Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Дніпродзержинський державний технічний університет

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт

з дисципліни «Температури та температурні напруження в теплотехнічному обладнанні» для студентів денної форми

навчання за напрямом 6.050601 – «Теплоенергетика»

Затверджено редакційно-видавничою

секцією науково-методичної ради ДДТУ

протокол №4 від «19» січня 2012р.

м. Дніпродзержинськ

2012

Розповсюдження і тиражування без офіційного дозволу Дніпродзержинського державного технічного університету заборонено.

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Температури та температурні напруження в теплотехнічному обладнанні» для студентів денної форми навчання за напрямом 6.050601 – «Теплоенергетика» /Укл. Горбунов О.Д., Сліпченко Н.В. – Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2012р. – 40 с.

Укладачі: д.т.н., проф. Горбунов О.Д.

асистент Сліпченко Н.В.

Рецензент: к.т.н., доцент Долгополов І.С.

Відповідальний за випуск: зав. кафедрою теплоенергетики,

д.т.н., проф. Павленко А.М.

Затверджено на засіданні

кафедри теплоенергетики

/протокол №10 від 19.01.2012р./

У методичці приведені інструкціі по лабораторним роботам згідно з робочою програмою з дисципліни «Температури та температурні напруження в теплотехнічному обладнанні». В кожній інструкціі наведено теоретичні положення, опис експериментальної установки, порядок виконання та оформлення звіту про роботу. По кожній темі надані контрольні питання.

ЗМІСТ

	Стор.
Загальні теоретичні основи	4
Лабораторна робота № 1 Визначення коефіцієнта теплопровідності та термічних напружень матеріалів методом плити	5
Лабораторна робота № 2 Визначення коефіцієнта вільної тепловіддачі від труби	11
Лабораторна робота № 3 Дослідження температур та радіаційних характеристик системи двох сірих поверхонь	18
Лабораторна робота № 4 Дослідження теплопередачі та термічних напружень в рекуперативному теплообміннику	24
Лабораторна робота № 5 Дослідження температур та термічних напружень при нагріві циліндричних зразків	31
Додатки	39
Список літератури	43

Загальні теоретичні основи

При нагріві або охолодженні тіла (зразка) внаслідок неоднакового розширення або стиснення окремих його елементів виникають температурні або термічні напруження. Ці напруження є одним з основних факторів, що має враховуватися при встановленні режиму нагріву (роботи).

Термічне напруження , Па, на поверхні зразка розраховується як:

,

де - коефіцієнт термічного розширення металу (для сталей 1/К, для вогнетривких матеріалів 1/К); - температура поверхні зразка або з гарячого краю, ^оС; - модуль Юнга, Па; для сталі модуль Юнга складає 210 ГПа, для вогнетривких матеріалів 50 ГПа; - коефіцієнт Пуассона, для сталей складає 0,3, для вогнетривких матеріалів – 0,4.

Термічне напруження , Па, в центрі зразка розрахується як

,

де - температура в центрі зразка або з холодного краю, ^оС;

- середньомасова температура зразка, приблизно може

бути прийнята як середньоарифметична, тобто

Лабораторна робота № 1 Визначення коефіцієнта теплопровідності та термічних напружень матеріалів методом плити

Мета роботи

Визначення дослідним шляхом коефіцієнта теплопровідності та термічних напружень плоского зразка.

Теоретичні основи

Метод плити заснований на окремому випадку закону теплопровідності, який відноситься до сталого стаціонарного теплового потоку через плоску одношарову стінку [1.2].

Тепловий потік, який проходить через плоску стінку в стаціонарному режимі, складає

де λ – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки, Вт/(м град); δ – товщина стінки, м; F – бокова поверхня стінки, яку пронизує тепловий потік, м²; t_ст.1, і t_ст.2 – температура гарячої і холодної поверхонь стінки, ^оС.

