Определение теплопроводности воздуха методом струны Методические указания к лабораторной работе №1тп самара Самарский государственный технический университет



Скачать 262.88 Kb.
НазваниеОпределение теплопроводности воздуха методом струны Методические указания к лабораторной работе №1тп самара Самарский государственный технический университет
Дата04.06.2013
Размер262.88 Kb.
ТипМетодические указания
источник






ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»



К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»


определение теплопроводности воздуха методом струны


Методические указания к лабораторной

работе № 1ТП


Самара

Самарский государственный технический университет

2008


Печатается по решению Редакционно-издательского совета СамГТУ


УДК 621.1


^ Определение теплопроводности воздуха методом струны: Метод. указ/ Сост. Г.М.Синяев. Самара; Самар.гос. тех. Ун-т, 2008. 16 с.: ил.


Методические указания предназначены для студентов теплоэнергетических специальностей 140101, 140104,140105,140106 и других специальностей при выполнении ими экспериментальных исследований на имитационных компьютерных моделях лабораторных установок по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники», «Тепломассообмен», «Теоретические основы тепломассопереноса», «Теплотехника» и другим дисциплинам, в которых изучается теплообмен.


УДК 621.1.


Составитель: Г.М.Синяев

Рецензент докт. тех. наук, проф. А.А. Кудинов


© Г.М.Синяев

составление, 2008

© Самарский государственный технический университет, 2008


Определение теплопроводности воздуха методом струны


Составитель: Синяев Геннадий Михайлович


Редактор В. Ф. Е л и с е е в а

Технический редактор В.Ф. Е л и с е е в а


Подп. в печать 07.06.08. Формат 60х84 1/16. Бум. офсетная. Печать офсетная.

Усл. п. л. 0,98. Усл. кр.-отт. Уч-изд. л. 0,97. Тираж 50. Рег № 197.


Самарский государственный технический университет

443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус


Отпечатано в типографии

Самарского государственного технического университета

443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8


Для заметок


Цель работы - экспериментальное исследование переноса теплоты от вольфрамовой нити нагревателя к цилиндрической поверхности за счет теплопроводности воздуха и определение теплопроводности воздуха, а также получение навыков в проведении теплофизических экспериментов и обработке результатов опытов.



краткие теоретические сведения


Теплота является наиболее универсальной формой передачи энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц - молекул, атомов, электронов.

Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т. п.) трансформируется, в конечном итоге, либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики. Теплообмен возможен лишь при наличии разности температур контактирующих сред (или в самой среде).

Теплообмен − это самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем.

^ Температурным полем называют совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства. Поскольку температура − скалярная величина, то температурное поле − скалярное поле.

В общем случае перенос теплоты может вызываться неоднородностью полей других физических величин (например, диффузионный перенос теплоты за счет разности концентраций и др.)

В зависимости от характера теплового движения различают следующие виды теплообмена.

Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движения микрочастиц.

Конвекция − перенос теплоты в подвижной среде с неоднородным распределением температуры и при движении среды.

^ Теплообмен излучением − теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию излучения, перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества).

В зависимости от времени теплообмен может быть:

стационарным (или установившемся), если температурное поле не зависит от времени;

нестационарным (или неустановившемся), если температурное поле меняется во времени.

В принципе, в данном случае мы имеем процесс теплоотдачи от проволоки (нити) в окружающий ее воздух. Для тонких проволок малого размера, для которых при естественной конвекции критерий конвективного теплообмена для цилиндрических поверхностей, критерий Нуссельта



имеет постоянное число

Nuf,d = 0,5.


Это предельное наименьшее значение критерия Nuf,d отвечают неподвижному пограничному слою, когда теплоотдачу можно вычислить непосредственно по формулам теплопроводности.

В данной экспериментальной установке и используется этот вариант передачи теплоты.

Для количественного описания процесса теплообмена используют следующие величины:

Температура Т в данной точке тела. Температура осредненная по поверхности, по объему, по массе тела.

^ Изотермная поверхность – это поверхность равной температуры. При пересечении изотермной поверхности плоскостью получаем на этой плоскости изотерму − линию постоянной температуры.

Перепад температур ∆Τ − разность температур между двумя точками одного тела, двумя изотермными поверхностями, поверхно


Приложение


Физические свойства сухого воздуха при рв - 760 мм рт. ст.


