Мета роботи – виконати експериментальне дослідження процесу теплопровідності плоскої багатошарової стінки в стаціонарному тепловому режимі; розрахувати теплопровідність матеріалів багатошарової стінки; виконати теоретичний розрахунок температурного поля плоскої багатошарової стінки; порівняти експериментальні дані з результатами розрахунку.
1.1. Основні теоретичні положення
Розглядаючи випадок, коли в процесі передавання теплоти крізь багатошарову плоску стінку для однієї її поверхні задано граничні умови другого роду у вигляді 
/коли: 
/, для другої – коефіцієнт теплопередачі 
і температуру навколишнього середовища 
, тобто граничні умови третього роду [1; 3].
Завдання зводиться до знаходження розподілу температури в кожному шарі стінки і на межах між шарами, коли відомі коефіцієнти теплопровідності кожного шару, а також до знаходження температур на її зовнішніх поверхнях.
З огляду на стаціонарність теплового режиму записуємо систему рівнянь [3]:
/1.1/
Якщо 
має задане значення, то
; /1.2/
. /1.3/
Температура на поверхні між шарами
; /1.4/
. /1.5/
Коефіцієнт тепловіддачі на повітрі
, /1.6/
де Q – потужність теплового потоку нагрівника, Вт; F – площа поверхні плоскої стінки, м2; F = BH; B – ширина стінки, м; B = 0,11 м; H – висота стінки, м; H = 0,245 м; 
– ступінь чорноти поверхні плоскої стінки; С 0 – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, 
= 5,7 Вт/(м2. К 4); 
, 
– абсолютна температура власне поверхні стінки і середовищ, /К.
Критеріальне рівняння, яке описує процес вільної конвекції з твердої поверхні, має вигляд [1].
/1.7
де 
– критерій Нуссельта 
; 
– визначальній розмір у разі вертикального розташування плоскої стінки 
, 
– критерій Грасгофа, 
; 
– фізичні параметри середовища; 
– температурний напір, °С; 
; 
– критерій Прандтля.
Для визначення середніх коефіцієнтів тепловіддачі, якщо ламінарний рух рідини вздовж вертикальної стінки вільний, можна використати такі рівняння [1]: якщо 
, то
; /1.8/
Якщо 
, то
/1.9/
У цих формулах як визначальну взято температуру рідини віддалік від нагрітої поверхні, формули одержано для теплоносіїв з числом від 0,7 до 3·10-3, для інтервалу 103 < 
< 10 9.
1.2. Опис установки
На рис. 1.1 зображено схему дослідної установки для дослідження теплопровідності плоскої багатошарової стінки. Вимірювальний вузол являє собою багатошарову плоску стінку 3-5, розташовану з обох боків плоского електронагрівника 1. З обох боків нагрівника встановлюють латунні пластини 2, призначені дія вирівнювання температурного поля. Тепловий потік від нагрівника розподіляється порівну на обидві його боки й проходить послідовно через плоску стінку 3 з текстоліту / 
= 2,1·10-3 м, 
= 0,28 Вт / (м·°С), стінку 4 з полімеру / 
= 5·10-3 м, 
= 0,32 Вт/(м·°С) і стінку 5 з нержавіючої сталі / 
= 8,2 · 10-3 м, 
= 16 Вт/(м·°С). Хромель-копелеві термопари 6 вимірюють температури на поверхні між стінками, а також на зовнішніх поверхнях. Термопари підключають до електронного потенціометра 7.
Потужність електронагрівника регулюється за допомогою ЛАТРа 9 і контролюється ватметром 10. Температуру навколишнього середовища вимірюють термометром 8.
1.3. Порядок проведення дослідів
Перевіривши, чи правильно підключено нагрівник і прилади, а також чи справні всі вузли, установку ввімкнути. Встановити ЛАТРом за допомогою ватметра потрібну потужність теплового потоку нагрівника й дочекатися стаціонарного теплового режиму. У стаціонарному режимі зробити вимірювання температур у плоскій багатошаровій стінці й на поверхні, а також у навколишньому середовищі.
Результати вимірювань вносять до табл. 1.1.
