УДК 621.1.016.4 (03)

Лабораторный практикум по курсу “Тепломассообмен”/ Маркин А. Д., Пятышкин Г.Г., Илющенко В.И., - Донецк: ДонГТУ, 2000. -72 с.

В лабораторном практикуме описаны экспериментальные установки, даны методические указания по проведению исследований и статистической обработке экспериментальных данных с помощью ЭВМ.

Составители: Маркин А. Д.

Пятышкин Г.Г.

Илющенко В. И.

Рецензент Яковенко А. Т.

© Донецкий Государственный Технический Университет, 2000

ВВЕДЕНИЕ

В процессе изучения курса "Тепломассообмен" студентами специ­альности для закрепления теоретических знаний и получения навыков экспериментальных исследований предусматривается выполнение лабораторных работ по основным разделам курса.

Методические указания должны облегчить подготовку студентов к выполнению этих работ.

При составлении методических указаний предполагалось, что сту­дент предварительно изучил материал соответствующего раздела по конспекту и ре­комендуемым учебникам и учебным пособиям.

Перед выполнением лабораторной работы студент должен сдать за­чет преподавателю по теоретическому материалу, знанию устройства установки и методики проведения эксперимента и обработки получаемых данных.

Приступить к выполнению лабораторных работ студент может толь­ко после разрешения преподавателя.

Каждым студентом заблаговременно готовится бланк протокола наблюдений.

После окончания эксперимента протокол наблюдений должен быть подписан преподавателем и при оформлении приложен к отчету.

При выполнении лабораторных работ должны строго соблюдаться правила техники безопасности.

Отчеты по лабораторным работам оформляются на листах писчей бумаги установленного формата в соответствии с ЕСКД и сшиваются в брошюру.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ СТЕРЖНЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Углубление знаний по теории теплопроводности, изучение методи­ки экспериментального определения коэффициента теплопроводности в стационарном режиме, получение навыков в применении статистических методов для обработки экспериментальных данных на ЭВМ.

2. ЗАДАНИЕ

Определить значение коэффициентов теплопроводности исследуемых материалов в заданных интервалах температур.

Обработать экспериментальные данные, оценить погрешность эксперимента.

Составить отчет и защитить его.

3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Аналитическая теория теплопроводности не учитывает молекулярного строения вещества, рассматривая его как континиум. Характерис­тиками исследуемого объема некоторого вещества являются поля физи­ческих величин во всех точках пространства в некоторый фиксированный момент времени. Например: количественным выражением температурного поля является уравнение вида

(1)

для поля градиента температуры

и т.д. (2)

Под grad t будем понимать вектор, абсолютная величина которо­го равна пределу отношения изменения температуры Dt к расстоянию между изотермами по нормали Dn при условии, что Dn®0. Экспериментально установленная связь между полем теплового потока и полем градиентов температуры

(3)

получила название закона Фурье. Коэффициент пропорциональности является скалярной величиной и называется коэффициентом теплопроводности, характеризующим способность материала проводить тепло. В общем случае поле температур определяется решением уравнения теплопроводности

(4)

с соответствующими условиями однозначности.

Условия однозначности включают:

- геометрические условия – определяют геометрию исследуемого объема в любой выбранной системе координат;

- физические условия – определяют свойства среды в исследуемом объеме;

- временные условия – определяют поле температур в момент времени, предшествующий анализу;

- граничные условия – определяют условия теплообмена на границах исследуемого объема.

На базе уравнения (4) теория теплопроводности рассматривает четыре класса задач.

I класс. Прямые задачи

Заданы геометрические, физические, временные и граничные условия. Определена математическая модель процесса.

Определяется поле температур.

2 Класс. Обратные задачи:

а) граничные;

б) коэффициентные;

в) временные (ретроспективные).

Заданы геометрические, физические и временные условия. Определена математическая модель и известны (измерены экспериментально) некоторые параметры процесса (например – поля температур).

Определяются граничные условия.

3 Класс. Инверсные задачи

Заданы геометрические, временные и граничные условия. Опреде­лена математическая модель и известны (измерены экспериментально) некоторые параметры теплообменного процесса (поле температур).

Определяются физические условия.

4 Класс. Индуктивные задачи

Заданы геометрические, физические, временные и граничные усло­вия. Определены экспериментально параметры процессов, например поле температур.

Определяют (уточняют) – математическую модель процесса.

Задачи исследования физических свойств материалов (инверсные задачи) могут решаться как для стационарного, так и для нестационарного режимов. Один из наиболее простых способов определения коэффициента теплопроводности металлов базируется на решении стационарного уравнения теплопроводности для плоской стенки

(5)

при х=0: t=t₁

при х=S: t=t₂

Решение этой задачи имеет достаточно простую форму

(6)

откуда

(7)

В соответствии с уравнением (7) для расчета необходимо измерить количество тепла, проходящего через стенку за время и получающуюся при этом разность температур на границах х=0 и х=S .

4. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ.

Экспериментальная установка для исследования коэффициента теплопроводности материалов методом стержня (рисунок 1.1) включает в себя три металлических сосуда 1, 2, 3 соединенные между собой испытуемыми образцами материалов 4, нагреватель 5, термометры 6, лабораторный автотрансформатор 7, вольтметр 8, выключатель 9. Испытуемые образцы впаяны в боковые стенки сосудов, а для снижения потерь тепла боковой поверхностью образцов, они теплоизолированы материалом 10. Через отверстия в сосуды залита вода с помощью воронки 11

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ.

После ознакомления с инструкцией и подготовки журнала наблюдения, получить от преподавателя разрешение на проведение экспериментальной части.

Залить в центральный сосуд 200 г воды, при этом уровень воды находится выше нагревателей, впаянных в сосуд.

Под наблюдением преподавателя включить нагреватель.

После закипания воды в центральном сосуде отрегулировать ЛАТРом напряжение, при котором наблюдается слабое кипение.

Через 10-12 минут (это время необходимо для установления ста­ционарного теплового состояния) залить в крайние сосуды по 200 г воды, после чего производят измерение температуры через каждые 2 мин. в течение 12-18 минут.

По окончании замеров выключить нагреватель и откачать воду из сосудов.