Опис експериментальному установки 1 страница

КТУ

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Тепломасообмін» студентами спеціальності 6.092100 «Теплогазопостачння и вентиляція» всіх форм навчання / Склав А. М. Голишев, К. В. Лосьев. – Кривий Ріг, КТУ, 2008.

Укладачі: А. М. Лосьев, д. т. н. , проф.,

К. В. Лосьев, асистент

Відповідальний за випуск: П. В. Бересневич д. т. н., проф.

Рецензент: А. А. Малевич, к. т. н., доцент

Вступ

Методичні вказівки з виконання лабораторних робіт розроблені згідно робочої програми з дисципліни «Тепломасообмін»

Метою методичних вказівок є сприяти закріпленню теоретичних знань, які студенти отримали на лекціях , практичних заняттях, а також більш глибокому засвоюванні матеріалу по визначенню коефіцієнтів теплопровідності, тепловіддачі та інших що сприятиме набуттю навичок до виконання наукових досліджень.

Крім того, студенти повинні володіти теоретичним матеріалом з кінетики нагрівання тіла.

Готовністю студента до виконання лабораторної роботи є допуск викладача.

Після виконання роботи студент складає звіт згідно вимоги інструкції, яка передбачає – опрацювання дослідних даннх, змалювання схеми установки, приведення розрахунків, таблиць, графіків та висновок.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Порівняльний метод визначення теплопровідності

Мета роботи - визначити теплопровідність твердого тіла.

Прибори: установка (див. мал. 1.2), гальванометр, досліджувані зразки.

1. Короткі теоретичні відомості

Теплопровідність або здатність тіла проводити теплоту, залежить від природи речовини і його фізичних властивостей. Закон теплопровідності заснований на гіпотезі Фурье про пропорційність теплового потоку різниці температур на одиниці довжини шляху перенесення теплоти в одиницю часу:

(1.1)

де λ – теплопровідність;

- температурний градієнт.

Існуючі методи визначення теплопровідності можна розділити на дві групи: методи стаціонарного потоку теплоти і методи нестаціонарного потоку теплоти. У першій групі методів тепловий потік, що проходить через тіло або систему тіл, залишається постійним по величині і напряму. Температурне поле залишається постійним. У методах нестаціонарного режиму використовується змінне в часі температурне поле.

У справжній роботі використаний один з методів стаціонарного режиму. Температурний градієнт для плоскопаралельної пластини між двома поверхнями постійний:

(1.2)

де: і температура відповідно менш і більш

нагрітій поверхні пластини. Підставляючи 1.2 в I.I, знаходимо тепловий потік

(1.3)

звідки

(1.4)

З двох зразків (рис.1.1) для різних матеріалів тих, що знаходяться в тепловому зіткненні, вважаємо пластину П еталоном. Якщо нехтувати краєвим ефектом, то тепловий потік, що проходить через еталон і досліджуваний зразок, визначається по виразу

звідки

де: і - товщина відповідно пластин досліджуваного зразка і еталону, м

; - температура відповідно на поверхні еталону, на стику еталону із зразком і на поверхні зразка.

Якщо всі термопари однакові по їх попередньому градуюванню, то замість абсолютних температур можна поставити відповідні свідчення гальванометра п₁, п₂, п₃. Тоді формула 1.6 приймає вигляд

(1.7)

2. Опис установки

Схематично установка показана на мал. 1,2.

Установка полягає:

1. Нагрівача

2. Холодильника

3. Досліджуваний зразок

4. Еталон

5. - джерела напруги

6. (П) - перемикача;

7. (Г) – гальванометра;

8. Сполучних приводів термопар (п₁, п₂, п₃).

п₁- виведення термопари між нагрівальним блоком (I) і

досліджуваним зразком (3);

п₂- виведення термопари між досліджуваним зразком (3) і

еталоном (4);

п₃- виведення термопари між еталоном (4) і холодильником (2).

3. Порядок виконання роботи

1. Включити струм для нагрівача (I).

