Опис експериментальному установки 1 страница
КТУ
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Тепломасообмін» студентами спеціальності 6.092100 «Теплогазопостачння и вентиляція» всіх форм навчання / Склав А. М. Голишев, К. В. Лосьев. – Кривий Ріг, КТУ, 2008.
Укладачі: А. М. Лосьев, д. т. н. , проф.,
К. В. Лосьев, асистент
Відповідальний за випуск: П. В. Бересневич д. т. н., проф.
Рецензент: А. А. Малевич, к. т. н., доцент
Вступ
Методичні вказівки з виконання лабораторних робіт розроблені згідно робочої програми з дисципліни «Тепломасообмін»
Метою методичних вказівок є сприяти закріпленню теоретичних знань, які студенти отримали на лекціях , практичних заняттях, а також більш глибокому засвоюванні матеріалу по визначенню коефіцієнтів теплопровідності, тепловіддачі та інших що сприятиме набуттю навичок до виконання наукових досліджень.
Крім того, студенти повинні володіти теоретичним матеріалом з кінетики нагрівання тіла.
Готовністю студента до виконання лабораторної роботи є допуск викладача.
Після виконання роботи студент складає звіт згідно вимоги інструкції, яка передбачає – опрацювання дослідних даннх, змалювання схеми установки, приведення розрахунків, таблиць, графіків та висновок.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1
Порівняльний метод визначення теплопровідності
Мета роботи - визначити теплопровідність твердого тіла.
Прибори: установка (див. мал. 1.2), гальванометр, досліджувані зразки.
1. Короткі теоретичні відомості
Теплопровідність або здатність тіла проводити теплоту, залежить від природи речовини і його фізичних властивостей. Закон теплопровідності заснований на гіпотезі Фурье про пропорційність теплового потоку різниці температур на одиниці довжини шляху перенесення теплоти в одиницю часу:
(1.1)
де – теплопровідність;
- температурний градієнт.
Існуючі методи визначення теплопровідності можна розділити на дві групи: методи стаціонарного потоку теплоти і методи нестаціонарного потоку теплоти. У першій групі методів тепловий потік, що проходить через тіло або систему тіл, залишається постійним по величині і напряму. Температурне поле залишається постійним. У методах нестаціонарного режиму використовується змінне в часі температурне поле.
У справжній роботі використаний один з методів стаціонарного режиму. Температурний градієнт для плоскопаралельної пластини між двома поверхнями постійний:
(1.2)
де: 
і 
температура відповідно менш і більш
нагрітій поверхні пластини. Підставляючи 1.2 в I.I, знаходимо тепловий потік
(1.3)
звідки
(1.4)
З двох зразків (рис.1.1) для різних матеріалів тих, що знаходяться в тепловому зіткненні, вважаємо пластину П еталоном. Якщо нехтувати краєвим ефектом, то тепловий потік, що проходить через еталон і досліджуваний зразок, визначається по виразу
звідки
де: 
і - товщина відповідно пластин досліджуваного зразка і еталону, м
; 
- температура відповідно на поверхні еталону, на стику еталону із зразком і на поверхні зразка.
Якщо всі термопари однакові по їх попередньому градуюванню, то замість абсолютних температур можна поставити відповідні свідчення гальванометра п1, п2, п3. Тоді формула 1.6 приймає вигляд
(1.7)
2. Опис установки
Схематично установка показана на мал. 1,2.
Установка полягає:
1. Нагрівача
2. Холодильника
3. Досліджуваний зразок
4. Еталон
5. 
- джерела напруги
6. (П) - перемикача;
7. (Г) – гальванометра;
8. Сполучних приводів термопар (п1, п2, п3).
п1- виведення термопари між нагрівальним блоком (I) і
досліджуваним зразком (3);
п2- виведення термопари між досліджуваним зразком (3) і
еталоном (4);
п3- виведення термопари між еталоном (4) і холодильником (2).
3. Порядок виконання роботи
1. Включити струм для нагрівача (I).
