Лабораторна робота № 4 Порівняльне дослідження механізмів перенесення теплової енергії

 

Мета роботи: визначення і порівняння коефіцієнтів ефективної теплопровідності теплової труби і мідного стрижня.

Завдання роботи:

- вивчення механізмів перенесення теплової енергії;

- вивчення принципу дії і конструкції теплових труб;

- експериментальне визначення коефіцієнта теплопровідності теплової труби і порівняння його з коефіцієнтом теплопровідності мідного стрижня;

- вивчення основних способів практичного застосування теплових труб.

 

Загальні положення

Теплопередача, або теплообмін, – вчення про мимовільні, необоротні процеси розповсюдження теплоти в просторі. Під процесом розповсюдження теплоти розуміється обмін внутрішньою енергією між окремими елементами і між областями даного середовища. Перенесення теплоти здійснюється трьома основними способами: теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням.

Теплопровідність є молекулярне перенесення теплоти в тілах (або між ними), обумовлене змінністю температури в даному просторі.

Явище теплопровідності є процес розповсюдження енергії при безпосередньому зіткненні окремих частинок тіла або окремих тіл, що мають різні температури. Теплопровідність обумовлена рухом мікрочастинок речовини. У газах перенесення енергії здійснюється шляхом дифузії молекул і атомів, а в рідинах і твердих тілах-діелектриках – шляхом пружних хвиль. У металах перенесення енергії в основному здійснюється шляхом дифузії вільних електронів, а роль пружних коливань кристалічної решітки тут другорядна.

Конвекція – процес перенесення теплоти при переміщенні об'ємів рідини або газу (плинного середовища) в просторі з області з однією температурою в область з іншою температурою. При цьому перенесення теплоти нерозривно пов'язане з перенесенням самого середовища.

Теплове випромінювання - процес розповсюдження теплоти за допомогою електромагнітних хвиль, обумовлений тільки температурою і оптичними властивостями випромінюючого тіла, при цьому внутрішня енергія тіла (середовища) переходить в енергію випромінювання. Процес перетворення внутрішньої енергії речовини в енергію випромінювання, перенесення випромінювання і його поглинання речовиною називається теплообміном випромінювання. У природі і техніці елементарні процеси розповсюдження теплоти: теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання – часто відбуваються спільно.

Теплопровідність в чистому вигляді переважно має місце лише в твердих тілах.

Конвекція теплоти завжди супроводжується теплопровідністю. Сумісний процес перенесення теплоти конвекцією і теплопровідністю називається конвективним теплообміном.

Коефіцієнт теплопровідності l чисельно рівний кількості теплоти (Q), яка передається механізмом теплопровідності через одиницю площі (F) в одиницю часу (Dt) при градієнті температури, рівному одиниці:

l= .

(4.1)

Градієнт температури – вектор, направлений по нормалі до ізотермічної поверхні (поверхні з однаковими температурами) у бік зростання температури, і чисельно рівний похідній від температури по цьому напряму:

grad t = ,	(4.2)
де – одиничний вектор, нормальний до ізотермічної поверхні і направлений у бік зростання температури; - похідна від температури по нормалі n.

 

Рис. 4.1. Напрям вектора градієнта температур

 

Відповідно до свого визначення коефіцієнт теплопровідності має розмірність Джм/м²сК=Вт/мК ×.

Коефіцієнт теплопровідності є однією з найважливіших тепло-фізичних характеристик речовини і найбільші значення має у металів, а серед них у срібла, міді, золота, алюмінію. У зв'язку з цим одним з найпоширеніших конструкційних матеріалів в теплоенергетичних пристроях є мідь.

З формули (4.1) видно, що чим більше коефіцієнти тепло-провідності, тим менші перепади температури потрібні для передачі однієї і тієї ж кількості теплоти. Або, іншими словами, чим більше ці коефіцієнти, тим більша кількість теплоти передається за всіх інших рівних умов, тобто теплопередаючий пристрій працює ефективніше.

Ефективне рішення проблем теплообміну значною мірою забезпечує і загальну ефективність теплоенергетичних систем і установок. Одним з таких рішень часто є використання оригінальних теплопередаючих пристроїв, званих тепловими трубами.

Вперше ідея теплової труби була запропонована американським інженером Гоглером в 1942 році. Але тільки на початку 60-х років, після того, як інший американський вчений Гровер незалежно від Гоглера знов винайшов і в 1963 році запатентував її, теплові труби отримали інтенсивний розвиток. До теперішнього часу створені тисячі модифікацій теплових труб з різними функціями і для багатообразних застосувань.

