Методичні вказівкиvde.kpi.ua/images/metodi4ki/laborat/lab_teplomasoobmen.pdf ·...

1

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Методичні вказівки

для виконання лабораторних робіт з

дисципліни

«ТЕПЛОМАСООБМІН»

для студентів усіх форм навчання

за напрямком підготовки 6.050701 – «Електротехніка та електротехнології»,

спеціальність 7.05070107 та 8.05070107 «Нетрадиційні та відновлювані джерела

енергії»

Київ 2014

2

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни

“Тепломасообмін” для студентів денної форми навчання за напрямком

підготовки 6.050701 – «Електротехніка та електротехнології», спеціальність

7.05070107 та 8.05070107 «Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії»

денної форми навчання. Укладач: Жовмір М. М., - К.: ФЕА НТУУ “КПІ”, 2014.

– 40 с.

Затверджено Вченою радою ФЕА НТУУ “КПІ”

(Протокол № 1 від 29.08. 2014 р.)

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з дисципліни

“Тепломасообмін” для студентів усіх форм навчання за напрямком підготовки:

6.050701 – «Електротехніка та електротехнології»;

спеціальність: 7.05070107 та 8.05070107 «Нетрадиційні та відновлювані

джерела енергії»

Укладач: Жовмір Микола Михайлович, канд. техн. наук, доц.

Відповідальний

редактор: Будько Василь Іванович, канд. техн. наук, доц.

Рецензент: Барабаш Петро Олексійович, канд. техн. наук, доц.

3

ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

З ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Мета виконання даного циклу лабораторних робіт - закріплення

теоретичних знань з тепломасообмінних процесів, що здійснюються в

енергетичних установках, зокрема в установках, що використовують

відновлювані джерела енергії, формування уявлення про можливості і

специфіку здійснення процесів тепломасообміну у системах енергопостачання

на основі відновлюваних джерел енергії.

Задачі циклу: ознайомити студентів з принципами здійснення

тепломасообмінних процесів, методами експериментального дослідження і

визначення їх основних характеристик у відповідності з державними

стандартами; сформувати вміння та навички організації і проведення

випробувань та вимірювань, реєстрації, аналізу і оцінки одержаних результатів.

Процес виконання лабораторної роботи включає самостійну підготовку

до роботи, підготовку протоколу на лабораторну роботу, допуск до виконання

лабораторної роботи, проведення експериментальних досліджень у

відповідності з методичними вказівками, обробку результатів, формулювання

висновків, оформлення звіту та захист виконаної лабораторної роботи.

При підготовці до роботи студенти зобов'язані заздалегідь ознайомитися

з даними методичними вказівками, вивчити необхідні теоретичні відомості,

підготувати в рукописному вигляді проект протоколу лабораторної роботи,

виконати завдання на самостійну роботу і підготувати відповіді на контрольні

запитання. В результаті підготовки студенти повинні розуміти мету роботи, її

задачі, знати фізичну суть явищ, що досліджуються, принцип роботи

обладнання і засоби вимірювання, методику розрахунків та характер

очікуваних результатів. Особливу увагу слід звернути на знання термінології,

4

без якої неможливе чітке засвоєння навчального матеріалу. Якість теоретичної

підготовки та виконання самостійного завдання контролює викладач на початку

заняття. Студенти, підготовка яких не відповідає викладеним вимогам, до

виконання лабораторної роботи не допускаються. Такий підхід диктується

тією обставиною, що лабораторні роботи часто виконуються до викладу

відповідного матеріалу на лекціях.

Під час лабораторної роботи студенти, при необхідності, повинні

підготувати устаткування до роботи при відключеному живленні. Після

перевірки рівня підготовки студентів, готовності устаткування і правильності

з’єднань викладач дає дозвіл на вмикання устаткування і виконання роботи. В

залежності від спеціальності, згідно з відповідною робочою навчальною

програмою, деякі завдання з лабораторних досліджень за вказівкою викладача

можуть бути пропущені. Викладач постійно контролює хід роботи і

правильність отриманих результатів.

Рукописний звіт про роботу повинен містити мету роботи; завдання,

короткі теоретичні відомості, основні визначення, принципову чи структурну

схему установки; алгоритм та формули для чисельних розрахунків; перелік

проведених досліджень з вказівкою необхідних відомостей про досліджені

матеріали, умови дослідження, використане обладнання, прилади та програмне

забезпечення; результати досліджень у вигляді таблиць та графіків; аналіз

результатів; загальні висновки по роботі з рекомендаціями відносно

практичного використання досліджених пристроїв і отриманих результатів,

короткий конспект з питань, які входять до завдання на самостійну підготовку.

