 |
Проф. Яковлєва І.Г.
|
|
|
|
Міністерство освіти і науки України
Запорізька державна інженерна академія
І.Г. Яковлєва
І.А. Назаренко
А.В. Лисак
ТЕПЛОМАСООБМІН
МетодичнІ ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
для студентів напряму
0905 „ Енергетика”
Запоріжжя
Міністерство освіти та науки України
Запорізька державна інженерна академія
ТЕПЛОМАСООБМІН
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт
для студентів напряму
0905 „ Енергетика”
Рекомендовано до видання
на засіданні кафедри ТЕ
протокол №
від „ ” 2009 р.
Тепломасообмін – Методичні вказівки для виконання лабораторного практикуму для студентів напряму 0905 „Енергетика”/Уклали І.Г. Яковлєва, І.А.Назаренко, А.В. Лисак – Запоріжжя, 2009, 82с.
Методичний посібник призначен для студентів напряму 0905 „Енергетика”, які вивчають дисципліну „Тепломасообмін” для практичного використання.
Укладачі: д.т.н., проф. І.Г. Яковлєва
аc. І.А.Назаренко
аc. А.В. Лисак
Відповідальний за випуск: завідувач кафедрою ТЕ
проф. Яковлєва І.Г.
ВСТУП
У підготовці висококваліфікованих фахівців|спеціалістів| велике значення має практична робота студента в лабораторії, в процесі якої він більш глибоко засвоює теоретичний матеріал і одержує|одержує| навички|навички| самостійних досліджень і аналізу їх результатів.
Грамотна експлуатація та управління процесами, зокрема тепломасообмінними, в енергетиці в значній мірі залежать від модельних досліджень (експериментів).
Експериментальне вивчення процесів тепломасообміну можна проводити або на конкретних промислових пристроях чи агрегатах в натурних умовах (натурний експеримент), або на моделях, які спеціально створюються (модельний експеримент).
|
|
|
Використання при вивченні процесів тепломасообміну натурних об'єктів по ряду причин недоцільно, а інколи просто неможливо. Тому експериментальне вивчення тепомасообміну базується на широкому використанні моделей.
Лабораторний практикум є|з'являється| обов'язковою складовою частиною ряду|низки| учбових курсів, у тому числі і тепломасообміну|.
Кожна лабораторна робота даної методичної вказівки містить|утримує| основні теоретичні положення|становища|, докладний опис дослідної установки, лад|порядок| проведення експерименту і методику обробки результатів дослідів, а також контрольні питання. У методичних вказівках містяться|утримуються| основні рекомендації по оформленню звіту по лабораторних роботах, а також короткі основи теплофізичних | вимірювань|вимірювань|.
Об'єм|обсяг| і вміст|зміст| лабораторних робіт відповідає учбовій програмі дисципліни «Тепломасообмін» для студентів напрямунапряму напряму |напряму| 6.090500 «Енергетика»: спеціальностей «Теплоенергетика», «Гідроенергетика».
ЗМІСТ
| ВСТУП | |
| 1. Вимоги до виконання лабораторних робіт | |
| 2. Основи теплофізичних вимірів | |
| 3. Лабораторний практикум | |
| Лабораторна робота №1 Визначення коефіцієнта теплопровідності твердого тіла методом плоского горизонтального шару | |
| Лабораторна робота №2 Визначення коефіцієнта теплопровідності твердого тіла методом пластини | |
| Лабораторна робота №3 Визначення коефіцієнтів температуропроводности і теплопровідності сипких тіл методом регулярного режиму | |
| Лабораторна робота №4 Дослідження тепловіддачі горизонтальної труби при вільному русі повітря | |
| Лабораторна робота №5 Дослідження тепловіддачі вертикальної труби при вільному русі повітря | |
| Лабораторна робота №6 Визначення коефіцієнта тепловіддачі пучка круглих труб, омиваних поперечним потоком повітря | |
| Лабораторна робота №7 Дослідження тепловіддачі при вимушеній течії в трубах і каналах | |
| Лабораторна робота №8 Дослідження охолодження тіла при різних умовах | |
| Лабораторна робота №9 Визначення коефіцієнта випромінювання поверхні твердого тіла калориметричним методом | |
| Перелік посилань |
|
|
|
1 Вимоги до виконання лабораторних робіт
1.1 Правила роботи студентів у навчальній лабораторії кафедри
1.1.1 До роботи у навчальній лабораторії допускаються студенти, які пройшли інструктаж з техніки безпеки (ТБ) з відповідною відміткою в журналі з ТБ.
1.1.2 Відповідальним за виконанням правил роботи студентів є викладач.
1.1.3 Перед початком роботи студент зобов'язаний ознайомитись з описанням установки та порядком проведення експерименту. Вмикати установку дозволяється тільки у присутності викладача.
1.1.4 При завершенні експерименту не дозволяється залишати під напругою лабораторну установку.
1.1.5 Після завершення експерименту студент зобов'язаний вимкнути електроживлення, привести в порядок робоче місце.
1.1.6 Забороняється:
- приступати до експерименту в лабораторії кафедри без одержання інструктажу.
- вмикати установку без дозволу викладача та не ознайомившись з її описанням та інструкцією користування приладом чи установкою;
-проводити роботу при наявності сторонніх предметів на лабораторному столі:
- вмикати будь-які інші прилади чи установки, які не відносяться до лабораторної роботи, яку виконує студент.
1.1.7 Студенти, які порушують встановлені правила, усуваються від виконання експерименту і допускаються до виконання наступних робіт тільки з дозволу викладача, який відповідальний за проведення лабораторних робіт.
1.1.8 Студенти, що виконують експеримент, працюють на місцях, які вказуються викладачем.
1.2 Основні вимоги
1.2.1 Приступаючи до лабораторних занять студент зобов'язаний вивчити перший розділ даних методичних вказівок та ввідну частину щодо методів дослідження параметрів тепломасообмінних процесів.