Таблица1.

t



ср

λ

а



ν

Рг

0С

кг/мз

кДж/(кгК)

Вт/(мК)

м2

с/м2

м2

 

0

1,293

1,005

2,44

18,8

17,2

13,28

0,707

10

1,247

1,005

2,51

20

17,6

14,16

0,705

20

1,205

1,005

2,59

21,4

18,1

15,06

0,703

30

1,165

1,005

2,67

22,9

18,6

16

0,701

40

1,!28

1,005

2,76

24,3

19,1

16,96

0,699

50

1,093

1,005

2,83

25,7

19,6

17,95

0,698

60

1,06

1,005

2,9

27,2

20,1

18,97

0,696

70

1,029

1,009

2,96

28,6

20,6

20,02

0,694

80

1

1,009

3,05

30,2

21,1

21,09

0,692

90

0,972

1,009

3,13

31,9

21,5

22,1

0,69

100

0,946

1,009

3,21

33,6

21,9

23,13

0,688

120

0,898

1,009

3,34

36,8

22,8

25,45

0,686

140

0,854

1,013

3,49

40,3

23,7

27,8

0,684

160

0,815

1,017

3,64

43,9

24,5

30,09

0,682

180

0,779

1,022

3,78

47,5

25,3

32,49

0,681

200

0,746

1,026

3,93

51,4

26

34,85

0,68

250

0,674

1,038

4,27

61

27,4

40,61

0,677

300

0,615

1,047

4,6

71,6

29,7

48,33

0,674

350

0,566

1,059

4,91

81,9

31,4

55,46

0,676

400

0,524

1,068

5,21

93,1

33

63,09

0,678

500

0,456

1,093

5,74

115,3

36,2

79,38

0,687

600

0,404'

1,114

6,22

138,3

39,1

96,89

0,699

700

0,362

1,135

6,71

163,4

41,8

115,4

0,706

800

0,329

1,156

7,18

188,8

44,3

134,8

0,713

900

0,301

1,172

7,63

216,2

46,7

155,1

0,717

1000

0,277

1,185

8,07

245,9

49

177,1

0,719



М.: Высшая школа, 2003. - 261 с.

5. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981. - 486 с.

6. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1977. - 319 с.

7. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 1991. - 479 с.

8. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1980. 261 с.

9. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - М.: Энергия, 1979. - 319 с

10. Задачник по технической термодинамике и теории тепломасообмена / Под ред. В. Крутова, Г. Петражицкого. - М.: Высшая школа, 1986. - 383 с.

11. Лыков А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1978. - 480 с.

12. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980. - 288 с.

13. Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В., Величко В.И. Задачник по тепломассообмену. Учебное пособие для теплоэнергетических специальностей вузов. - М.: МЭИ. 1997. - 136 с.

14. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 288 с.


ОГЛАВЛЕНИЕ


Краткие теоретические сведения. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Описание экспериментальной установки и принципа работы. . .7

Технические характеристики установки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Порядок выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Содержание отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

Приложение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15


стью и окружающей средой, двумя телами. Перепад температуры вдоль изотермы равен нулю.

Наибольший перепад температуры происходит по направлению нормали к изотермной поверхности.

Интенсивность температурного поля характеризуется изменением температуры на единицу длины .

Наибольшая интенсивность температурного поля наблюдается в направлении нормали к изотермной поверхности.

Возрастание температуры по нормали к изотермной поверхности характеризуется градиентом температуры.

^ Средний градиент температуры − отношение перепада температур между двумя изотермными поверхностями ∆Τ к расстоянию между ними ∆n, измеренному по нормали n к этим поверхностям в сторону возрастания температуры (рис. 1).

^ Истинный градиент температуры - получается из среднего градиента температуры при условии , или это есть вектор направленный по нормали к изотермной поверхности в сторону возрастания температуры, численно равный первой производной температуры по этой нормали

.

^ Количество теплоты, Дж; тепловой поток , Вт - количество теплоты, проходящее в единицу времени через всю поверхность; удельный тепловой поток (плотность теплового потока) , − количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермной поверхности.

Перенос теплоты теплопроводностью выражается основным законом теплопроводности - эмпирическим законом Фурье, согласно которому вектор удельного теплового потока прямо пропорционален градиенту температуры

.