2. Через 4-5 мін після прогрівання блоку зміряти температуру в точках I, II, III. Замість абсолютних температур, ,, знімають відповідні свідчення гальванометра п1, п2, п3
3. Дані заносять в табл. I.
4. По усереднених значеннях п1, п2, п3розраховують значення теплопровідності, формула 1.7.
5. Дані знімають при стаціонарному потоці.
Примітка.
Категорично забороняється розбирати установку і торкатися до
їй руками. Виниклі несправності усуваються лаборантом або
викладачем.
| № п/п | 
Вт/(  °С)
| п1, дел | п2, дел | п2, дел | 
Вт/( °С)
| 
Вт/( °С)
| 
Вт/( °С)
|  м
| 
м
|
| 85.5 | 7,64 | 9,96 |
6. Обчислюють середню квадратичну погрішність за формулою
7.Визначають межу довірчого інтервалу
де 
- коефіцієнт Стьюдента (при n=5; 
=0,9;
=2.13).
8. Записують остаточний результат у вигляді
9. Обчислюють відносну погрішність за формулою
10.Делайэт виводу! по результатах і дають пояснення в розбіжності експериментальних даних з табличними.
Лабораторна робота №2
Визначення коефіцієнта теплопровідності твердого матеріалу при стаціонарному теплообміні
1. Мета роботи
Поглиблення і закріплення знань студентів по теорії теплопровідності, вивчення методики експериментального визначення коефіцієнта теплопровідності твердого тіла і отримання навиків в проведенні експерименту.
В результаті роботи повинні бути засвоєні фізична суть процесу теплопровідності, зміст основного закону теплопровідності і його додаток до тіл простій геометричної форми, поняття про коефіцієнт теплопровідності і методи його визначення.
2. Основні теоретичні положення роботи
Теплопровідністю називають процес перенесення теплоти в тілах при безпосередньому зіткненні окремих елементарних частинок тіла і окремих тіл, що мали різні температури. Теплопровідність обумовлена тепловим рухом мікрочасток речовини.
У основі розрахунку процесу теплопровідності лежить закон Фурье, який встановлює, що тепловий потік виникає тільки за наявності температурного градієнта.
У аналітичній формі закон Фурье має вигляд, Вт/м2:
(1)
де величина 
називається коефіцієнтом теплопровідності і є фізичною характеристикою матеріалу, яка залежить, перш за все, від його природних фізичних властивостей. Знак "мінус" показує, що вектор щільності теплового потоку направлений в протилежну сторону вектора градієнта температури.
Значення коефіцієнта теплопровідності є кількість теплоти, яка проходить в одиницю часу через одиницю площі ізотермічної поверхні при температурному градієнті, рівному одиниці.
При розгляді теплопровідності плоскої однорідної стінки використовується розрахункова залежність
(2)
де 
- товщина стінки, м; Q - кількість теплоти, що проходить в одиницю часу через ізотермічну поверхню стена площею F (м2), тобто тепловий потік, Вт; tс1і tc2 - постійні температури на зовнішніх поверхнях стінки °С; q і - відповідають вищенаведеним величинам.
Для знаходження значення коефіцієнта теплопровідності експериментальним шляхом використовують вираз (2). Вирішуючи останнє щодо шуканої величини, отримують розрахункову формулу
Вт/ 
(3)
значення величин в правій частині якої визначають приладовий-інструментальними вимірюваннями в процесі конкретного досвіду.
3. Опис дослідної установки
Принцип роботи установки заснований на вимірюванні кількості теплоти Q, що пройшла через площу F досліджуваного зразка з товщиною стінки , вимірюванні різниці температур t на його поверхнях і подальшого обчислення коефіцієнта теплопровідності за формулою (3) при стаціонарному тепловому режимі.
Лабораторна установка вивчення теплопровідності матеріалів методом пластини складається з типового лабораторного столу (рис.1), на якому встановлені: елемент робочий, блок потужності, блок температури. У лівій стійці столу розташована панель реле, а в правій - панель роз'ємів. Знімна обшивка відкриває доступ до елементів, розташованих усередині стійкий і блоків.