Використання обчислювальної техніки при оформленні звіту допускається

тільки за узгодженням з викладачем.

Текст звіту слід оформляти на листах формату А4 або у звичайному

учнівському зошиті. Графіки краще викреслювати на міліметрівці, стежачи за

5

раціональним вибором масштабу, чіткістю нанесення експериментальних точок

та правильністю апроксимації експериментальних даних.

Рисунки, таблиці, графіки, схеми слід виконувати у відповідності з

ЄСКД, а умовні позначення у відповідності з державними стандартами та

нормативною документацією, прирівнюючи звіт з лабораторної роботи до звіту

з науково-дослідної роботи.

При обробці експериментальних даних та формулюванні висновків

слід аналізувати фізичну суть закономірностей, що спостерігаються, та

можливість їхнього використання в інженерній роботі по спеціальності. В

процесі розрахунків потрібно використовувати міжнародну систему одиниць і

контролювати правильність результатів за порядком величин. Студенти

повинні вміти пояснити одержані результати та обґрунтувати свої висновки при

захисті лабораторної роботи.

Зміст висновків повинен бути узгоджений з метою роботи і завданнями

на проведення окремих досліджень. У висновках необхідно описати об’єкт

дослідження, методи, устаткування та прилади, які були використані в роботі,

охарактеризувати можливі похибки експериментальних даних, сформулювати й

пояснити на основі теоретичних відомостей основні закономірності, виявлені

при проведенні досліджень, навести відповіді на питання, поставлені у

методичних вказівках при формулюванні завдання на самостійну роботу та

порядку виконання окремих досліджень, дати рекомендації з практичного

використання досліджених приладів і отриманих результатів.

При захисті лабораторної роботи студенти повинні знати визначення

основних понять, явищ, фізичних величин та технічних параметрів пристроїв,

які досліджуються у даній роботі; фізичні основи відповідних явищ та

закономірності впливу зовнішніх факторів на перебіг цих явищ; перелік

6

найбільш характерних параметрів досліджуваних процесів, порядок їхніх

величин; основні фактори, які впливають на характеристики і параметри

матеріалів, а також закономірності цих впливів; можливості практичного

використання досліджених матеріалів та явищ.

Інструктаж з техніки безпеки студенти повинні пройти на першому

занятті. Інструктаж проводить викладач або відповідальний за техніку безпеки

при роботі в даній лабораторії. Після ознайомлення з інструкцією кожен

студент повинен зареєструватися у контрольному журналі чи листі проведення

інструктажу з техніки безпеки.

7

Лабораторна робота № 1

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ

ЛИСТОВОГО МАТЕРІАЛУ МЕТОДОМ ПОРІВНЯННЯ

Мета роботи

Метою роботи є практичне застосування теорії теплопровідності,

вивчення методики експериментального визначення коефіцієнта

теплопровідності матеріалу, отримання навичок у виконанні

експериментальних робіт.

Завдання роботи

1.Експериментально знайти значення коефіцієнта теплопровідності

листового матеріалу методом порівняння.

2. Скласти звіт про виконану лабораторну роботу.

Теоретичні основи методики експерименту

Згідно з законом Фур’є, вектор густини теплового потоку пропорційний

вектору градієнта температури:

gradq t (1)

Коефіцієнт пропорційності у цьому виразі називається коефіцієнтом

теплопровідності і являється фізичним параметром матеріалу тіла.

В загальному випадку коефіцієнт теплопровідності залежить від природи

речовини з якої виготовлено тіло та параметрів стану речовини (температура,

тиск). Для твердих тіл, зокрема діелектриків, коефіцієнт теплопровідності

залежить також від структури – пористості, вологості та від температури.

Значення коефіцієнта теплопровідності визначаються експериментально.

Одним з методів його визначення є метод порівняння, що ґрунтується на

застосуванні аналітичного рішення задачі теплопровідності для тіла простої

геометричної форми – пластини.

В даній роботі коефіцієнт теплопровідності визначається методом

порівняння теплопровідності пластини з відомим значенням коефіцієнта

теплопровідності (еталонна пластина) з теплопровідністю пластини значення

теплопровідності якої необхідно визначити (досліджувана пластина).

