Іі Дослідження процесів теплообміну на фізичних моделях

Лабораторна робота №1

Визначення коефіцієнта теплопровідності матеріалу методом циліндричного шару

Мета: Скласти методику виконання експериментів, визначити коефіцієнт теплопровідності ізоляційного матеріалу та його залежність від температури.

Експериментальна установка складається із сталевої труби 1 довжиною  м, і зовнішнім діаметром d_зн, мм. Всередині труби розташований електронагрівник 2, потужність якого регулюється регулятором 3 і контролюється амперметром 4 і вольтметром 5. З торців труба закрита ізоляційними заглушками 6. Температура поверхні труби (стінки) в різних точках по довжині і периметру вимірюється термопарами 7, які через перемикач 8 підключені до потенціометра 9. На зовнішню стінку труби покладений шар теплоізоляції завтовшки , мм. Температура зовнішнього шару ізоляції (external layer of isolation) t_i вимірюється за допомогою термопар 10, які закріплені в різних точках по довжині і периметру ізоляції. (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Принципова схема дослідної установки

Досліди здійснюються в такій послідовності. Лаборантом або викладачем вмикається електронагрівник, установлюється повна потужність (complete power) за показаннями приладів 4 i 5. Стрілку перемикача переводять на риску першої з термопар 7, яка вимірює температуру стінки труби (внутрішню температуру теплової ізоляції).

Далі слідкують за показаннями потенціометра (potentiometer) 9 з метою визначення усталеного режиму, який досягається тоді, коли показання потенціометра залишаються незмінними протягом деякого часу. Всі вимірювання здійснюють тільки для усталеного режиму і записують в журнал спостережень.

Досліди виконують для різних навантажень нагрівника (температурних режимів).

Таблиця 1.1 – Журнал спостережень

№ спостер.	Показання електро-приладів		Показання внутрішніх термопар, мВ				Середнє значення, мВ	Показання зовнішніх термопар, мВ				Середнє значення, мВ
	І, А	U, В	1	2	3	4		1	2	3	4
1
2
3

Обробка результатів

Показання однойменних термопар (thermocouples) 7 і 10 усереднюються. За допомогою градуювальної кривої або за формулою (1.1) визначаються температури на поверхнях ізоляції:

t_x = (ЕРС/ 0,04) + t_н.с, (1.1)

де t_зов, t_вн, – температури зовнішньої та внутрішньої стінки ізоляції, відповідно, °С;

ЕРС – значення термоелектрорушійної сили термопари хромель-константан, мВ.

Визначається різниця температур t = t_вн – t_зов. Далі визначають тепловий потік за формулою:

q_l = UI/ , (1.2)

де  - довжина труби, м;

U – напруга, В;

І – електричний струм, А.

Коефіцієнт теплопровідності шару ізоляції  визначають, використовуючи формулу:

 = [ q_l ln(d_зов/d_вн)]/ [2(t_вн-t_зов)] , (1.3)

де d_зов =43 мм, d_вн = 33 мм – внутрішній та зовнішній діаметри ізоляції, відповідно.

Обчислення здійснюють окремо для кожного досліду. Отримані результати порівнюють із довідковими (дод. В) і визначають похибку експерименту.

За результатами дослідів будують залежність : _і=f(t_ср), де t_ср – середня температура шару ізоляції. Оскільки більшість матеріалів, які застосовуються в техніці, можна практично вважати ізотропними, то залежність _і=f(t_i), можна вважати лінійною.

Після закінчення розрахунків і побудови графіка роблять висновки.

Зміст звіту

1. Схема установки.

2. Звітна таблиця.

3. Розрахунок.

4. Графічна інтерпретація розрахунків.

5. Висновки.

Контрольні запитання

1. В чому полягає фізична суть процесу теплопровідності ?

2. Що характеризує температурний градієнт?

3. Що розуміють під одновимірним тепловим потоком?

4. Що таке термічний опір і як його визначати для циліндричних поверхонь?

5. За яким законом змінюється температура в циліндричних поверхнях за умови =const?

6. Яку поверхню називають ізотермічною?

7. Як визначити питомий тепловий потік теплопровідності ?

8. Як змінюється температура в циліндричній багатошаровій стінці?

9. Які ви знаєте типи температурних полів?

10. В яких випадках замість формул для теплопровідності через циліндричні стінки можна застосовувати формули для плоских?

11. Як змінюється температура в плоскій багатошаровій стінці?

12. Запишіть розмірності повного, лінійного і питомого теплових потоків.

13. Які особливості питомого теплового потоку через циліндричну стінку?

14. Що таке термічний опір і як його визначати для плоских поверхонь?

Лабораторна робота №2