Мал. 1. Загальний вид установки дослідження теплопровідності: 1 - блок потужності; 2 - стіл; 3 — елемент робочий; 4 - блок температури.
Елемент робочий (рис.2) складається з: плоскою нагрівача 1, двох круглих досліджуваних пластин 3, двох холодильників 4, прилеглих до пластин 3, теплоізоляційного кожуха 5 і 9-ти термопар, розташованих на поверхнях пластинчастих зразків TI-T6 і в теплозахисному кожусі (Т7-Т9). Нагрівач 1, зразки 3 і холодильники 4 мають однаковий діаметр d- 140мм Всі вони щільно притиснуті один до одного стяжними болтами. Цим досягається хороший тепловий контакт між всіма дотичними поверхнями і забезпечується постійність температури по всій площині зіткнення
Мал. 2. Схема елементу робочого:
1 - корпус нагрівача;
2 - нагрівальний елемент;
3 - досвідчена пластина;
4 - холодильник;
5 - кожух теплозахисний;
T1, Т2 ... Т9 — термопари:
6 - патрубок водопровідний.
Холодильники є порожнисті усередині циліндри (з направляючими лопатями), в які подається вода з водопровідної мережі з подальшим скиданням її в каналізацію.
Теплоізоляційний кожух 5 дозволяє звести до нехтує малого значення радіального перенесення теплоти як від нагрівача в навколишнє середовище, так і в досліджуваних зразках. Таким чином, з допустимою для практики погрішністю, можна вважати, що вся кількість теплоти від електронагрівача 1 передається холодильникам 4. При цьому, враховуючи симетричність розміщення зразків і холодильників по відношенню до нагрівача, через кожен зразок передається половина загального потоку теплоти від нагрівача, що має потужність N.
У блоці потужності змонтовані: автотрансформатор завдання напруги, що подається на електронагрівач; прилад (комбінований цифровий Щ4313) вимірювання цієї напруги і сили струму, кнопки управління і сигнальні лампочки.
У блоці температури змонтовані: прилад (мілівольтметр пирометрический МВУ6-41С), що вимірює температуру з блоком компенсації температури холодних спаїв термопар, а також перемикач термопар.
Електричні зв'язки між складовими частинами установки здійснюються монтажними джгутами через роз'єми і сполучні колодки.
Принципіальна схема установки в цілому приведена на рис.3
Мал. 3. Принципова схема експериментальної установки:
1 - електронагрівач; 2 - досліджувані пластини;3 - холодильники; 4 - робочий спай термопари; 5 - міліамперметр; 6 - вольтметр; 7 - лабораторний автотрансформатор; 8 - кнопка виключення; 9 - кнопка включення; 10 - вентиль; 11 - перемикач термопар; 12 - вмикач; 13 - компенсатор температури вільних (холодильних) спаїв термопар; 14- мілівольтметр.
4. Порядок виконанні роботи
1. Перед початком лабораторної роботи слід ретельно вивчити теоретичні основи, ознайомитися з пристроєм установки, вимірювальними приладами, а також переконатися в справності заземлення установки і відсутності пошкоджень на приладах і ручках управління.
2. Встановити органи управління на стійках столу, блоку потужності і температури в початкове положення. Включення і виключення електричного живлення, відкриття і закриття вентиля подачі води в елемент робочий і вимірювання досвідчених даних повинні бути узгоджені з викладачем-керівником робіт або лаборантом, обслуговуючим цей стенд.