Теплова труба є пристроєм, що володіє дуже високою теплопередаючою здатністю. Якщо характеризувати її еквівалентним коефіцієнтом теплопровідності, то він виявляється в сотні разів більше, ніж у міді. Конструктивно теплова труба є герметичною судиною (найчастіше циліндрову трубу), заповненою рідиною-теплоносієм. Висока теплопередаюча здатність її досягається за рахунок того, що в тепловій трубі здійснюється конвективне перенесення тепла, що супроводжується фазовими переходами (випаровуванням і конденсацією) рідини-теплоносія. При підводі теплоти до одного кінця теплової труби рідина нагрівається, закипає і перетворюється на пару (випаровується). При цьому вона поглинає велику кількість теплоти (теплота перетворення), яка переноситься парою до іншого холоднішого кінця труби, де пара конденсується і віддає поглинену теплоту. Далі сконденсована рідина знову повертається в зону випаровування. Це повернення може здійснюватися різними способами. Найпростіший з них полягає у використанні сили тяжіння. При вертикальному розташуванні теплової труби, коли зона конденсації знаходиться вищим за зону випаровування, рідина стікає вниз безпосередньо під дією сили тяжіння. Такий варіант теплової труби називається термосифоном. Природно, ефективність роботи термосифона залежить від його орієнтації щодо напряму сили тяжкості. Для виключення цього недоліку в найбільш поширених типах теплових труб для повернення рідини в зону випаровування використовуються капілярні ефекти. Для цього на внутрішній поверхні теплової труби розташовують шар капілярно-пористої структури (гніт), по якому під дією капілярних сил і відбувається зворотний рух рідини.

Принципова схема теплової труби з гнітом зображена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Принципова схема теплової труби:

1 - корпус, 2 - капілярно-пористий шар (гніт);

Þ - напрям руху пари (напрям перенесення теплоти);

- напрям руху рідини (конденсату)

 

Основними перевагами таких теплових труб є: висока ефективність теплообміну, автономність роботи, мала вага і габарити, висока надійність, можливість реалізації складних теплопередаючих функцій, висока ізотермічність поверхні труби.

Теплова труба може мати різні форми і габарити. Внутрішній діаметр труб складає від декількох міліметрів до десятка сантиметрів, довжина – до декількох метрів. Для виготовлення корпусів і капілярних структур (гніту) використовуються скло, кераміка, різні метали і сплави. Як рідина-теплоносій використовуються, як легковипаровувані рідини (ацетон, аміак, фреони) для низькотемпературних труб, так і вода, ртуть, індій, цезій, калій, натрій, літій, свинець, срібло, вісмут і неорганічні солі для труб, що працюють при високих температурах.

Найбільш характерними областями застосування теплових труб є енергетика, машинобудування, електроніка, хімічна промисловість, сільське господарство. Широке застосування знаходять теплові труби при забезпеченні теплових режимів космічних апаратів, для охолоджування електронних приладів і систем, для створення регенеративних теплообмінників.

 

Експериментальна установка

Основними елементами лабораторної установки (рис. 6.3) є укріплені на штативах 1 теплова труба 5 і мідний стрижень 6 однакової довжини l і діаметра d. На нижніх кінцях труби і стрижня встановлені електричні нагрівачі 2 однакової потужності, на які подається електрична напруга від блоку живлення 9. Теплова потужність W, що виділяється на нагревачах, вимірюється вольтметром (U) і амперметром (I) 8, і знаходиться W = I × U. Верхні кінці теплової труби і стрижня знаходяться в холодильнику 11 і охолоджуються проточною водопровідною водою. По довжині труби і стрижня встановлені по три термопари 4 (дві по кінцях і одна в центрі), що визначають температури у відповідних крапках. Свідчення термопар через комутаційні пристрої 7 реєструються вимірником малих ЕРС – самописним потенціометром КСП-4 і виводяться на друк.

 

 

 

Рис. 4.3. Схема лабораторної установки:

а) теплова труба; б) мідний стрижень;

1 – стійка (штатив); 2 – електричний нагревач; 3 – теплоізоляція;

4 – датчики температури (термопари); 5 – теплова труба; 6 – мідний стрижень; 7 – комутатор; 8 – вольтметр і амперметр; 9 – блок живлення; 10 – вимірник малих ЕРС (самопишущій потенціометр КСП-4); 11 – холодильник

 

Порядок виконання роботи

1. Відкрити кран системи охолоджування теплової труби і мідного стрижня.

2. Включити блок живлення електричних нагрівачів теплової труби і мідного стрижня і зафіксувати свідчення вольтметра і амперметра. Визначивши загальну потужність W і розділивши її навпіл, отримати потужність кожного з нагрівачів теплової труби і мідного стрижня і занести ці дані до табл. 4.1.

3. Включити живлення потенціометра КСП-4.

По черзі опитуючи всі шість термопар, встановлених в тепловій трубі і мідному стрижні, потенціометр почне друкувати на паперовій стрічці відповідні значення температур за певні проміжки часу. Свідчення кожної термопари друкуються цифрами, відповідними номеру термопари. У міру прогрівання теплової труби і мідного стрижня спостерігатиметься зростання температури в кожній крапці з поступовим виходом на постійне значення (стаціонарний режим). Стаціонарним можна рахувати такий режим, при якому свідчення кожній з термопар в сусідніх за часом крапках відрізнятимуться менш ніж на 10 %.

Звернути увагу на те, що вихід теплової труби на стаціонарний режим здійснюється набагато швидше, ніж мідного стрижня.

Через кожні 2 хвилини (до виходу на стаціонарний режим) знімати свідчення потенціометра і заносити їх до табл. 4.1.

Таблиця 4.1