Мета проведення лабораторної роботи

Засвоєння і закріплення теоретичного розділу по теплоємності, дослідне визначання середньої ізобарної теплоємності речовини, набуття навиків обробки дослідних даних.

Задачі проведення лабораторної роботи

У результаті виконання лабораторної роботи студент повинен:

знати: визначення поняття теплоємності; класифікацію теплоємностей; методи визначення теплоємності речовини; призначення елементів лабораторної установки; методику обробки дослідних даних.

вміти: виконувати необхідні вимірювання, визначати середню теплоємність; виконувати перерахунок з однієї теплоємності на іншу, користуватися таблицями теплоємностей; виконувати розрахунок похибок і оцінювати точність дослідних даних; робити висновки по виконаній роботі.

 

Опис лабораторної установки

Середня ізобарна теплоємність дослідної рідини в інтервалі температур [ t ₁... t ₂] визначається в непроточному калориметрі.

Дослідна рідина масою m заливається в металеву посудину 1 (рис.7.1) і підігрівається від температури t₁ до температури t₂ за допомогою електричного нагрівника 2. Для вирівнювання поля температури рідини під час її нагрівання служить мішалка 4 з ручним приводом. Посудина з дослідною рідиною поміщається в теплоізоляційний корпус 5 калориметра, закритий кришкою 6. Температура рідини вимірюється термометром.

Для визначення теплоти, яка виділяється електронагрівником, використовуються покази амперметра 3 і вольтметра 2 (рис.6.2). Для регулювання теплового потоку від електронагрівника до рідини використовується лабораторний автотрансформатор (ЛАТР) 4. Включення електронагрівника в електричну мережу здійснюється включателем 5. Лампочка6

1 – посудина з дослідною рідиною; 2 – електронагрівник;

3 – термометр; 4 – змішувач; 5 – корпус; 6 – кришка.

Рисунок 6.1 – Принципова схема калориметра

 

 

 

 

1 – калориметр; 2 – вольтметр; 3 – амперметр; 4 – ЛАТР;

5 – вмикач; 6 – лампочка; 7 – термометр опору; 8 – логометр.

 

Рисунок 6.2 – Принципова схема лабораторної установки

служить індикатором протікання електричного струму в ланцюгу електронагрівника.

Порядок проведення роботи

 

Ознайомтеся з лабораторною установкою, розміщенням і призначенням приладів, ручок управління і інших елементів установки. Заповніть табл.6.1.

Одержіть завдання у викладача, виберіть раціональний шлях проведення досліду.

Встановіть ручку ЛАТРа в положення “0” (поворотом проти годинникової стрілки до упору).

З дозволу викладача (лаборанта) включателем 5 (рис.6.2) подайте напругу на первинну обмотку ЛАТРа. Лампочка 6 повинна загорітися, а стрілки вольтметра і амперметра повинні показувати “0”.

Плавним поворотом ручки ЛАТР встановіть за амперметром вказане викладачем значення сили струму I в ланцюгу електронагрівника.

Через кожні 2-3 хвилини перемішуйте рідину в калориметрі, зробивши 3-5 обертів приводу мішалки.

Занесіть в табл.6.2 значення барометричного тиску P _б, температури навколишнього середовища t_н.с, маси m дослідної рідини.

При досягненні вказаної викладачем температури t ₁ рідини ввімкніть секундомір і занесіть в табл.6.2 покази амперметра I і вольтметра U.

Не змінюючи положення ручки ЛАТР через кожні 10°C зміни температури рідини фіксуйте в табл.6.2 значення I, U, t.

В момент досягнення вказаної викладачем температури рідини t ₂ зупиніть секундомір і занесіть в табл.6.2 значення I, U, t.

Поворотом ручки ЛАТР проти годинникової стрілки встановіть стрілку амперметра на “0”. Вмикачем 5 (рис.6.2) вимкніть електронагрівник від мережі.