1.2.2 Перед виконанням лабораторної роботи студент зобов'язаний ознайомитись з її основними теоретичними положеннями і скласти в стислій формі конспект (заготовку майбутнього звіту), що містить:
|
|
|
- тему (назву) лабораторної роботи;
- мету роботи та програму дослідження;
- схему лабораторної установки (або приладу) та її описання;
- таблиці для занесення результатів (вимірювань) та розрахунків (результатів обробки експерименту);
- необхідні розрахункові співвідношення або рівняння, під якими необхідно вказати; назву величини, розмірність або одиницю вимірювання величини в даній формулі, фізичну сутність величин, де взято числове значення величин у формулах;
- відповіді на контрольні питання, які розміщують в кінці кожної лабораторної роботи.
1.2.3 Контроль підготовки студента до експерименту проводиться викладачем перед початком кожної роботи опитуванням (або за тестами).
1.2.4 Приступити до експерименту студент може тільки при наявності заготовки звіту за цією роботою, позитивної оцінки при опитуванні та оформлення звіту за попередньою роботою.
1.2.5 Звіт з лабораторної роботи має містити принципову схему установки; всі формули та залежності, які відносяться до даного дослідження; результати спостережень та наступних обчислень, які зводяться до відповідних таблиць; підсумкові графіки експерименту та розрахунків; головні висновки, що зроблені студентом внаслідок проведення експерименту, та порівняння його результатів з теоретичними розрахунками.
1.2.6 Захист виконаної роботи проводиться індивідуально при наявності звіту, який оформлено відповідним чином.
1.2.7 Для виконання експерименти та успішного захисту роботи студенту необхідно знати основні поняття по метрології.
Студент зобов'язаний провести класифікацію вимірювань в експерименті; чітко розрізняти основні види похибок вимірювань і бути готовим до аналізу джерел систематичних похибок. Користуючись паспортними і довідковими даними, за вказівкою викладача студент зобов'язаний надати повну характеристику вимірювальних засобів і приладів, які використовуються в експерименті. Точність обробки результатів вимірювань має бути узгоджена з точністю самих вимірювань.
|
|
|
2 Основи теплофізичних| вимірів|вимірювань|
2.1 Вимір|вимірювання| тиску
|тиснення|
Тиск належить до поширених вимірюваних теплофізичних величин і є нормально розподіленою силою, що діє з боку одного тіла на одиницю поверхні іншого. Одиницею виміру тиску в системі СІ є Паскаль (Па), який дорівнює тиску, створеному силоміць в 1 ньютон і що діє на площу в 1 м2. Співвідношення між іншими одиницями виміру тиску приведені в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 - Одиниці виміру|вимірювання| тиску|тиснення|
| Одиниця | Па | Бар | кгс/см2 | кгс/м2(мм вод. ст.) | мм рт. ст. |
| 1 Па 1 Бар 1 кгс/см2 1 мм вод. ст. 1 мм рт. ст | 105 9,8066*104 9,8066 133,32 | 10-5 0,98066 0,98066*10-4 1,3332*10-3 | 1,0197*10-5 1,0197 10-4 1,3595*10-3 | 0,10197 1,0197*104 104 13,595 | 7,5006*10-3 750,06 735,56 7,3556*10-2 |
При вимірах|вимірюваннях| розрізняють абсолютний, надлишковий|надмірне| і вакууметричний| тиск|тиснення|. Під абсолютним тиском|тисненням| розуміють повний|цілковитий| тиск|тиснення|, який дорівнює сумі атмосферного і надлишкового|надмірного|:
.
Поняття вакуумметричного| вводять|запроваджують| при вимірі|вимірюванні| тиску|тиснення|, нижче атмосферного:
.
Засоби|кошти|, призначені для виміру|вимірювання| тиску|тиснення| і різниці тиску|тиснення|, називаються манометрами. Останні підрозділяються на барометри, манометри надлишкового|надмірного| тиску|тиснення|, вакуумметри і манометри абсолютного тиску|тиснення| залежно від вимірюваного ними відповідно атмосферного, надлишкового|надмірного|, вакууметричного| і абсолютного тиску|тиснення|. Диференціальні манометри призначені для виміру|вимірювання| різниці тиску|тиснення|.
При проведенні теплофізичних| експериментів найбільшого поширення|розповсюдження| набули рідинні манометри, в яких вимірюваний тиск|тиснення| або різниця тиску|тиснення| врівноважується|зрівноважує| тиском|тисненням| стовпа рідини. Більшість рідинних манометрів мають видимий рівень робочої рідини, по якому проводиться|виробляє| безпосереднє зняття показань|показань|.
Двотрубні рідинні манометри
Принципова схема двотрубного (U - образного) рідинного манометра представлена|уявляти| на рисунку 2.1. У приладі використовується принцип сполучених сосудів, в яких рівні робочої рідини збігаються при рівності тиску|тиснення| над ними, а при нерівності займають|позичають| таке положення|становище|, коли надлишковий|надмірний| тиск|тиснення| в одному з сосудів врівноважується|зрівноважує| гідростатичним тиском|тисненням| надлишкового|надмірного| стовпа рідини в іншому.
|
|
|
Дві скляні трубки|люльки|, що вертикально сполучаються, 1, 2 закріплені на металевій або дерев'яній підставі|заснуванні| 3, до якого прикріплена|скріпляти| шкальна пластинка|платівка| 4. трубок|люльки| заповнені робочою рідиною до нульової відмітки. У трубку|люльку| 1 подається вимірюваний тиск|тиснення|, трубка|люлька| 2 сполучена з|із| атмосферою. При вимірі|вимірюванні| різниці тиску|тиснення| до обох трубок|люльок| підводиться вимірюваний тиск|тиснення|.
Стовп рідини висотою h врівноважує|зрівноважує| різницю тиску|тиснення|:
,
і відповідно
де ρ - щільність робочої рідини.
Рисунок 2.1 – Схема двотрубного рідинного манометра
Двотрубні (U - образні) рідинні манометри з|із| водяним заповненням використовуються для виміру|вимірювання| тиску|тиснення|, розрядки, різниці тиску|тиснення| повітря і неагресивних газів в діапазоні. При ртутному заповненні межі вимірів|вимірювань| розширюються до 0,1 МПа.
