- •Методические указания
- •Введение
- •I. Общие указания по выполнению лабораторных работ
- •II. Правила техники безопасности при работе с нагревательными устройствами и нагретым металлом
- •Исследование окалинообразования при нагреве Лабораторная работа №I
- •Нагрев и охлаждение твердого тела Лабораторная работа №2 /4 часа/
- •Влияние расположения заготовок в печи на время нагрева Лабораторная работа 3
- •Исследование тепловой характеристики электрической нагревательной печи Лабораторная работа 4
- •Библиографический список
- •Содержание
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
Нагрев и охлаждение твердого тела Лабораторная работа №2 /4 часа/
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Основным процессом теплопередачи в электрической камерной печи является теплопередача излучением от нагревательных элементов и внутренней поверхности кладки печи к поверхности нагреваемого тела.
Распространение тепловой энергии в нагреваемом теле происходит вследствие его теплопроводности. Так как теплопроводность твердых тел, характеризуемая коэффициентом теплопроводности, ограничена, то в процессе нагрева имеет место неравномерное распределение температур в объеме нагреваемого тела, причем наиболее высокую температуру имеют поверхностные слои.
Законы распределения температур описываются уравнениями теплопередачи теплопроводностью. При всестороннем равномерном нагреве цилиндрической заготовки уравнение теплопередачи теплопроводностью имеет вид:
, (4)
где t – температура точки с координатой r ;
τ – время нагрева, с ;
а - коэффициент температуропроводности материала тела
; (5)
где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м0С;
С – массовая удельная теплоемкость, Дж/кг0С;
ρ – плотность материала, кг/м3.
Решение уравнения теплопередачи различно для различных условий сообщения тепловой энергии поверхности нагреваемого тела. Для условий равномерного всестороннего нагрева в рабочем пространстве печи, имеющем постоянную во времени температуру tпеч, цилиндра длиной l, значительно превышающей радиуc поперечного сечения R, оно имеет вид:
для поверхности тел (r= R ), рис. 2
(6)
для оси тела (r = 0 ), рис. 3
(7)
где tпеч – температура рабочего пространства печи (tпеч=const);
tпов – температура поверхности тела;
tц – температура оси тела;
tнач – начальная температура тела;
Вi – критерий БИО (Вi = αR/λ); (8)
F0 – критерий Фурье (F0=ατ/R2); (9)
τ – время нагрева;
f – функции, определяемые по графикам, представленные на рис. 2 и 3.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
На основе результатов эксперимента и по теоретическим зависимостям установить характер изменения во времени температуры поверхности и оси цилиндрической заготовки при нагреве ее в камерной электрической нагревательной печи и охлаждении на воздухе.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Ознакомиться со схемой присоединения термопар к измерительному гальванометру.
Установить нагреваемую заготовку на под печи, разогретой до заданной температуры.
Нагревать заготовку в течение одного часа, измеряя ее температуру на поверхности и оси через интервалы времени, указанные в табл. 2. Результаты измерений вносить в табл. 2.
Извлечь термопары из заготовки. Вынуть заготовку из печи, установить ее на подставку для охлаждения, вставить термопары в отверстия.
Охлаждать заготовку в течение одного часа. В процессе охлаждения измерять температуру поверхности и оси заготовки через интервалы времени, указанные в табл. 3. Результаты измерения внести в табл. 3.
Таблица 2.
Температуры поверхности и оси заготовки при нагреве
Время нагрева, τн, мин |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
5 |
10 |
20 |
30 |
45 |
60 |
Т-ра поверхности, tпов, 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т-ра оси, tц, 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.
Температуры поверхности и центра заготовки при охлаждении
Время охлаждения, τох, мин |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
5 |
10 |
20 |
30 |
45 |
60 |
Т-ра поверхности, tпов, 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т-ра центра, tц, 0С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4
Средняя теплоемкость стали 40 в интервале температур от 0 до t, 0С
T, 0С |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
С, кДж/кг0С |
0,486 |
0,498 |
0,515 |
0,532 |
0,557 |
0,582 |
0,607 |
0,657 |
0,674 |
Плотность стали 40 принять равной средней в интервале температур от 0 до t, 0С (табл. 5).
таблица 5
Плотность стали 40 при температурах от 0 до t, 0С
t, 0С |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
ρ, кг/м3 |
7832 |
7801 |
7766 |
7730 |
7692 |
7652 |
7613 |
7635 |
7590 |
Рис. 4. Коэффициент теплоотдачи излучением
По данным табл. 2 и 3 построить графики зависимости температуры поверхности и центра заготовки от времени нагрева и охлаждения. Оси координат графиков приведены на рис. 5.
Рис. 5. График изменения температур заготовки при нагреве и охлаждении.
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Используя графики рис. 2, 3, 4 , а так же уравнения 6, 7, 8, 9 определить расчетным путем время нагрева поверхности и центра заготовки до температуры, указанной преподавателем.
Для расчета принять:
λ = 53,5 – 0,0315 t, Вт/м0С ( 10 )
С – по таблице 4, ρ – по таблице 5,
α – по рис. 4.
Результаты расчета нанести на график изменения температуры при нагреве.
ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА
Коротко описать процесс нагрева твердого тела, цель работы, методику проведения. Привести результаты экспериментов и расчетов в форме таблиц и графиков.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Чем объяснить разницу температур поверхностных и срединных слоев заготовки при нагреве и охлаждении?
Что выражают критерии Био и Фурье?
Как определить время нагрева, используя графики Д.В. Бурдина?