 

Таблиця 6.1- Коротка характеристика вимірювальних приладів

Прилад	Марка прилада	Діапазон шкали	Клас точності	Примітка
Амперметр
Вольтметр
Барометр
Логометр
Секундомір

Таблиця 6.2 - Дослідні дані

tн.с, ^0С
Рб, мм.рт.ст
m, кг
t, ^oC
I, A
U, B
τ, c

 

Обробка результатів досліду

 

Середня масова ізобарна теплоємність дослідної рідини визначається за формулою (4.19).

Так як під час досліду частина теплоти, яка виділяється електронагрівачем, витрачається на підвищення температури деталей калориметра, повітря в ньому і відводиться від його зовнішніх поверхностей в навколишнє середовище, то до дослідної рідини підводиться теплота:

Q=(1-j)·Qe-Qk, (6.1)

де j - коефіцієнт, який враховує втрати теплоти в навколишнє середовище; Qe - теплота, яка виділяється електронагрівачем, кДж; Q_к -теплота, яка витрачається на нагрів деталей калориметра, кДж. Для даної конструкції калориметра j = 0,016.

Теплота, яка виділяється електронагрівачем:

Q_е = IUt /10³, (6.2)

де I - сила струму в ланцюгу електронагрівника, А; U - спад напруги на електронагрівнику, В; t - час нагрівання рідини від температури t₁ до температури t₂, с.

Теплота, яка витрачається на нагрів деталей калориметра визначається за формулою:

Q_к = C_к DT_к, (6.3)

де C_к - теплоємність калориметра без рідини, кДж/(кг·К); DT - зміна середньої температури деталей калориметра за час t, К.

При обробці дослідних даних прийняти C_к = 1,6 кДж/(кг·К), DT_к = DT.

Результати обчислень слід навести в табличній формі (табл.6.3).

Максимально можливі відносні похибки вимірювання сили струму, спаду напруги, температури визначаються за формулами наведеними в табл.6.4.

Максимально можлива відносна похибка визначення середньої масової ізобарної теплоємності рідини рівна:

dCpm = ± (½ dQ ½+½ dm ½+½ dDT ½), (6.4)

де dQ - максимально можлива відносна похибка визначення теплоти, яка витрачається на нагрівання рідини, %; dm - відносна похибка визначення маси дослідної рідини в калориметрі, %; dDT - максимально можлива похибка визначення зміни температури рідини, %.

Результати оцінки точності досліду представити в табличній формі (табл.6.4).

Порівняйте одержані дослідним шляхом значення Cpm із значенням з довідкових таблиць [2], знайдіть відносну похибку і поясніть причини такого розходження.

Теоретичні відомості і контрольні питання наведенні в лабораторній роботі №4.

Таблиця 6.3 – Обробка результатів досліду

Позначення величин	Одиниця величини	Розрахункова формула	Значення величини
ρо	кг/м^3	–
μ	кг/кмоль	–
ΔТ	К	t2 – t1
Qe	кДж	IUτ/10^3
Qk	кДж	CkΔT
Q	кДж	(1-φ)Qe-Qk
Cpm	кДж/(кг·К)	Q/(mΔT)
C’pm	кДж/(м^3·К)	ρoCpm
Cμpm	кДж/(кмоль·К)	μCpm

Таблиця 6.4 – Відносні похибки величин

Позначення похибки величини	Розрахункова формула	Значення похибки, %
δm	–	±1,0
δCk	–	±0,5
δτ	–	±0,3
δI	INKI/I
δU	UNKU/U
δt1	tNKT/t1
δt2	tNKT/t2
δΔT	(t1δt1+ t2δt2)/ΔT
δQk	δCk+δΔT
δQe	δI+δU+δτ
δQ	(QeδQe+QkδQk)/Q
δCpm	δQ+δm+δΔT

 

 

7 Лабораторна робота № 8

 

Визначення коефіцієнта тепловіддачі від горизонтальної

труби до повітря при природній конвекції

 

Мета і задачі роботи

Метою роботи є засвоєння та поглиблення знань з тепловіддачі при природній конвекції в необмеженому просторі.

Задачі:

- експериментальне визначення середнього коефіцієнта тепловіддачі;

- засвоєння основних понять і залежностей теорії конвективного теплообміну;

- вивчення методики експериментального визначення коефіцієнта тепловіддачі;

- набуття навиків проведення теплотехнічного експерименту, обробки дослідних даних і оцінки похибок вимірювання.