Таблиця 1.1
| Ширина пластини В, м | Висота пластини Н, м | Температура
середовища
, ºС
| Потужність нагрівника Q, Вт | Покази термопар |
| 
| 
| 
|
1.4. Обробка результатів
Задача 1. Відомі температури й .
1. За визначальною температурою, за яку взято температуру середовища віддалік від стінки, що нагрівається, визначити фізичні параметри середовища: 
.
2. Розрахувати значення критерію .
3. На основі рівняння /1.8/ розрахувати величину 
.
4. Визначити коефіцієнт тепловіддачі:
.
5. Розрахувати на основі /1.1/ значення .
6. Розрахувати температури , , .
7. Розрахункові значення внести до табл. 1.2.
Задача 2. Відомі встановлена потужність теплового потоку Q, температури і .
1. На основі рівняння /1.6/ розрахувати коефіцієнт тепловіддачі , беручи = 0,1.
2. На основі рівняння /1.3/ визначити температуру , попередньо визначивши значення Вт/м2:
.
3. Розрахувати за рівнянням /1.4/ температури і .
4. Дані внести до табл. 1.2.
Задача 3. Відомі встановлена потужність теплового потоку Q, температури і .
1.За рівнянням /1.3/ розрахувати коефіцієнт тепловіддачі , Вт(м2·ºС):
,
попередньо визначивши :
.
2. На основі рівняння /1.2/ розрахувати .
3. За відомими температурами 
і розрахувати температури 
і :
; /1.10/
. /1.11/
4. Розрахункові дані внести до табл. 1.2.
Таблиця 1.2
| Завдання |  ,
Вт(м2·ºС)
| ,
Вт/м2
|
| Температура | |||
|
|
|
|
| ||||
| Задача 1 Задача 2 Задача 3 | * * | * * * | * | * * |
Зірочками в табл. 1.2 позначено графи, до яких вносять значення, відомі з умови задачі.
5. За даними табл. 1.2 побудувати графіки зміни температури в багатошаровій стінці
6. Побудувати графіки експериментального дослідження температур
у багатошаровій плоскій стінці.
7. Розрахункові залежності порівняти з експериментальними, визначивши відносну похибку розрахунків для кожної із задач.
Задача 4. Відомі встановлена потужність теплового потоку й температури 
, , 
, 
, .
1. Розрахувати питомий тепловий потік:
. /1.12/
2. Згідно з формулою теплопровідності крізь плоску стінку 
визначити коефіцієнт теплопровідності першої стінки:
. /1.13/
3. Визначити коефіцієнт теплопровідності другої стінки;
. /1.14/
4. Визначити коефіцієнт теплопровідності третьої стінки:
. /1.15/
5. За рівнянням /1.6/ розрахувати коефіцієнт тепловіддачі , беручи = 0,1.
6. Згідно з рівнянням /1.5/ розрахувати коефіцієнт теплопровідності третьої стінки:
. /1.16/
7. Порівняти значення коефіцієнтів теплопровідності третьої стінки, одержані за пп. 4 і 6 розрахунку, а також розрахункові значення , , зі значеннями, відомими з опису установки.
1.5. Контрольні запитання
1. Фізична суть поняття теплового потоку.
2. Що характеризує собою питомий тепловий потік?
3. Закон теплопровідності через одношарову й багатошарову плоскі стінки.
4. Фізична суть теплопровідності.
5. Закон розподілу температур у випадку теплопровідності в одношаровій і багатошаровій плоских стінках.
6. Як впливає потужність теплового потоку на розподіл температур у плоскій стінці?
7. Фізична суть поняття «термічний опір теплопровідності». Чому він дорівнює для одношарової і багатошарової плоских стінок?
8. Граничні умови першого і другого роду,
9. Що характеризує кожна з теплових характеристик, застосовуваних у розрахунках?
10. Порядок проведення експериментів.
1.6. Техніка безпеки
1. До виконання роботи оглянути установку, перевірити правильність вмикання електронагрівника й приладів.
2. Перед вмиканням установки попередити навколишніх працівників.
3. Забороняється залишати установку ввімкненою без нагляду.
4. Обережно проводити електричні вимірювання, акуратно поводитися з вимірювальними приладами.
5. Після закінчення експерименту вимкнути рубильник, а потім прилади.
