3.2 Опис експериментальної установки

Об'єкт дослідження - лабораторна камерна електрична піч опору СНОЛ.

Технічні характеристики печі

СНОЛ-1,62,2,5 1/11-М1У4.2

Номінальна потужність, кВт ………………………………… 3

Напруга живильної мережі, В ..…………………………… 380

Номінальна робоча температура, С ...…………………... 1100

Діапазон автоматичного регулювання, С ............. (200...1100)

Дані про розміри печі наведені в додатку.

Діаметр зразка – 45 мм. Радіус зразка, що нагрівається, R = 0,0225 м.

Схема експериментальної установки показана на малюнку 3.1. Муфельна електрична піч 1 з нагрівальними елементами опору у виді спіралей 8, які покладені у пази муфеля 3 з його внутрішньої сторони, має терморегулятор 2, що забезпечує автоматичне регулювання температури в діапазоні (200…1100)С. Муфель 3 печі виготовлений з вогнетривкого матеріалу - кордеірита. Між муфелем і металевим кожухом 5 знаходиться набивання з високоглиноземної вати 4. У задній стінці муфеля встановлена платино-платинородієва термопара 7, яка підключена до мілівольтметра 18. Температурне поле футерівки печі і повітряного прошарку вимірюють за допомогою хромель-копелєвих термопар, гарячі спаї яких розташовані так: на зовнішній поверхні печі - 6, 9; на зовнішній поверхні дверцят - 12; на внутрішній поверхні печі - 13; повітряного прошарку - 17. Термопари через перемикач 11 приєднані до потенціометра 10 типу КСП-2. Дослідний зразок циліндричної форми 16 завантажується в піч через отвір у дверцятах печі. Температуру поверхні і центра зразка вимірюють за допомогою підключених до потенціометра хромель-копелєвих термопар 14, 15. Для виміру споживаною піччю електричної енергії встановлений електролічильник 19.

Малюнок 3.1 – Схема експериментальної установки

3.3 Порядок виконання роботи

Піч потрібно розігріти до температури (400…600)С і завантажити в неї зразок із вмонтованими в нього термопарами. Час відраховувати з моменту завантаження зразка в піч. До цього моменту зафіксувати вихідний стан зразку. Температуру поверхні (крапка 1) і центру (крапка 2) зразка та температуру печі потрібно вимірювати щохвилини протягом 20 - 30 хв., поки різниця температур між поверхнею і центром не досягне (15...20)С.

Дані вимірів належить занести в таблицю 3.1.

Таблиця 3.1 - Дані вимірів

Час , хв.	Температура печі tпеч, С	Температура зразка, С
		Поверхня - tп. (крапка 1)	Центр - tц (крапка 2)	Різниця t=tп.- tц
0
1
2 і т.ін.

3.4 Обробка результатів експериментальних даних

За даними таблиці 3.1 будують температурну діаграму нагрівання: графіки нагрівання в координатах температура - час (графіки температури печі, температури поверхні і температури центру зразка). Тут же будують графік перепаду температур t = t_п.- t_ц. При виконанні розрахунків за температуру печі приймають середнє значення її протягом усього періоду нагрівання.

Приймаємо для даних умов приведений коефіцієнт випромінювання в печі С_печ= 4,0 Вт/(м²К⁴).

3.4.1 Розрахунок тривалості нагрівання по графіках

Розрахунок виконують у інтервалі часу, який зазначається викладачем для кожного студента. Тривалість цього інтервалу в секундах приймають за експериментальний час нагрівання зразка і заносять в порівняльну таблицю 3.2.

3.4.1.1 Розрахунок теплових потоків.

Теплові потоки на поверхню зразка на початку q_н і в кінці q_к інтервалу часу, який був зазначений викладачем, Вт/м²:

(3,5)

де С_печ - приведений коефіцієнт випромінювання печі, С_печ = 4,0 Вт/(м²К⁴),

Т_печ, Т_п – абсолютна температура печі і поверхні зразка відповідно на початку і в кінці інтервалу часу, К. (Увага! Т_і = t_і + 273).

