Дослідження процесу теплопровідності плоскої багатошарової стінки в стаціонарному режимі

Мета роботи – виконати експериментальне дослідження процесу теплопровідності плоскої багатошарової стінки в стаціонарному тепловому режимі; розрахувати теплопровідність матеріалів багатошарової стінки; виконати теоретичний розрахунок температурного поля плоскої багатошарової стінки; порівняти експериментальні дані з результатами розрахунку.

1.1. Основні теоретичні положення

Розглядаючи випадок, коли в процесі передавання теплоти крізь багатошарову плоску стінку для однієї її поверхні задано граничні умови другого роду у вигляді /коли: /, для другої – коефіцієнт теплопередачі і температуру навколишнього середовища , тобто граничні умови третього роду [1; 3].

Завдання зводиться до знаходження розподілу температури в кожному шарі стінки і на межах між шарами, коли відомі коефіцієнти теплопровідності кожного шару, а також до знаходження температур на її зовнішніх поверхнях.

З огляду на стаціонарність теплового режиму записуємо систему рівнянь [3]:

/1.1/

Якщо має задане значення, то

; /1.2/

. /1.3/

Температура на поверхні між шарами

; /1.4/

. /1.5/

Коефіцієнт тепловіддачі на повітрі

, /1.6/

де Q – потужність теплового потоку нагрівника, Вт; F – площа поверхні плоскої стінки, м²; F = BH; B – ширина стінки, м; B = 0,11 м; H – висота стінки, м; H = 0,245 м; – ступінь чорноти поверхні плоскої стінки; С₀ – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, = 5,7 Вт/(м². К⁴); , – абсолютна температура власне поверхні стінки і середовищ, /К.

Критеріальне рівняння, яке описує процес вільної конвекції з твердої поверхні, має вигляд [1].

/1.7

де – критерій Нуссельта ; – визначальній розмір у разі вертикального розташування плоскої стінки , – критерій Грасгофа, ; – фізичні параметри середовища; – температурний напір, °С; ; – критерій Прандтля.

Для визначення середніх коефіцієнтів тепловіддачі, якщо ламінарний рух рідини вздовж вертикальної стінки вільний, можна використати такі рівняння [1]: якщо , то

; /1.8/

Якщо , то

/1.9/

У цих формулах як визначальну взято температуру рідини віддалік від нагрітої поверхні, формули одержано для теплоносіїв з числом від 0,7 до 3·10^-3, для інтервалу 10³ < < 10 ⁹.

1.2. Опис установки

На рис. 1.1 зображено схему дослідної установки для дослідження теплопровідності плоскої багатошарової стінки. Вимірювальний вузол являє собою багатошарову плоску стінку 3-5, розташовану з обох боків плоского електронагрівника 1. З обох боків нагрівника встановлюють латунні пластини 2, призначені дія вирівнювання температурного поля. Тепловий потік від нагрівника розподіляється порівну на обидві його боки й проходить послідовно через плоску стінку 3 з текстоліту / = 2,1·10^-3 м, = 0,28 Вт / (м·°С), стінку 4 з полімеру / = 5·10^-3 м, = 0,32 Вт/(м·°С ) і стінку 5 з нержавіючої сталі / = 8,2·10^-3 м, = 16 Вт/(м·°С). Хромель-копелеві термопари 6 вимірюють температури на поверхні між стінками, а також на зовнішніх поверхнях. Термопари підключають до електронного потенціометра 7.

Потужність електронагрівника регулюється за допомогою ЛАТРа 9 і контролюється ватметром 10. Температуру навколишнього середовища вимірюють термометром 8.

1.3. Порядок проведення дослідів

Перевіривши, чи правильно підключено нагрівник і прилади, а також чи справні всі вузли, установку ввімкнути. Встановити ЛАТРом за допомогою ватметра потрібну потужність теплового потоку нагрівника й дочекатися стаціонарного теплового режиму. У стаціонарному режимі зробити вимірювання температур у плоскій багатошаровій стінці й на поверхні, а також у навколишньому середовищі.

