sbornik_lab_po_TOT

71

F1 - площадь поверхности нагрева внутренней трубы, м2; F2 - площадь поверхности нагрева наружной трубы, м2;

Тс1, Тс2 - средние абсолютные температуры внутренней и наружной поверх-

ностей труб, К;

, - степень черноты поверхностей внутренней и наружной труб; ==.

Опытные трубы выполнены из слабо полированного дюраля, для которого степень черноты s можно принять равной 0,35.

Расчетное значение эквивалентного коэффициента теплопроводности

определяется следующим образом. Вычисляют число Грасгофа:

фициент конвекции , расчетное значение экв =ж. Значение коэффици-

ентов Vж, ж и число Прандтля Pr выбирают из табл. П.2 приложения по tж = 0,5(tс1 + tc2).

Достаточно определить расчетное значение экв для одного опыта и за-

тем сравнить его с опытным значением для выбранного режима.

4. Содержание отчета

Заполненная форма с результатами измерений и расчетов.

Литература: [1], c. 208...210, [2], с. 96...100, [3], c. 42.43.

Лабораторная работа№9

«Определение коэффициента температуропроводности методом двух

температурных точек при регулярном режиме охлаждения»

1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить физический смысл и методику определения коэффициента температуропровод-

ности материала толстостенной конструктивной детали простой геометрической формы при охлаждении в жидкостном термостате с постоянной температурой среды.

72

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Проектирование машин и механизмов в зависимости от условий будущей их экс-

плуатации помимо прочностных расчетов сопряжено с теплофизическими расчетами

(термическая обработка поршневых пальцев ДВС, трубок теплообменных аппаратов и т.д.), которые впоследствии определяют либо выбор материала детали, либо технологию ее термической обработки. Зачастую, при этом необходимо знать, за какой промежуток времени деталь способна прогреться (остыть) по всей своей толще до заданной темпера-

туры. Все существующие физические тела с точки зрения термокинетики условно подраз-

делены на «термически тонкие» и «термически толстые».

«Термически тонкими» телами называются тела, для которых удельное термическое сопротивление теплоотдачи от греющей среды к рассматриваемому телу значитель-

но больше удельного термического сопротивления переносу теплоты теплопроводностью

внутри тела от его поверхности к середине , т.е. выполняется условие:

где α – коэффициент теплоотдачи Вт/м2∙К; λ – коэффициент теплопроводности тела Вт/м∙К;

δ – половина определяющего размера тела, м.

При невыполнении указанного условия тела называются термически толстыми, то есть разные участки тела нагреваются или охлаждаются с различной скоростью, а темпе-

ратура внутри нагреваемого (охлаждаемого) тела зависит не только от времени, но и от координат

t =f (x;y;z;τ).

Распространение тепла в различных материалах и аппаратах может происходить при установившемся (стационарном) и неустановившемся (нестационарном) режимах. При

установившемся режиме температура t в каждой точке тела со временем τ остается посто-

янной: = 0

Неустановившийся режим характеризуется изменением температуры точек тела по времени, когда в каждой точке≠ 0. Установившийся режим может быть однозначным (на-

грев или охлаждение) или колебательным (чередование нагрева и охлаждения). Процесс нагрева (охлаждения) тел различной геометрической формы условно подразделяют на три периода:

73

- неупорядоченная стадия (скорость изменения температуры внутри тела зави-

сит от начального распределения температуры);

- вторая стадия (регулярный режим) – режим определяемый условиями на границе тела и окружающей его среды, физическим свойствами тела, геометрией и размерами те-

ла;

- стационарный режим, при котором температура во всех точках тела равна темпера-

туре окружающей среды.

Метод регулярного режима как метод определения термических характеристик

«термически толстых» тел различных геометрических форм относятся к нестационарным методам.

Процесс нагрева и охлаждения тела при регулярном режиме описывается выражени-

ем:

где ϑ=(t1 – t3) –избыточная температура, С0; t1 – температура тела, С0;

t3– температура среды, С0;

С – постоянный коэффициент, определяемый начальными условиями охлаждения (нагре-

ва);

m – температура изменения температуры в конкретной точке тела С0/с; τ – время, с.

Связь между временными и пространственными изменениями температуры в любой точке тела, в которых происходит процесс теплопроводности, устанавливается уравнени-

ем теплопроводности. При отсутствии источников и стоков теплоты в объеме тела V пол-

ный тепловой поток, уходящий через поверхность F будет определяться выражением:

где:

q – плотность теплового потока, Вт/м2; -площадь элементарной поверхности, м2;

λ – коэффициент теплопроводности вещества, Вт/м∙К;

–оператор Лапласа, характеризующий направление градиента температуры; с – удельная теплоемкость вещества, Вт∙с/кг∙К; ρ – плотность вещества, кг/м3.

