Экспериментальная установка

Схема установки изображена на рисунке ниже:

Назначение и характеристика основных элементов установки:

1. Установка состоит из пластин (2) и (3), зажатых между нагревателем (1) и холодильником (4). Пластина (2) изготовлена из материала с известным коэффициентом теплопроводности, пластина (3) - из исследуемого материала. Толщина пластины (2) - , толщина пластины (3) - . Форма пластин - диск, радиус 20 см, причем толщина пластины более чем в 10 раз меньше диаметра. Между всеми соприкасающимися поверхностями проложена термопроводящая паста.

2. Нагреватель (1) подключен к регулируемому источнику питания (5), управление которым осуществляется с пульта (14). Сопротивление спирали нагревателя - 50 ом, максимальная мощность - 800 Вт.

3. Холодильник (4) представляет толстую медную пластину, в которой просверлены каналы, по которым циркулирует вода из термостата заданной температуры. Температура холодильника принимается равной температуре воды, установленной на термостате - 20 С , не регулируется.

4. Температура поверхностей пластин измеряется термопарами (7), (8) и (9), зажатыми между пластинами. Индикация температуры - на табло (11), (12) и (13) соответственно.

Задание

1. Запустите работу.

2. Запишите материал и толщину образцовой пластины.

3. Включите термостат в режим "НАГРЕВ" и "ЦИРК". Включите источник питания.

4. Если проводится эксперимент с металлическими пластинами, то установите напряжение 25 В. Для прочих материалов установите напряжение 10 В.

5. Дождитесь установления теплового равновесия. Для ускорения процесса можно использовать функцию программы "Скачок во времени". Для металлических пластин достаточно 1015 мин, для неметаллов - 3040 мин.

6. Запишите разности температур на пластинах.

7. Повторяйте п.п.46 для напряжений:

- металлические пластины 25 В, 50 В, 100 В, 200 В.

- прочие материалы 10 В, 20 В, 35В, 50 В.

8. Рассчитайте для каждого значения напряжения коэффициент теплопроводности, найдите среднее значение.

9. По справочнику определите материал исследуемой пластины.

Работа № 9

Исследование конвекционной теплоотдачи при естественной конвекции вдоль горизонтального цилиндра

Цель работы: исследование механизма конвективного теплообмена при свободном движении газообразной среды у поверхности тела цилиндрической формы.

Опытное определение коэффициента теплоотдачи при конвективном теплообмене газа на границе с твердым телом основывается на применении закона Нъютона-Рихмана:

[1]

где - конвективный тепловой поток, Вт;

- коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²К);

- теплоотдающая поверхность, м²;

- температура поверхности, °С;

- температура газообразной среды, °С.

Общее количество теплоты, выделяемой нагревателем, при стационарном процессе полностью передается черев стенку трубы в окружающую среду (воздух). При этом теплоотвод от стенки происходит двумя способами: конвекцией и лучеиспусканием. Поэтому конвективный тепловой поток можно вычислить следующим образом:

[2]

где - тепловой поток от нагревателя, Вт;

- лучистый тепловой поток, Вт.

Тепловой поток от нагревателя равен его электрической мощности и может быть вычислен как

[3]

где - сила тока, А;

- напряжение, В.

Лучистый тепловой поток вычисляется из уравнения

[4]

где - степень черноты поверхности трубы, принимается в зависимости от материала, цвета; и характера поверхности (в работе =0,1 для зеркальной трубы и =0,85 для зачерненной)

- постоянная Стефана-Больцмана ( =5,6710^-8 Вт/(м²К⁴));

- теплоотдающая поверхность, м²;

- температура поверхности, К;

- температура газообразной среды, К;

Таким образом, для опытного определения коэффициента теплоотдачи конвекцией при стационарном тепловом режиме, надо знать величину теплоотдающей поверхности, температуру поверхности и окружающего воздуха, а также мощность электронагревателя .