Теоретичні положення

При роботі механізмів, машин та іншого промислового обладнання їх деталі можуть значно нагріватися як за рахунок тертя, так і за рахунок тепла, що підводиться від газів, рідин або інших деталей. В цих процесах важливу роль відіграє конвективний теплообмін.

Конвективним теплообміном (тепловіддачею) називається процес перенесення теплоти від поверхні твердого тіла до рідкого (газового) середовища або навпаки. При цьому перенесення теплоти здійснюються одночасно дією теплопро-відності і конвекції.

Процес переносу теплоти конвекцією нерозривно зв’язаний з переносом самого середовища. Тому конвекція можлива лише в рідинах і газах, частини яких можуть легко перемішуватися.

За природою виникнення розрізняють два види конвекції - вільну і вимушену. Вільною називається конвекція, яка відбувається внаслідок різниці густин нагрітих і холодних частин рідини під впливом фізичного поля (гравітаційного, магнітного, електричного). Виникнення і інтенсивність вільної конвекції визначаються тепловими умовами процесу і залежать від роду рідини, різниці температур. Вимушеною конвекцією називається рух, що виникає під дією сторонніх збудників, наприклад насоса, вентилятора, вітру і інші. В загальному випадку поряд з вимушеною конвекцією одночасно може розвиватися і вільна конвекція. Відносний вплив останньої тим більше, чим більша різниця температур в окремих точках рідини і чим менша швидкість вимушеної конвекції.

Інтенсивність конвективного теплообміну характеризу-ється коефіцієнтом тепловіддачі a, який визначається за формулою Ньютона-Ріхмана:

, (7.1)

де Q - тепловий потік, Вт; a - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²×К); F - площа поверхні теплообміну, м²; (t_C - t_P) - різниця температур стінки і рідини, К.

Коефіцієнт тепловіддачі дорівнює кількості теплоти, яка передається за одиницю часу через одиницю поверхні при різниці температур між поверхнею і рідиною, рівною одному градусу:

. (7.2)

В загальному випадку коефіцієнт тепловіддачі може змінюватися вздовж поверхні теплообміну, і тому розрізняють середній по поверхні коефіцієнт тепловіддачі і місцевий (локальний) коефіцієнт тепловіддачі, який відноситься до одиниці площі поверхні.

Процеси тепловіддачі нерозривно зв’язані з умовами руху рідини. Як відомо, існують два основних режими течії: ламінарний і турбулентний.

Оскільки в інженерній практиці у більшості випадків значення F і (t_C - t_P) задані чи можуть бути порівняно просто визначені, то вирішення головної задачі теплообміну зво-диться до знаходження коефіцієнта тепловіддачі a.

Коефіцієнт тепловіддачі a є функцією багатьох чинників: швидкості руху теплоносія w, температури поверхні нагріву t_C, температури рідини t_{P ,} коефіцієнтів теплопровідності l та температуропровідності a, питомої ізобарної теплоємності С_P, в’язкості v, коефіцієнта об’ємного розширення b і густини теплоносія r, форми Ф та характерних розмірів поверхні теплообміну (l₁, l₂,..., l_n). Через це коефіцієнт тепловіддачі не є фізичною характеристикою речовини:

. (7.3)

Коефіцієнт теплопровідності l характеризує здатність речовини проводити теплоту.

Коефіцієнт температуропровідності a=l/c_Рr характеризує швидкість зміни температури в тілі.

Коефіцієнт об’ємного розширення b характеризує відносну зміну об’єму при зміні температури на один градус (при постійному тиску):

, (7.4)

де v - питомий об’єм, м³/кг.

Для газів температурний коефіцієнт об’ємного розширення визначається за формулою:

(7.5)

Тепловіддача описується системою диференціальних рівнянь в частинних похідних і умовами однозначності з великою кількістю змінних, тому розв’язок цієї системи відносно a чисто аналітичним шляхом неможливий. На практиці використовується напівемпіричний метод, який грунтується на використанні експериментальних даних і теорії подібності.

