5. Обработка результатов эксперимента

Для экспериментального определения коэффициента температуропроводности используют уравнение (6), а основной величиной, которая определяется в экспериментах, является темп охлаждения .

Значение определяется экспериментально по охлаждению калориметра. Для этого по данным измерений строится график его охлаждения (рис.2), в котором на оси ординат откладывается логарифм избыточной температуры (температурного напора), а на оси абсцисс – время в секундах. График строится в полулогарифмических координатах. Затем на этом графике выделяется линейный участок, характеризующий регулярный режим охлаждения (рис.2).

Значение равно тангенсу угла наклона этой прямой к оси абсцисс (m=tg). Если взять из графика два каких-либо момента времени₁и₂и соответствующие им логарифмы избыточных температур калориметраlnv₁ и lnv₂, то темп охлаждения определится из уравнения

. (8)

Коэффициент К вычисляется по уравнению (7). Полученное значение коэффициента температуропроводности должно быть отнесено к средней температуре исследуемого материала при его охлаждении

, (9)

где t_ж- средняя температура среды в термостате,⁰С;t_ш- средняя температура воздуха в шкафу,⁰С;

Если провести несколько экспериментов при различных температурах, то можно построить график зависимости коэффициента температуропроводности от средней температуры

6. Содержание и оформление отчета по работе

Отчет по выполненной работе должен содержать следующее:

1. Цель работы, основные понятия и формулы;

2. Принципиальную схему установки ;

3. Протокол записи показаний измерительных приборов;

4. График охлаждения калориметра;

5. Обработку результатов эксперимента;

6. Сравнение полученных результатов расчета коэффициента температуропроводности исследуемого материала с литературными данными.

7. Контрольные вопросы

1. Что такое стационарный и нестационарный процесс теплопроводности

2. Какой процесс теплопроводности называется регулярным тепловым режимом.

3. Дать определение темпа охлаждения и назвать факторы, влияющие на него.

4. Что характеризует собой коэффициент температуропроводности и отчего он зависит.

5. Какие теоремы положены в основу экспериментального определения коэффициента температуропроводности.

8. Требования безопасности труда

1. Включение и выключение тока или изменение его величины производится под наблюдением преподавателя.

2. При переносе калориметра из сушильного шкафа в водяной термостат не рекомендуется касаться руками цилиндрической части калориметра во избежание возможного ожога.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

ТЕПЛООТДАЧА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ТРУБЫ

ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ВОЗДУХА

Ц е л ь р а б о т ы: углубить знания по теории теплоотдачи при свободном движении жидкости (газа) в неограниченном пространстве, изучить методику экспериментального определения коэффициента теплоотдачи при свободном движении теплоносителя и получить навыки в проведении экспериментальных работ и обработке опытных данных.

1. Основные понятия

Свободным называется такое движение, которое возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости (газа). Это движение возникает в том случае, когда температура тела отличается от температуры окружающей среды. По мере нагревания жидкость (газ) становится легче и поднимается вверх, а на ее место поступает более холодная. Теплота, воспринятая жидкостью от поверхности тела, переносится ею в окружающее пространство.

Теплоотдача при свободном движении жидкости (газа) зависит от режима ее движения около теплоотдающей (тепловоспринимающей) поверхности, определяемого температурным напором , то есть разностью температур поверхности телаt_сти окружающей средыt_ж. При малых значенияхtпреобладает ламинарный режим движения, а большим значениямtсоответствует турбулентный режим движения.

На развитие процесса теплообмена при свободном движении жидкости основное влияние оказывает протяженность поверхности, вдоль которой движется жидкость, и ее положение.

Различают теплоотдачу при свободном движении жидкости (газа) в большом объеме и при свободном движении в ограниченном пространстве. Предполагается, что в большом объеме свободное движение, возникающее у других тел, расположенных в этом объеме, не сказывается на рассматриваемом процессе. Если объем жидкости невелик, то свободное движение, возникающее у других тел или частей рассматриваемого тела, расположенных в этом объеме, будет оказывать влияние на рассматриваемое течение. В этом случае объем жидкости (газа) называется ограниченным пространством. Движение в этом случае, как и теплоотдача, зависит от рода жидкости, ее температуры и температурного напора, от формы и размеров ограниченного пространства.

Применительно к процессам конвективного теплообмена распределение температуры и скорости для несжимаемой жидкости с физическими свойствами, независящими от температуры, выражается совокупностью дифференциальных уравнений энергии, движения и сплошности, к которым добавляются условия однозначности (геометрические, физические, начальные и граничные).

Из приведенных дифференциальных уравнений и условий однозначности следует, что коэффициент теплоотдачи является функцией большого числа переменных, и найти эту функцию аналитическим путем в общем виде не представляется возможным. Для расчета теплоотдачи можно использовать теорию подобия, позволяющую вместо размерного уравнения представить коэффициент теплоотдачи в форме зависимостей, состоящих из безразмерных комплексов (уравнения подобия). В уравнениях после приведения их к безразмерному виду появляются числа подобия, которые представляют собой безразмерные комплексы, состоящие из нескольких физических величин, и являются новыми переменными вместо прежних размерных величин. Количественная связь между числами подобия может быть установлена экспериментальным путем.

Согласно теории подобия критериальное уравнение, описывающее конвективный теплообмен при свободном движении жидкости в большом объеме, имеет вид

, (10)

где - число Нуссельта;- число Грасгофа; с – постоянный множитель критериального уравнения;n– показатель степени;- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);- число Прандтля;- коэффициент объемного расширения газа, 1/град;- коэффициент кинематической вязкости, м²/с; а – коэффициент температуропроводности, м²/с.

Для газов число Прандтля практически величина постоянная, не зависящая от температуры. Поэтому для данной работы, где теплота передается от трубы к воздуху, критериальное уравнение будет связывать два числа подобия

. (11)

Прежде чем изучить методику эксперимента, необходимо усвоить влияние формы, размеров тела, расположение поверхности теплообмена в пространстве и режимов движения на теплоотдачу при свободном движении жидкости.