2. Через 4-5 мін після прогрівання блоку зміряти температуру в точках I, II, III. Замість абсолютних температур, ,, знімають відповідні свідчення гальванометра п₁, п₂, п₃

3. Дані заносять в табл. I.

4. По усереднених значеннях п₁, п₂, п₃розраховують значення теплопровідності, формула 1.7.

5. Дані знімають при стаціонарному потоці.

Примітка.

Категорично забороняється розбирати установку і торкатися до

їй руками. Виниклі несправності усуваються лаборантом або

викладачем.

№ п/п	Вт/( °С)	п1, дел	п2, дел	п2, дел	Вт/( °С)	Вт/( °С)	Вт/( °С)	м	м
	85.5	7,64	9,96

6. Обчислюють середню квадратичну погрішність за формулою

7.Визначають межу довірчого інтервалу

де - коефіцієнт Стьюдента (при n=5; =0,9;

=2.13).

8. Записують остаточний результат у вигляді

9. Обчислюють відносну погрішність за формулою

10.Делайэт виводу! по результатах і дають пояснення в розбіжності експериментальних даних з табличними.

Лабораторна робота №2

Визначення коефіцієнта теплопровідності твердого матеріалу при стаціонарному теплообміні

1. Мета роботи

Поглиблення і закріплення знань студентів по теорії теплопровідності, вивчення методики експериментального визначення коефіцієнта теплопровідності твердого тіла і отримання навиків в проведенні експерименту.

В результаті роботи повинні бути засвоєні фізична суть процесу теплопровідності, зміст основного закону теплопровідності і його додаток до тіл простій геометричної форми, поняття про коефіцієнт теплопровідності і методи його визначення.

2. Основні теоретичні положення роботи

Теплопровідністю називають процес перенесення теплоти в тілах при безпосередньому зіткненні окремих елементарних частинок тіла і окремих тіл, що мали різні температури. Теплопровідність обумовлена тепловим рухом мікрочасток речовини.

У основі розрахунку процесу теплопровідності лежить закон Фурье, який встановлює, що тепловий потік виникає тільки за наявності температурного градієнта.

У аналітичній формі закон Фурье має вигляд, Вт/м²:

(1)

де величина називається коефіцієнтом теплопровідності і є фізичною характеристикою матеріалу, яка залежить, перш за все, від його природних фізичних властивостей. Знак "мінус" показує, що вектор щільності теплового потоку направлений в протилежну сторону вектора градієнта температури.

Значення коефіцієнта теплопровідності є кількість теплоти, яка проходить в одиницю часу через одиницю площі ізотермічної поверхні при температурному градієнті, рівному одиниці.

При розгляді теплопровідності плоскої однорідної стінки використовується розрахункова залежність

(2)

де - товщина стінки, м; Q - кількість теплоти, що проходить в одиницю часу через ізотермічну поверхню стена площею F (м2), тобто тепловий потік, Вт; t_с1і t_c2 - постійні температури на зовнішніх поверхнях стінки °С; q і - відповідають вищенаведеним величинам.

Для знаходження значення коефіцієнта теплопровідності експериментальним шляхом використовують вираз (2). Вирішуючи останнє щодо шуканої величини, отримують розрахункову формулу

Вт/ (3)

значення величин в правій частині якої визначають приладовий-інструментальними вимірюваннями в процесі конкретного досвіду.

3. Опис дослідної установки

Принцип роботи установки заснований на вимірюванні кількості теплоти Q, що пройшла через площу F досліджуваного зразка з товщиною стінки , вимірюванні різниці температур ∆t на його поверхнях і подальшого обчислення коефіцієнта теплопровідності за формулою (3) при стаціонарному тепловому режимі.

Лабораторна установка вивчення теплопровідності матеріалів методом пластини складається з типового лабораторного столу (рис.1), на якому встановлені: елемент робочий, блок потужності, блок температури. У лівій стійці столу розташована панель реле, а в правій - панель роз'ємів. Знімна обшивка відкриває доступ до елементів, розташованих усередині стійкий і блоків.