Так как равенство (3) справедливо для любого произвольно выбранного объема, то подынтегральные выражения так же равны друг другу:

74

параметром вещества и мерой теплоинерционных свойств тела;

- коэффициент теплопроводности, Вт/мК; с – удельная теплоёмкость вещества,

Дж/кг∙К;

- плотность вещества, кг/м3.

Всвою очередь, понятие «темп нагрева» определяется выражением:

Темп нагрева (охлаждения) определяет относительную скорость изменения темпе-

ратуры, которая при регулярном режиме не зависит от координат и времени и является постоянной величиной.

Интегрирование выражения (5) дает уравнение для нахождения темпа нагрева (ох-

лаждения) тела:

Установлено, что темп охлаждения (нагревания) однородного тела при конечном

значении коэффициента теплоотдачи пропорционален коэффициенту теплоотдачи, пло-

щади поверхности тела и обратно пропорционален его теплоёмкости:

где: - коэффициент неравномерности распределения температуры; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2∙К;

F – площадь поверхности тела, м2;

с – теплоемкость тела, Дж/К.

При наступлении регулярного режима темп охлаждения не зависит ни от координат,

ни от времени и является величиной постоянной для всех точек тела. Установлено также,

что если коэффициент теплоотдачи α → ∞, то имеет место соотношение:

где: a — коэффициент температуропроводности;

k — коэффициент формы, определяемый геометрией и размерами тела, m – температура нагрева (охлаждения).

75

Коэффициент k для простых геометрических фигур определяют по следующим

где: l1, l2, l3 — длины сторон параллелепипеда.

Таким образом, зная размеры и форму тела, ряд мгновенных значений избыточной температуры и периоды времени протекания процесса охлаждения (нагрева) можно опре-

делить значение коэффициента температуропроводности физического тела. Этот метод определения коэффициента температуропроводности получил название метода двух тем-

пературных точек при регулярном режиме охлаждения (нагреве).

Следует отметить, что в пределах заданного интервала температур нагрева (охлаж-

дения) теплофизические свойства материала и условия теплообмена с внешней средой ме-

няются значительно, поэтому при выполнении точного определения коэффициента темпе-

ратуропроводности заданный интервал необходимо разбить на более мелкие и полное время нагрева найти суммированием.

3 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки приведена на рис.1. На передней панели нахо-

дятся два двухканальных измерителя температуры (1, 2), подключённые к трём хромель-

копелевым термопарам. Первый канал измерителя (1) подключён к термопаре (5), изме-

ряющей температуру толстостенной цилиндрической детали (6) в середине на ее оси.

Первый канал измерителя температуры (2) подключён к термопаре (3), измеряющей тем-

пературу в толще детали (6) на расстоянии 15 мм от ее оси. Второй канал измерителя (2)

подключён к термопаре (4), измеряющей температуру внешней среды (воды) в стакане термостата (16) вблизи цилиндра. На передней панели также находятся: тумблер (8)

включения электропитания установки; тумблер (9) насоса (19) термостата; тумблер (10)

включения нагревателя термостата; тумблеры включения измерителей температуры (11, 12) включения питания электропечи (7) и регулятора мощности (13) электропечи; устрой-

ство перемещения (15) детали из печи (14) в ёмкость (16) термостата.

Нагреватель термостата (17) оснащен расширительным бачком (20) с циркуляцион-

ным насосом (19), на передней панели имеется регулятор температуры (18) циркулирую-

щей через термостат воды.

76

Рисунок 2 Лабораторная установка: а) общий вид, б) схема.

1, 2 – двухканальные измерители температуры; 3, 4, 5 – хромель-копелевые термопары; 6

– цилиндрическая деталь; 7 – тумблер включения регулятора температуры; 8 – тумблер включения электропитания установки; 9 – тумблер включения насоса термостата; 10 –

тумблер включения нагревателя термостата; 11, 12 – тумблер включения измерителей температуры; 13 – регулятор мощности электропечи; 14 – электропечь; 15 – устройство перемещения образца; 16 – емкость термостата; 17 – термостат; 18 – регулятор нагревате-

ля термостата; 19 – насос термостата; 20 – расширительный бачок; 21 – вентиль термоста-

та; 22 –вентиль расширительного бачка; 23 – питающая магистраль термостата;

24 - подающая магистраль термостата.

4 ПОДГОТОВКА УСТАНОВКИ К РАБОТЕ

1. Заполнить водоциркуляционную систему термостата дистиллированной водой. Для это-

го необходимо:

а) Соединить виниловыми трубками вентиль (21) со штуцером питающей магистрали (23),

а штуцер насоса (19) - со штуцером подающей магистрали (24).

б) Открыть вентиль (22)расширительного бачка (20) нагревателя (17) термостата. Запол-

нить систему дистиллированной водой через расширительный бачок (20) до полного уда-

ления воздуха.

в) Закрыть вентиль (22).

77

г) Заполнить дистиллированной водой ёмкость (16) термостата примерно на 5/6 её высоты.

