Обробка результатів досліду. Обробка дослідних даних представляється в звіті у вигляді табл.7.3, в якій наведені формули для розрахунку шуканих величин.
Обробка дослідних даних представляється в звіті у вигляді табл.7.3, в якій наведені формули для розрахунку шуканих величин.
Значення коефіцієнтів кінематичної в’язкості n і теплопровідності l, число Pr для повітря визначаються за табл.7.4 при температурі повітря tп.
Діапазони шкал амперметра IN, вольтметра UN і потенціометра TN, класи точності відповідних приладів потрібно взяти з табл.7.1 звіту.
Значення коефіцієнта С і показника n вибирають з табл.7.5 в залежності від числа подібності Ra.
Таблиця 7.3 - Обробка результатів досліду
| Позначення величин | Одиниця вимірювання | Розрахункова формула | Замір | |||
 | 0С |  | ||||
| Tm | 0С | (tc+tнс)/2 | ||||
| DT | К |  - tнс | ||||
| F | м2 | pdl | ||||
| Q | Вт | IU | ||||
| a | Вт/(м2×К) | Q/(FDT) | ||||
 | % | KIIN/I | ||||
 | % | KUUN/U | ||||
 | % | KTtN/tc | ||||
 | % |  | ||||
| n | м2/с | - | ||||
| l | Вт/(м×К) | - | ||||
| Pr | - | - | ||||
| Gr | - | gd3DT/(n2(tm+273)) | ||||
| Ra | - | PrGr | ||||
| C | - | - | ||||
| n | - | - | ||||
| Nup | - | CRan | ||||
| ap | Вт/(м2×К) | Nupl/d | ||||
| dap | % |  |
Таблиця 7.4 - Орієнтовні значення коефіцієнта тепловіддачі, Вт/(м2×К)
| Процес | Теплоносій | a |
| Природна конвекція | Гази Вода | 5...30 102...103 |
| Вимушена конвекція | Гази Вода Оливи | 10...500 500...2×104 50...2×103 |
| Кипіння | Вода | 2×103...4×104 |
| Конденсація | Водяна пара | 4×104...1,2×105 |
Таблиця 7.5 - Телофізичні властивості сухого повітря при р = 98,1 кПа
| t,0С | r, кг/м3 | ср×103, Дж/(кг×К) | l×10-2, Вт/(м×К) | a×10-6, м2/с | n×10-6, м2/с | Pr |
| 1,251 | 1,00 | 2,44 | 19,50 | 13,75 | 0,71 | |
| 1,207 | 1,00 | 2,51 | 20,80 | 14,66 | 0,71 | |
| 1,166 | 1,00 | 2,58 | 22,13 | 15,61 | 0,71 | |
| 1,127 | 1,00 | 2,65 | 23,51 | 16,58 | 0,71 | |
| 1,091 | 1,00 | 2,72 | 24,93 | 17,57 | 0,71 | |
| 1,057 | 1,01 | 2,79 | 26,13 | 18,58 | 0,71 | |
| 1,026 | 1,01 | 2,86 | 27,60 | 19,60 | 0,71 | |
| 0,996 | 1,01 | 2,92 | 29,03 | 20,65 | 0,71 | |
| 0,967 | 1,01 | 2,99 | 30,61 | 21,74 | 0,71 | |
| 0,941 | 1,01 | 3,06 | 32,20 | 22,82 | 0,71 | |
| 0,916 | 1,01 | 3,12 | 33,72 | 23,91 | 0,71 | |
| 0,869 | 1,01 | 3,24 | 36,91 | 26,21 | 0,71 | |
| 0,827 | 1,02 | 3,37 | 39,95 | 28,66 | 0,71 | |
| 0,789 | 1,02 | 3,49 | 43,37 | 31,01 | 0,71 | |
| 0,754 | 1,02 | 3,62 | 47,07 | 33,49 | 0,71 | |
| 0,722 | 1,03 | 3,74 | 50,29 | 36,03 | 0,71 | |
| 0,653 | 1,03 | 4,06 | 60,36 | 42,75 | 0,71 | |
| 0,596 | 1,05 | 4,37 | 69,83 | 49,87 | 0,71 |
Таблиця 7.6 - Розрахункові константи рівняння подібності для тепловіддачі при природній конвекції навколо горизонтальної труби
| Ra | С | n |
| 10-3-5×102 | 1,18 | 0,125 |
| 5×102-2×107 | 0,54 | 0,25 |
| 2×107-1012 | 0,135 | 0,33 |
Питання для самоперевірки
1. Що називається теплообміном?
2. Назвіть види теплообміну?
3. Що називається теплопровідністю?
4. Який теплообмін називається конвективним?
5. Що називають теплоносієм?
6. Які є види руху теплоносіїв?
7. Які є режими конвекції теплоносіїв?
8. В чому відмінність між природною та вимушеною конвек-цією?
9. Який фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі?
10. Від яких величин залежить коефіцієнт тепловіддачі?
11. Чи є коефіцієнт тепловіддачі фізичною характеристикою теплоносія? Чому?
12. В яких межах знаходиться коефіцієнт тепловіддачі від по-верхні до газів при природній конвекції?
13. В яких середовищах коефіцієнт тепловіддачі більший: в рі-динах чи газах?
14. Запишіть рівняння, які описують процес тепловіддачі?
15. Як формулюються перша, друга і третя теореми подібнос-ті?
16. Що таке число подібності?
17. Які числа подібності використовують при вивченні стаціо-нарної тепловіддачі?
18. Чому в рівнянні подібності для природної конвекції, відсутнє число Рейнольдса?
19. Запишіть рівняння Ньютона-Ріхмана для тепловіддачі?
20. Які вимірювальні прилади входять в установку і для чого вони використовуються?
