лабораторные
.pdf
Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра «Теплогазоснабжение и вентиляция»
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Б |
Т |
|
|
|
|
|
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ Н |
|
||||||
|
|
|
по тепломассообмену для студентов |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
специальности Т. 19.05 - «Теплогазоснабжение, вентиляция |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
р |
|
|
|
|
|
|
|
|
и охрана воздушногойбассейна» |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М и н с к 1998
УДК621.1.(Н^
Лабораторный практикум предназначен для студентов специальности Т, 19,05 - «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» и служит для выполнения лабораторных работ по курсу «Тепломассообмен». Тематика лабораторных работ охва-
тывает важнейшие разделы курса и соответствует профамме по |
||||||||||||
тепломассообмену. |
|
|
|
|
|
Н |
У |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Составители. |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
Б |
Т |
|||||
|
В.Д.Акельев, И.И.Станецкая, Е.С.Калиниченко |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
й |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рецензент А.П.Несенчук |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
©, Акельев |
В.Д., Станецкая И.И., |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Калиниченко Е.С., составление, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1998 |
|
|
|
|
Общие указания
1.Для выполнения лабораторных работ следует ознакомиться с основными правилами их проведения, получить инструктаж по технике безопасности и противопожарной технике.
2.J 1одго10вка к лабораторной работе заключается в ознакомлении с методикой се выполнения по настоящему практикуму,Ус >'чсбной литерату))ой по ку|)су, а также в оформт1ении протокола работы. Т
3.Отчет по работ»; чолкен включать: цел», работы,Носновные расчетные зависимосш, схему установки, резулыаты наблюдений
иих обраЫ^гки, выводы. Б
|
|
|
й |
1. Запрещается, включать и выключать лабораторные установки |
|||
|
|
р |
|
без разрс1иения препсдавагеля; переставлять приборы, аппараты и |
|||
|
проводо |
|
|
другое оборудование; прикасатьсяик гоковедущим частям, которые |
|||
находятся или могут находиться под нагрузкой; производить пере- |
|||
т |
в на лабораторных установках; |
||
соединения электрических |
|||
и |
|
|
|
касаться нафегых поверхностей. |
|
||
2. При обнаружени неисправнсюгей или повреждении лабораторного оборудованияз необкодимо немедленно сообщить об этом преподавателю.о
3. Впслучае пожара с.'е.^уег немедленно принять меры по ликви-
4. При чесчасгном случае необходимо оказать первую помощь Рпосфадаитему, В случае необходимости вызвать скорую помошь
дации загорания, при необ.Уолимос1и вызвать пожарную команду по теле^юнуге/«ефону 01
по 03
Лабораторная работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЩЕПТОВ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ РЕГУЛЯРНОГО РЕЖИМА
Цель работы:
Ознакомление с закономерностями регулярного режима, опре-
деление |
ксв())фи1»општемперш>рсг|хвод^юсгаразличных |
материалов |
|||||||||||||
методом акалориметра; расчет коэффициентов теплопроводности.У |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
1.1. Общие сведения |
|
Т |
||||||||
Характеристикой тела с точки зрения выравнивания температу- |
|||||||||||||||
ры является |
величина, |
называемая |
|
|
|
|
Н |
||||||||
ко.эффициентом тсмперат>'ро- |
|||||||||||||||
проводности |
а. Коэффициент |
температуропровсдности численно |
|||||||||||||
равен количеству теплоты, просекающе |
|
|
Б |
|
|
||||||||||
|
в единицу времени через |
||||||||||||||
единицу |
noBepxHiXTH |
при |
|
|
|
е |
концентрации |
|
внутренней |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
й |
|
|
|||
энер1ии в 1 Дж/м^ на единицу д.'пшы нормали. Он является коэф- |
|||||||||||||||
фицие1ггим диффузии внуфенней |
|
|
|
и или энтальпии в зависи- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
энерги |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
перепад |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
котору |
|
|
|
|
|
|
|
|||
мости от услоы1Й сопряжения тела с окружающей средой {V=const |
|||||||||||||||
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
или p=const). Коэффициенг гемпературопроводности имеет кине- |
|||||||||||||||
|
|
|
ил |
|
|
ю не входят измерители массы и |
|||||||||
матическую размерность, в |
|
|
|||||||||||||
|
|
з |
|
|
|
|
|
перераспределения |
температу- |
||||||
энергии, и характеризуе скорость |
|||||||||||||||
ры, выражаемую в м'/с |
и м7ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С ка"?ффицие1пом теплопроводности Л, плотностью р ri массавой удельной гешюемкосгью с коэффициент температуропровод-
ности связан выражением |
|
|
|
п |
а = - — : |
|
(1.1) |
е |
ср |
|
|
|
температуропроводноо и. |
||
Величина, (обратная коэффициенту |
|||
Рхарактеризует инерционные свойства тела |
и отношении. распро- |
||
странения температурного |
поля Одним |
из |
наиб<1лес iv.n.i;.'-/HHep- |
ционных тел является вода. Коэффициент температуропроводности зависит от физических свойств тела, его темпера г,'рь;.