Мікроманометри
Для виміру тиску і різниці тиску до 3 кПа (300 кгс/м2) використовуються мікроманометри, що є різновидом однотрубних манометрів. Найбільш поширеним є лабораторний мікроманометр типа ММН з похилою вимірювальною трубкою (рис.2.2).
Рисунок 2.2 – Схема мікроманометра
Показання |показання| мікроманометра визначаються по довжині стовпчика робочої рідини n у вимірювальній трубці|люльці| 1, що має кут|куток| нахилу:
,
де 
коефіцієнт, що змінюється від 0,2 – 0,8.
При зміні щільності робочої рідини необхідно використовувати наступну|слідуючу| формулу для визначення вимірюваної різниці тиску|тиснення|:
,
де 
- щільність іншої використовуваної робочої рідини.
2.2 Вимір|вимірювання| температури
Температура – величина, що характеризує ступінь|міру| нагріву тіла. Залежно від вимог точності, особливостей процесу і діапазону вимірюваних температур в теплотехніці застосовують термометри розширення, термоелектричні термометри, термометри опору, пірометри.
Термометри розширення
Одним з різновидів термометрів розширення є скляні рідинні термометри. Найчастіше ртутні термометри, що використовуються, вживані для постійних і періодичних вимірів температур в інтервалі - 35…600оС. При цьому температура вимірюваної середи визначається по зміні об'єму термометричної рідини (ртуть), який отградуйован в градусах Цельсія.
Термоелектричні термометри
Діапазони виміру температури за допомогою термоелектричних термометрів (термопар) залежать від матеріалів провідників, з яких вони виготовлені. Найчастіше використовують хромель-копелеві термопари (ХК), що мають наступні межі вимірів до 600оС.
Термопара (рис.2.3) складається з двох неоднорідних провідників, з’єднаних|з'єднаних| з одного кінця (робочий спай).
При нагріві робочого спаю в ланцюзі, утвореному провідниками і вимірювальним приладом, виникає термоелектрорушійна сила (ТЕРМО-ЕРС). Величина її залежить від температури робочого кінця термопари, а також температури вільних кінців її провідників і вимірюється за допомогою потенціометрів. Для перекладу ТЕРМО-ЕРС (mV) в одиниці виміру температури (оС) існують градуювання для кожного виду термопари, які розраховані на температуру вільних спаїв 0оС.
Якщо температура вільних спаїв (навколишнього середовища) відмінна від нуля, необхідно робити|чинити| поправку на температуру вільних спаїв.
Рисунок 2.3 – Схема підключення термопари до вимірювального приладу
В деяких випадках виникає необхідність виміру|вимірювання| різниці температур в двох крапках|точках|. При цьому використовують диференціальні термопари (рис.2.4), що є дві послідовно підключені термопари.
Рисунок 2.4 – Схема диференціальної термопари
ТЕРМО-ЕРС, вимірювана в такому ланцюзі і переведена по відповідному градуюванню в оС буде різницею температур робочих спаїв даних термопар. В даному випадку поправку на температуру вільного спаю робити немає необхідності, оскільки температури вільних спаїв обох термопар однакові.
Градуювання термопари ХК представлене|уявляти| на рисунку 2.5.
Рисунок 2.5 – Градуювання термопари ХК.
Термометри опору
Принцип дії термометрів опору заснований на здатності різних матеріалів (насамперед металів) змінювати свій електричний опір із зміною температури. Допустимий діапазон вимірюваних температур даних пристроїв залежить від матеріалу провідників: для платини – верхня межа ладу 500оС, для міді 100 – 150 оС. Як показуючі прилади при використанні термометрів опору застосовують мілівольтметри.
3 Лабораторний практикум
Лабораторна робота №1
ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ТВЕРДОГО ТІЛА МЕТОДОМ ПЛОСКОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ШАРУ
Мета|ціль| роботи – набути досвіду дослідження теплофізичних властивостей твердих тіл і закріпити теоретичні положення|становища| про процес теплопровідності.
3.1.1 Завдання|задавання| до роботи
Вивчити схему приладу.
Експериментальним шляхом|дорогою| визначити теплопровідність досліджуваного зразка|взірця|.
Порівняти експериментальне значення коефіцієнта теплопровідності з|із| табличними даними.
Скласти звіт по роботі.
3.1.2 Основні теоретичні відомості
Основні методи визначення коефіцієнта теплопровідності базуються на законі Фур’є. Один з найбільш поширених – метод плоского горизонтального шару, що полягає в наступному|слідуючому|. Досліджуваний зразок|взірець|, що має плоско паралельні торцеві поверхні, поміщається між нагрівачем| і холодильником, внаслідок чого через зразок|взірець| проходить тепловий потік, який вимірюється датчиком. Окрім|крім| цього, проводять|виробляють| виміри|вимірювання| температур нагрітою і охолодженою торцевих поверхонь, а також товщину зразка|взірця|. Коефіцієнт теплопровідності визначається, використовуючи отримані|одержувати| дослідним|досвідченим| шляхом величини:
, (3.1.1)
де 
щільність теплового потоку, Вт/м2;
товщина зразка|взірця|, м;
різниця температур між торцевими поверхнями зразка|взірця|, К.
Вираження|вираз| (3.1.1) отримане|одержувати| за умови, що|при умові, що| 
є|з'являється| постійною величиною, не залежною від температури. За наявності залежності коефіцієнта теплопровідності від температури даною формулою можна користуватися для визначення величини, середньої в даному інтервалі температур, за умови, що|при умові, що| значення невелике.
Метод плоского горизонтального шару є|з'являється| стаціонарним і вважається|лічить| класичним. Стаціонарні методи дозволяють дослідним|досвідченим| шляхом|дорогою| визначати коефіцієнт теплопровідності для окремих фіксованих значень температури. Повна|цілковита| температурна залежність може бути отримана|одержувати| при використань даних фіксованих значень. Тому стаціонарні методи зручні, коли температурний інтервал дослідження невеликий. Не дивлячись на|незважаючи на| вказані недоліки|нестачі|, стаціонарний метод дозволяє використовувати досить|достатньо| просте і надійне розрахункове рівняння і тому широко поширений.