На основі теорії подібності утворюють комплекси величин (числа подібності), кількість яких значно менша кількості змінних, які описують фізичне явище, а це значно спрощує дослідження процесу. Крім того, теорія подібності встановлює умови при яких результати лабораторних досліджень можна поширити на інші явища, подібні до досліджуваного.

Основні положення теорії подібності можна сформулювати у вигляді трьох теорем.

Перша теорема подібності дає відповідь на питання, які величини треба вимірювати, щоб встановити подібність явищ. В загальній формі ця теорема формулюється так: подібні між собою процеси мають одинакові числа подібності.

На основі другої теореми подібності залежність між змінними, які характеризують будь-який процес, може бути представлена у вигляді залежності між числами подібності К₁, К₂,..., К_n:

f(К₁, К₂,..., К_n)=0. (7.6)

Дана залежність називається рівнянням подібності. Так як для всіх подібних між собою процесів числа подібності зберігають одне і те ж значення, то рівняння подібності для них також одинакові.

Можлива і зворотня постановка питання: які умови необхідні і достатні, щоб процеси були подібними. На таке запитання дає відповідь третя теорема подібності, яка формулюється так: подібні ті процеси, умови однозначності яких подібні, і числа подібності, складені з цих величин, і, які входять в умови однозначності, мають одинакові числові значення.

Теорія подібності дозволяє, не інтегруючи диференціальні рівняння, отримати з них числа подібності і, використовуючи дослідні дані, встановити рівняння подібності, які справедливі для всіх подібних між собою процесів.

Числа подібності (критерії подібності) отримують шляхом приведення до безрозмірного виду рівнянь, які описують досліджуване явище. Для стаціонарної тепловіддачі використовують такі числа подібності: Pr (Прандтля), Re (Рейнольдса), Gr (Грасгофа), Nu (Нуссельта). Інколи використовують похідні числа подібності: Пекле Pe=PrRe, Стантона St=Nu/Pe, Релея Ra=PrGr.

Результати лабораторних досліджень тепловіддачі звичайно подають у вигляді рівняння подібності Nu=f(Re,Pr,Gr). Число Нуссельта містить невідому величину (коефіцієнт тепловіддачі a) і є безрозмірним комплексом, що визначається. Числа Re, Pr, Gr, Pe, Ra - визначаючі числа подібності.

- критерій Нуссельта, характеризує конвективний теплообмін між рідиною (газом) і поверхнею твердого тіла;

- критерій Рейнольдса, характеризує гідродина-мічний режим руху рідини та встановлює свідношення сил інерції до сил в’язкості;

- критерій Грасгофа, встановлює співвідно-шення підіймальної сили і сили тяжіння та застосовується для характеристики процесів передачі теплоти при русі рідини, яка виникає внаслідок різниці густин в різних її частинах;

- критерій Прандтля, характеризує фізичні властивості рідини та їх вплив на конвективні явища;

- критерій Пекле, є мірою спів-відношення молекулярного і конвективного перенесення теплоти і використовується для характеристики процесів передачі теплоти конвекцією і теплопровідністю.

У формулах критеріїв прийняті наступні позначення: a - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²×К); l - визначальний лінійний розмір, м; l - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м×К); w - швидкість потоку рідини, м/с; m - коефіцієнт динамічної в’язкості, м²/с; с_Р - питома теплоємність при постійному тиску, Дж/(кг×К); r - густина рідини, кг/м³; a - коефіцієнт температуропровідності, м²/с; b - температурний коефіцієнт об’ємного розширення, К^-1; Dt=(t_c-t_p) - температурний напір, К.

За відомим значенням критерія Нуссельта Nu коефіцієнт тепловіддачі визначається за формулою:

, (7.7)

При узагальненні дослідних даних важливим є питання про вибір визначального розміру. В якості такого доцільно прийняти розмір, яким визначається розвиток процесу. Наприклад, при конвективному теплообміні в круглих трубах в якості визначального розміру вибирається їх діаметр. Для каналів неправильного і складного перерізу доцільно брати еквівалентний діаметр, рівний чотирьохкратній площі поперечного перерізу каналу, поділеній на повний змочений периметр перерізу (незалежно від того, яка частина цього периметру приймає участь в теплообміні). При поперечному обтіканні труби і пучка труб в якості визначального розміру береться зовнішній діаметр труби, а при обтіканні плити - її довжина за напрямком руху.

