Опис лабораторної установки

Установка складається з трубки 6 (рис. 3.2) діаметром d = 0,035м, довжиною l = 0,29м. Всередині трубки вмонтований електричний нагрівач 7. Трубка покрита шаром ізоляції 5. На ізоляцію накладена додаткова стінка 4 із гуми. Термоелектрорушійна сила термопар 8 вимірюється мілівольтметром 10, підключеним до термопар через перемикач 9.

Порядок виконання роботи

1. Включити установку в мережу.

2. Тумблер “Мережа” перевести в положення “Нагрів”.

3. Ручкою “Регулювання напруги” встановити необхідну силу струму та напругу, проконтролювавши параметри за допомогою приладів.

4. Перемикачем 9 почергово підключають термопари та записують показники мілівольтметра для кожного досліду.

5. Результати вимірювання занести до таблиці 1.

Таблиця 1

№ п.п	U, В	І, А	Е, мВ	t, ^0С	A,	із,	Матеріал ізоляції
1.
2.
3.

6. За допомогою таблиці 2 (лабораторна робота № 2) перевести мВ в ⁰С.

7. Тривалість випробування не повинна перебільшувати 30 - 40 хв. (до встановлення стаціонарного режиму).

8. За даними вимірів розрахувати λ із рівняння (3.4).

9. Після виконання вимірювань тумблер “Мережа” перевести в положення “Охолодження”.

10.  Після закінчення заняття тумблер “Мережа” поставити у положення “Викл.”.

Контрольні питання

1. Поняття про стаціонарний і нестаціонарний тепловий потік.

2. Від яких факторів залежить коефіцієнт теплопровідності матеріалу?

3. Особливості методу додаткової стінки для розрахунку коефіцієнта теплопровідності ізоляційного матеріалу.

4. Які матеріали називають ізоляційними?

5.  Як визначається тепловий потік через плоску трьохшарову стінку?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

Дослідження процесу тепловіддачі при вільному русі повітря біля горизонтальної і вертикальної трубок

Мета роботи: Поглиблення і засвоєння теоретичних знань з теорії конвективного теплообміну, дослідне визначення коефіцієнта конвективної тепловіддачі в умовах вільного руху повітря.

Прилади та Експериментальна установка, лінійка, штангенциркуль, обладнання: термометр.

Теоретичні відомості

Конвективним теплообміном називається процес одночасної передачі теплоти конвекцією і теплопровідністю від поверхні твердої стінки до потоку рідини, яка її омиває, або від потоку рідини до стінки.

Конвективний теплообмін між рухомим середовищем і поверхнею, що відділяє це середовище від іншого, називають тепловіддачею.

Головним завданням теорії конвективного теплообміну є визначення теплового потоку, що віддає тверда стінка від поверхні.

Конвективний теплообмін описується рівнянням Ньютона-Ріхмана:

,

де α – коефіцієнт тепловіддачі, який характеризує інтенсивність конвективного теплообміну; F – площа поверхні; – температура твердої стінки; – температура рідини ( газу).

Сформулюємо фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі: він характеризує тепловий потік, що проходить через одиницю площі поверхні при зміні температури між твердою стінкою і рідиною (газом) на один градус:

.

Коефіцієнт тепловіддачі залежить від багатьох факторів:

–швидкості потоку рідини або газу;

–характеру сил, які рухають рідину або газ;

–фізичних властивостей самої рідини або газу (густини, в'язкості, стисливості, пружності, теплопровідності, теплоємності);

–режиму руху рідини.

За природою виникнення конвективний теплообмін може бути вільним або вимушеним. При вільному русі конвективний теплообмін проходить за рахунок різних густин нагрітих і холодних частинок рідин або газів. Вільний рух називають природною конвекцією. Якщо є зовнішні збудники (вентилятор, вітер, насос), то такий рух називається вимушеним. Рух рідини чи газу може бути ламінарним або турбулентним. Якщо рідини або гази рухаються паралельно, не змішуючись, то такий рух називають ламінарним. Турбулентний рух характеризується безперервним змішуванням шарів рідини або газу. Конвективний теплообмін при турбулентному русі рідини або газу буде більш інтенсивнішим, ніж при ламінарному. Перехід ламінарного режиму руху в турбулентний характеризується числом Рейнольдса:

де – швидкість рідини або газу, – внутрішній діаметр труби, – коефіцієнт кінематичної в’язкості.

Якщо Re < 2320 – режим руху ламінарний, якщо Re > 2320 – турбулентний.

Внаслідок складності аналітичного методу визначення коефіцієнта тепловіддачі використовується критеріальні рівняння, отримані на основі теорії подібності.

Рівняння подібності для процесів теплообміну при вільній конвекції має вигляд:

,

де: - постійні коефіцієнти, одержані на основі експерименту, приведені в довідниках.

Критерій Нуссельта ( ) характеризує інтенсивність процесу конвективного теплообміну: ,

де - коефіцієнт теплопровідності теплоносія (повітря); - лінійний розмір, який для горизонтальної трубки відповідає діаметру d , для вертикальної трубки d відповідає висоті h.

Критерій Грасгофа ( ) характеризує відносну ефективність підйомної сили, що викликає вільний конвективний рух середовища:

,

де g - прискорення вільного падіння;

- температурний коефіцієнт об’ємного розширення середовища; - температурний напір.

Критерій Прандтля ( ) - теплофізична характеристика теплоносія: ,

де а - коефіцієнт температуропровідності.

Для повітря критерій Прандтля ( ) має постійне значення . Фізичні характеристики беруться із таблиці 4 при середній температурі: .