Дослідження неусталеного теплового режиму для граничних умов першого роду.

Мета: експериментально дослідити поле температур під час нагрівання тіла зі сталою температурою на поверхні.

Реалізація певних граничних умов в експериментах з неусталеним (unwithstand) режимом досить утруднена. Однак в разі забезпечення певних умов зовнішнього теплообміну та підбору матеріалу теплообмінної поверхні з певними властивостями з достатньою для практики точністю можна забезпечити виконання граничних умов того чи іншого роду.

Нехай поверхня f з температурою t_f і теплопровідністю перебуває в контакті з середовищем, температура якого . Відповідно до закону збереження енергії конвективний тепловий потік має дорівнювати кондуктивному, тобто

, (11.1)

Якщо ввести якусь безрозмірну координату , де - характерний розмір поверхні, формула (9.1) перетворюється:

; (11.2)

де – критерій Біо.

Для , тобто . На практиці забезпечити умову можна лише при дуже малих значеннях . Досліди показують, що при і реалізації умови практично .

Принципова схема дослідної установки показана на рис. 11.1. Вона складається з посудини 1, в яку залите масло і поміщено тіло (зразок) 2 з низьким коефіцієнтом теплопровідності. В зразку від центра до периферії (зовнішньої поверхні) просвердлені канавки, в які вмонтовані термопари 3 для вимірювань температур по товщині зразка. Термопари через перемикач 4 підключені до потенціометра 5. В нижній частині посудини розміщено електронагрівник 6, навантаження якого регулюється регулятором 7 і контролюється електроприладами 8 і 9. Зверху посудина 1 закрита кришкою 10.

Досліди виконують в такому порядку. Знімають кришку 10 із закріпленим до неї зразком. Вмикають електронагрівник і, регулюючи струм трансформатором 7, досягають режиму повільного кипіння. Після цього посудину 1 із зразком 2 закривають кришкою 10, вмикають секундомір, щоб записувати показання термопари за певні проміжки часу. Покази заносять у журнал спостережень (табл. 11.1). Спочатку вимірювання здійснюють через кожні 15 – 20 с. Після третьої хвилини їх можна записувати з інтервалом 1 хв., а після 10 хвилин – з інтервалом 3 – 5 хв. Дослід триває 30 – 40 хвилин.

Результати дослідів заносять в журнал спостережень.

Рисунок 11.1 – Схема дослідної установки

Обробка результатів

За даними вимірювань будують залежності t=t(η), t₀=f(τ) і (рис. 11.2). Тут =х/R - безрозмірна координата відстані від центра тіла. Далі обчислюють значення критерію Фур’є

, (11.3)

де С – теплоємність зразка, кДж/(кгК);

R – радіус зразка, м,

 - час, с.

і безрозмірну різницю температур

, (11.4)

де t, t₀, t_f – температура поточна, в центрі тіла і на його поверхні, відповідно.

Будують залежність за допомогою якої визначають значення функції для обчислення поточної температури

. (11.5)

Таблиця 11.1 – Журнал спостережень

Час, хв	Температури t, С для різних 				Різниця температур
	η = 0; t = t0	η1 = 0,25; t = t1	Η2 = 0,5; t = t2	η = 1; t = tf
0 0,2 0,4 0,6 1 3 5 10 15 20 25 30 40

Рисунок 11.2 – Розподіл температури в перерізі зразка

Контрольні запитання.

1. Що розуміють під коефіцієнтом температуропровідності?

2. Як записуються рівняння нестаціонарної теплопровідності?

3. Коли забезпечуються граничні умови 1 роду?

4. Яка фізична суть критеріїв Ві та Fо?

5. Що розуміють під нерегулярним і регулярним режимом нагрівання?

6. Що таке темп охолодження (нагрівання)?

7. Для чого використовують теорію регулярного теплового режиму?

Лабораторна робота №12