3.1.3 Опис експериментальної установки
Установка має чотири основні частини|частки|: прилад виміру|вимірювання| теплопровідності ІТ-3, систему живлення|харчування| нагрівача|, вимірювальну систему, систему термостатирування|.
Прилад ІТ-3 (рис.3.1.1) складається з наступних|слідуючих| основних складальних деталей: корпусу приладу 11, кронштейна 9, підстави 7, холодильника 6, повзуна 10, нагрівача| 8, датчика температури 5, індикатора товщини зразка|взірця| 1, маховика 13, хомута 3, кільця 2, втулки 12, зразка|взірця| досліджуваного матеріалу 4.
Корпус приладу призначений для кріплення складових частин. Кронштейн кріпить|зміцнює| корпус з|із| підставою|заснуванням|, в якій розташований|схильний| холодильник, призначений для відведення теплоти, пронизливої досліджуваний зразок|взірець|, і підтримки під час випробувань температури нижньої поверхні зразка|взірця| на певному рівні. В центрі робочої поверхні холодильника знаходиться|перебуває| датчик теплового потоку. Провідники від датчика виведені через отвір в корпусі холодильника і далі через підставу|заснування| приладу приєднані до вимірювальної системи.
Повзун в нижній частині за допомогою фланця кріпиться до нагрівача, а у верхній частині на нього нагвинчує маховик, за допомогою якого нагрівач може переміщатися у вертикальній плоскості. Нагрівач, призначений для нагріву верхньої поверхні досліджуваного зразка, складається з масивного корпусу, усередині якого встановлений нагрівальний елемент. Сполучні дроти від нагрівального елементу приварені до штирів розетки, укріпленої на обичайці підстави. Нагрівач забезпечує здобуття теплових потоків через зразок до 104 Вт/м2.
Датчики температури призначені для виміру|вимірювання| температур торцевих поверхонь зразка|взірця| і різниці температур між ними. Датчик температури є стрічковою термопарою, яка поміщена в еластичне обкладання.
Досліджуваним зразком|взірцем| є диск, що має плоско-паралельні торцеві поверхні, виготовлений з|із| азбестового картону, такий, що має товщину 5 мм і діаметр 100 мм. Оскільки|тому що|, коефіцієнт теплопровідності досліджуваного матеріалу залежить від температури, а метод плоского горизонтального шару дозволяє визначати в інтервалі температур, 
де 
відповідно температури гарячої і холодної торцевих поверхонь, то для досягнення достатньої точності вимірів|вимірювань| необхідною умовою є|з'являється| 
К.
Рисунок 3.1.1 – Конструктивна схема приладу ІТ-3 для визначення коефіцієнта теплопровідності.
3.1.4 Порядок|порядок| проведення досліду
|досліду|
Перед початком роботи необхідно перевірити правильність включення|приєднання| вимірювальної апаратури і електроживлячих|почувати| пристроїв|устроїв|, наявність і надійність з'єднання|сполуки| контуру заземлення з|із| вимірювальною апаратурою, електроживлячими|почувати| пристроями|устроями|, справність заземлення корпусів і дротів|проводів| живлення|харчування|.
Підготовлений до випробування зразок|взірець| закласти між датчиками температури так, щоб спаї термопар стосувалися центру поверхонь зразка|взірця| і вставити в зазор між нагрівачем| і холодильником. Обертаючи маховик, опустити нагрівач| і після|потім| зупинки стрілки індикатора зробити один – два звороти|оберти| в направленні|напрямі|, відповідному опусканню нагрівача|.
Включити систему охолоджування приладу, відрегулювати температуру в термостаті до потрібної величини, враховуючи, що вона на 2 – 3К| менше температури нижньої поверхні зразка|взірця|.
Подати напругу|напруження| живлення|харчування| на нагрівач|. Для завдання|задавання| середньої температури зразку|взірцю| 
достатня потужність 
Вт.
Вимір|вимірювання| сигналів датчиків теплового потоку і температури почати|зачинати| через 15 хвилин після|потім| включення|приєднання| приладу і повторювати через кожних 5 хвилин, дотримуючи при цьому наступну|слідуючу| послідовність:
Поставити перемикач в положення|становище| «1»| і виміряти|зміряти| сигнал датчика теплового потоку.
Перевести|переказувати| перемикач в положення|становище| «2»| і виміряти|зміряти| сигнал диференціальної термопари.
Перевести|переказувати| перемикач в положення|становище| «3»| і виміряти|зміряти| сигнал «гарячої» термопари.
Перевести|переказувати| перемикач в положення|становище| «4»| і виміряти|зміряти| сигнал «холодної» термопари.
Результати всіх вимірів|вимірювань| занести у відповідні графи протоколу випробування (табл.3.1.1). Виміри|вимірювання| можна припинити після того, як в графі для 
з'являться|появлятимуться| 3 - 5 однакових результатів, що відповідатиме встановленню стаціонарного теплового режиму і відповідатиме постійному значенню коефіцієнта теплопровідності. Результати вважаються|лічать| однаковими, якщо відмінність між ними не перевищує 
третьої значущої цифри.
Після|потім| закінчення роботи необхідно відключити прилад від електроживлення, відключити систему охолоджування, витягнути зразок|взірець| з|із| приладу.
Результати вимірів вносяться до таблиці 3.1.1
Таблиця 3.1.1 - Результати вимірів|вимірювань|
| № п/п | Час | Матеріал | Товщина зразка | Потужність нагрівача | Температура води в термостаті, оС | Сигнал датчика теплового потоку | Сигнал диференціальної термопари, мВ | Сигнал гарячої термопари, мВ | Сигнал холодної термопари, мВ | Відношення |
 
хв
| --- |  ,
мм
| Q, Вт |  ,
оС
| l, оС |  ,
оС
|  ,
оС
|  ,
оС
| ,
-
|
3.1.5 Обробка результатів досліду
|досліду|
1. Сигнал датчика теплового потоку необхідно перевести з оС в термоЕРС, мВ по градуюванню ХК термопари (рис.2.5).
2. Щільність теплового потоку визначають за даними випробувань, використовуючи наступне співвідношення, Вт/м2:
,
де l – сигнал датчика теплового потоку, мВ|;
k – коефіцієнт перетворення щільності теплового потоку. Для даного приладу k =0,00454 мВ.м2/Вт.
