Протокол експериментальних даних

Номер режиму

Роботу виконав студент _________ групи № ___

Розміри дослідного зразка: діаметр =___м; товщина ___м

Викладач______________ (підпис)

Методика обробки експериментальних даних

1. Визначається тепловий потік через досліджувані зразки, Вт,

де - сила струму, А; - напруга, В.

2. Розраховується площа поверхні зразка (диска), м²,

де – діаметр диска, м, який вказаний на стенді.

3. Визначається густина теплового потоку, Вт/м²,

4. Визначається за показаннями термометрів 3 і 6 середня температура води в холодильнику, значення якої приймається за температуру поверхні холодильника, ⁰С,

5. З таблиці 1Д визначається електрорушійна сила (ЕРС) термопари, у якої один спай знаходиться при , а другий – при 0 ^оС.

6. Розраховується середнє значення із показань диференціальних термопар, мВ,

7. Визначається ЕРС термопари, у якої один спай знаходиться при температурі поверхні нагрівника , а другий – при 0 ^оС, мВ,

8. З таблиці 1Д визначається середня температура поверхні нагрівника – , ^оС.

9. Розраховується середня різниця температур, ^оС,

10. Визначається коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м · К), який відноситься до середньої температури зразків,

де – товщина диска, м, яка вказана на стенді.

11. Будується графік залежності рис. 1.2, де середня температура зразків . Отримані дані апроксимуються прямою лінією, за розташуванням якої розраховується рівняння . Для розрахунку коефіцієнтів і необхідно на прямій лінії вибрати точки 1 і 2,визначити їх координати і скласти систему:

Зміст звіту по роботі

1. Короткі відомості з теорії стаціонарної теплопровідності.

2. Принципова схема установки із зазначенням їїелементів.

3. Протокол дослідних даних.

4. Розрахунки з обробки результатів досліду.

5. Графік залежності .

6. Аналітична залежність і зіставлення отриманих результатів із довідковими даними [1, 3, 6].

7. Висновки.

Контрольні питання

1. Який механізм теплопровідності в різних середовищах?

2. Який фізичнийзміст коефіцієнта теплопровідності?

3. Як залежить коефіцієнт теплопровідності різних середовищ від температури?

4. Порівняти за числовим значенням коефіцієнта теплопровідності здатність різних тіл проводити теплоту.

5. Які стаціонарні методи використовують для визначення коефіцієнта теплопровідності?

6. Чим можна пояснити знак "мінус" у правій частині рівняння Фур’є?

НЕСТАЦІОНАРНА ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ

Лабораторна робота 2

Визначення коефіцієнтів температуропровідності,

Теплопровідності та тепловіддачі методом регулярного режиму

Мета роботи: вивчення нестаціонарних процесів теплопровідності і методики експериментального визначення коефіцієнтів температуропроводності, теплопровідності і тепловіддачі методом регулярного теплового режиму.

Короткі відомості з теорії

Методи нестаціонарної теплопровідності базуються на рішеннях диференціального рівняння теплопровідності

, (2.1)

отриманих для тіл простої геометричної форми і визначених граничних умов, де – коефіцієнт температуропровідності, м²/с.

Метод регулярного режиму першого родувитікає з аналізу розв’язання диференціального рівняння нестаціонарної теплопровідності (2.1) відносно температури при граничних умовах третього роду

, (2.2)

і дотриманні сталості коефіцієнта тепловіддачі і температури навколишнього середовища .

У цьому випадку зміна безрозмірної температури у часі для будь-якої точки тіла, що має форму необмеженої пластини, циліндра або кулі, виражається нескінченним рядом

, (2.3)

де – початкова температура тіла, ^оС; – сталі, які визначаються з початкових умов; – функції координат; – сталі, які визначаються з граничних умов; – критерій Фур’є, який характеризує безрозмірний час; критерій ( – характерний розмір тіла) отримують приведенням (2.1) до безрозмірного виду [1].

У початковий момент часу на температурне поле впливають усі члени ряду (2.3). Це перший період охолодження (нагрівання), який називають невпорядкованою стадією (перша стадія на рис. 2.1). На цій стадії розподіл температури у тілі головним чином визначається його початковим тепловим станом.

