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

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	м2	pdl
Q	Вт	IU
a	Вт/(м2×К)	Q/(FDT)
	%	KIIN/I
	%	KUUN/U
	%	KTtN/tc
	%
n	м2/с	-
l	Вт/(м×К)	-
Pr	-	-
Gr	-	gd3DT/(n2(tm+273))
Ra	-	PrGr
C	-	-
n	-	-
Nup	-	CRan
ap	Вт/(м2×К)	Nupl/d
dap	%

 

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

Процес	Теплоносій	a
Природна конвекція	Гази Вода	5...30 102...103
Вимушена конвекція	Гази Вода Оливи	10...500 500...2×104 50...2×103
Кипіння	Вода	2×103...4×104
Конденсація	Водяна пара	4×104...1,2×105

 

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

 

t,0С	r, кг/м3	ср ×103, Дж/(кг×К)	l ×10-2, Вт/(м×К)	a ×10-6, м2/с	n ×10-6, м2/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
10-3-5×102	1,18	0,125
5×102-2×107	0,54	0,25
2×107-1012	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)

де Q - тепловий потік, Вт; Q_t - кількість теплоти, Дж; t - час переносу теплоти, с.

Тепловий потік через одиницю площі поверхні називається густиною теплового потоку або питомим тепловим потоком:

. (8.3)

Основним законом теплопровідності є рівняння, запропоноване французьким вченим Біо, і сформульоване в сучасному вигляді Фур’є. Рівняння встановлює прямопропорційну залежність між густиною теплового потоку і температурним градієнтом:

q=-lÑt, (8.4)

де q - густина теплового потоку через ізотермічну поверхню, Вт/м²; l - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м×К); Ñt - градієнт температури, К/м.

Коефіцієнт теплопровідності характеризує здатність тіл проводити теплоту, і є їх теплофізичною характеристикою.

Чисельно коефіцієнт теплопровідності рівний густині теплового потоку при градієнті температур 1 К/м.

Коефіцієнт теплопровідності залежить від температури і для металів та сплавів знаходиться в межах 2-458 Вт/(м×К), для будівельних і теплоізоляційних матеріалів - від 0,02 до 3 Вт/(м×К), для рідин - від 0,07 до 0,7 Вт/(м×К), для газів - від 0,006 до 0,6 Вт/(м×К).

Коефіцієнт теплопровідності чистих металів (за винятком алюмінію) із зростанням температури зменшується, а для теплоізоляційних і будівельних матеріалів зростає. Для більшості рідин коефіцієнт теплопровідності зменшується при зростанні температури. Виняток становлять вода і гліцерин. У газів l при підвищенні температури зростає.

Слід зазначити, що домішки різко знижують коефіцієнт теплопровідності металів. Коефіцієнт теплопровідності пористих тіл залежить від їх пористості і вологості. З ростом вологості пористого матеріалу коефіцієнт теплопровідності збільшується. Збільшення пористості матеріалу супроводжується зниженням коефіцієнта теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності газової суміші не є адитивною величиною, тому його потрібно визначати дослідним шляхом.

Таким чином, в загальному випадку коефіцієнт теплопровідності у різних тіл різний і залежить від їх структури, температури, наявності домішок, густини, вологості, тиску і т.д.

Запропоновані різними авторами формули для визначення коефіцієнта теплопровідності газів забезпечують точність 5% і потребують знання інших теплофізичних характеристик, таких як динамічний коефіцієнт в’язкості, ізобарна теплоємність, і т.д. Значні труднощі викликає аналітичне визначення коефіцієнта теплопровідності для ізоляційних і будівельних матеріалів, гірських порід і т.д.

Тому отримання надійних даних про коефіцієнт теплопровідності таких матеріалів потребує проведення експерименту.

Більшість використовуваних методів дослідного визначення коефіцієнта теплопровідності побудоване на закономірностях протікання процесів при стаціонарному режимі. До них належать: метод труби, плити, кулі та нагрітої нитки для визначення коефіцієнта теплопровідності рідин і газів.

Суть методу труби полягає в тому, що на металеву трубу ззовні накладають циліндричний шар досліджуваного матеріалу, а в середині розміщують нагрівник. При стаціонарному режимі вся теплота, що виділяється нагрівником проходить послідовно через бокову поверхню труби і шар досліджуваного матеріалу та передається в навколишнє середовище.