Руководство по выполнению базовых экспериментов «теплотехника и термодинамика» ммтп
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа №1 3
Лабораторная работа №2 5
Лабораторная работа №3 10
Лабораторная работа №4 15
Лабораторная работа №5 20
Лабораторная работа №6 25
Лабораторная работа №7 32
Лабораторная работа №1
Исследование теплопроводности материалов методом пластины
ММТП 001
Цель работы:
Экспериментально определить коэффициент теплопроводности двух пластин (дюралевый, стальной). Построить графики зависимости коэффициентов теплопроводности от средней температуры.
Краткие теоретические сведения:
Методы стационарной теплопроводности основаны на свойствах стационарного температурного поля, описываемого законом Фурье (1) и дифференциальным уравнением (2).
(1)
где, Q, Вт- тепловой поток, количество тепла, проходящее через изотермическую поверхность, в единицу времени
α,Вт/(м·К)- коэффициент теплопроводности, количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу изотермической поверхности при наличии у этой поверхности единичного градиента температур
,
- градиент температуры, предел отношения
приращения температуры к расстоянию
между изотермическими поверхностями,
измеренному по нормали, при условии
смыкания указанных поверхностей.
Направлен в сторону возрастания
температуры, на что указывает знак «-»
в выражении(1).
F, m2 - площадь поверхности теплообмена, нормальная к распространению теплового потока.
,
x1=x,
x2=y,x3=z
(2)
Существующие методы стационарной теплопроводности основываются на частных случаях решения уравнения (2) при определенных условиях однозначности.
Например, для одномерного температурного поля плоского, цилиндрического, шарового слоев при граничных условиях первого рода теплопроводность можно определить из соотношения:
(3)
где, tcpl,tcp2, К - температуры наружной и внутренней поверхности слоя
К, 1/м - коэффициент формы исследуемого образца.
Уравнение (3) описывает распределение температуры в твердых телах, а так же в жидкостях и газах при отсутствии других (конвекция и тепловое излучение) способов переноса тепла.
Описание лабораторной установки:
Лабораторная установка состоит из теплоизолированного корпуса, внутри которого помещена исследуемая пластина, нагревателя, охладителя и набора термопар. Температура нагрева регулируется автотрансформатором. Значения температуры показывает вольтметр DP-6, а также дублируются на монитор ПК. Выбор термопар осуществляется при помощи переключателя.
Порядок выполнения эксперимента:
По указанию преподавателя включить питание стенда. Установить ручку галетного переключателя «Выбор установки» в положение «ММТП 001». После чего включится соответствующая экспериментальная установка, что просигнализирует горящий светодиод над установкой.
Установить напряжение на нагревателе, вращая ручку автотрансформатора «Регулятор напряжения». Через 5 минут после включения установки необходимо снять показания термопар, вращая ручку галетного переключателя S1 «Выбор термопар».
Повторить опыт, изменяя напряжение на нагревателе.
Сменить исследуемую пластину, повторить опыт.
Полученные данные внести в таблицу 1.
Табл. 1.
|
№ режима |
Напряжение нагрева, В |
Температура, °С | |||||||
|
Дюралевой пластины |
Металлической пластины | ||||||||
|
t1 |
t2 |
t3 |
t4 |
t1 |
t2 |
t3 |
t4 | ||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обработка результатов измерения:
Используя средние значения результатов измерений, подсчитать значения коэффициентов теплопроводности для исследованных режимов и разных пластин по формуле (4):
(4)
где, К = 0,1625 м-1 - коэффициент формы,
,Вт
- тепловой
поток от нагревателя.
R
=2
Ом,
QK, Bm - радиальные тепловые потери. Так как между исследуемой пластиной и корпусом находится теплоотражающий и теплоизолирующий материал, то QK » Q. Поэтому рекомендуется QK в расчетах не учитывать.
,
K
- средняя
температура образца со стороны
нагревателя,
,К - средняя
температура образца со стороны охладителя.
Формула (4) получена из соотношения (3) для плоского слоя применительно к рабочему участку.
Полученные значения теплопроводности следует относить к средней температуре исследуемого образца:
,
(5)
Определить значения
α для разных режимов и для каждого
образца, построить график зависимости
.