В настоящей работе коэффициент т^емпературопронодиости определяется методом, скнованнь-.м на закочомериос^я" регулярного
теплового режима, который является разновидностью нестационарного теплового режима.
Если тело поместить в жидкость с большей или меньшей температурой, начнется процесс теплообмена, который продолжается до тех пор, пока температура тела во всех его точках не станет равной температуре жидкости. В начальный момент времени этот процесс
будет неутюрядоченным из-за влияния температурного поля, кото-, рое существовало до начала теплообмена. По истечении некоторого времени (Fo>0,55) изменение температурного поля описывается уравнением
v = t^-t=A-Vexp{-m-T), |
|
|
|
У |
||
|
|
Т |
(1.2) |
|||
где V - избыточная температ^фа, °С; |
|
|
|
|||
|
Н |
|
|
|||
t - температура тела, °С; |
|
|
|
|
||
/ас - температура жидкости, "С; |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
А - коэффициент, зависящий от формы тела; |
|
|
|
|||
|
|
Б |
|
|
|
|
V- функция, зависящая от координат точки; |
|
|
|
|
||
|
й |
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
т - время, с;
т - темп охлаждения (нагрева), 1/с. |
|||||
|
|
|
|
о |
|
Процесс теплопроводности, 1ф котором поле избыточной тем- |
|||||
пературы V автомодельно в |
времени, то есть остается подобным |
||||
при изменении времени, называется регулярным тепловым режи- |
|||||
|
|
и |
|
|
|
мом. Такой режим продолжается до выравнивания температур тела |
|||||
и жидкости. |
з |
т |
|
||
Таким образом, весь процесс хеплообмена включает: |
|||||
о |
|
|
|
процесс, характеризующийся боль- |
|
1) явно |
неупорядоченный |
||||
шим влияниемптемпературного поля при г-О,
2) регулярный режим, когда температурное поле изменяется по экспонентвремени; е и скорость теплообмена для всех точек не зависит от 3) равновесный режим, когда температура тела во всех точках
Рпостоянна и одинакова, то есть на границе тела нет теплообмена. Логарифмируя (1.2) при постоянной TCMnepaiype окружающей
среды, получаем
(1.3)
Из (13) следует, что натуральный логарифм избыточной температуры в любой точке изменяется по времени по линейному закону
Псследифференцирования уравнения (1.3) по времени no.T/4aei>f
т- |
-const |
vl-"*; |
|
и -Sr |
|
Темп охлаждения т характеризует относи гельиую скорость изменения избыточной 1емпературы в ч-еле и завис»?! от его фн:,ических свойств, процесса теплообмема на его noiispxHoctn, геомогрической формы и размеров тела.
Для определения темпа охлаждени.» измеряют температуру тела |
|||||||
в процессе сю теплообмена с жидкостью, |
|
Т |
|||||
имеющей ш.ктоянную |
|||||||
|
|
|
|
|
Н |
|
|
TCNHieparypy. Затем в полулогарифмических координагахУнаходя! |
|||||||
зависимость Inv от времени (рис. 1.1). |
|
|
|
||||
|
|
|
|
й |
|
|
|
ил |
|
1 |
Б |
|
|
||
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
р |
|
|
Я |
|
|
Рис. 1.1Зяиийнмость Inv 01 вреноии т |
\ |
т |
||||
|
|
т |
" 1 - ; - |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
Темп охлаж^цения спг-еделяется как -1анггнс угла наклона отрез- |
|||||||
ка прямой 1 -2 к ос аЬсцисс |
|
|
|
|
|
||
|
о |
|
i |
|
|
|
(i.5) |
|
з |
|
|
|
|
||
е |
|
|
ri-h |
|
|
|
|
Если тенлосЗме:. гфоисходит при ксзффидиет'с геп.1<ютиачи, |
|||||||
Р |
|
|
|
|
|
|
|
стремящемсяпк » (практически достаточно, если i?,>100), к, гра- |
|||||||
ничны условия З-го рода псрсхсдя! ь граничные условия |
1 го ро- |
||||||
да Тогда коэффнонспт тсмпературопрево.цкосги ^У ler НЧУСЛ"ТЬГ ч из выражения
где .4 - колффи!"!^'^!!! iip-.uK>j;i'H0;;^4hh0<v v (к» 1г1чря,>иен1 зависящий TOft-yf о: гео^ииричсских раэм.^юс и формы тела, для
неограниченной пластины, шара, параллелепипеда и цилиндра А находится соответственно из формул (1.7)...(1.10):
п |
(1.7) |
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
' |
|
Т |
( 1 8 ) |
|
|
|
|
|
|
|
кг ) |
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
/1 = У \ 2 |
/ |
\ 2 |
f \ ( 1 9 ) |
|||||
|
|
|
|
|
л |
|
Л |
|
Л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
й |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
J i . |
|
+ |
Л Б. |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
[ ^ 2 ) |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
>4 = - |
р |
|
|
|
|
(1.10) |
||
|
|
|
|
|
Г 2,40512 |
/ П \2 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
т |
|
