Лабораторный практикум по курсу «Расчет и конструирование нагревательных устройств»

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 

 
 

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ 
«РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ  
НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ» 
 
 
 
Под редакцией А.Г. Ксенофонтова 

Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2011 

УДК 621.365:669.041 
ББК 31.292-5 
        Л12 

Рецензент Н.М. Александрова 

Лабораторный практикум по курсу «Расчет и конструиро- 
Л12  рование нагревательных устройств» : метод. указания / 
А.Ю. Ампилогов, А.А. Горничев, В.И. Гришин, А.Г. Ксенофонтов, А.Е. Хрулев. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2011. – 45, [3] с. : ил.  

 

Лабораторный практикум знакомит студентов с современными 

методами анализа распределения температур в низкотемпературных 
шахтных электрических печах сопротивления. Рассмотрены вопросы 
сложного теплообмена при нагреве и охлаждении твердых тел. 

Для студентов, обучающихся по специальности «Материало
ведение (в машиностроении)». 

Рекомендовано Учебно-методической комиссией факультета 

МТ МГТУ им. Н.Э. Баумана. 

УДК 621.365:669.041 
                                                                             ББК 31.292-5 

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 

РАБОТА № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ 
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР  
В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ШАХТНОЙ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ 

Продолжительность работы – 4 ч 

Цель работы – исследовать распределение температур в элект
ропечи при естественной и вынужденной циркуляции воздуха; 
сравнить скорость и равномерность нагрева загрузки и в обоих 
случаях определить коэффициент теплоотдачи конвекцией. 

1. Теоретическая часть 

Низкотемпературными являются печи с рабочей температурой 

до 700 °С. В таких печах осуществляются процессы нагрева под 
термическую обработку и обработку давлением цветных металлов 
и сплавов и некоторые другие процессы. Низкотемпературные печи отличаются от средне- и высокотемпературных печей тем, что 
основная доля теплоты передается нагреваемым изделиям путем 
конвекции [1–6]. 

Тепловой поток (в Вт), передаваемый конвекцией, определяет
ся по формуле Ньютона – Рихмана 

 


к
к
ср
ст
к
Q
t
t
F
 

, 
(1.1) 

где Fк – площадь поверхности конвективного теплообмена; tср – 
температура среды, отдающей теплоту; tст – температура стенки, 
получающей теплоту; αк – коэффициент теплоотдачи конвекцией. 

Различают естественную (свободную) и вынужденную (прину
дительную) конвекцию. Естественная конвекция вызвана градиентами температуры и плотности среды, а вынужденная конвекция – 
внешними механическими воздействиями на среду, например насосами, вентиляторами. 

При малых скоростях среды ее движение имеет ламинарный 

характер, а при больших – турбулентный. 

Конвективный теплообмен описывается системой дифферен
циальных уравнений энергии Фурье – Кирхгофа и условиями однозначности. Аналитическое решение этих уравнений вызывает 
большие трудности, поэтому расчет конвективного теплообмена 
базируется на экспериментальных результатах. 

С помощью теории подобия из дифференциальных уравнений 

конвективного теплообмена получены числа подобия – комплексы 
физических величин, входящих в уравнения и условия однозначности. 

Уравнения подобия, определяющие коэффициент αк, имеют вид 

 
Nu = f(Gr, Pe, Re), 
(1.2) 

где Nu – число Нуссельта; 

 
к

ср
Nu
l

 
; 
(1.3) 

 

3

2
Gr
l g t




; 
(1.4) 

 

ср
Pe
l
a


; 
(1.5) 

 
Re
l

  , 
(1.6) 

где l  – определяющий размер (длина стенки, диаметр трубы и т. п.), м; 
λс – теплопроводность среды, Вт/(м·К); Gr  – число Грасгофа; β – 
температурный коэффициент объемного расширения среды, 1/К; g – 
ускорение свободного падения, м/с2; Δt = tср – tст; ν – кинематическая вязкость среды, м2/c; Pe  – число Пекле; ω – скорость среды, 

м/с; aс – температуропроводность среды, м2/с; Re  – число Рейнольдса. 

Число Пекле может быть представлено в виде 

 

с
Pe
Re
l
a

 




Pr, 
(1.7) 

где Pr  – число Прандтля, 

 
с
Pr
a .
 
  
(1.8) 

Тогда формула (1.2) может быть записана в виде 

 
Nu = f(Gr, Pr, Re). 
(1.9) 

При естественной конвекции выражение (1.9) принимает вид 

 
Nu = f(Gr, Pr). 
(1.10) 

Для газов одинаковой атомности (например, для воздуха), где 

Pr = idem, выражение (1.10) принимает вид 

 
Nu = f(Gr). 
(1.11) 

Число Прандтля для большинства газов незначительно изменя
ется с изменением давления и температуры, поэтому при расчетах 
можно пользоваться следующими данными: 

 
Атомность газа …………… 1 
2 
3 
4 
Pr …………………………... 0,67 
0,72 
0,80 
1,00 

 
При вынужденной конвекции и турбулентном режиме движе
ния среды уравнение (1.9) принимает вид 

 
Nu = (Re, Pr), 
(1.12) 

а для газов с одинаковым атомным числом – вид 

 
Nu = f(Rе). 
(1.13)