В сталому режимі густина теплового потоку, що передається

теплопровідністю через дві притиснуті одна до одної пластини, є однаковою.

Для еталонної пластини густина теплового потоку визначається її коефіцієнтом

теплопровідності та градієнтом температури в еталонній пластині:

q = −λ1*(dT1⁄dx1) (2)

Для досліджуваної пластини густина теплового потоку визначається її

коефіцієнтом теплопровідності та градієнтом температури в досліджуваній

пластині:

q = −λ2*(dT2⁄dx2) (3)

8

Оскільки через поверхню розділу двох пластин передається однаковий

тепловий потік, тоді:

q = −λ1*(dT1⁄dx1)= −λ2*(dT2⁄dx2) (4)

де: q - густина теплового потоку, Вт/м2;

λ1 – коефіцієнт теплопровідності еталонної пластини, Вт/(м*К;

λ2 – шуканий коефіцієнт теплопровідності досліджуваної пластини,

(Вт/(м*К);

dT1⁄dx1 – градієнт температури в еталонній пластині, який дорівнює зміні

температури в еталонній пластині на одиницю її довжини в напрямку

нормальному до її поверхні;

dT2⁄dx2 – градієнт температури в досліджуваній пластині, який дорівнює

зміні температури в досліджуваній пластині на одиницю її довжини в напрямку

нормальному до її поверхні.

З формули (4) можна знайти вираз для визначення коефіцієнта

теплопровідності досліджуваної пластини:

λ2 = λ1 *(dT1⁄dx1) / (dT2⁄dx2) (5)

З цього виразу слідує, що для визначення коефіцієнта теплопровідності

досліджуваної пластини 2 необхідно знати коефіцієнт теплопровідності

еталонної пластини 1, та при сталій густині теплового потоку q виміряти

градієнт температури в еталонній пластині dT1⁄dx1 та в досліджувані пластині

dT2⁄dx2.

У випадку, коли коефіцієнт теплопровідності матеріалу практично не

залежить від температури, градієнт температури можна замінити на відношення

різниць температури на поверхнях пластин до товщини відповідної пластини:

для еталонної пластини:

(dT1⁄dx1) = (T1/d1); (6)

для досліджуваної пластини:

(dT2⁄dx2)= ( T2/d2), (7)

де: T1 – перепад температури на еталонній пластині;

d1 – товщина еталонної пластини;

T2 – перепад температур на досліджуваній пластині;

d2 – товщина досліджуваної пластини.

Опис лабораторної установки

Схема експериментальної установки наведена на рис. 1. Робоча ділянка

установки включає посудину з водою 3 у яку поміщено електричний нагрівач 2.

За допомогою лабораторного автотрансформатора 1 на електричний нагрівач

подається електричний струм, що забезпечує нагрів води у посудині до заданої

температури. До пласкої поверхні посудини 3 притиснута еталонна пластина 4,

виготовлена з текстоліту, а до неї досліджувана пластина 5 виготовлена з гуми.

Зовнішня поверхня досліджуваної пластини омивається атмосферним повітрям.

Завдяки різниці температур води в посудині 3 та атмосферного повітря

через еталонну пластину та досліджувану передається тепловий потік, в

результаті цього в пластинах формується поле температур. Температуру на

стику стінки посудини з нагрітою водою та гарячої поверхні еталонної

9

пластини вимірюють за допомогою термопари 6, температуру на поверхні

розділу еталонної пластини та досліджуваної пластини вимірюють термопарою

7, температуру на охолоджуваній повітрям поверхні досліджуваної пластини

вимірюють термопарою 8, температуру атмосферного повітря - за допомогою

термопари 9. Вказані термопари є давачами температури і їх вихідним

сигналом є е.р.с. залежна від температури; термопари підключені вторинного

показуючого приладу – потенціометра (10), що має градуювання з

температурною шкалою.

Рис.1 – Принципова схема лабораторної установки яка складається з:

1. Лабораторного автотрансформатора;

2. Нагрівача зануреного у воду;

3. Посудини з водою;

4. Еталонної пластини з відомою теплопровідністю;

5. Досліджуваної пластини з невідомою теплопровідністю;

6. Термопари-давача температури на гарячій поверхні еталонної пластини

Т1;

7. Термопари-давача температури на поверхні розділу еталонної та

досліджуваної пластин Т2;

8. Термопари-давача температури на зовнішній охолоджуваній поверхні

досліджуваної пластини Т3;

9. Термопари-давача температури оточуючого повітря Т4;

10. Вторинного приладу вимірювання температур (потенціометр або

мілівольтметр).