Формула (7.7) використовується для розрахунку тепловіддачі в необмеженому просторі. При тепловіддачі у вузьких каналах і щілинах тепловий потік розраховують за формулами теплопровідності, використовуючи еквівалентний коефіцієнт теплопровідності.

Є декілька методів експериментального визначення середнього коефіцієнта тепловіддачі:

- метод стаціонарного теплового потоку;

- метод нестаціонарного теплового потоку;

- метод регулярного режиму;

- метод квазістаціонарного режиму нагрівання.

В даній роботі використовується метод стаціонарного потоку через циліндричну поверхню. Тому до складу лабораторної установки повинні входити елементи, які забезпечують створення, підтримання незмінним та вимірювання теплового потоку Q через досліджувану поверхню площею F, а також визначення температурного напору DT.

 

Опис лабораторної установки

Принципова схема лабораторної установки представлена на рис.7.1.

Тепловий потік від зовнішньої поверхні циліндричної труби ТЦ до оточуючого повітря створюється електронагрів-ником ЕКІ, розміщеному у трубі. Торці труби закриті заглушками ЗІ з теплоізоляційного матеріалу.

Живлення електронагрівника здійснюється від мережі змінного струму через регулятор напруги TV1, який забезпечує підтримку необхідного теплового потоку . Для обчислення використовуються покази вольтметра PV1 та амперметра PA1. Вимикач Q1 служить для відключення електронагрівника ЕКІ від мережі. Про проходження струму по колу електронагрівника сигналізує лампочка HL1.

Для вимірювання температури поверхні труби, яка віддає теплоту, на ній встановлено термопари ВК1, ВК2, ВК3, ВК4. Термопари (термоприймачі) підключаються до потенціометра А1 за допомогою перемикача S1.

Зовнішній діаметр труби d і розрахункова довжина труби l вказані на щиті лабораторної установки.

Порядок виконання роботи

Ознайомтесь з лабораторною установкою і розміщенням її основних елементів вказаних на принциповій схемі (рис.7.1).

 

 

Занесіть в табл.7.1 звіту характеристики вимірювальних приладів, в табл.7.2 – значення розрахункової довжини труби l, зовнішнього діаметру труби d, барометричного тиску p_б, температури навколишнього середовища t_нс.

Повідомте викладачеві послідовність виконання завдання, після чого за його вказівкою приступити до експерименту.

Встановіть ручку регулятора напруги (рис.7.1) повертанням проти годинникової стрілки в положення “НУЛЬ”.

Вимикачем Q1 підключіть установку до електричної мережі. Якщо контрольна лампа не засвітилася, виключити установку вимикачем Q1 і повідомити викладача.

Плавним поворотом ручки регулятора напруги TV1 за годинниковою стрілкою встановіть вказане викладачем значення сили струму І в колі електронагрівника ЕК1 і підтримуйте його незмінним на протязі всього досліду.

Заміри виконуйте після досягнення стаціонарного режиму тепловіддачі, про що буде відомо через стабільність температури на зовнішній поверхні труби t_c⁽ⁱ⁾.

При стаціонарному режимі тепловіддачі за допомогою перемикача термопар S1 почергово, почавши з першої, під’єднуйте термопари ВК1, ВК2, ВК3, ВК4 до потенціометра А1, покази якого t_c⁽¹⁾, t_c⁽²⁾, t_c⁽³⁾, t_c⁽⁴⁾ та покази амперметра І і вольтметра U заносьте в табл.7.2 звіту.

Повторіть п’ять замірів з інтервалом 5 хвилин. Під час досліду ведіть паралельну обробку отриманих даних.

Після закінчення досліду подайте на підпис викладачеві заповнену табл.7.2 звіту.

За дозволом викладача відключіть лабораторну установку від мережі, попередньо встановивши ручку регулятора напруги TV1 в положення “НУЛЬ”. Приведіть в порядок робоче місце.