Мал. 1. Загальний вид установки дослідження теплопровідності: 1 - блок потужності; 2 - стіл; 3 — елемент робочий; 4 - блок температури.

Елемент робочий (рис.2) складається з: плоскою нагрівача 1, двох круглих досліджуваних пластин 3, двох холодильників 4, прилеглих до пластин 3, теплоізоляційного кожуха 5 і 9-ти термопар, розташованих на поверхнях пластинчастих зразків TI-T6 і в теплозахисному кожусі (Т7-Т9). Нагрівач 1, зразки 3 і холодильники 4 мають однаковий діаметр d- 140мм Всі вони щільно притиснуті один до одного стяжними болтами. Цим досягається хороший тепловий контакт між всіма дотичними поверхнями і забезпечується постійність температури по всій площині зіткнення

Мал. 2. Схема елементу робочого:

1 - корпус нагрівача;

2 - нагрівальний елемент;

3 - досвідчена пластина;

4 - холодильник;

5 - кожух теплозахисний;

T1, Т2 ... Т9 — термопари:

6 - патрубок водопровідний.

Холодильники є порожнисті усередині циліндри (з направляючими лопатями), в які подається вода з водопровідної мережі з подальшим скиданням її в каналізацію.

Теплоізоляційний кожух 5 дозволяє звести до нехтує малого значення радіального перенесення теплоти як від нагрівача в навколишнє середовище, так і в досліджуваних зразках. Таким чином, з допустимою для практики погрішністю, можна вважати, що вся кількість теплоти від електронагрівача 1 передається холодильникам 4. При цьому, враховуючи симетричність розміщення зразків і холодильників по відношенню до нагрівача, через кожен зразок передається половина загального потоку теплоти від нагрівача, що має потужність N.

У блоці потужності змонтовані: автотрансформатор завдання напруги, що подається на електронагрівач; прилад (комбінований цифровий Щ4313) вимірювання цієї напруги і сили струму, кнопки управління і сигнальні лампочки.

У блоці температури змонтовані: прилад (мілівольтметр пирометрический МВУ6-41С), що вимірює температуру з блоком компенсації температури холодних спаїв термопар, а також перемикач термопар.

Електричні зв'язки між складовими частинами установки здійснюються монтажними джгутами через роз'єми і сполучні колодки.

Принципіальна схема установки в цілому приведена на рис.3

Мал. 3. Принципова схема експериментальної установки:

1 - електронагрівач; 2 - досліджувані пластини;3 - холодильники; 4 - робочий спай термопари; 5 - міліамперметр; 6 - вольтметр; 7 - лабораторний автотрансформатор; 8 - кнопка виключення; 9 - кнопка включення; 10 - вентиль; 11 - перемикач термопар; 12 - вмикач; 13 - компенсатор температури вільних (холодильних) спаїв термопар; 14- мілівольтметр.

4. Порядок виконанні роботи

1. Перед початком лабораторної роботи слід ретельно вивчити теоретичні основи, ознайомитися з пристроєм установки, вимірювальними приладами, а також переконатися в справності заземлення установки і відсутності пошкоджень на приладах і ручках управління.

2. Встановити органи управління на стійках столу, блоку потужності і температури в початкове положення. Включення і виключення електричного живлення, відкриття і закриття вентиля подачі води в елемент робочий і вимірювання досвідчених даних повинні бути узгоджені з викладачем-керівником робіт або лаборантом, обслуговуючим цей стенд.

3. Порядок включення установки:

1) автоматичний вимикач на лівій стійці перевести у верхнє положення - спалахує сигнальна лампа "Мережа";

2) на блоці потужності перемикачі встановити: РЕЖ.ИЗМ. у положення " U ", диапазон- "50", режим - "В" і включити кнопку цифрової індикації;

3) на блоці температури перемикач КОНТРОЛЬ КРАПОК (термопар) встановити в положення "О";

4) відкрити вентиль подачі води в елемент робочий;