10

Заходи безпеки при експлуатації лабораторної установки

При виконанні роботи не змінювати встановлену схему електричних

з’єднань установки.

Вмикати установку в мережу тільки після перевірки схеми завідувачем

лабораторією, за його дозволом та під його наглядом.

Забороняється торкатися частин установки, що можуть знаходитися під

напругою, а також води та посудини з нагрівачем.

При роботі експериментальної установки забороняється порушувати

методику експерименту.

Порядок виконання лабораторної роботи

1. У завідувача лабораторією отримати заздалегідь виготовлений

зразок листового матеріалу для вимірювання його теплопровідності з

наклеєними на нього термопарами.

2. Виміряти товщину листа матеріалу, що буде досліджуватися, за

допомогою штангенциркуля. Назву досліджуваного матеріалу та його товщину

записати у протокол.

3. Виміряти товщину листа матеріалу, що буде використовуватися в

якості еталона, за допомогою штангенциркуля. Назву еталонного матеріалу та

його товщину записати у протокол.

4. Закріпити лист еталонного матеріалу та досліджуваний зразок

листового матеріалу на експериментальному стенді.

5. Під’єднати термопари до вимірювальних приладів згідно зі схемою

з’єднань.

6. Заповнити посудину з нагрівачем водою до мітки.

7. Встановити лабораторний термометр в посудину з нагрівачем та

водою.

8. Перевірити цілісність електричної схеми. Впевнитись у відсутності

протікань води, видалити сліди пролитої води.

9. Впевнитись, що ручка керування автотрансформатора знаходиться

в крайньому лівому, тобто нульовому положенні.

10. Доповісти завідувачу лабораторією про готовність до виконання

роботи.

11. Після перевірки установки та схеми з’єднань завідувачем

лабораторією та лише за його командою ввімкнути в мережу мілівольтметр та

автотрансформатор.

12. За вказівкою завідувача лабораторією за допомогою

автотрансформатора установити вказану ним напругу, що подається на клеми

нагрівача. Впевнитись у безпечній роботі установки.

13. Нагріти воду у посудині до кипіння та зменшити напругу на

нагрівачі для забезпечення легкого постійного кипіння та підтримувати воду в

посудині при температурі близько 100 ºС.

14. За допомогою скляного лабораторного термометра слідкувати за

температурою води в посудині.

11

15. Підтримувати стабільну роботу установки протягом 15 хвилин до

досягнення сталого температурного поля у еталонному зразку листового

матеріалу та досліджуваному зразку листового матеріалу. Про сталість

температурного поля свідчить незмінність показів термопар вмонтованих на

границях зразків.

16. Після досягнення сталого температурного поля виміряти та

записати у таблицю значення е.р.с. термопар (температури), температуру води в

посудині.

17. Дослід повторити 3 рази.

18. За допомогою автотрансформатора зменшити напругу, що

подається на нагрівач до нуля вивівши його ручку управління вліво до упору.

Відключити автотрансформатор від мережі.

19. Записати у протокол клас точності та використовуваний діапазон

вимірювань мілівольтметра. Записати у протокол ціну поділки лабораторного

термометра. Записати у протокол ціну поділки застосовуваного

штангенциркуля.

20. Вимкнути мілівольтметр. Доповісти завідувачу лабораторією про

завершення дослідження.

Результати вимірювань

Таблиця 1

Результати вимірювань та розрахунків коефіцієнта теплопровідності

досліджуваної пластини

Фіз.

величина

d1 d2 Т1 Т2 Т3 ΔТ1 ΔТ2 λ2

λ2 сер

Од. вим.

№ досліду

м м ºС ºС ºС ºС ºС Вт/(м*К) Вт/(м*К)

1

2

3

Обробка результатів експерименту

Коефіцієнт теплопровідності досліджуваної пластини визначають за

залежністю:

λ2 = λ1 (T1/d1)/( T2/d2) (9)

де: λ1 – коефіцієнт теплопровідності еталонної пластини, приймається за

довідковими даними або паспортом еталонної пластини;

T1 – перепад температури на еталонній пластині;

d1 – товщина еталонної пластини;

T2 – перепад температур на досліджуваній пластині;

d2 – товщина досліджуваної пластини.