Закінчивши обробку дослідних даних, заповніть табл.7.3 звіту, запишіть висновки і дайте звіт викладачеві на підпис.

Таблиця 7.1 - Характеристика вимірювальних приладів

Елемент установки	Марка приладу	Ціна поділки Шкали	Діапазон шкали	Клас точності приладу
Позна-чення	Значен-ня
Амперметр				KI
Вольтметр				KU
Потенціометр				KT

Таблиця 7.2 – Результати досліду

Позначення величини	Одиниця вимірювання	Замір	Примітка
l	м					dl= %
d	м					dd= %
pб	мм.рт.ст.
Па
I	А
U	В
tнс	^0С					dtнс= %
tc^(1)	^0С
tc^(^2^)	^0С
tc^(^3^)	^0С
tc^(4)	^0С

Обробка результатів досліду

Обробка дослідних даних представляється в звіті у вигляді табл.7.3, в якій наведені формули для розрахунку шуканих величин.

Значення коефіцієнтів кінематичної в’язкості n і теплопровідності l, число Pr для повітря визначаються за табл.7.4 при температурі повітря t_п.

Діапазони шкал амперметра I_N, вольтметра U_N і потенціометра T_N, класи точності відповідних приладів потрібно взяти з табл.7.1 звіту.

Значення коефіцієнта С і показника n вибирають з табл.7.5 в залежності від числа подібності Ra.

 

 

Таблиця 7.3 - Обробка результатів досліду

 

Позначення величин	Одиниця вимірювання	Розрахункова формула	Замір
	^0С
Tm	^0С	(tc-tнс)/2
DT	К	- tнс
F	м^2	pdl
Q	Вт	IU
a	Вт/(м^2×К)	Q/(FDT)
	%	KIIN/I
	%	KUUN/U
	%	KTtN/tc
	%
n	м^2/с	-
l	Вт/(м×К)	-
Pr	-	-
Gr	-	gd^3DT/(n^2(tm+273))
Ra	-	PrGr
C	-	-
n	-	-
Nup	-	CRa^n
ap	Вт/(м^2×К)	Nupl/d
dap	%

 

Таблиця 7.4 - Орієнтовні значення коефіцієнта тепловіддачі, Вт/(м²×К)

Процес	Теплоносій	a
Природна конвекція	Гази Вода	5...30 10^2...10^3
Вимушена конвекція	Гази Вода Оливи	10...500 500...2×10^4 50...2×10^3
Кипіння	Вода	2×10^3...4×10^4
Конденсація	Водяна пара	4×10^4...1,2×10^5

 

Таблиця 7.5 - Телофізичні властивості сухого повітря при р = 98,1 кПа

 

t,^0С	r, кг/м^3	ср ×10^-3, Дж/(кг×К)	l ×10^+2, Вт/(м×К)	a ×10^+6, м^2/с	n ×10^+6, м^2/с	Pr
	1,251	1,00	2,44	19,50	13,75	0,71
	1,207	1,00	2,51	20,80	14,66	0,71
	1,166	1,00	2,58	22,13	15,61	0,71
	1,127	1,00	2,65	23,51	16,58	0,71
	1,091	1,00	2,72	24,93	17,57	0,71
	1,057	1,01	2,79	26,13	18,58	0,71
	1,026	1,01	2,86	27,60	19,60	0,71
	0,996	1,01	2,92	29,03	20,65	0,71
	0,967	1,01	2,99	30,61	21,74	0,71
	0,941	1,01	3,06	32,20	22,82	0,71
	0,916	1,01	3,12	33,72	23,91	0,71
	0,869	1,01	3,24	36,91	26,21	0,71
	0,827	1,02	3,37	39,95	28,66	0,71
	0,789	1,02	3,49	43,37	31,01	0,71
	0,754	1,02	3,62	47,07	33,49	0,71
	0,722	1,03	3,74	50,29	36,03	0,71
	0,653	1,03	4,06	60,36	42,75	0,71
	0,596	1,05	4,37	69,83	49,87	0,71

Таблиця 7.6 - Розрахункові константи рівняння подібності для тепловіддачі при природній конвекції навколо горизонтальної труби

 

Ra	С	n
10^-3-5×10^2	1,18	0,125
5×10^2-2×10^7	0,54	0,25
2×10^7-10^12	0,135	0,33

 

 

Питання для самоперевірки

1. Що називається теплообміном?