U J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
где б, г, i • соответственнотолщина, радиус, длина образца, м. |
|
|||||||||||
|
|
|
з |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.2. Схема лабораторной установки
1.2. Описание лабораторной установки
Установка состоит из термостата 1, исследуемых образцов 5, потенциометра 3, термопар 6 и термометра 2 для измерения температуры воды в термостате (рис. 1.2). Для интенсивного перемешивания воды имеется двигатель 4 с крыльчаткой. Постоянство тем-
пературы в термостате достигается с помощью электротермометра, |
||
|
|
У |
кошактная схема которого настроена на требуемую температуру. |
||
Нагрев воды осуществляется электронагревателем 7. |
Т |
|
|
|
|
Н |
|
|
Г.З. Методика выполнения работы |
|
|
В термостат с водой, имеющей постоянную температуру, помещаем один или несколько образцов из раз;шчных материалов и
|
|
|
|
|
|
|
й |
|
|
|
|
включаем секундомер. Затем измеряем температуру образцов через |
|||||||||||
каждую минуту до наступления теплового Бравновесия между об- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
и |
|
|
|
||
разцами и водой. Результаты измерени |
сводим в табл. 1.1. |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
р |
|
|
|
Т а б л и ц а 1.1 |
|
|
|
|
|
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Результаты измерениц |
|
|
|
||||
|
Время |
и |
|
Температура образцов |
|
||||||
|
Темпера- |
|
|
||||||||
№ |
г, |
|
з |
т |
|
|
|
|
|
Приме- |
|
пп |
|
тура среды |
|
h |
|
h |
и |
h |
чание |
||
мин |
|
1ж/С |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
о1.4. Обработка результатов эксперимента |
|
|||||||||
Р |
|
|
|
|
|
|
v =/(г) |
Рекомендуемый |
|||
Находим графическую зависимость |
|||||||||||
масштаб: 1 мин - 1 см; 0,05 tnw - 1 см. Линейная зависимость между inw и г свидетельствует о наступлении регулярного режима. На прямой выбираем две точки с интервалом времени не менее 5 мин и по формуле (1.5) определяем темп охлаждения.
Используя данные измерений, по формулам (1.7-1.10) рассчитываем коэффициент формы.
Теплофизические характеристики и геометрические размеры образцов приведены в табл. 1.2.
Из формулы (1.1) определяем коэффициент теплопроводности материала образца и сравниваем со справочными данными. Резуль-
таты расчета сводим в табл. 1.3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
1.2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
^'^Теплофизические характеристики и геометрические |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
размеры образцов |
|
|
Т |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
HoMq> |
|
Ма1^нал |
|
|
с. |
|
р. кг/м' |
|
Размеры цилиндра, м |
|
||||||||
эбразца |
|
кДж/(1сгК) |
Б |
|
1 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г |
|
|
|||||||
1 |
|
Песок |
|
|
0,84 |
|
1600 |
|
0,030 |
|
0,091 |
|
||||||
2 |
|
Газосиликат |
|
0,84 |
|
|
800 |
|
0,030Н |
0,088 |
|
|||||||
3 |
|
Бетон |
|
|
0,88 |
|
|
|
|
й |
0,031 |
|
0,108 |
|
||||
|
|
|
|
2400 |
|
|
|
|||||||||||
4 |
|
Кирпич |
|
|
0,88 |
|
и |
|
0,031 |
|
0,108 |
|
||||||
|
|
|
|
|
1600 |
|
|
|
||||||||||
5 |
|
Цементно-пес- |
0,84 |
р |
|
|
0,031 |
|
|
|
||||||||
|
|
чаный раствор |
|
|
1800 |
|
|
0.1 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
1. 3 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Результатыо |
|
расчета |
|
|
|
|
|
||||
|
Избыточная |
Темп |
Коэф- |
|
Коэффициент |
|
|
|
|
Коэффициент |
||||||||
|
|
|
|
о |
- |
|
|
|
|
|
|
Коэффициент |
теплопроводно- |
|||||
№ |
гемпература |
|
|
температуро- |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
ОХЛАЖфи- |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
пп |
|
V, |
Inv |
дения |
циент |
|
проводности |
|
|
теплопроводно- |
с т по справач- |
|||||||
|
|
•С |
зформы |
|
|
а.м'/с |
|
|
|
сти X, Вг/^мК) |
ным |
материа- |
||||||
|
|
|
|
т , 1/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лам К Вт/(М'К) |
||||
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
расчета делаем анализ полученных данных и |
|||||||||||||||
Р |
|
|
|
|||||||||||||||
|
о результатамп |
|||||||||||||||||
формулируем выводы. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1.5. Контрольные вопросы
1. Физический смысл коэффи1щентов температуре- и теплопроводности.
2. Методы определения коэффициента теплопроводности.
3. Что называется регулярным тепловым режимом?