ΔТ1 = Т1 - Т2 (10)

де: Т1 – температура на термопарі 6;

12

Т2 – температура на термопарі 7.

ΔТ2 = Т2 – Т3 (11)

де: Т2 – температура на термопарі 7;

Т3 – температура на термопарі 8.

Визначають середнє арифметичне значення коефіцієнта теплопровідності

досліджуваної пластини за даними трьох дослідів λ2сер, Вт/(м*К).

Оцінка похибки отриманих результатів

Абсолютні похибки прямих вимірювань величин відповідно до

характеристик застосовуваних засобів вимірювання:

Δ(ΔТ1) приладу = ± К

Δ(ΔТ2) приладу = ± К

ΔТ1 приладу = ± оС



Δd1 приладу = ± м

Δd2 приладу = ± м

Абсолютна похибка опосередкованих вимірювань коефіцієнта

теплопровідності:

Δ λ2= λ2сер* (Δd2/d2+ΔT1/T1+Δ λ1/ λ1+Δd1/d1+ΔT2/T2) (12)

де: Δλ1/λ1 – відносна похибка табличного значення коефіцієнта

теплопровідності еталонної пластини.

Остаточний результат:

λ2= λ2сер ± Δ λ2 Вт/(м*К).

Вимоги до звіту з лабораторної роботи

Звіт з лабораторної роботи повинен відображати наступні питання:

1. Мета роботи

2. Теоретичні основи методики експерименту

3. Схема установки, опис установки.

4. Методика експерименту.

5. Таблиця експериментальних та розрахункових даних.

6. Розрахунки значень коефіцієнта теплопровідності досліджуваного

матеріалу

7. Оцінка похибки отриманих результатів

8. Висновки. (В ході роботи визначено коефіцієнт теплопровідності (назва

матеріалу досліджуваної пластини) методом порівняння з

теплопровідністю еталонного матеріалу (назва матеріалу еталонної

13

пластини) для якого відоме значення коефіцієнта теплопровідності λ1 =

___±0,___ Вт/(м*К). Табличне значення коефіцієнта теплопровідності

досліджуваного матеріалу _________ становить ____ Вт/м*К, а

експериментально отримане значення λ2 = 000,0±0,00 Вт/(м*К), яке на %

відрізняється від табличного. Пояснити можливу причину розходження

табличного та експериментально визначеного значень коефіцієнта

теплопровідності.)

Форма титульної сторінки звіту з лабораторної роботи наведена у додатку.

Питання для самостійного вивчення

1. Фізична суть процесу теплопровідності. Закон Фур’є.

2. Коефіцієнт теплопровідності та фактори, що впливають на його

величину.

3. Розрахункові залежності, що покладені в основу експериментального

визначення коефіцієнта теплопровідності методом порівняння.

Список рекомендованої літератури

1. Исаченкко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.:

Энергоиздат, 1981. – 416с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- м., Энергия, 1977. –

344с.

3. Конспект лекцій за курсом «Тепломасообмін».

14

Лабораторна робота №2

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВІДДАЧІ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ ТРУБИ

ПРИ ВІЛЬНОМУ РУСІ ПОВІТРЯ


Метою роботи є поглиблення та практичне закріплення знань з теорії

конвективного теплообміну при вільному русі рідини, вивчення методики

експериментального визначення коефіцієнтів тепловіддачі, отримання

практичних навичок у проведенні теплотехнічних експериментів.

В результаті виконання лабораторної роботи студенти мають засвоїти

ключові поняття: вільний рух рідини, питома густина теплового потоку,

коефіцієнт тепловіддачі як міра інтенсивності конвективного теплообміну.


1.Експериментально визначити середні значення коефіцієнта тепловіддачі

при вільному русі повітря навколо горизонтальної труби залежно від

температурного напору.

2. Виконати обробку отриманих експериментальних даних та представити

їх у критеріальній формі. Порівняти отримані рівняння подібності з відомими

літературними залежностями.



Вільним називають рух рідини (газ, крапельна рідина), що викає під дією

масових (об’ємних) сил. Прикладом такого руху є рух рідини в гравітаційному

полі внаслідок різниці її густини в різних точках простору з нерівномірним

температурним полем.

Якщо різниця густин рідини обумовлена різницею температур поверхні

тіла та рідини в об’ємі, то рух рідини супроводжується конвективним

теплообміном між тілом та рідиною – тепловіддачею при вільній конвекції.

