МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“ КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ “

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

З КУРСІВ “ТЕПЛОМАСООБМІН” ТА “ТЕПЛОПЕРЕДАЧА”

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИЧНОГО ФАКУЛЬТЕТУ

РОБОТА № 1-1

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ СИПУЧИХ

МАТЕРІАЛІВ МЕТОДОМ КУЛІ

КИЇВ НТУУ “КПІ“ 2011

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Відповідно до навчальних планів із курсів “Тепломасообмін” та “Теплопередача” для студентів теплоенергетичного факультету передбачено виконання лабораторних робіт, метою яких є поглиблення знань та закріплення на практиці навчального матеріалу з основних розділів курсів, які вивчаються.

До виконання лабораторних робіт можуть бути допущені студенти, які проробили відповідні розділи підручника, або конспекта лекцій, підготували протокол роботи, ознайомилися із лабораторним стендом та пройшли інструктаж з техніки безпеки. Розпочинати роботу дозволяє викладач або лаборант після перевірки знань студентів. Забороняється порушувати послідовність технологічних операцій при виконанні роботи та проводити непередбачені перемикання на стенді.

Після виконання лабораторної роботи експериментальний стенд має бути вимкнений, а результати дослідів показані викладачеві для перевірки. Звіт про виконану лабораторну роботу повинен включати схему експериментального стенда, його опис, методику виконання і обробку результатів дослідів, розрахунок або оцінку похибок визначення досліджуваної величини, а також стислий висновок.

1. Постановка завдання

Метою лабораторної роботи є поглиблення знань з теорїї теплопровідності, дослідне визначення коефіцієнта теплопровідності сипучих матеріалів, набуття навичок у проведенні експериментальних досліджень, оцінка похибок експерименту.

У результаті проведення роботи повинні бути засвоєні: зміст основного закону теплопровідності, фізична суть процесу теплопровідності, методика застосування основних розрахункових співвідношень, закріплені поняття про коефіцієнт теплопровідності та термічний опір.

При виконанні лабораторної роботи необхідно:

1. Знайти значення термічного опору сферичної стінки та коефіцієнта теплопровідності досліджуваного матеріалу.

2. Визначити, як змінюється значення коефіцієнта теплопровідності матеріалу в залежності від його температури.

3. Скласти звіт про виконану роботу.

До роботи слід приступати після ознайомлення із запропонованою інструкцією та літературними джерелами [1-4].

2. Теоретичні відомості

Основний закон теплопровідності базується на гіпотезі про пропорційність теплового потоку температурному градієнту. Цю гіпотезу запропонував Ж.Фур`є у 1822 році. Відповідно до цієї гіпотези закон формулюється так: кількість теплоти , що проходить через елемент ізотермічної поверхні за проміжок часу , прямо пропорційна температурному градієнту grad , Дж:

grad , (1)

де - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м .⁰С).

Коефіцієнт теплопровідності це фізичний параметр, що характеризує здатність даної речовини до переносу тепла теплопровідністю. Він показує кількість теплоти, що переноситься теплопровідністю за одиницю часу через одиницю ізотермічної теплообмінної поверхні при одиничному температурному градієнті.

Для різних матеріалів коефіцієнт теплопровідності різний і для кожного із них він залежить від структури, об`ємної ваги, вологи, і температури. Значення цього коефіцієнта визначається із досліду.

Одним із методів експериментального визначення коефіцієнта теплопровідності сипучих матеріалів є так званий метод кулі. При цьому використовується прилад, у якому досліджуваний матеріал заповнює простір між двома порожнистими концентричними сферичними поверхнями, тобто досліджуваній речовині надається форма сферичного пласту.

Відповідно до процесу стаціонарної теплопровідності в одношаровій сферичній стінці для одномірного температурного поля рівняння (1) приймає вигляд, Вт:

(2)

де t_C1 , t_C2 - температури внутрішньої та зовнішньої поверхонь сферичного пласту матеріалу, ⁰С;

Q - тепловий потік через сферичну стінку, Вт;

R_l - повний термічний опір сферичної стінки, ⁰С/Вт:

, (3)

де d₁, d₂ - діаметри відповідно внутрішньої та зовнішньої поверхонь, м.

Повний термічний опір показує температурний перепад у стінці при одиничному тепловому потоці.

Якщо виміряти t_C1, t_C2, d₁, d₂ та визначити Q, то на підставі рівнянь (2) і (3) можна розрахувати коефіцієнт теплопровідності.