3.4.1.2 Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі.

Коефіцієнти тепловіддачі на початку _н і кінці _к інтервалу часу визначають по знайдених теплових потоках q_н і q_к, Вт/(м²К):

та ^(3.6)

За приведеною методикою розраховують q і  додатково мінімум в трьох крапках усередині зазначеного інтервалу часу. За даними розрахунків q_і і _і будують графіки залежності від часу теплового потоку q=f() і коефіцієнта тепловіддачі =f() . Графік q=f() називається тепловою діаграмою.

Середній коефіцієнт тепловіддачі на ділянці часу, Вт/(м²К):

^{. (3.7)}

3.4.1.3 Розрахунок середніх температур по перетині зразка.

Середні температури на початку і кінці ділянки, С:

^{. (3.8)}

3.4.1.4 Розрахунок коефіцієнта теплопровідності.

Коефіцієнти теплопровідності шамотного зразка на початку _н і кінці _к ділянки часу, що відповідають середнім температурам і , можуть бути визначені по формулі, Вт/(мК):

. (3.9)

3.4.1.5 Середній на ділянці часу коефіцієнт теплопровідності зразка, Вт/(мК):

^{. (3.10)}

3.4.1.6 Середня на ділянці часу питома теплоємність зразка, кДж/(кгК):

, (3.11)

де і_к, і_н – тепломісткість (ентальпія) зразка, що відповідає температурам і , кДж/кг, (визначають по додатку Г);

_, - середня початкова і кінцева температура зразка,С.

3.4.1.7 Коефіцієнт температуропроводності a шамотного зразка, м²/с:

(3.12)

де - середній коефіцієнт теплопровідності зразка, Вт/(мК);

с - середня питома теплоємність зразка, кДж/(кгК);

- щільність шамоту,  = 1900 кг/м³.

3.4.1.8 Критерій Біо визначається за формулою:

, (3.13)

де - середній на ділянці часу коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²К);

- середній на ділянці часу коефіцієнт теплопровідності зразка, Вт/(мК);

R – радіус зразка, м.

Радіус зразка, що нагрівається, складає R = 0,0225 м.

3.4.1.9 Температурний критерій поверхні _п :

(3.14)

де t_печ - середня температура печі за період нагрівання, С;

t_п.к. - температура поверхні зразка наприкінці заданої ділянки часу, С;

- середня температура зразка на початку ділянки, С.

3.4.1.10 Знаючи критерій Біо і температурний критерій поверхні _п за графіком (додаток Д ) визначають значення критерія Фур'є, Fo.

3.4.1.11 Час нагрівання визначають із критерію Фур'є Fo:

,

тобто

, (3.15)

де R – радіус циліндра, R=0,0225 м;

а – коефіцієнт температуропроводності шамотного зразка, м²/с.

Тривалість нагрівання , яка визначена по графіках, заносять у порівняльну таблицю 3.2.

3.4.2 Визначення тривалості нагрівання по методу теплової діаграми

3.4.2.1 Середній тепловий потік на виділеній ділянці часу, Вт/м²:

^(3.16)

3.4.2.2 Збільшення тепломісткості зразка на ділянці часу складає, кДж/кг:

^(3.17)

3.4.2.3 Тривалість нагрівання по тепловій діаграмі q=f(t), сек.:

^(3.18)

де R – радіус циліндра, R=0,0225 м;

- щільність шамоту,  = 1900 кг/м³;

К₁ - коефіцієнт форми тіла зразка, що нагрівається (для циліндра К₁ =2).

Отримані розрахункові й експериментальні значення тривалості нагрівання  заносять у порівняльну таблицю 3.2 і роблять висновки про точність методів.

Таблиця 3.2 - Час нагрівання зразка, сек.

Експериментальний час нагрівання, с	Розрахунковий час нагрівання, с
	по графіках	по тепловій діаграмі