параметрами. ТДР насажены на трубчатые электронагреватели (ТЭНы) с натягом при номинальном диаметре посадки 13 мм.
Длина ТДР и длина активной части ТЭНа L = 190 мм. Напряжение на ТЭНах U = 220 Вг а их активное сопротивление Ru = 120 - 130 Ом. Торцы ТДР теплоизолированы фторопластовыми заглушками. Экспериментальные исследования теплоотдачи и аэродинамического сопротивления сребренных труб состояли из б серий (по числу оребренных труб). В каждой серии исследовалась одна оребренная труба. Сребренные трубы нагревались с помощью встроенных в них ТЭНов. Для уменьшения ТКС между сребренными трубами и ТЭНами внутренняя поверхность трубы насажена на наружную поверхность ТЭНа с натягом. Коэффициент теплоотдачи с поверхности оребренной тру-бы определялся путем осреднения по всей наружной поверхности оребрения, которая являлась суммой поверхностей впадин, вершин и боковых поверхностей ребер. Для вычисления коэффициента теплоотдачи использовалось значение вынужденной конвективной составляющей теплового потока как разность между электрической мощностью нагревающих оребренные трубки ТЭНов и лучистой составляющей теплового потока, а также естественно-конвективной составляющей теплового потока. При этом лучистая составляющая теплового потока определялась по температурам поверхности оребренной трубы и стенок канала аэродинамической трубы. Торцы оребренных труб теплоизолировались, поэтому теплоотдачей с торцов пренебрегали. Температура элементов оребренной поверхности измерялась медно-никелевыми {М-Н) термопарами. Температура вершин ребер измерялась припаянными к торцам ребер термопарами. Температура основания ребер измерялась закладными термопарами. Для их закладки в торцах оребренных труб сверлились отверстия, параллельные оси ТЭНа диаметром 1,5 мм на глубину 30 мм, как показано на рис, 3.2 - 3.3. Для улучшения термического контакта между корольком закладной термопары и поверхностью отверстия термопары смазывались кремнийорганической теплопроводной пастой КПТ-8. Скорость набегающего потока воздуха последовательно принимала значения wBX = 3, 2-5, 1.6, 0.8 и 0.4 м/с. Время выхода установки на номинальный режим при установившихся значениях скорости набегающего потока воздуха и температуры поверхности сребренной трубы около 1 часа. После выхода установки на номинальный режим при установившихся значениях скорости набегающего потока воздуха измерялись следующие параметры: - ра (кПа) - атмосферное давление; - tBX ( С) - температура набегающего потока воздуха; - tM ( С) - температура мокрого термометра набегающего потока воздуха; " tflUX ( С) - температура воздуха на выходе из трубы; " ti io t C) - температура элементов оребренной трубы согласно схеме; - W (Вт) - мощность ТЭНа; - Ve (м3/с) - объемный расход потока воздуха. Для каждого значения скорости потока воздуха все величины измерялись системой обегающего контроля в течение 70 минут с интервалом 30 секунд. Для пользователя выводились и для дальнейшей обработки использовались осреднен-ные значения величин. Экспериментальные исследования аэродинамического сопротивления сребренных труб проводились в изотермическом режиме. При исследовании аэродинамических характеристик оребренных труб скорость набегающего потока воздуха последовательно принимала значения wBX = 4, 3.5, 2.2, 1.4 и 0.7 м/с. Время выхода установки на номинальный режим при установившихся значениях скорости набегающего потока воздуха около 15 минут. После выхода установки на номинальный режим при установившихся значениях скорости набегающего потока воздуха измерялись следующие параметры: - ра (кПа) - атмосферное давление; - tBX ( С) - температура набегающего потока воздуха; - tM ("О - температура мокрого термометра набегающего потока воздуха; - tBbt ("С) - температура воздуха на выходе из трубы; - Ve (мэ/с) - объемный расход потока воздуха; - ДЬ (мм) - перепад давления микроманометра в мм водяного столба на рабочем участке аэродинамической трубы. Для каждого значения скорости потока воздуха все величины измерялись системой обегающего контроля в течение 70 минут с интервалом 30 секунд Для пользователя выводились и для дальнейшей обработки использовались осреднен-ные значения величин. Для каждого значения скорости потока воздуха значение Ah измерялось 7 раз, В дальнейшем использовалось его среднеарифметическое значение.
