Дослідження процесу термообробки циліндричних тіл

Мета роботи – закріпити знання про нестаціонарну теплопровідність тіл під час їх термообробки, вивчити теоретичний метод розрахунку охолоджувальних пристроїв і експериментально перевірити розрахункові дані.

10.1. Основні теоретичні положення

Нестаціонарний процес теплопровідності можна описати залежністю . Це рівняння для тіл простої форми можна розв’язати з використанням граничних умов 3-го роду у вигляді залежності

, /10.1/

де – безрозмірна температура; – критерій Біо; – критерій Фур’є.

На практиці використовують проектний і перевірний розрахунки пристроїв термообробки. Проектний розрахунок полягає у визначенні нагрівання /охолодження/ у відомому середовищі виробу, розміри й форму якого задано, тоді як перевірний – у з’ясуванні можливості забезпечити нагрівання /охолодження/ виробу до потрібної температури

Процес термообробки виробів, які в промислових умовах формуються безперервно, можна імітувати в термостаті, вибравши зразки з такими розмірами, за яких можна знехтувати торцевий ефект, тобто вплив охолодження тіл з торців на радіальне охолодження.

10.2. Опис установки

Лабораторна установка складається з таких основних частин /рис. 10,1/: лабораторної термошафи 1 для нагрівання зразка до певної температури, електронного потенціометра 2 для вимірювання і запису температури зразка, термостата ТС-І5М /4/ для охолодження зразка і зразка з термопарою 3, вмонтованою в центрі його симетрії.

10.3. Порядок проведення" дослідів

Помістити зразок у термошафу і ввімкнути потенціометр. Нагріти зразок до заданої температури й помістити його до термостата з водою. Через кожні 30...60 с записувати покази температури. Після охолодження зразка до температури охолодного середовища вийняти його й вимкнути прилади. Результати експерименту внести до табл. 10.1.

Таблиця 10.1

Час охолодження, , хв
Температура зразка t, °С
температура сере-довища tр, °С

10.4. Порядок обробки результатів

1. Визначити безрозмірну температуру

, /10.2/

де – температура зразка відповідно кінцева, початкова і температура рідини в термостаті.

2. Визначити коефіцієнт α тепловіддачі від зразка до середовища, використовуючи рівняння вільної конвекції

, /10.3/

де – критерій Нуссельта, ; – визначальний розмір м; – критерій Грасгофа, ; – критерій Прандтля.

Теплофізичні характеристики середовища і критерій вибирають за визначальною температурою

, /10.4/

де

3. Визначити різницю температур в критерії Грасгофа

. /10.5/

Залежно від значення добутку вибирають числові значення коефіцієнтів і в /10.3/ і підраховують критерій .

4. Розрахувати коефіцієнт тепловіддачі

, /10.6/

5. Встановити критерій Біо

, /10.7/

де – радіус зразка, м; - теплопровідність матеріалу, з якого виготовлено зразок, визначають як середньо інтегральне значення з рис. Д.1.2 в інтервалі і , Вт/(м∙К).

6. За критерієм і з графічної залежності відшукати значення критерію Фур’є.

7. На основі одержаного критерію розрахувати час охолодження зразка:

, /10.8/

де – середньо інтегральне значення коефіцієнта температуропровідності в інтервалі і , яке визначають з рис. Д.1.3, і обчислити відносну похибку часу охолодження:

, /10.9/

де – дослідне значення часу охолодження.

10.5. Техніка безпеки

1. Перевірити ретельність заземлення термошафи й термостата.

2. Забезпечити надійність приєднання термопари до вимірювального кола.

3. Бути обережними під час електричних вимірювань.

4. Перевірити надійність ізоляції термопари від рідини.

5. По закінченні роботи знеструмити установку, вийняти зразок з термостата й прибрати робоче місце.

10.6. Контрольні запитання

1. Що називають нестаціонарним теплообміном?

2. Умови однозначності для розв'язання диференціального рівняння нестаціонарної теплопровідності.

3. Перелічіть умови однозначності.

4. Види розрахунків охолодних пристроїв. їхня суть.

5. Призначення електронного потенціометра.

6. Як виконати усереднення властивостей речовини в діапазоні температур?

7. Чому й коли можна нехтувати охолодженням виробу з торця?

8. Опис експериментальної установки.

9. Методика проведення експерименту.