Знаючи поверхню стінки F, її товщину δ, а також вимірюючи що проходить через стінку тепловий потік Q, і температури поверхонь t_ст.1 і t_ст.2 можна визначити середнє значення коефіцієнта теплопровідності

Отримане значення λ відноситься до середньої температури

t_ср = 0,5 (t_ст.1 + t_ст.2)

Опис експериментального обладнання

Дослідна установка (Рис.1.1) розташована на лабораторному стенді. Два досліджуваних зразка 1, виготовлених із текстоліту в формі пластин 125 х 240 мм, товщиною δ = 12 мм затиснуті за допомогою стальних пластин 3 між плоским нагрівачем 2 з ніхромового дроту.

Кількість теплоти, яка проходить через зразки, визначається по витраті електричної енергії. Споживана електоронагрівачем потужність регулюється за допомогою лабораторного автотрансформатора 7 і вимірюється амперметром А і вольтметром V.

Для вимірювання температур гарячих поверхонь плити t_ст.1 (точки t₁ і t₃) та холодних t _ст.2 (точки t₂ і t₄) в центрі зразків закладені чотири хромель – алюмелевих термопар 4. Електроди термопар виведені до перемикачів 5, а е.р.с. термопар вимірюється мілівольтметром 6.

Порядок проведення досліду

Установка включається тумблером 8 за 20 – 30 хв. до початку досліду. Оскільки використовується метод стаціонарного теплового режиму, всі виміри повинні проводитися при строго сталому, тобто незмінному в часі, тепловому режимі.

Рис.1.1 Схема експериментальної установки

Цей режим характеризується незмінністю показників всіх приборів від часу і встановлюється за 30 – 40 хв. після включення установки або зміни сили струму.

Після того, як тепловий стан системи стане сталим необхідно зробити декілька записів показників всіх приборів через кожні 8 – 10 хв. Для переходу на новий температурний режим необхідно ЛАТРом 7 змінити споживання електроенергії і знову дочекатися стаціонарного стану. При виконанні роботи в повному об’ємі необхідно провести досліди для трьох – чотирьох різних режимів з метою одержання залежності коефіцієнта теплопровідності від температури.

Вмикання, зміна режимів і вимикання пристрою проводиться викладачем!

Для обробки можна використовувати тільки ті дані, які були одержані при сталому стані системи. Звичайно беруть середні значення останніх трьох записів.

Результати досліджень заносяться в таблицю 1.1.

Таблиця 1.1 – Дані досліджень

№ п/п	U, В	I, А	t1, ^оС	t2, ^оС	t3, ^оС	t4, ^оС
1. 2. 3.

Розрахункова частина

Тепловий потік, який виділяється нагрівачем

де І – сила струму, А; U – напруга нагрівача, В;

Температура гарячої поверхні знаходиться як середня для лівого і правого зразків .

Температура холодної поверхні .

Середня температура плити, до якої буде відноситися найдений коефіцієнт теплопровідності

.

Коефіцієнт теплопровідності досліджуваного матеріалу

.

Результати розрахункових даних заносяться у таблицю 1.2.

Термічне напруження на поверхні , Па, та в центрі , Па, зразка:

.

Таблиця 1.2 – Результати обробки даних досліду

№ п/п	Q, Вт	tст1, ^оС	tст2, ^оС	tср, ^оС	λ, Вт/м∙К	, Па	, Па
1. 2. 3.

Оформлення звіту

Кожен студент подає звіт про виконану роботу індивідуально. Звіт повинен вміщувати слідуючи розділи:

• назва і мета роботи;

• короткий зміст теоретичних основ;

• схему і опис експериментального обладнання;

• таблиці спостережень та обробки даних;

• розрахункову частину;

• графік залежності коефіцієнта теплопровідності та термічних напружень від температури;

• аналіз одержаних результатів.

Контрольні питання

1. Що таке температурні напруження?

2. Який знак будуть мати напруження розтягу та стиснення?

3. Чи можливо з допомогою даного обладнання визначити коефіцієнт теплопровідності металевих матеріалів?

4. Які методи, крім описаного, можна використовувати при визначенні коефіцієнту теплопровідності?

5. Який із приладів дослідного обладнання дає найбільшу погрішність і що необхідно запровадити, щоб цю погрішність зменшити?

6. Як розрахувати похибку визначення коефіцієнту теплопровідності на даному обладнанні?