3. Середня температура досліджуваного зразка, оС:
,
де відповідно сигнали холодної і гарячої термопари.
4. Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м.К) обчислюється за формулою:
,
де 
сигнал диференціальної термопари, оС.
5. Табличне значення коефіцієнта теплопровідності для азбестового картону визначають таким чином:
.
6. Точність отриманого|одержувати| дослідним|досвідченим| шляхом коефіцієнта теплопровідності оцінюється за допомогою відносної погрішності %, обчислюваною за наступною|слідуючою| формулою:
.
3.1.6 Контрольні питання
1. Суть|єство| явища теплопровідності. Якою гіпотезою вона визначається?
2. Що таке температурне поле, ізотермічна поверхня, температурний градієнт.
3. Наведіть приклади і дайте математичний опис (у спільному|загальному| вигляді|виді|) одно-|, двух-|, і тривимірного|трьохмірного| температурного поля при сталому і несталому тепловому режимі.
4. Написати закон Фур’є і пояснити, чому в правій частині|частці| рівняння знак мінус.
5. Привести математичний запис диференціального рівняння теплопровідності в спільному|загальному| вигляді|виді| і окремих його випадків.
6. Методи визначення коефіцієнта теплопровідності. У чому їх відмінність?
7. Чому при визначенні коефіцієнта теплопровідності методом плоского горизонтального шару в даній експериментальній установці прийнято направлення|напрям| теплового потоку зверху вниз, а не навпаки.
8. Дати визначення коефіцієнта теплопровідності і вивести його розмірність із|із| закону Фур’є.
Лабораторна робота №2
ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ТВЕРДОГО ТІЛА МЕТОДОМ ПЛАСТИНИ
Мета|ціль| роботи – набути досвіду дослідження теплофізичних| властивостей твердих тіл і закріпити теоретичні положення|становища| про процес теплопровідності.
3.2.1 Завдання|задавання| по роботі
1.Вивчити схему приладу.
2.Експериментальним шляхом|дорогою| визначити теплопровідність досліджуваного зразка|взірця|.
3.Порівняти експериментальне значення коефіцієнта теплопровідності з|із| табличними даними.
4.Скласти звіт по роботі.
3.2.2 Основні теоретичні відомості
Основні методи визначення коефіцієнта теплопровідності базуються на законі Фур’є. Один з найбільш поширених – метод плоского горизонтального шару, що полягає в наступному|слідуючому|. Досліджуваний зразок|взірець|, що має плоско-паралельні торцеві поверхні, поміщається між нагрівачем| і холодильником, внаслідок чого через зразок|взірець| проходить тепловий потік, який вимірюється датчиком. Окрім|крім| цього, проводять|виробляють| виміри|вимірювання| температур нагрітою і охолодженою торцевих поверхонь, а також товщину зразка|взірця|. Коефіцієнт теплопровідності визначається, використовуючи отримані|одержувати| дослідним|досвідченим| шляхом величини:
, (3.2.1)
де щільність теплового потоку, Вт/м2;
товщина зразка|взірця|, м;
різниця температур між торцевими поверхнями зразка|взірця|, К.
Вираження|вираз| (3.2.1) отримане|одержувати| за умови, що 
|при умові, що| є|з'являється| постійною величиною, не залежною від температури. За наявності залежності коефіцієнта теплопровідності від температури, даною формулою можна користуватися для визначення величини, середньої в даному інтервалі температур, за умови, що|при умові, що| значення невелике.
Метод пластини є|з'являється| стаціонарним і вважається|лічить| класичним. Стаціонарні методи дозволяють дослідним|досвідченим| шляхом|дорогою| визначати коефіцієнт теплопровідності для окремих фіксованих значень температури. Повна|цілковита| температурна залежність може бути отримана|одержувати| при використанні даних фіксованих значень. Тому стаціонарні методи зручні, коли температурний інтервал дослідження невеликий. Не дивлячись на|незважаючи на| вказані недоліки|нестачі|, стаціонарний метод дозволяє використовувати, досить|достатньо| просте і надійне розрахункове рівняння і тому широко поширений.
3.2.3 Опис експериментальної установки
Установка складається з типового лабораторного столу, на якому встановлені|установлені|: робочий елемент |робочий|, блок потужності, блок температури. У блоці потужності змонтовані автотрансформатор завдання|задавання| напруги|напруження|, вимірювальний прилад, кнопки управління і сигнальна лампочка. У блоці температур змонтовані: прилад, що вимірює|виміряє| температуру з|із| блоком компенсації температури холодних спаїв термопар, а також перемикач термопар. Термопари В1-В6 встановлені|установлені| на поверхні, В7-В9 – в теплоізоляційному кожусі. Робочий елемент складається з нагрівача|, двох круглих пластин (d =140мм, δ =6мм), двох холодильників, прилеглих до зразків|взірців|, двох теплоізоляційних обойм, що охоплюють конструктивно всі складові частини.
Функціональна схема вимірів|вимірювань| параметрів приведена на рисунку 3.2.1.
3.2.4 Порядок|порядок| проведення досліду
|досліду|
Перед початком роботи необхідно перевірити правильність включення|приєднання| вимірювальної апаратури і електроживлячих|почувати| пристроїв|устроїв|, наявність і надійність з'єднання|сполуки| контура заземлення з|із| вимірювальною апаратурою, електроживлячими|почувати| пристроями|устроями|, справність заземлення корпусів і дротів|проводів| живлення|харчування|.
Лад|порядок| включення|приєднання| установки:
1. Автоматичний вмикач на лівій стійці|стойці| перевести|переказувати| у верхнє положення|становище| – спалахує сигнальна лампочка МЕРЕЖА|сіть|;
2. На блоці потужності перемикачі встановити Реж. Ізм. у положення|становище| U;
3. На блоці температури перемикач КОНТРОЛЬ ТОЧОК|точок| (термопар) встановити в положення|становище| «0»|;
4. Відкрити|відчиняти| вентиль подачі води в робочий елемент|робочий|;
5. На блоці потужності включити кнопку НАГРІВ – спалахує сигнальна лампа, повертаючи ручку автотрансформатора (вправо|вправо|) встановити напругу|напруження| нагріву, контролюючи його по цифровому приладу;
6. Після закінчення часу (10-20 хв.) на блоці температури перемикач КОНТРОЛЬ «0»| - встановити в положення|становище| ІЗМ., встановлюючи по черзі перемикач в положення|становища| 1-9, вимірювати|виміряти| свідчення|показання| температури по приладу блоку;
7. Виключення установки виконується в зворотному порядку|порядку| включення|приєднання|.