5) на блоці потужності: включити кнопку "НАГРІВ" - спалахує сигнальна лампа, повертаючи ручку автотрансформатора (управо) встановити необхідну напругу нагріву, контролюючи його по цифровому приладу; випробування зразків повинне бути проведене при 3-5 напрузі (режимах) в діапазоні від 10 до 70 В, причому кожен режим узгоджується з викладачем;

6) на блоці потужності перемикачі встановити: РЕЖ. ЗМ в положення "J", діапазон - "200", режим - "mА", натиснути кнопку цифрової індикації показань приладу Щ4313 і провести зчитування сили струму;

7) після закінчення часу, достатнього для досягнення сталого режиму (10-20 хв.) на блоці температури тумблер ЖИВЛЕННЯ встановити в положення "ВКЛ", перемикач КОНТРОЛЬ "0" - встановити в положення ЗМ., встановлюючи по черзі перемикач КОНТРОЛЬ КРАПОК в положення "1...9", прочитувати свідчення температури по приладу блоку.

8) результати вимірювань заносити в таблицю.

4. Виключення установки виконується в зворотному порядку включення по п.З:

1) перемикач КОНТРОЛЬ КРАПОК - встановити в положення "0";

2) вимкнути живлення блоку температури - ЖИВЛЕННЯ ОТКЛ.;

3) на блоці потужності натиснути кнопку НАГРІВАЮЧИ ОТКЛ.;

4) вимкнути цифрову індексацію приладу Щ4313. ручку автотрансформатора повернути вліво до упору (положення "0");

5) автоматичний вимикач перевести в нижнє положення - тухне сигнальна лампа МЕРЕЖА;

6) закрити вентиль подачі води.

5. Обробка результатів досвіду.

Для обробки результатів використовуються лише досвідчені дані, отримані в сталому тепловому стані елементу робочого.

Зазвичай беруть середні значення показань приладів з останніх трьох записів.

Площа зразка фторопласту

= 0,015394 м²;

товщина зразка = 0,005м.

Тепловий потік Q приймається як половина потужності N, споживаної електронагрівачем і обчислюваною але формулі

Q= N/2 = U-I/2, Вт (4)

де U і I - напруга, В, і сила струму, А, в електронагрівачі .

Приблизно потужність можна обчислити, користуючись залежністю

N = U2/R, Вт (5)

де R - опір електронагрівача, Ом; для умов роботи установки R ≈ 26,2 Ом.

Значення температури гарячої поверхні t_c1зразка приймається як середнє арифметичне значення свідченні термопар Т3-Т6, а холодній поверхні t_c2-термопар Т1 і Т2.

Набутого з рівняння (3) значення коефіцієнта теплопровідності слід відносити до середньої температури досліджуваного зразка фторопласту

За даними декількох температурних режимів дослідження зразка побудуйте в зручному масштабі графік і знайдіть значення констант _про і у в рівнянні вигляду

(6)

Таблиця Експериментальні дані і результати їх обробки

№№ режимів

№№ вимірів

U, в

I, А

Q, Вт

Показання термопар, °С

, °С

, °С

, °С

Вт/

Т1

Т2

Т3

Т4

Т5

Т6

Т7

Т8

Т9

Х

Х

-

Х

X

X

X

X

X

X

X

X

-

-

-

-

Х

Х

-

Х

X

X

X

X

X

X

X

X

-

-

-

-

X

X

-

X

X

X

X

X

X

X

X

X

-

-

-

-

ср

ср

Примітка; х - експериментальні значення;

0 - розрахункові значення;

- - дані не використовуються і не заповнюються.

6. Оформлення і захист звіту по роботі

Звіт по виконаній лабораторній роботі оформляється індивідуально кожним студентом в зошиті для лабораторних робіт і повинен містити:

1) мета і завдання роботи, короткий опис;

2) схему експериментальної установки і опис її пристрою

3) таблицю експериментальних даних і результатів їх обробки;

4) графік залежності і його чисельний вираз;

5) виводи за наслідками експериментальних досліджень

7. Контрольні питання для самостійної підготовки

1. Мета роботи ?

2. Методика проведення роботи?

3. Необхідні прилади і устаткування?

4. Суть основного закону теплопровідності?