Однак по закінченню деякого моменту часу, що визначається числом , усі члени ряду (2.3) стають малими у порівнянні з першим і розподіл температур у часі описується тільки першим членом ряду експоненціальним законом

, (2.4)

де , а стала називається темпом охолодження тіла і вимірюється у с^-1 :

. (2.5)

Це друга стадія охолодження (див. рис. 2.1), при якій розподіл температури не залежить від початкового теплового стану тіла, а визначається його фізичними властивостями, геометричною формою і розмірами, а також умовами теплообміну з навколишнім середовищем. Такий тепловий стан називають регулярним режимом . З рівняння (2.4) витікає, що при регулярному режимі натуральний логарифм надлишкової температури у будь-якій точці тіла змінюється у часі за лінійним законом

. (2.6)

Темп охолодження залишається постійним на ділянці регулярного режиму (не залежить від координат і часу) і може бути визначений як тангенс кута нахилу прямої (див. рис. 2.1)

. (2.7)

Розрахункові точки 1 і 2 беруться на лінійній ділянці графіка у області регулярного режиму.

Після диференціювання рівняння (2.6) у часі, отримаємо

тобто темп охолодження характеризує відносну швидкість зміни надлишкової температури у часі.

Темп охолодження залежить від фізичних властивостей тіла, його геометричної форми і розмірів, а також умов теплообміну на поверхні тіла. Ця залежність може бути знайдена з рівняння теплового балансу

, (2.8)

де – середня за об’ємом тіла надлишкова температура,^оС; – середня надлишкова температура поверхні тіла у даний момент часу, ^оС; – густина тіла, кг/м³; – питома теплоємність тіла, Дж/(кг·К); – об’єм тіла, м³; – середній в процесі охолодження (нагріву) коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²·К); – площа поверхні тіла, м²; – час, с.

Якщо розділити рівняння (2.8) на , а відношення позначити , отримаємо

, (2.9)

де – коефіцієнт нерівномірності температурного поля.

З (2.9) витікає, що темп охолодження пропорційний коефіцієнту тепловіддачі, площі поверхні тіла і обернено пропорційний повній теплоємності тіла (перша теорема Г. М. Кондратьєва).

Значення коефіцієнта лежить у межах і визначається умовами охолодження на поверхні тіла. Визначення цього коефіцієнта у ряді випадків викликає труднощі, тому при постановці експерименту намагаються забезпечити умови, при яких . Ці умови мають місце, коли термічний опір тіла / малий у порівнянні з термічним опором тепловіддачі 1/ . У цьому випадку весь термічний перепад зосереджений у примежовому шарі рідини, що оточує тіло, а температура тіла вирівнюється , тобто і . Відношення зазначених термічних опорів характеризується критерієм Біо (критерій Біо отримують приведенням (2.2) до безрозмірного виду )

а тому умови, при яких , здійснюються при (практично при ). Ці умови відповідають зовнішній задачі, коли процес охолодження і нагрівання тіла визначається інтенсивністю тепловіддачі на поверхні. При цьому процес вирівнювання температури у тілі відбувається значно інтенсивніше, ніж відведення теплоти з поверхні (рис. 2.2, а). Таким чином, при , у відповідності до (2.9), темп охолодження пропорційний коефіцієнту тепловіддачі

, (2.10)

де – сталий коефіцієнт, який залежить від матеріалу і форми тіла. Залежність темпу охолодження від коефіцієнта тепловіддачі має асимптотичний характер, бо із зростанням значення зростає і критерій ,що у свою чергу призводить до зменшення . У граничному випадку при , і наближається до кінцевої величини (рис. 2.3).

Регулярний режим дозволяє визначати теплофізичні властивості речовин. Зокрема, він широко використовується для визначення коефіцієнта температуропроводності , який, у відповідності до рівняння (2.5), при ( )пропорційний темпу охолодження (при ) (друга теорема Г. М. Кондратьєва)

. (2.11)

Коефіцієнт К , м², залежить від форми і розмірів тіла і може бути обчислений для тіл простої форми. Так, наприклад, для кулі радіусом .

Умова (практично >100) відповідає внутрішній задачі, коли процес охолодження визначається тільки розмірами тіла і його фізичними властивостями. Внаслідок великої інтенсивності теплообміну температура на поверхні тіла приймає постійне значення, що дорівнює температурі оточуючого середовища (рис. 2.2, б).

На практиці неможливо виконати умову і визначити . Однак у силу асимптотичного характеру зміни (див. рис. 2.3) можна оцінити точність експериментального визначення величини при кінцевих значеннях . Якщо задовольнитися точністю 3,5 %, необхідно забезпечити умови проведення експерименту, при яких [2].

У випадку, якщо температурні криві у будь-який момент часу мають вид, як показано на рис. 2.2, в. У цьому випадку інтенсивність процесу охолодження (нагрівання) визначається як внутрішнім, так і зовнішнім термічним опором.

Залежність (2.10) також дозволяє використати закономірності регулярного режиму першого роду для експериментального визначення коефіцієнтів тепловіддачі [2, 4, 5].

До вад методу регулярного режимуслід віднести труднощі реалізації граничних умов, прийнятих у теорії.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 568; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!