21. Який елемент установки використовується для регулю-вання теплового потоку?
22. За якою формулою визначається тепловий потік, що передається від електронагрівника до труби?
23. За якою формулою визначаються максимально можливі відносні похибки прямих вимірів?
Лабораторна робота № 9
Визначення коефіцієнта теплопровідності методом “труби”
Мета і задачі роботи
Метою роботи є експериментальне визначення коефіцієнта теплопровідності твердого матеріалу методом циліндричного шару (труби).
Задачі:
- засвоєння основних понять і залежностей теорії теплопровідності;
- вивчення призначення основних елементів дослідної установки і методики проведення експерименту;
- набуття навиків обробки дослідних даних і оцінки похибки вимірювання.
Теоретичні положення
Теплообмін - незворотний процес перенесення теплоти в просторі з неоднорідним полем температури.
Розрізняють три елементарних способи (механізми) перенесення теплоти: теплопровідність, конвекція, випромінювання.
Теплопровідність - процес перенесення теплоти на молекулярному рівні, тобто методом енергетичної взаємодії між мікрочастинками (молекулами, атомами, електронами).
В найчистішому вигляді теплопровідність спостерігається в твердих суцільних тілах і тонких нерухомих шарах рідини чи газу. В твердих тілах теплообмін здійснюється внаслідок ударів між молекулами і дифузії вільних електронів, а також завдяки пружним коливанням кристалічної решітки.
В рідинах теплопровідність здійснюється шляхом пружних коливань молекул, а в газах - в результаті зіткнень окремих молекул газу і обміну кінетичною енергією.
Полем температури (температурним полем) називається сукупність миттєвих значень температури в усіх точках виділеного для вивчення простору.
Якщо поле температури не зміняється в часі, то воно називається стаціонарним.
Сукупність точок простору з однаковою температурою називається ізотермічною поверхнею. В неоднорідному полі температури є нескінчена кількість ізотермічних поверхонь, які являють собою або замкнуті поверхні, або поверхні, що закінчуються на границях виділеного простору.
Ізотермічні поверхні не доторкаються і не перетинаються, вздовж них перенесення теплоти не здійснюється.
Градієнтом температури називається вектор направлений по нормалі до ізотермічної поверхні в бік збільшення темпера-тури і чисельно рівний частковій похідній від температури за цим напрямом, тобто:
, (8.1)
де 
- одиничний вектор нормалі.
Тепловим потоком називається кількість теплоти, що переноситься за одиницю часу через довільну поверхню F, тобто:
, (8.2)
де Q - тепловий потік, Вт; Qt - кількість теплоти, Дж; t - час переносу теплоти, с.
Тепловий потік через одиницю площі поверхні називається густиною теплового потоку або питомим тепловим потоком:
. (8.3)
Основним законом теплопровідності є рівняння, запропоноване французьким вченим Біо, і сформульоване в сучасному вигляді Фур’є. Рівняння встановлює прямопропорційну залежність між густиною теплового потоку і температурним градієнтом:
q=-lÑt, (8.4)
де q - густина теплового потоку через ізотермічну поверхню, Вт/м2; l - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м×К); Ñt - градієнт температури, К/м.
Коефіцієнт теплопровідності характеризує здатність тіл проводити теплоту, і є їх теплофізичною характеристикою.
Чисельно коефіцієнт теплопровідності рівний густині теплового потоку при градієнті температур 1 К/м.
Коефіцієнт теплопровідності залежить від температури і для металів та сплавів знаходиться в межах 2-458 Вт/(м×К), для будівельних і теплоізоляційних матеріалів - від 0,02 до 3 Вт/(м×К), для рідин - від 0,07 до 0,7 Вт/(м×К), для газів - від 0,006 до 0,6 Вт/(м×К).
Коефіцієнт теплопровідності чистих металів (за винятком алюмінію) із зростанням температури зменшується, а для теплоізоляційних і будівельних матеріалів зростає. Для більшості рідин коефіцієнт теплопровідності зменшується при зростанні температури. Виняток становлять вода і гліцерин. У газів l при підвищенні температури зростає.
Слід зазначити, що домішки різко знижують коефіцієнт теплопровідності металів. Коефіцієнт теплопровідності пористих тіл залежить від їх пористості і вологості. З ростом вологості пористого матеріалу коефіцієнт теплопровідності збільшується. Збільшення пористості матеріалу супроводжується зниженням коефіцієнта теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності газової суміші не є адитивною величиною, тому його потрібно визначати дослідним шляхом.
Таким чином, в загальному випадку коефіцієнт теплопровідності у різних тіл різний і залежить від їх структури, температури, наявності домішок, густини, вологості, тиску і т.д.
Запропоновані різними авторами формули для визначення коефіцієнта теплопровідності газів забезпечують точність 
5% і потребують знання інших теплофізичних характеристик, таких як динамічний коефіцієнт в’язкості, ізобарна теплоємність, і т.д. Значні труднощі викликає аналітичне визначення коефіцієнта теплопровідності для ізоляційних і будівельних матеріалів, гірських порід і т.д.
Тому отримання надійних даних про коефіцієнт теплопровідності таких матеріалів потребує проведення експерименту.
Більшість використовуваних методів дослідного визначення коефіцієнта теплопровідності побудоване на закономірностях протікання процесів при стаціонарному режимі. До них належать: метод труби, плити, кулі та нагрітої нитки для визначення коефіцієнта теплопровідності рідин і газів.
Суть методу труби полягає в тому, що на металеву трубу ззовні накладають циліндричний шар досліджуваного матеріалу, а в середині розміщують нагрівник. При стаціонарному режимі вся теплота, що виділяється нагрівником проходить послідовно через бокову поверхню труби і шар досліджуваного матеріалу та передається в навколишнє середовище.