5. Фізична суть коефіцієнта теплопровідності, його розмірність?

6. Від чого залежить значення коефіцієнта теплопровідності будівельних і теплоізоляційних матеріалів?

7. Що таке тепловий потік і щільність теплового потоку?

Лабораторна робота № 3

Визначення коефіцієнтів температуропровідності і теплопровідності твердих матеріалів при нестаціонарному теплообміні.

1. Мета роботи.

Метою роботи є поглиблення і закріплення знань але розділу нестаціонарної теплопровідності і отримання практичних навиків студентами за визначенням теплофізичних властивостей матеріалів методом регулярного i силового режиму.

В результаті виконання роботи студент повинен засвоїти:

1 фізичну суть і особливості процесу нестаціонарної теплопровідності;

2. поняття про коефіцієнти температуропровідності і теплопровідності, їх фізичний сенс і взаємозв'язок

3. основні положення методу регулярного теплового режиму;

4. практичне застосування теорії регулярного теплового режиму при рішенні задач нестаціонарної теплопровідності і для досвідченого визначення коефіцієнтів теплопровідності і температуропровідності.

Завдання

1. На підставі отриманих експериментальних даних знайти значення коефіцієнтів температуропровідності і теплопровідності досліджуваного матеріалу.

2. Виявити характер зміни знайдених коефіцієнтів в залежності о1 температури матеріалу.

3. Скласти звіт по виконаній роботі.

3. Теоретичні основи лабораторної роботи

Серед процесів нестаціонарної теплопровідності виділяють, процеси нагрівання або охолоджування тіла, поміщеного в середу з температурою, що відрізняється від температури тіла, і процеси в підігрівачах, що періодично діють. Нижче розглянемо лише першу групу процесів.

Серед процесів нестаціонарної теплопровідності виділяють, процеси нагрівання або охолоджування тіла, поміщеного в середу з температурою, що відрізняється від температури тіла, і процеси в підігрівачах, що періодично діють. Нижче розглянемо лише першу групу процесів.

Серед процесів нестаціонарної теплопровідності виділяють, процеси нагрівання або охолоджування тіла, поміщеного в середу з температурою, що відрізняється від температури тіла, і процеси в підігрівачах, що періодично діють. Нижче розглянемо лише першу групу процесів.

Вирішити задачу нестаціонарної теплопровідності - це означає знайти залежність температури від часу для Будь-якої точки тіла, а також розрахувати кількість переданої теплоти.

Аналітично процес теплопровідності за відсутності внутрішніх джерел теплоти описується диференціальним рівнянням

(1)

де λ/(С·ρ)= α - коефіцієнт температуропровідності матеріалу тіла, м²/с; л - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м·К); ρ - щільність матеріалу, kг/m³; С - питома теплоємність матеріалу, Дж/(кг·К).

Вирішуючи рівняння (1) сумісно з умовами однозначності, що включають фізичні властивості тіла (λ,С,ρ) його форму і розміри (l₁ l₂ l_n), розподіл температури тіла в початковий момент часу, тобто при τ=0 t = t_c = f(x,y,z) і граничні умови (умови теплообміну на межах тіла і середовища), знаходять функцію вигляду

(2)

яка задовольняла б рівнянню (1) і умови однозначності.

Таке рішення виходить достатньо складним навіть для тіл простій геометричної форми. Тому на практиці часто використовуються наближені спрощені аналітичні, графоаналітичні і чисельні методи рішення конкретні завдань нестаціонарної теплопровідності, зокрема методи регулярного теплового режиму Г.М. Кондратьева, кінцевих різниць теплових балансів і т.п.

Якщо нагрівання (або охолоджування) однорідного ізотропного тіла відбувається в середовищі з постійною температурою і незмінним коефіцієнтом тепловіддачі а від середовища до тіла (або навпаки) за відсутності внутрішніх джерел (або стоків) теплоти в тілі, то такий процес можна розділити на три стадії. У першій стадії розподіл температури в тілі сильно залежить від початкового стану, який може бути різним. Цю стадію називають неврегульованою.