Порядок проведення дослідів

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ В ЦИЛІНДРИЧНІЙ СТІНЦІ ЗА СТАЦІОНАРНОГО РЕЖИМУ

 

Мета роботи – вивчити параметри процесу теплопровідності в стаціонарному тепловому режимі; виконати розрахунок температурного поля в циліндричній стінці; порівняти дослідні дані з результатами розрахунку.

 

Основні теоретичні положення

 

Розглянемо граничні умови другого й третього роду для стаціонарного процесу теплопровідності в циліндричній стінці. На внутрішньому боці однорідної ізотропної стінки задано граничні умови другого роду (), на зовнішньому – граничні умови третього роду (коефіцієнт тепловіддачі і температура навколишнього середовища ) [3].

Задача зводиться до відшукання розподілу температур у стінці. Вираз для теплового потоку, що проходить крізь одиницю довжини циліндричної стінки (лінійний тепловий потік), Вт/м:

(1.1)

де – температура відповідно на внутрішній і зовнішній поверхні циліндричної стінки; – теплопровідність матеріалу стінки; – відповідно внутрішній і зовнішній діаметр стінки.

Лінійний тепловий потік на зовнішній стінці

. (1.2)

З (1.1) і (1.2)

. (1.3)

Коефіцієнт тепловіддачі на повітрі

(1.4)

де Q – потужність теплового потоку нагрівника, Вт; – площа боковоїповерхні циліндричної стінки, м²; – ступінь чорноти поверхні циліндричної стінки; С ₀ = 5,7 Вт/(м²·К⁴) – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла; L – довжина циліндричної стінки, м; – абсолютна температура відповідно поверхні циліндра й рідини, К.

Температура в будь-якій точці циліндричної стінки

. (1.5)

Критеріальне рівняння, що описує процес вільної конвекції з твердої поверхні, має вигляд [1]

, (1.6)

де – критерій Нуссельта, – визначальний розмір (, якщо циліндр розміщений горизонтально, , якщо розміщення циліндра вертикальне); – теплопровідність середовища, в якому здійснюється процес, Вт/м·°С; – критерій Грасгофа, , – фізичні параметри середовища, які знаходять за визначальною температурою ; - температурний напір, °С; Pr – критерій Прандтля.

 

Опис установки

На рис. 1.1 зображено схему дослідної установки для дослідження теплопровідності в циліндричній стінці. Вимірювальний вузол являє собою суцільний однорідний циліндр 1 [ = 100 мм, = 250 мм /з алебастру/, = 0,7 Вт/(м·°С)], розташований на металевій підставці 2. У центрі циліндра розміщено нагрівник 3 ( = 20 мм). У матеріал циліндра вбудовано хромель-копелеві термопари 4, що вимірюють зміну температури на глибині

Рис. 1.1. Схема дослідної установки

 

матеріалу (1-а термопара розміщена на = 20 мм, 2-а на = 36 мм, 3-а на = 52 мм, 4-а на = 68 мм, 5-а на = 84 мм, 6-а на = 100 мм). Термопари підключено до електронного потенціометра 5. Потужність електронагрівника регулюється ЛАТРом 6 і контролюється ватметром 7. Температуру навколишнього середовища вимірюють термометром 8.

 

Порядок проведення дослідів

 

Підготувавши установку до роботи й перевіривши справність усіх її вузлів, увімкнути нагрівник. Відрегулювати ЛАТРом потрібну потужність теплового потоку нагрівника й дочекатися встановлення стаціонарного теплового режиму. В стаціонарному режимі виконати вимірювання температур у циліндричній стінці й на поверхні циліндра (не менше 3-х разів), а також навколишнього середовища.

Результати вимірювань внести до табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Діаметр циліндра , м	Довжина циліндра , м	Температу- ра середо- вища ºС	Потужність нагрівника , Вт	Показання приладу по термопарах