3. Порядок включення установки:
1) автоматичний вимикач на лівій стійці перевести у верхнє положення - спалахує сигнальна лампа "Мережа";
2) на блоці потужності перемикачі встановити: РЕЖ.ИЗМ. у положення " U ", диапазон- "50", режим - "В" і включити кнопку цифрової індикації;
3) на блоці температури перемикач КОНТРОЛЬ КРАПОК (термопар) встановити в положення "О";
4) відкрити вентиль подачі води в елемент робочий;
5) на блоці потужності: включити кнопку "НАГРІВ" - спалахує сигнальна лампа, повертаючи ручку автотрансформатора (управо) встановити необхідну напругу нагріву, контролюючи його по цифровому приладу; випробування зразків повинне бути проведене при 3-5 напрузі (режимах) в діапазоні від 10 до 70 В, причому кожен режим узгоджується з викладачем;
6) на блоці потужності перемикачі встановити: РЕЖ. ЗМ в положення "J", діапазон - "200", режим - "mА", натиснути кнопку цифрової індикації показань приладу Щ4313 і провести зчитування сили струму;
7) після закінчення часу, достатнього для досягнення сталого режиму (10-20 хв.) на блоці температури тумблер ЖИВЛЕННЯ встановити в положення "ВКЛ", перемикач КОНТРОЛЬ "0" - встановити в положення ЗМ., встановлюючи по черзі перемикач КОНТРОЛЬ КРАПОК в положення "1...9", прочитувати свідчення температури по приладу блоку.
8) результати вимірювань заносити в таблицю.
4. Виключення установки виконується в зворотному порядку включення по п.З:
1) перемикач КОНТРОЛЬ КРАПОК - встановити в положення "0";
2) вимкнути живлення блоку температури - ЖИВЛЕННЯ ОТКЛ.;
3) на блоці потужності натиснути кнопку НАГРІВАЮЧИ ОТКЛ.;
4) вимкнути цифрову індексацію приладу Щ4313. ручку автотрансформатора повернути вліво до упору (положення "0");
5) автоматичний вимикач перевести в нижнє положення - тухне сигнальна лампа МЕРЕЖА;
6) закрити вентиль подачі води.
5. Обробка результатів досвіду.
Для обробки результатів використовуються лише досвідчені дані, отримані в сталому тепловому стані елементу робочого.
Зазвичай беруть середні значення показань приладів з останніх трьох записів.
Площа зразка фторопласту
= 0,015394 м2;
товщина зразка = 0,005м.
Тепловий потік Q приймається як половина потужності N, споживаної електронагрівачем і обчислюваною але формулі
Q= N/2 = U-I/2, Вт (4)
де U і I - напруга, В, і сила струму, А, в електронагрівачі .
Приблизно потужність можна обчислити, користуючись залежністю
N = U2/R, Вт (5)
де R - опір електронагрівача, Ом; для умов роботи установки R 26,2 Ом.
Значення температури гарячої поверхні tc1зразка приймається як середнє арифметичне значення свідченні термопар Т3-Т6, а холодній поверхні tc2-термопар Т1 і Т2.
Набутого з рівняння (3) значення коефіцієнта теплопровідності слід відносити до середньої температури досліджуваного зразка фторопласту
За даними декількох температурних режимів дослідження зразка побудуйте в зручному масштабі графік і знайдіть значення констант про і у в рівнянні вигляду
(6)
Таблиця Експериментальні дані і результати їх обробки
| №№ режимів | №№ вимірів | U, в | I, А | Q, Вт | Показання термопар, °С |  ,
°С
|  ,
°С
|  ,
°С
|
Вт/ 
| ||||||||
| Т1 | Т2 | Т3 | Т4 | Т5 | Т6 | Т7 | Т8 | Т9 | |||||||||
| Х | Х | - | Х | X | X | X | X | X | X | X | X | - | - | - | - | ||
| Х | Х | - | Х | X | X | X | X | X | X | X | X | - | - | - | - | ||
| X | X | - | X | X | X | X | X | X | X | X | X | - | - | - | - | ||
| ср | |||||||||||||||||
| ср |
Примітка; х - експериментальні значення;
0 - розрахункові значення;
- - дані не використовуються і не заповнюються.
6. Оформлення і захист звіту по роботі
Звіт по виконаній лабораторній роботі оформляється індивідуально кожним студентом в зошиті для лабораторних робіт і повинен містити:
1) мета і завдання роботи, короткий опис;
2) схему експериментальної установки і опис її пристрою
3) таблицю експериментальних даних і результатів їх обробки;
4) графік залежності 
і його чисельний вираз;
5) виводи за наслідками експериментальних досліджень
7. Контрольні питання для самостійної підготовки
1. Мета роботи ?
2. Методика проведення роботи?