Результати всіх вимірів|вимірювань| занести у відповідні графи протоколу випробування (табл.7.1.1). Виміри|вимірювання| можна припинити після того, як в графі для 
з'являться|появлятимуться| 3 - 5 однакових результатів, що відповідатиме встановленню стаціонарного теплового режиму і відповідатиме постійному значенню коефіцієнта теплопровідності. Результати вважаються|лічать| однаковими, якщо відмінність між ними не перевищує третьої значущої цифри.
Після|потім| закінчення роботи необхідно відключити прилад від електроживлення, відключити систему охолоджування, витягнути зразок|взірець| з|із| приладу.
Результати вимірів заносяться до таблиці 3.2.1
Таблиця 3.2.1- Результатів вимірів
| № п/п | Час | Матеріал | Напруга | Сила струму | Температура точки 1 | Температура точки 2 | Температура точки 3 | Температура точки 4 | Температура точки 5 | Температура точки 6 | Температура точки 7 | Температура точки 8 | Температура точки 9 |
| мин
| фторопласт | U, В | І, А |  , °С
|  , °С
|  , °С
|  , °С
|  , °С
|  , °С
|  , °С
|  , °С
|  , °С
|
|вимірювань|
3.2.5 Обробка результатів досліду
|досліду|
1. Середня температура досліджуваного зразка на зовнішній поверхні, оС;
,
2. Середня температура досліджуваного зразка на внутрішній поверхні, оС;
,
3. Електрична потужність підведена до зразка|взірця|, Вт
4. Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м.К) обчислюється за формулою:
,
де δ - товщина зразка|взірця|, м;
F – площа поверхні зразка, м2;
різниця температур на зовнішній і внутрішній поверхнях, оС;
5. Табличне значення коефіцієнта теплопровідності для фторопласту визначають таким чином:
.
6. Точність отриманого|одержувати| дослідним|досвідченим| шляхом коефіцієнта теплопровідності оцінюється за допомогою відносної погрішності %, обчислюваною за наступною|слідуючою| формулою:
.
3.2.6 Контрольні питання
1. Суть|єство| явища теплопровідності. Якою гіпотезою вона визначається?
2. Що таке температурне поле, ізотермічна поверхня, температурний градієнт.
3. Наведіть приклади і дайте математичний опис (у спільному|загальному| вигляді|виді|) одно-|, дво-|, і тривимірного|трьохмірного| температурного поля при сталому і несталому тепловому режимі.
4. Написати закон Фур’є і пояснити, чому в правій частині|частці| рівняння знак мінус.
5. Привести математичний запис диференціального рівняння теплопровідності в спільному|загальному| вигляді|виді| і окремих його випадків.
7. Дати визначення коефіцієнта теплопровідності і вивести його розмірність із|із| закону Фур’є.
Лабораторна робота №3
ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ТЕМПЕРАТУРОПРОВІДНОСТІ І ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ СИПКИХ ТІЛ МЕТОДОМ РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМУ
Мета роботи: ознайомлення з методикою експериментального визначення теплових характеристик тіл по методу регулярного режиму.
3.3.1 Завдання|задавання| по роботі
1. Визначити експериментальним шляхом|дорогою| коефіцієнт температуропроводності| і теплопроводності сипкого матеріалу, використовуючи метод регулярного режиму.
2. Отримані|одержувати| експериментальним шляхом|дорогою| результати порівняти з|із| літературними і оцінити погрішність вимірів|вимірювань|.
3. Скласти звіт по роботі.
3.3.2 Основні теоретичні відомості
Процеси нестаціонарної теплопровідності описуються диференціальним рівнянням теплопровідності, яке за умови відсутності внутрішніх джерел тепла виглядає таким чином:
, (3.3.1)
де 
надлишкова|надмірна| температура тіла, 
;
температура навколишнього середовища;
а – коефіцієнт температуропроводності| |;
оператор Лапласа, який рівний:
.
Як початкові умови для вирішення даного рівняння приймається розподіл температури в початковий момент часу:
; 
, як граничні умови – закон теплообміну на кордоні|межі| поверхні тіла з|із| навколишнім середовищем (граничні умови III роду):
, (3.3.2)
де 
коефіцієнт теплопровідності тіла, Вт/(м.К);
коефіцієнт тепловіддачі з поверхні тіла, Вт/(м2.К);
- надлишкова|надмірна| температура на поверхні тіла.
Вирішення рівняння (3.3.1) за граничних умов (3.3.2) має наступний|слідуючий| вигляд|вид|:
, (3.3.3)
де 
постійна, залежна від форми тіла і початкового розподілу температури;
функція координат, що характеризує просторовий розподіл температур і що містить|утримує| як параметри фізичні характеристики тіла;
постійна величина, зростаюча із|із| зростанням|зростом| номера n і залежна від розмірів і форми тіла і умов теплообміну з|із| навколишнім середовищем.
Із|із| зростанням|зростом| 
ряд|низка| (3.2.3) швидко сходиться, тому, починаючи|зачинати| з|із| деякого значення, можна обмежитися його першим членом:
. (3.3.4)
У момент часу 
розподіл температури в тілі залежить від початкових умов. Ця стадія охолоджування називається неврегульованим режимом.
При температурне поле не залежить від початкових умов. Ця стадія процесу називається регулярним режимом. Логарифмуючи (3.3.4), узявши похідну за часом, отримуємо|одержуємо|:
, звідки 
(3.3.5)
де m – темп охолоджування або відносна зміна температури в часі. У регулярному режимі ця величина постійна для будь-якої точки тіла, що охолоджується.