Збільшення різниці температур поверхні та рідини призводить до зростання

різниці густин в сусідніх об’ємах рідини, що і впливає на збільшення швидкості

її руху в гравітаційному полі сил тяжіння. В свою чергу збільшення швидкості

руху рідини викликає збільшення інтенсивності конвективного теплообміну,

що характеризується коефіцієнтом тепловіддачі. Коефіцієнт тепловіддачі ,

Вт/(м2К) визначається як відношення величини питомої густини теплового

потоку до температурного напору:

к

c p

q

t t

, (1)

де: qк – питома густина теплового потоку обумовлена конвекцією, Вт/м2;

tc – температура тепловіддаючої стінки, оС;

tр – температура рідини в якій відбувається конвекція віддалік від стінки, оС.

15

Значення коефіцієнта тепловіддачі залежить від ряду факторів –

температурного напору, фізичних властивостей рідини, форми, розміру та

просторової орієнтації тепловіддаючої поверхні.

Аналіз процесу тепловіддачі при вільній конвекції та перетворення його

математичного опису у критеріальний вигляд показує, що визначальними

критеріями подібності є числа Грасгофа (Gr) та Прандтля (Pr), а розрахункове

рівняння подібності для визначення середнього коефіцієнта тепловіддачі для

горизонтальної труби має вид:

, ,

n

р d tр dNu c Gr Pr

(2)

де:

число Нуссельта: ,р d

р

dNu

(3)

критерій Грасгофа:

3

, 2

p

р d

p

g t dGr

(4)

число Прандтля:

p

р

p

Pra

(5)

поправка, що враховує залежність теплофізичних властивостей рідини від

температури:

0,25

p

t

c

Pr

Pr

(6)

Індекс «р» вказує, що теплофізичні властивості рідини приймають при

температурі рідини tp.

Індекс «c» вказує, що теплофізичні властивості рідини приймають по

температурі стінки tс.

Постійні величини С та n залежать від характеру руху рідини в

пограничному шарі та від просторової орієнтації труби (горизонтально чи

вертикально). Біля горизонтальних труб в широкому діапазоні зміни t та d

зберігається ламінарний рух рідини в пограничному шарі, при цьому для

розрахунку середніх по периметру труби коефіцієнтів тепловіддачі

застосовують наступну залежність:

0,25

, ,0,5р d tр d

Nu Gr Pr (7)

яка справедлива при значеннях 3 9

,10 ...10

p dGr Pr

16


Лабораторна установка для експериментального дослідження

інтенсивності тепловіддачі при вільній конвекції повітря, що показана на рис.1,

включає робочу ділянку в вигляді горизонтально розташованої тонкостінної

трубки 1 з нержавіючої сталі. Зовнішній діаметр трубки 12 мм, товщина стінки

0,5 мм, довжина 610 мм.

Трубка нагрівається шляхом прямого пропускання електричного струму.

Для цього до кінців трубки припаяні струмопідвідні фланці 2. До фланців

електричний струм подається за допомогою автотрансформатора 4 та

понижувального трансформатора 5. Електрична потужність, що підводиться до

трубки, регулюється за допомогою автотрансформатора 4, а її значення

визначається за величиною струму, що вимірюється за допомогою

трансформатора струму 6 (коефіцієнт трансформації к=10) і амперметром 7, та

падінням напруги між фланцями, що вимірюється за допомогою вольтметра 8.

Для запобігання впливу випадкового вимушеного руху повітря, що

виникає внаслідок протягів або переміщення людей, трубка захищена

вертикальними прозорими екранами та горизонтальними сітками з розміром

чарунки 2 мм.

Температура трубки по її довжині є постійною, але вона змінюється по

околу трубки, оскільки по околу трубки змінюється товщина пограничного

шару та локальний коефіцієнт тепловіддачі. Температура поверхні труби tc

вимірюється 7 хромель-копелевими термопарами 3 рівномірно розташованими

по її довжині та околу. Корольки термопар впаяні в отвори діаметром 0,5 мм

виконані в стінці труби. Електроди термопар прокладені всередині труби та

виведені через фланці. Восьма термопара розташована на 100 мм нижче трубки

і вимірює температуру повітря в приміщенні tp.