2. Назвіть види теплообміну?

3. Що називається теплопровідністю?

4. Який теплообмін називається конвективним?

5. Що називають теплоносієм?

6. Які є види руху теплоносіїв?

7. Які є режими конвекції теплоносіїв?

8. В чому відмінність між природною та вимушеною конвек-цією?

9. Який фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі?

10. Від яких величин залежить коефіцієнт тепловіддачі?

11. Чи є коефіцієнт тепловіддачі фізичною характеристикою теплоносія? Чому?

12. В яких межах знаходиться коефіцієнт тепловіддачі від по-верхні до газів при природній конвекції?

13. В яких середовищах коефіцієнт тепловіддачі більший: в рі-динах чи газах?

14. Запишіть рівняння, які описують процес тепловіддачі?

15. Як формулюються перша, друга і третя теореми подібнос-ті?

16. Що таке число подібності?

17. Які числа подібності використовують при вивченні стаціо-нарної тепловіддачі?

18. Чому в рівнянні подібності для природної конвекції, відсутнє число Рейнольдса?

19. Запишіть рівняння Ньютона-Ріхмана для тепловіддачі?

20. Які вимірювальні прилади входять в установку і для чого вони використовуються?

21. Який елемент установки використовується для регулю-вання теплового потоку?

22. За якою формулою визначається тепловий потік, що передається від електронагрівника до труби?

23. За якою формулою визначаються максимально можливі відносні похибки прямих вимірів?

 

 

Лабораторна робота № 9

Визначення коефіцієнта теплопровідності методом “труби”

Мета і задачі роботи

Метою роботи є експериментальне визначення коефіцієнта теплопровідності твердого матеріалу методом циліндричного шару (труби).

Задачі:

- засвоєння основних понять і залежностей теорії теплопровідності;

- вивчення призначення основних елементів дослідної установки і методики проведення експерименту;

- набуття навиків обробки дослідних даних і оцінки похибки вимірювання.

 

Теоретичні положення

Теплообмін - незворотний процес перенесення теплоти в просторі з неоднорідним полем температури.

Розрізняють три елементарних способи (механізми) перенесення теплоти: теплопровідність, конвекція, випромінювання.

Теплопровідність - процес перенесення теплоти на молекулярному рівні, тобто методом енергетичної взаємодії між мікрочастинками (молекулами, атомами, електронами).

В найчистішому вигляді теплопровідність спостерігається в твердих суцільних тілах і тонких нерухомих шарах рідини чи газу. В твердих тілах теплообмін здійснюється внаслідок ударів між молекулами і дифузії вільних електронів, а також завдяки пружним коливанням кристалічної решітки.

В рідинах теплопровідність здійснюється шляхом пружних коливань молекул, а в газах - в результаті зіткнень окремих молекул газу і обміну кінетичною енергією.

Полем температури (температурним полем) називається сукупність миттєвих значень температури в усіх точках виділеного для вивчення простору.

Якщо поле температури не зміняється в часі, то воно називається стаціонарним.

Сукупність точок простору з однаковою температурою називається ізотермічною поверхнею. В неоднорідному полі температури є нескінчена кількість ізотермічних поверхонь, які являють собою або замкнуті поверхні, або поверхні, що закінчуються на границях виділеного простору.

Ізотермічні поверхні не доторкаються і не перетинаються, вздовж них перенесення теплоти не здійснюється.

Градієнтом температури називається вектор направлений по нормалі до ізотермічної поверхні в бік збільшення темпера-тури і чисельно рівний частковій похідній від температури за цим напрямом, тобто:

, (8.1)

де - одиничний вектор нормалі.

Тепловим потоком називається кількість теплоти, що переноситься за одиницю часу через довільну поверхню F, тобто:

, (8.2)