3. Опис дослідної установки

Основу експериментальної установки складає дослідна дільниця, яка виконується із двох мідних тонкостінних куль 1 та 2 (див. рисунок). Зовнішня куля підвішена за допомогою двох кернів. Усередині цієї кулі відцентрована інша. Зовнішній діаметр внутрішньої кулі дорівнює d₁=110 мм. Внутрішній діаметр зовнішньої кулі дорівнює d₂=200 мм. Простір між двома концентричними кульовими поверхнями заповнено досліджуваним сипучим матеріалом.

Усередині внутрішньої кулі розташований електричний нагрівник (поз.3). Регулювання потужності нагрівника здійснюється за допомогою регулятора (поз.4). Визначення споживаючої потужності нагрівника W_е виконується перемноженням показань електричного струму І та напруги U, які висвічуються на цифровому комбінованому приладі Щ 4313 (поз.5) блока нагрівання (поз.6).

Для вимірювання температури досліджуваного матеріала використовуються чотири мідь-константанові термопари t-1, t-2, t-3 i t-4 (поз.7), які закладені попарно на поверхнях зовнішньої (поз.1) та внутрішньої (поз.2) куль. Кожна термопара має свій холодний спай. Холодні спаї термопар розміщені в судині Д`юара із танучою кригою t_X.C. = 0 ⁰С, або винесені на спеціальну компенсаційну плату, яка моделює електрорушійну силу відповідно до умов t_X.C. = 0 ⁰С.

Температура, що вимірюється термопарами надається одразу в градусах Цельсія переносним цифровим приладом (поз.9) із вмонтованим у нього кнопковим перемикачем (поз.10). Дублювання показань вимірювання температури в ⁰С може здійснюватись за умови перекомутації термопар на стрілковий прилад із багатопозиційним перемикачем, які розташовані безпосередньо на стенді у блоці температур БТ00 (поз.11).

4. ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДІВ

4.1. ЗОВНІШНІЙ ОГЛЯД УСТАНОВКИ

Після вивчення теоретичних відомостей перед початком роботи необхідно оглянути експериментальну установку. На ній не повинно бути ушкоджень, тріщин та сколення на ручках керування та склі приладів. Необхідно перевірити заземлення. Органи керування повинні знаходитися у вихідних позиціях. У разі використання судини Д`юара необхідно перевірити наявність в ній криги.

4.2. ПОРЯДОК ВМИКАННЯ УСТАНОВКИ

4.2.1. Перевірити вихідні позиції складових частин.

4.2.2. Увімкнути вимикач панелі керування (поз.12). Повинна засвітитися сигнальна лампа “МЕРЕЖА” (поз.13).

4.2.3. Увімкнути тумблер “ЖИВЛЕННЯ” блока нагрівання.

4.2.4. Увімкнути прилад вимірювання температур.

4.3. ОПЕРАЦІЇ ПРИ РОБОТІ З УСТАНОВКОЮ

Встановлюється потужність нагрівання. Для цього за допомогою регулятора напруги (поз.4) встановлюється напруга в рекомендованому діапазоні 15 - 45 В. Відлік проводиться за шкалою комбінованого приладу Щ 4313. При цьому електричний струм встановлюється автоматично в залежності від напруги і його показання визначаються за показаннями того ж приладу.

При роботі цього приладу повинні бути ввімкнені кнопки “ЖИВЛЕННЯ” та “» НАПРУГА”. Для вимірювання напруги тумблер “J-U СТРУМ - НАПРУГА” повинен бути переведеним у положення “U - НАПРУГА”, а також повинні бути ввімкнені кнопки “U - ВОЛЬТИ” та “ДІАПАЗОН - 200”. Для вимірювання струму тумблер “J-U СТРУМ-НАПРУГА” слід перевести у положення “J - СТРУМ”, а також повинні бути ввімкнені кнопки “mА - МІЛІАМПЕРИ” та “ДІАПАЗОН- 2000”.

Після встановлення за напругою та струмом певного режиму дослідження далі для спостереження слід обрати одну із термопар, встановлених на поверхні внутрішньої кулі. Режим може вважатися стаціонарним, якщо із плином часу показання приладу вимірювання температури перестають відрізнятися одне від одного. Із досягненням сталого теплового режиму слід провести вимірювання показань усіх термопар, напруги та струму, і занести їх до таблиці.

Новий тепловий режим встановлюється зміною напруги і, тим самим, потужності нагрівника. Дослід проводиться для п`яти-семи режимів. Усі показання приладів заносяться до таблиці.