Холодні виводи термопар приєднані до приладу вимірювання та

реєстрації температур 9 типу ПКРТ-0103 який в свою чергу через COM-порт

(інтерфейс RS232) з’єднується з персональним комп’ютером 10 для графічного

відображення зміни температур на екрані монітора. Вимірювальний прилад уже

враховує поправку на температуру холодних кінців термопар. У приладі ПКРТ-

0103 результати вимірювань записуються в пам'ять через кожні 30 с, а після

закінчення експериментів їх необхідно переписати в пам'ять комп’ютера у

вигляді txt-файлу.

17

Рис. 1 – Схема лабораторної установки яка складається з:

1. Дослідної труби – робочої ділянки;

2. Струмопідвідних фланців;

3. Термопар;


5. Понижувального трансформатора;

6. Трансформатора струму;

7. Амперметра;

8. Вольтметра;

9. Приладу вимірювання та реєстрації температур ПКРТ-0103;

10.Персонального комп’ютера.

Правила безпеки при експлуатації лабораторної установки

При виконанні роботи не змінювати схему електричних з’єднань

установки.

Вмикати установку в мережу тільки після перевірки схеми викладачем

(завідувачем лабораторією) та за його дозволом.


напругою: трубки, з’єднувальних проводів, неізольованих клем приладів

При роботі експериментальної лабораторної установки забороняється

порушувати методику експерименту.

18


1. Ознайомитися з устроєм експериментальної лабораторної

установки та правилами безпеки при її експлуатації.

2. Заготовити таблицю для запису спостережень та

експериментальних даних

3. Впевнитись у цілісності установки та правильності електричних

з’єднань.

4. Впевнитись, що ручка лабораторного автотрансформатора

знаходиться в нульовому положенні – виведена у крайнє ліве положення.

5. Включити персональний комп’ютер. Включити живлення приладу

ПКРТ-0103. На персональному комп’ютері запустити програму «Термопара».

Впевнитись, що програма працює та відображає значення температур по

кожній термопарі. Впевнитись у синхронності значень часу у комп’ютері та

приладі ПКРТ-0103.

6. Включити живлення лабораторного автотрансформатора 6 і

поворотом його ручки, спостерігаючи за вольтметром 10, встановити напругу

вказану викладачем.

7. Спостерігати зміну температури трубки за графіком, що

відображається на екрані монітора комп’ютера. Після стабілізації

температур,що вимірюються всіма термопарами, записати у таблицю

спостережень: поточне значення часу за годинником комп’ютера, значення

напруги за вольтметром 10 та силу струму за амперметром 9, значення

температур за термопарами. Повторити вимірювання всіх величин три рази при

даних незмінних умовах.

8. За вказівкою викладача повторити експеримент при інших

значеннях напруги вказаних викладачем.

9. Провівши останній експеримент вивести ручку автотрансформатора

6 в нульове положення та вимкнути його живлення від мережі.

10. Переписати результати вимірювань із пам’яті приладу ПКРТ-0103 у

пам'ять комп’ютера у вигляді txt-файлу в імені якого вказати дату створення.

11. Відкрити програму Excel та імпортувати до неї txt-файл з

результатами вимірювання температур. Здійснити перетворення текстового

формату даних у числовий та записати у вигляді xls-файлу.

12. До таблиці експериментальних та розрахункових даних внести

уточнені значення температур трубки та повітря, що відповідають моментам

часу, коли записувалися значення напруги та сили струму.

13. Вимкнути живлення приладу ПКРТ-0103.

14. Записати похибки вимірювання всіх величин l, d, U, I, tc, tp.

Обробка результатів досліду

Середній коефіцієнт конвективної тепловіддачі від поверхні трубки до

повітря розраховують за рівнянням:

к к

c p

q q

t t t

19

(8)

Значення ct приймають як середнє арифметичне з семи виміряних

значень:

7

1

/ 7i

c ci

i

t t

(9)

Конвективна складова густини теплового потоку qк визначається як

різниця повної густини теплового потоку q та густини теплового потоку, що

передається випромінюванням від трубки до оточуючого середовища qв:

вкq q q (10)

Повна густина теплового потоку, що виділяється у трубці та відводиться

від неї конвекцією та випромінюванням, визначається за виразом:

Q U I

qF dl

(11)

де: U – падіння напруги на робочій ділянці виміряне вольтметром, В

I – сила струму, що проходить через робочу ділянку, і виміряна за

допомогою амперметра та трансформатора стуму, А.

d- діаметр трубки, м

l - довжина трубки між струмопідводами, м

Густину теплового потоку qв , що обумовлений тепловим

випромінюванням поверхні трубки, знаходять розрахунковим шляхом за

залежністю:

44

в 0100 100

pcTT

q С

(12)

де: ε – коефіцієнт теплового випромінювання полірованої нержавіючої сталі

при температурі трубки;

С0 =5,6703 Вт/(м2К

4) - випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла;

c c 273T t - середня абсолютна температура поверхні трубки, К;

p p 273T t - абсолютна температура тіл в просторі, що оточує трубку, К.

