Порядок проведення дослідів
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ В ЦИЛІНДРИЧНІЙ СТІНЦІ ЗА СТАЦІОНАРНОГО РЕЖИМУ
Мета роботи – вивчити параметри процесу теплопровідності в стаціонарному тепловому режимі; виконати розрахунок температурного поля в циліндричній стінці; порівняти дослідні дані з результатами розрахунку.
Основні теоретичні положення
Розглянемо граничні умови другого й третього роду для стаціонарного процесу теплопровідності в циліндричній стінці. На внутрішньому боці однорідної ізотропної стінки задано граничні умови другого роду ( ), на зовнішньому – граничні умови третього роду (коефіцієнт тепловіддачі
і температура навколишнього середовища
) [3].
Задача зводиться до відшукання розподілу температур у стінці. Вираз для теплового потоку, що проходить крізь одиницю довжини циліндричної стінки (лінійний тепловий потік), Вт/м:
(1.1)
де – температура відповідно на внутрішній і зовнішній поверхні циліндричної стінки;
– теплопровідність матеріалу стінки;
– відповідно внутрішній і зовнішній діаметр стінки.
Лінійний тепловий потік на зовнішній стінці
. (1.2)
З (1.1) і (1.2)
. (1.3)
Коефіцієнт тепловіддачі на повітрі
(1.4)
де Q – потужність теплового потоку нагрівника, Вт; – площа боковоїповерхні циліндричної стінки, м2;
– ступінь чорноти поверхні циліндричної стінки; С0 = 5,7 Вт/(м2·К4) – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла; L – довжина циліндричної стінки, м;
– абсолютна температура відповідно поверхні циліндра й рідини, К.
Температура в будь-якій точці циліндричної стінки
. (1.5)
Критеріальне рівняння, що описує процес вільної конвекції з твердої поверхні, має вигляд [1]
, (1.6)
де – критерій Нуссельта,
– визначальний розмір (
, якщо циліндр розміщений горизонтально,
, якщо розміщення циліндра вертикальне);
– теплопровідність середовища, в якому здійснюється процес, Вт/м·°С;
– критерій Грасгофа,
,
– фізичні параметри середовища, які знаходять за визначальною температурою
;
- температурний напір, °С; Pr – критерій Прандтля.
Опис установки
На рис. 1.1 зображено схему дослідної установки для дослідження теплопровідності в циліндричній стінці. Вимірювальний вузол являє собою суцільний однорідний циліндр 1 [ = 100 мм,
= 250 мм /з алебастру/,
= 0,7 Вт/(м·°С)], розташований на металевій підставці 2. У центрі циліндра розміщено нагрівник 3 (
= 20 мм). У матеріал циліндра вбудовано хромель-копелеві термопари 4, що вимірюють зміну температури на глибині
Рис. 1.1. Схема дослідної установки
матеріалу (1-а термопара розміщена на = 20 мм, 2-а на
= 36 мм, 3-а на
= 52 мм, 4-а на
= 68 мм, 5-а на
= 84 мм, 6-а на
= 100 мм). Термопари підключено до електронного потенціометра 5. Потужність електронагрівника регулюється ЛАТРом 6 і контролюється ватметром 7. Температуру навколишнього середовища вимірюють термометром 8.
Порядок проведення дослідів
Підготувавши установку до роботи й перевіривши справність усіх її вузлів, увімкнути нагрівник. Відрегулювати ЛАТРом потрібну потужність теплового потоку нагрівника й дочекатися встановлення стаціонарного теплового режиму. В стаціонарному режимі виконати вимірювання температур у циліндричній стінці й на поверхні циліндра (не менше 3-х разів), а також навколишнього середовища.
Результати вимірювань внести до табл. 1.1.
Таблиця 1.1
Діаметр циліндра ![]() | Довжина циліндра ![]() | Температу- ра середо- вища ![]() | Потужність нагрівника ![]() | Показання приладу по термопарах | |||||