Результати вимірювань вносять до табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Ширина пластини В, м	Висота пластини Н, м	Температура середовища , ºС	Потужність нагрівника Q, Вт	Покази термопар

1.4. Обробка результатів

Задача 1. Відомі температури й .

1. За визначальною температурою, за яку взято температуру середовища віддалік від стінки, що нагрівається, визначити фізичні параметри середовища: .

2. Розрахувати значення критерію .

3. На основі рівняння /1.8/ розрахувати величину .

4. Визначити коефіцієнт тепловіддачі:

.

5. Розрахувати на основі /1.1/ значення .

6. Розрахувати температури , , .

7. Розрахункові значення внести до табл. 1.2.

Задача 2. Відомі встановлена потужність теплового потоку Q, температури і .

1. На основі рівняння /1.6/ розрахувати коефіцієнт тепловіддачі , беручи = 0,1.

2. На основі рівняння /1.3/ визначити температуру , попередньо визначивши значення Вт/м²:

.

3. Розрахувати за рівнянням /1.4/ температури і .

4. Дані внести до табл. 1.2.

Задача 3. Відомі встановлена потужність теплового потоку Q, температури і .

1.За рівнянням /1.3/ розрахувати коефіцієнт тепловіддачі , Вт(м²·ºС):

,

попередньо визначивши :

.

2. На основі рівняння /1.2/ розрахувати .

3. За відомими температурами і розрахувати температури і :

; /1.10/

. /1.11/

4. Розрахункові дані внести до табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Завдання	, Вт(м2·ºС)	, Вт/м2		Температура
Задача 1 Задача 2 Задача 3		* *	* * *	*			* *

Зірочками в табл. 1.2 позначено графи, до яких вносять значення, відомі з умови задачі.

5. За даними табл. 1.2 побудувати графіки зміни температури в багатошаровій стінці

6. Побудувати графіки експериментального дослідження температур

у багатошаровій плоскій стінці.

7. Розрахункові залежності порівняти з експериментальними, визначивши відносну похибку розрахунків для кожної із задач.

Задача 4. Відомі встановлена потужність теплового потоку й температури , , , , .

1. Розрахувати питомий тепловий потік:

. /1.12/

2. Згідно з формулою теплопровідності крізь плоску стінку визначити коефіцієнт теплопровідності першої стінки:

. /1.13/

3. Визначити коефіцієнт теплопровідності другої стінки;

. /1.14/

4. Визначити коефіцієнт теплопровідності третьої стінки:

. /1.15/

5. За рівнянням /1.6/ розрахувати коефіцієнт тепловіддачі , беручи = 0,1.

6. Згідно з рівнянням /1.5/ розрахувати коефіцієнт теплопровідності третьої стінки:

. /1.16/

7. Порівняти значення коефіцієнтів теплопровідності третьої стінки, одержані за пп. 4 і 6 розрахунку, а також розрахункові значення , , зі значеннями, відомими з опису установки.

1.5. Контрольні запитання

1. Фізична суть поняття теплового потоку.

2. Що характеризує собою питомий тепловий потік?

3. Закон теплопровідності через одношарову й багатошарову плоскі стінки.

4. Фізична суть теплопровідності.

5. Закон розподілу температур у випадку теплопровідності в одношаровій і багатошаровій плоских стінках.

6. Як впливає потужність теплового потоку на розподіл температур у плоскій стінці?

7. Фізична суть поняття «термічний опір теплопровідності». Чому він дорівнює для одношарової і багатошарової плоских стінок?

8. Граничні умови першого і другого роду,

9. Що характеризує кожна з теплових характеристик, застосовуваних у розрахунках?

10. Порядок проведення експериментів.

1.6. Техніка безпеки

1. До виконання роботи оглянути установку, перевірити правильність вмикання електронагрівника й приладів.

2. Перед вмиканням установки попередити навколишніх працівників.

3. Забороняється залишати установку ввімкненою без нагляду.

4. Обережно проводити електричні вимірювання, акуратно поводитися з вимірювальними приладами.

5. Після закінчення експерименту вимкнути рубильник, а потім прилади.