Знак «минус» в уравнении показывает, что направление удельного теплового потока противоположно направлению градиента температуры.

Коэффициент пропорциональности в уравнении характеризует способность тел проводить теплоту и называется теплопроводность (коэффициент теплопроводности).

Следует заметить, что под понятием «теплопроводность» понимают один из способов теплообмена и, как в данном случае, физическую величину, характеризующую вещество и имеющую свою размерность.

Количественно теплопроводность – тепловой поток (Вт), проходящий через единицу поверхности (м2) при единичном градиенте температур (1 К/м), и имеет размерность Вт/(мК).

Теплопроводность (коэффициент теплопроводности) – физическая характеристика, зависящая от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и ряда других факторов. Теплопроводность имеет максимальные численные значения для чистых металлов и минимальные для газов.

В данной работе рассматривается передача теплоты от нити (вольфрамовой проволоки) к окружающей ее цилиндрической поверхности через воздух только теплопроводностью, поэтому в данном случае можно рассматривать воздух как твердую цилиндрическую стенку.

Однослойная цилиндрическая стенка (трубка) при . Рассмотрим цилиндрическую стенку (трубку) длиной l м с внутренним и внешним радиусами (рис. 1), - толщина стенки.





Рис. 1. Температурное поле и тепловой поток в

цилиндрической стенке:

а) - цилиндрическая стенка; б) – температурное поле.

9. Покажите на схеме, как направлен вектор теплового потока и градиента температуры?

10. Каков физический смысл теплопроводности (коэффициента теплопроводности), и от каких факторов она зависит?

11. Каков характер изменения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок при стационарном режиме?

12. Какова взаимосвязь между теплопроводностью и наклоном температурной кривой плоской и цилиндрической стенок при стационарном режиме по толщине тепловой изоляции?

13. Дайте определение понятию термического сопротивления плоской стенки и линейного термического сопротивления цилиндрической стенки?

14. Как зависит теплопроводность различных веществ (металлов, неметаллов, жидкостей и газов) от температуры? Ответ обосновать.

15. Сформулируйте основной закон теплопроводности – закон Фурье в векторной форме и дайте определения всем входящим в него величинам. Поясните, что означает знак « - » в формулировке закона.

18. Как влияет форма стенки на величину её термического сопротивления?

19. От каких факторов зависит величина теплопроводности газа?

20. Что такое свободная и вынужденная конвекция?

21. Почему в данной работе теплоотдача от нагретой нити к окружающему воздуху рассчитывается как передача теплоты теплопроводностью?


Библиографический список


1. Клименко А.В., Зорин В.М.. Теоретические основы теплотехники. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 561 с.

2. Мазур Л. Техническая термодинамика и теплотехника. М.: ГЭОЭР-МЕД, 2003. - 350 с.

3. Теория тепломассообмена. Учебник для технических университетов и вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др.; Под ред. А.И. Леонтьева – 2-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997, - 683 с.

4. Кудинов В А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. -

табличными значениями.


^ СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА


Отчет о работе должен содержать.

1. Формулировку цели работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Принципиальную схему экспериментальной установки и ее описание.

4. Схему цилиндрической стенки и график распределения в ней температуры при установившемся режиме.

5. Порядок проведения опыта.

6. Таблицы экспериментально замеренных и вычисленных величин.

7. Выводы.


Контрольные вопросы


1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните как достигается поставленная цель?

2. Дайте определение процесса «теплоотдачи».

3. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

4. Дайте определение теплопроводности, как одного из видов теплообмена. Какова физическая сущность передачи энергии теплопроводностью?

5. Какие величины следует измерять в данной работе, чтобы вычислить теплопроводность?

6. Сформулируйте понятия: температурное поле, изотермная поверхность, градиент температуры, тепловой поток, удельный тепловой поток.

7. Поясните, какой тепловой режим называют стационарным (или установившемся) и нестационарным (или неустановившемся)?

8. Какой величиной характеризуется интенсивность температурного поля?


Заданы температуры внутренней и наружной поверхностей стенки. Условием одномерности теплового потока будет условие , откуда следует .

Запишем математическую формулировку поставленной проблемы.

В рассматриваемом случае дифференциальное уравнение теплопроводности удобнее записывать в цилиндрических координатах. При заданных условиях температура изменяется только в радиальном направлении и температурное поле будет одномерным.