3. Необхідні прилади і устаткування?
4. Суть основного закону теплопровідності?
5. Фізична суть коефіцієнта теплопровідності, його розмірність?
6. Від чого залежить значення коефіцієнта теплопровідності будівельних і теплоізоляційних матеріалів?
7. Що таке тепловий потік і щільність теплового потоку?
Лабораторна робота № 3
Визначення коефіцієнтів температуропровідності і теплопровідності твердих матеріалів при нестаціонарному теплообміні.
1. Мета роботи.
Метою роботи є поглиблення і закріплення знань але розділу нестаціонарної теплопровідності і отримання практичних навиків студентами за визначенням теплофізичних властивостей матеріалів методом регулярного i силового режиму.
В результаті виконання роботи студент повинен засвоїти:
1 фізичну суть і особливості процесу нестаціонарної теплопровідності;
2. поняття про коефіцієнти температуропровідності і теплопровідності, їх фізичний сенс і взаємозв'язок
3. основні положення методу регулярного теплового режиму;
4. практичне застосування теорії регулярного теплового режиму при рішенні задач нестаціонарної теплопровідності і для досвідченого визначення коефіцієнтів теплопровідності і температуропровідності.
Завдання
1. На підставі отриманих експериментальних даних знайти значення коефіцієнтів температуропровідності і теплопровідності досліджуваного матеріалу.
2. Виявити характер зміни знайдених коефіцієнтів в залежності о1 температури матеріалу.
3. Скласти звіт по виконаній роботі.
3. Теоретичні основи лабораторної роботи
Серед процесів нестаціонарної теплопровідності виділяють, процеси нагрівання або охолоджування тіла, поміщеного в середу з температурою, що відрізняється від температури тіла, і процеси в підігрівачах, що періодично діють. Нижче розглянемо лише першу групу процесів.
Серед процесів нестаціонарної теплопровідності виділяють, процеси нагрівання або охолоджування тіла, поміщеного в середу з температурою, що відрізняється від температури тіла, і процеси в підігрівачах, що періодично діють. Нижче розглянемо лише першу групу процесів.
Серед процесів нестаціонарної теплопровідності виділяють, процеси нагрівання або охолоджування тіла, поміщеного в середу з температурою, що відрізняється від температури тіла, і процеси в підігрівачах, що періодично діють. Нижче розглянемо лише першу групу процесів.
Вирішити задачу нестаціонарної теплопровідності - це означає знайти залежність температури від часу для Будь-якої точки тіла, а також розрахувати кількість переданої теплоти.
Аналітично процес теплопровідності за відсутності внутрішніх джерел теплоти описується диференціальним рівнянням
(1)
де /(С)= - коефіцієнт температуропровідності матеріалу тіла, м2/с; л - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(мК); - щільність матеріалу, kг/m3; С - питома теплоємність матеріалу, Дж/(кгК).
Вирішуючи рівняння (1) сумісно з умовами однозначності, що включають фізичні властивості тіла (,С,) його форму і розміри (l1 l2 ln), розподіл температури тіла в початковий момент часу, тобто при =0 t = tc = f(x,y,z) і граничні умови (умови теплообміну на межах тіла і середовища), знаходять функцію вигляду
(2)
яка задовольняла б рівнянню (1) і умови однозначності.
Таке рішення виходить достатньо складним навіть для тіл простій геометричної форми. Тому на практиці часто використовуються наближені спрощені аналітичні, графоаналітичні і чисельні методи рішення конкретні завдань нестаціонарної теплопровідності, зокрема методи регулярного теплового режиму Г.М. Кондратьева, кінцевих різниць теплових балансів і т.п.
Якщо нагрівання (або охолоджування) однорідного ізотропного тіла відбувається в середовищі з постійною температурою і незмінним коефіцієнтом тепловіддачі а від середовища до тіла (або навпаки) за відсутності внутрішніх джерел (або стоків) теплоти в тілі, то такий процес можна розділити на три стадії. У першій стадії розподіл температури в тілі сильно залежить від початкового стану, який може бути різним. Цю стадію називають неврегульованою.