2. Подключить циркуляционный насос (19) и водонагреватель (17) термостата к соответ-

ствующим сетевым розеткам электропитания на задней панели установки.

3. Отключить регулятор температуры (13), повернув диск регулирования против часовой стрелки до щелчка. Включить электропитание установки тумблером (8), измерители тем-

пературы тумблерами (11) и (12).

4. Тумблером (9) включить циркуляционный насос (19). Циркуляция воды в контуре с ём-

костью (16) происходит в том случае если виниловые шланги магистралей (23) и (24) пол-

ностью заполнятся водой.

5. Если циркуляции воды в контуре не происходит, то следует удалить воздух из насоса

(19). Для этого необходимо несколько раз повторить включение насоса или открыв кран

(22) добавить воды в систему через расширительный бачок (20) и удалить находящийся в системе воздух, затем закрыть кран (22).

5 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1Ознакомиться с конструкцией лабораторной установки.

5.2Убедится в исправности установки и наличии измерительных приборов.

5.3Подготовить лабораторную установку к пуску, подключить электропитание установки

( 220 В).

5.4 Включить установку тумблером (8), циркуляционный насос термостата – тумблером

(9). По истечении 2…3 мин включить водонагреватель тумблером (10). Установить задан-

ную температуру нагрева воды регулятором (18) нагревателя термостата.

5.5 С помощью подъёмного устройства (15) осторожно поместить в электропечь (14) де-

таль (6).

5.6 Включить клавишей регулятор температуры (13) печи (14) и повернуть диск регулиро-

вания по часовой стрелке на четверть оборота.

5.7Произвести плавный нагрев детали до температуры 60-70Со.

5.8С помощью подъёмного устройства (15) переместить образец из печи (14) в ёмкость

(16) термостата с циркулирующей в ней водой.

5.9 Включить секундомер. Через каждые 10 секунд произвести отсчет показаний измери-

телей температуры(1,2) среды и детали. Замеры проводить до выравнивания температур t1, t2, t3. Результаты занести в таблицу 1.

5.10Повторить опыт для вновь заданной (отличной от предыдущей) температуры среды.

5.11Выключить установку.

Согласно полученным экспериментальным данным рассчитываются следующие парамет-

ры (величины):

7.1 Определяем мгновенные значения избыточной температуры толстостенной детали по отношению к температуре среды:

υ=(t1-t3),

где t1 – внутренняя температура (на ее оси) детали; t3 – температура внешней среды, С0.

7.2 Для построения графика ln υ = f () и определения регулярного режима определяем значения натуральных логарифмов мгновенных значений избыточной температуры. По-

лученные значения заносим в таблицу 2.

7.3По выражению (6) определить темп охлаждения (нагрева) детали.

7.4Согласно формуле (10) определить коэффициент формы k цилиндрической детали.

7.5Коэффициент температуропроводности по выражению a = k· m результат занести в таблицу 2.

8 СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет выполняется в тетради. Он должен содержать в себе принципиальную схему установки, ведомость испытаний, расчетные формулы и примеры расчетов одного режи-

ма. Оформленный отчет предоставляется преподавателю.

9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Что такое регулярный режим?

2.Физический смысл коэффициента температуропроводности?

3.Порядок определения коэффициента температуропроводности?

4.Укажите зависимость коэффициента температуропроводности тела от его формы.

5.Сущность метода «двух температурных точек при регулярном режиме охлаждения» для определения коэффициента температуропроводности?

6.Объясните устройство и принцип действия лабораторной установки.

80

ческой формы.

8.Что характеризует оператор Лапласа в выражении для определения полного теплового потока, проходящего через поверхность?

9.Какие тела называются: «термически тонкими», «термически толстыми»?

10.Чем отличается стационарный режим распространения тепла в различных материалах от нестационарного?

Лабораторная работа №10

«Исследование процесса теплоотдачи при пузырьковом кипении

жидкости»

Цель работы - закрепление знаний студентов о процессе и расчете теплоотдачи при кипении жидкости и экспериментальное определение коэффициента теплоотдачи от нагретого тела к кипящей воде.

1.Основы теории

Кипением называется процесс образования пара в объеме жидкости при

подводе теплоты. Температура образующегося пара носит название температуры насыщения tн. Различают два режима кипения: пузырьковый и пленочный. Если температура поверхности теплообмена (стенки) tс выше температуры насыщения tн, на поверхности возникают пузырьки пара в так называемых центрах парообразования - неровностях самой стенки. При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают, а на их месте образуются новые пузырьки.

При пузырьковом кипении движение пузырьков после отрыва их от поверхности приводит к интенсивной циркуляции и перемешиванию жидкости в пограничном слое, в результате чего усиливается теплоотдача от поверхности стенки к жидкости. При большом увеличении температурного напора t = tст – tн увеличивается число центров парообразования и из пузырьков пара образуется сплошная пленка, представляющая большое термическое сопротивление теплоотдаче от стенки к жидкости.