Одномерное дифференциальное уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат при постоянной теплопроводности и отсутствии внутреннего источника теплоты () для цилиндрической стенки имеет вид



при заданных граничных условиях

; ,

; ,

дают математическую формулировку задачи.

Решение данной задачи известно 5 и в виде безразмерной температуры имеет вид

.

Как видно из полученного решения температура в цилиндрической стенке меняется по логарифмической зависимости (рис. 2).

Удельный тепловой поток (поверхностная плотность теплового потока) q через единицу площади цилиндрической поверхности

.

является величиной переменной величиной, т. к. с увеличением радиуса в стенке поверхность, соответствующая этому радиусу, увеличивается.

Тепловой поток через цилиндрическую поверхность площадью ( - длина цилиндрической стенки) есть постоянная величина, равная

.

Полученную формулу можно записать, используя принятые обозначения и в скалярном виде

.

Процесс теплопередачи путем теплопроводности от нити к окружающей её цилиндрической поверхности дает нам уравнение для из последнего выражения

(1)

где, - теплопроводность, Вт/(мК);

- тепловой поток, Вт;

D - внутренний диаметр трубки, м;

d - диаметр нити, м;

l - длина нити, м;

T - разность температур нити и трубки. К.

Таким образом, предлагаемый экспериментальный метод определения теплопроводности воздуха основан на измерении:

• теплового потока, проходящего через цилиндрический слой воздуха;

• перепада температур между наружной поверхностью нити и внутренним диаметром трубки рабочего элемента;

• геометрических характеристик нити и трубки рабочего элемента,

и вычислении теплового потока, а затем и теплопроводности (коэффициента теплопроводности) из последнего выражения (1).



п/п

Наименование

Величины

4

Погрешность измерения температуры воздуха, %

5

5

Диапазон регулирования рабочего тока, мА

2 ± 200

6

Погрешность измерения рабочего тока, мА

1

7

Питание установки от сети переменного тока:

 




- напряжение, В

220

(от +22 до -33)




- частота, Гц

50 ± 1

8

Потребляемая мощность, Вт, не более

100

9

Габаритные размеры, мм, не более

430×565×220

10

Масса установки, кг, не более

5



^ Порядок выполнения работы


1. Включить тумблер «ВКЛ.» в модуле питания «СЕТЬ». При этом загорается сигнальная лампа.

2. Включить тумблер «ВКЛ.» в модуле «НАГРЕВ». При этом загорается сигнальная лампа.

3. Нажать кнопку UP (режим измерения падения напряжения на эталонном резисторе).

4. Установить рукояткой «НАГРЕВ» напряжение UP не более

0,060 В (негреющий ток).

5. Нажать кнопку UH (режим измерения падения напряжения на нити) и зарегистрировать показания цифрового индикатора.

6. Рассчитать тепловой поток по формуле (2).

7. Нажать кнопку UP и установить рукояткой «НАГРЕВ» напряжение UР в диапазоне 0,3  6,5 В.

8. Выждать минуту для стабилизации теплового режима и определить падение напряжения на нити UH нажатием кнопки UH.

9. После измерения вывести ручку «НАГРЕВ» в крайнее левое положение.

10. Рассчитать разность температур по формуле (3).

11. Определить теплопроводность (коэффициент теплопроводности) воздуха по формуле (1).

12. Сравнить рассчитанную из эксперимента теплопроводность с

щищает установку от перегрузок и токов короткого замыкания.

Трансформатор TV1 является источником переменного тока напряжением 15 В и 10 В, трансформатор TV2 – 10 В.

Светодиод сигнализирует о подаче питания на установку, светодиод сигнализирует о подаче питания на вольфрамовую нить рабочего элемента. Регулирование величины тока в нити осуществляется резистором.

Цифровой контроллер для измерения температуры запитывается с платы постоянным током напряжением 9 В.

Цифровой контроллер для измерения напряжения запитан с платы постоянным током напряжением 9 В. Переключатель подключает поочередно входы контроллера к эталонным резисторам (находящимся на плате) и вольфрамовой нити рабочего элемента.

Тумблера 1 и 2 служат для включения питания установки и включения питания на вольфрамовую нить рабочего элемента соответственно.

Блок РЭ-3 подключен к блоку приборному установки через разъем.

Технические характеристики стабилизатора тока:

  • пределы регулирования тока нагрузки 2 - 200 мА;

  • ограничение тока устройством защиты на уровне не более 400 мА.



^ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТАНОВКИ




п/п

Наименование

Величины

1

Характеристики металлической нити:

 




- материал

вольфрам




- длина, м

0,402




- диаметр, м

64×10-5




- температурный коэффициент сопротивления, к-1

4,1×10-3




- сопротивление при 20 °С, Ом

11 ± 1

2

Нагрев нити относительно окружающего воздуха, °С

0 ... 30

3

Внутренний диаметр трубки рабочего элемента, мм

26 ± 1


описание экспериментальной установки

и принципа работы


Установка предназначена для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от +10 0С до +35 0С и относительной влажности не более 80 %.

Внешний вид установки представлен на рис. 2.




Рис. 2. Внешний вид установки.


Где: 1. Блок приборный БП-3; 2. Блок РЭ-3. 3. Стойка; 4. Вольфрамовая нить; 5. Датчик температуры; 6. Контроллер для измерения напряжения; 7. Контроллер для измерения температуры.


Установка (рис. 2) представляет собой конструкцию настольного типа, состоящую из основных частей:

  1. блока приборного БП-3 (поз.1);

  2. блока рабочего элемента РЭ-3, в дальнейшем блока РЭ-3 (поз. 2);

  3. стойки (поз. 3).

Блок приборный БП-3 представляет собой единый конструктив со съемной крышкой, съемными лицевыми панелями. Внутри блока размещена печатная плата с радиоэлементами, органы подключения регулирования, трансформаторы.

На лицевой панели приборного блока БП-3 находятся органы управления и регулирования установки, элементы световой индикации.

Лицевая панель условно разделена на 3 функциональных узла: 1) 1) узел «НАПРЯЖЕНИЕ»; 2) узел «НАГРЕВ»; 3) узел «СЕТЬ».

1.Узел «НАПРЯЖЕНИЕ» осуществляет управление работой цифрового контроллера для измерения напряжения.

2.Узел «НАГРЕВ» осуществляет включение и регулирование нагрева нити.

3. Узел «СЕТЬ» осуществляет подключение установки к сети питающего напряжения.

На задней панели приборного блока БП-3 установлены:

  1. сетевой предохранитель;

  2. разъем для подключения кабеля от блока РЭ-3;

  3. сетевой шнур.

Блок РЭ-3 представляет собой коробчатый конструктив, укрепленный на стойке. Несущими узлами блока РЭ-3 являются панель и кронштейн, скрепленные между собой винтами.

Между выступающими частями панели в текстолитовых фланцах зажата стеклянная трубка. По оси трубки натянута вольфрамовая нить рис. 2 поз. 4. Между панелью и кронштейном размещен вентилятор для охлаждения трубки.

На панели установлены цифровой контроллер для измерения температуры поз. 6 и цифровой контроллер для измерения напряжения поз.7.

Спереди блок РЭ-3 защищен прозрачным экраном из орг. стекла.

Стойка (поз. 3) представляет собой настольную конструкцию с горизонтальным основанием для установки приборного блока БП-3 и блока РЭ-3.

В установке тепловой поток создается путем нагрева нити постоянным током и определяется по формуле

, (2)

где, UН - падение напряжения на нити;

Up - падение напряжения на эталонном резисторе;

RP - сопротивление эталонного резистора (RP = 41 Ом).

Разность температур нити и трубки:

,

где, ТН - температура нити;

ТТ - температура трубки, равна температуре окружающего воздуха.

Температура трубки в процессе эксперимента принимается постоянной, т. к. её поверхность обдувается с помощью вентилятора потоком воздуха.

Температура нити тем выше, чем больше протекающий по ней ток.

С повышением температуры меняется сопротивление нити, измеряемое методом сравнения падения напряжений на нити и на эталонном резисторе.

Разность температур нити и трубки определяется по формуле:

, (3)

где, UH - падение напряжения на нити в нагретом состоянии, В;

- падение напряжения на нити при температуре окружающего воздуха (при рабочем токе не более 10 мА), В; UР - падение напряжения на эталонном резисторе при нагреве нити, В;

- падение напряжения на эталонном резисторе при температуре окружающего воздуха, В;

a - температурный коэффициент сопротивления;

t - температура воздуха.

Установка запитывается от сети 220 В, 50 Гц. Предохранитель за-


Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru