Teplo_Koval

Лабораторна робота № 6. "Визначення коефіцієнта теплопровідності сипучих матеріалів методом кулі."

Мета роботи: Робота призначена для є вивчення методики та набуття практичних навичок з експериментального дослідження залежності коефіцієнта теплопровідності сипучих матеріалів від температури методом кулі.

Основні теоретичні положення

Існують три основні види теплообміну: теплопровідність, конвекція, теплове випромінювання.

Теплопровідність – це процес розповсюдження теплоти мікрочастинками тіла при безпосередньому дотику тіл або частин одного тіла з різними температурами.

Явище теплопровідності, головним чином, має місце в твердих тілах, але може спостерігатися і в рідинах та газах тоді, коли в них не виникають конвективні течії. В газах теплота передасться за допомогою атомів та молекул, у твердих тілах і діелектриках – вільними електронами.

Врізних точках нерівномірно нагрітого тіла має місце своя температура. Сукупність всіх температур характеризує температурне поле тіла. Передача теплоти завжди здійснюється від частин тіла з вищою температурою до частин тіла з нижчою температурою і супроводжується зміною останньої, температура (Т) в просторі, залежно від координат x, y, z, а також у часі τ.

Взаписі T=f(х,у,z, ) ми маємо функцію, яка характеризує тривимірне нестаціонарне температурне поле.

Якщо температура є функцією координат і не залежить від часу:

то температурне поле є стаціонарним. У частинних випадках воно може бути відповідно двовимірним або одновимірним:

Якщо об'єднати всі точки тіла з однією температурою, то отримаємо поверхню, яка називається ізотермічною, а лінія перетину цієї поверхні з будь-якою площиною – ізотермою.

При переході від однієї ізотерми до іншої найбільша зміна температури спостерігається в напрямі нормалі до ізотерми. Границя відношення зміни

31

температури ∆T до відстані між ізотермами по нормалі ∆n, коли ∆n наближається до нуля, називається градієнтом температури:

Градієнт температури – це вектор, спрямований по нормалі до ізотермічної поверхні у напрямі зростання температури. Він характеризує інтенсивність зміни температури в указаному напрямі.

Основний закон теплопровідності (закон Фур’є) можна сформулювати так: кількість теплоти dQ, яка проходить через елементарну площину dF, розміщену на ізотермічній поверхні, за елементарний інтервал часу dτ, пропорційна температурному градієнту

де – коефіцієнт теплопровідності середовища.

Знак "мінус" у рівнянні (6.4) вказує на те, що тепловий потік та градієнт температури мають протилежні напрями: тепловий потік спрямований у бік зменшення температури, а grad T – у бік зростання.

Коефіцієнт теплопровідності характеризує фізичні властивості речовин і визначає кількість теплоти, яка проходить через одиницю ізотермічної поверхні за одиницю часу при умові, що градієнт температури дорівнює одиниці:

Різні за своїми фізичними властивостями речовини мають різні величини . Для металів λ = 20-418 Вт/(м К); рідин – λ = 0,06 -0,6 Вт/(м К); газів – λ = 0,005 - 0,5 Вт/(м К). Для повітря λ = 0,0244 Вт/(м К).

Коефіцієнт теплопровідності різних речовин залежить від структури, густини, температури, вологості тощо.

Для визначення коефіцієнта теплопровідності використовують різні експериментальні методи, які відповідно до форми досліджуваного матеріалу називаються – метод циліндра, метод плити, метод кулі.

В даній лабораторній роботі дослідження коефіцієнта теплопровідності залежно від температури проводиться методом кулі.

Порядок проведення досліду

На рис.6.1. зображено принципову схему експериментальної установки. Остання складається з двох концентрично розміщених куль 1 і 2 з діаметрами d1 = 100 мм та d2 = 140 мм. Простір між ними заповнений досліджуваним

32

матеріалом 3 (піском), коефіцієнт теплопровідності якого потрібно визначити.

Рис. 6.1 Схема експериментальної установки.

У внутрішній кулі розміщено електричний нагрівач 4. Для вимірювання внутрішньої T1 і зовнішньої T2 температур поверхні кульового шару піску встановлено відповідно по дві термопари T1 , T1 , T2 , T2 . Показання термопар вимірюються мілівольтметром, до якого вони по черзі підключаються багатополюсним перемикачем 6.

Тепловий потік, який проходить через шар піску від внутрішньої до зовнішньої кулі, визначається за показаннями амперметра та вольтметра.

1. Після ознайомлення з дослідною установкою і дозволу викладача остання вмикається в електричну мережу і за допомогою автотрансформатора встановлюється задана напруга. Через 20 хв. коли настане рівноважний стан, записують показання всіх приладів: амперметра, вольтметра та мілівольтметра в чотирьох положеннях відповідно до термопар T1 , T1 , T2 , T2 . Результати записують у таблицю 6.1.

33

2.Потім встановлюють другий режим, змінюючи напругу, яка подається на електричний нагрівач, і витримують 15-20 хв. до настання стаціонарного режиму. Після цього записують показання приладів у табл. 6.1. на другому режимі.

3.Дослід проводять при трьох-чотирьох режимах.

4.Розрахунок виконується для кожного режиму.

За показаннями мілівольтметра за допомогою таблиць або градуїровочних графіків, які відповідають встановленим термопарам, знаходять значення температур на поверхнях куль T1 , T1 , T2 , T2 .

5. Визначають середню температуру піску як середнє арифметичне показань усіх термопар:

де T1 – середня температура внутрішньої поверхні кульового шару, К; T2 – середня температура зовнішньої поверхні кульового шару, К.

Вплив теплопровідності стінок куль (які зроблено з металу - найчастіше з латуні) на теплопровідність досліджуваного матеріалу не враховують, оскільки теплопровідність металу значно перевищує теплопровідність піску.

6.Потужність нагрівача Q визначають за витратами електроенергії:

7.Визначають коефіцієнт теплопровідності λi для кожного досліду відносно середньої температури досліджуваного матеріалу (піску).

8. Будують у масштабі графічну залежність λi від середньої температури Tср. I = f (Tср).

Контрольні питання

1.Дати визначення поняттю температурне поле.

2.Дати визначення та навести математичний запис стаціонарного, нестаціонарного, одно-, дво-, тривимірного температурних полів.

3.Сформулювати та записати математичний вираз закону Фур'є.

4.Фізичний зміст та розмірність коефіцієнта теплопровідності.

5.Що таке тепловий потік, градієнт температури?

6.Пояснити механізм передачі теплоти через теплопровідність у газах, рідинах, металах, будівельних та ізоляційних матеріалах.

34

ЛІТЕРАТУРА:

1.Теплотехніка та використання теплоти в сільському господарстві / Драганов Б.Х. – М.:Агропромвидат, 1990, – 463 с.

2.Використання теплоти в сільському господарстві. 3-тє вид.перер. і доповнене/ Захаров А.А. М.Агропромвидат, 1986.

3.Основи теплотехніки / Ілюхін М.С., Сидоренко Ф.Т. М. Агропромвидат, 1987 Р–149 с.

4.Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980. – 468 с.

5.Ривкин С.Л., А.А. Александров Термодинамические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1980. – 423 с.

6.Александров А. А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник: рек. Гос. службой стандартных справочных данных. ГСССДР-776-98. - М.: Издательство МЭИ, 1999. -168 с.

35

ЗМІСТ

36