Інтегруючи рівняння (3.3.5), отримуємо|одержуємо| наступне|слідуюче| вираження|вираз| для визначення темпу охолоджування:
. (3.3.6)
Як видно|показний| з|із| вираження|виразу| (3.3.6), в координатах темпом охолоджування є тангенс кута|кутка| нахилу прямої до осі абсцис tga (рис 3.3.1).
За теоретичними даними, при інтенсивному теплообміні (критерій Біо 
) величина m прямо пропорційна|пропорціональна| коефіцієнту температуропроводності| тіла, що охолоджується (друга теорема Кондратьєва):
, (3.3.7)
де 
коефіцієнт форми тіла.
Рівняння (3.3.7) справедливе для тіл будь-якої геометричної форми в процесах охолоджування, що протікають при постійній температурі навколишнього середовища (
).
| lnu |
| lnu1 |
| t1 |
| t2 |
| t |
Рисунок 3.3.1 – Експериментальний графік для визначення
темпу охолоджування
3.3.3 Опис експериментальної установки
Дослідна установка (рис.3.2.2) складається з калориметра, термостата, сушильної шафи і вимірювальних приладів: а – калориметром є мідний циліндр, наповнений досліджуваним матеріалом з|із| внутрішнім діаметром d =36| мм і довжиною l =65| мм. Для забезпечення умови калориметр поміщений в термостат ТС-24.
Рисунок 3.3.2 – Схема експериментальної установки
Різниця температур в а – калориметрі і термостаті вимірюється диференціальною хромель-копелевою термопарою. Один спай термопари поміщається в центр а – калориметра з досліджуваним матеріалом, другий – в термостат. Якщо як показуючого (вторинного) приладу використовується потенціометр, то перерахунок свідчень з mV в оС проводиться по градуїровочній прямій термопари ХК, приведеній на рисунку 2.5. При використанні як вторинний прилад перерахунок проводити немає необхідності.
3.3.4 Порядок|порядок| проведення досліду
|досліду|
Перед початком досвіду а – калориметр з досліджуваним матеріалом прогрівається в сушильній шафі до температури на 10 – 20оС води, що перевищує температуру, в термостаті. Потім а – калориметр поміщається в термостат. Температура води в термостаті автоматично підтримується постійною: у момент приміщення калориметра в термостат включається мішалка, яка дозволяє безперервно перемішувати шари води в термостаті, стабілізуючи її температуру.
Відлік свідчень|показань| надлишкової|надмірної| температури ведеться через кожну хвилину до тих пір, поки температури термостата і калориметра не порівняються (надлишкова|надмірна| температура стане рівною нулю).
Дані дослідів заносяться в таблиці. 3.3.1.
Таблиця 3.3.1 Результатів вимірів|вимірювань| і дані, необхідні для графічного знаходження темпу охолоджування
| № п/п | Час випробувань | Температура води в термостаті | Надлишкова температура | Натуральний логарифм надлишкової температури |
 , мін
|  , оС
|  , оС
| 
|
3.3.5 Обробка результатів досліду|досліду| і складання звіту
1. За даними досвіду|досліду| побудувати|спорудити| графік (рис.3.3.1).
2. На прямолінійній ділянці графіка вибрати дві крапки|точки| з|із| координатами; і по формулі (3.3.6) визначити значення темпу охолоджування m.
3. Визначити коефіцієнт форми тіла, який для даного а – калориметра знаходиться|перебуває| по формулі:
,
де R, l – відповідно радіус і довжина калориметра, м.
4. Використовуючи формулу (3.3.7), обчислити|вичисляти| коефіцієнт температуропроводності| а.
5. Використовуючи табличні дані теплоємності с р і щільність 
випробовуваного матеріалу розрахувати коефіцієнт теплопровідності по наступній формулі, Вт/(мК):
Найчастіше як випробовуваний|відчувати| матеріал в даній лабораторній роботі використовується сухий річковий пісок, теплофізичні властивості якого:
1520 кг/м3; 
0,8 кДж/(кг.К).
6. Значення коефіцієнта теплопровідності, отриманого|одержувати| на підставі використання дослідних|досвідчених| даних, порівняти з|із| табличним значенням даної величини для досліджуваного матеріалу і оцінити погрішність вимірів|вимірювань|, використовуючи формулу визначення відносної погрішності %:
,
де 
табличне значення коефіцієнта теплопровідності для досліджуваного матеріалу.
Коефіцієнт теплопровідності річкового піску залежно від температури змінюється в наступних|слідуючих| межах:
, 
.
Величину при цьому необхідно визначити при 
,
де 
температура води в термостаті.
3.3.6. Контрольні питання
1. Перерахуйте три основні режими, які проходить|минає| тіло при охолоджуванні. Їх відмітні особливості?
2. Суть|єство| методу регулярного режиму для визначення коефіцієнта температуропроводності|.
3. Що таке темп охолоджування, як він знаходиться|перебуває| в лабораторній роботі.
4. Записати формули для визначення і пояснити фізичний сенс|зміст| критеріїв Біо і Фур’є.
5. Дати визначення коефіцієнта теплопровідності і питомої ізобарної теплоємності, вказати розмірність цих величин.
6. Як задаються граничні умови I, II і III роду? Навести приклади.
7. Як зв'язані коефіцієнти температуропроводності| і теплопровідності. Привести їх розмірності. У чому їх відмінність.
8. Записати і пояснити рівняння Фур’є і Ньютона – Ріхмана.
Лабораторна робота №4
ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВІДДАЧІ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ ТРУБИ
ПРИ ВІЛЬНОМУ РУСІ ПОВІТРЯ
Мета роботи: вивчення процесів тепловіддачі при вільному русі повітря і ознайомлення з методикою експериментального дослідження процесу.
3.4.1 Завдання|задавання| по роботі
1. Експериментальним шляхом|дорогою| визначити залежність коефіцієнта тепловіддачі від температурного натиску|напору| при вільному русі повітря.
2. Результати дослідів обробити, представити|уявляти| їх в критерійному вигляді|виді|.
3. Дослідним|досвідченим| шляхом|дорогою| визначити коефіцієнти і n, режим руху, якому вони відповідають. Порівняти дослідні|досвідчені| значення з|із| розрахунковими рекомендаціями.
4. Скласти звіт по роботі.
3.4.2 Основні теоретичні відомості
Поняття конвективного теплообміну охоплює процес теплообміну при русі рідини або газу. При цьому розрізняють вільну і вимушену|змушену| конвекції.
У першому випадку рух теплоносія виникає в результаті|внаслідок| дії внутрішніх масових (об'ємних|обсяг|) сил, прикладених до всіх часток|частинок| рідини або газу і обумовлених зовнішніми силовими полями (гравітаційного або електричного).
Якщо рідина з|із| неоднорідним розподілом температури і, як наслідок, щільність знаходиться|перебуває| в полі земного тяжіння, то може виникнути вільний гравітаційний рух.
Вільний рух супроводиться|супроводжується| теплообміном між поверхнею тіла і навколишнім середовищем, який залежить від різниці температур між тілом і середою|середовищем|, фізичних властивостей середи|середовища| і геометричних параметрів (форми, розмірів і взаємного положення|становища| тіл в просторі).
Розрізняють два випадки теплообміну в умовах вільного руху – в необмеженому і обмеженому просторі. Під необмеженим простором розуміють такий об'єм|обсяг|, розміри якого настільки великі, що теплові обурення|збурення|, що викликаються|спричиняють| що знаходиться|перебуває| в нім гарячим або холодним тілом, практично не поширюються|розповсюджуються| на весь об'єм|обсяг|, тобто рідина, що знаходиться|перебуває| на деякому видаленні|віддаленні| від цього тіла, залишається необуреною. Прикладами|зразками| такого випадку теплообміну можуть служити: нагрівання приміщення|помешкання| від різних опалювальних приладів; природне охолоджування паропроводів і промислових печей; нагріваючи води у великих ємкостях|місткостях|.
Прикладами|зразками| тепловіддачі при вільному русі в обмеженому просторі можуть бути: передача теплоти через повітряний прошарок подвійних віконних рам; теплообмін в газонаповненій лампі.
На підставі узагальнення результатів великого числа експериментів М.А. Михєєвим було встановлене|установлене|, що теплообмін при вільному русі в необмеженому просторі повністю|цілком| визначається режимом вільного руху і фізичними властивостями рухомої середи|середовища|:
, (3.4.1)
де 
критерій Нуссельта – безрозмірний коефіцієнт тепловіддачі, що визначає співвідношення між інтенсивністю тепловіддачі і температурним полем в пограничному|прикордонному| шарі в|у| поверхні тіла;
критерій Грасгофа, що представляє|уявляє| відношення|ставлення| підіймальних|підйомних| сил при вільній конвекції до сил молекулярного тертя;
критерій Прандтля, що враховує співвідношення між температурним і динамічним полями;
с, n – постійні для заданого режиму течії величини, визначувані експериментально.
Індекси «ст|» і «р»| означають, що фізичні константи рідини, що входять в критерії, беруться при температурі стінки і середній температурі рідини.
Множник (Prр/Prст)0,25 враховує залежність фізичних властивостей рідини від температури і направлення теплового потоку. Для газів критерій Прандтля із зміною температури змінюється трохи і тому поправку можна прийняти рівній одиниці.
За визначальну температуру при розрахунку критеріїв подібності|подоби| прийнята температура навколишнього середовища. Зразкові числові значення постійною с |із| і n залежно від режиму руху приведені в таблиці 3.4.1.
Таблиця 3.4.1 - Значення коефіцієнтів с|із| і n
| Gr.Pr | c | n | Режим вільного руху |
| 0,5 | Плівковий нестійкий | |
| 1,18 | 0,125 | Чисто ламінарний при малих температурних натисках |
| 0,54 | 0,25 | Інтенсивний ламінарний (при середніх температурних натисках) |
| 0,135 | 0,333 | Вихровий турбулентний |
3.4.3 Опис експериментальної установки
Експериментальна установка (рис.3.4.1) складається з горизонтальної циліндрової труби 1 із|із| зовнішнім діаметром d і довжиною l. Усередині|всередині| вмонтований електричний нагрівач|, живлення|харчування| якого здійснюється від електричної мережі|сіті|. Потужність, споживана нагрівачем|, регулюється автотрансформатором 5 і вимірюється ватметром 4. Температура зовнішньої поверхні труби вимірюється термопарами, ЕРС яких визначається за допомогою потенціометра 3 через перемикач 2.
Рисунок 3.4.1 – Схема установки для дослідження вільної конвекції біля горизонтальної труби
Основні геометричні розміри труби, що нагрівається, наступні|слідуючі|: зовнішній діаметр d =18| мм і довжина l =88 мм.
3.4.4 Порядок|порядок| проведення досліду|досліду|
1. Ознайомитися з|із| установкою.
2. Встановити автотрансформатором потужність по вказівці викладача і підтримувати її до настання|наступу| стаціонарного режиму. Про настання|наступ| стаціонарного режиму свідчить постійність|незмінність| в часі температури стінки труби.
3. Після|потім| досягнення стаціонарного режиму виміряти|зміряти| температуру стінки, записати температуру навколишнього середовища.
4. Аналогічні виміри|вимірювання| провести при двох інших потужностях нагрівача| по вказівці викладача. Дані занести в таблицю 3.4.2.
Таблиця 3.4.2 - Результатів вимірів
| Параметр | Позначення | Одиниця виміру | Числові значення | ||
| 1 режим | 2 режим | 3 режим | |||
| Температура навколишнього середовища | tж | oC |
Продовження таблиці 3.4.2
| Сила струму | I | A | ||||||
| Напруга | U | В | ||||||
| Напруга на шунті | Uш | В | ||||||
| Температура стінки труби | В точці 1 | tст1 | oC | |||||
| В точці 2 | tcт2 | oC | ||||||
| В точці 3 | tст3 | oC | ||||||
| В точці 4 | tст4 | oC | ||||||
| В точці 5 | tст5 | oC |
<
Читайте также: Відповідальний за випуск: - к.е.н., проф. Федорович Р. В. Воспользуйтесь поиском по сайту:  ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|