Отримані результати обробки експериментальних даних представляють у

вигляді графіка залежності середнього коефіцієнта тепловіддачі від

температурного напору:

( )f t (13)

Оскільки для газів при невеликих значеннях Тс/Тр значення εt =1, то

отримані дані після обробки в безрозмірній формі представляють у вигляді

20

рівняння подібності:

, ,

n

р d р dNu c Gr Pr

(14)

де: ,р d

р

dNu

(15)

3

2,

p

р dp

g t dGrPr Pr

(16)

При розрахунку чисел Nu та (GrPr) приймають значення теплофізичних

характеристик повітря за таблицею 5 літературного джерела [1]. За отриманими

значеннями чисел Nu та (GrPr) будують графік Nu=f(GrPr) за допомогою

програми Excel, використовуючи логарифмічні шкали на осях абсцис і ординат.

Для точок відображених на графіку задають лінійну апроксимацію з

виведенням на поле графіка апроксимуючого рівняння та отримують шукані

значення постійних С та n рівняння подібності.

Оцінка похибки вимірювань

Оцінка похибки вимірювань полягає у визначенні максимальної відносної

похибки визначення коефіцієнта тепловіддачі від труби до повітря при вільній

конвекції, використовуючи значення похибок виміряних величин за виразом:

c p

c p

t tU I d l

U I d lt t

(17)

де:

- шукане значення відносної похибки визначення коефіцієнта

тепловіддачі;

U – абсолютна похибка вимірювання падіння напруги, В;

I – абсолютна похибка вимірювання сили струму, А;

ct - абсолютна похибка вимірювання температури стінки труби, оС;

pt - абсолютна похибка вимірювання температури повітря, оС ;

d – абсолютна похибка вимірювання діаметра робочої ділянки, м;

l – абсолютна похибка вимірювання довжини робочої ділянки, м.

U – падіння напруги на робочій ділянці труби, В;

I – сила струму, А;

ct – розрахована середня температура труби, оС;

21

pt - виміряна температура повітря, оС;

d- діаметр робочої ділянки труби, м;

l – довжина робочої ділянки труби, м.

Абсолютна похибка отриманих результатів визначається за виразом:

(18)

де: – експериментально визначене значення коефіцієнта тепловіддачі,

Вт/(м2К);

– максимальна відносна похибка експериментального визначення

коефіцієнта тепловіддачі, що розрахована на основі похибок виміряних

величин.

Отримані числові значення коефіцієнтів тепловіддачі наводять у вигляді:

= ± , Вт/(м2К) (19)

22

Таблиця 1

Результати вимірювань та розрахунків коефіцієнта тепловіддачі горизонтальної трубки при вільному русі повітря

d, м

d,

м

l,

м

l,

м

Робоча

ділянка

№

досліду

Час запису

результатів,

Год.:хв.:с

U,

В

I,

А

tc1, o

C

tc2, o

C

tc3, o

C

tc4, o

C

tc5, o

C

tc6, o

C

tc7, o

C

tp, o

C

q,

Вт/м2

qв,

Вт/м2

qк,

Вт/м2

tc,

oC

,

Вт/(м2К)

(Nu)p,d

(GrPr)p,d

23

Вимоги до звіту лабораторної роботи

Звіт з лабораторної роботи повинен відображати наступні питання

1. Мета роботи

2. Теоретичні основи методики експерименту

3. Схему установки

4. Протокол вимірювань та результати обробки експериментальних даних:

розрахунки коефіцієнта тепловіддачі, чисел (Nu)p,d та (GrPr)p,d.

5. Визначення максимальної похибки вимірювань коефіцієнта тепловіддачі

6. Графік ( )f t

7. Графік Nu=f(GrPr), значення С та n у рівнянні подібності

8. Порівняння отриманих експериментальних даних з літературними даними.


1. Фізична суть процесу тепловіддачі при вільній конвекції.

2. Принципова схема експериментальної установки.

3. Метод врахування теплового потоку обумовленого тепловим

випромінюванням трубки.

4. Рівняння Н’ютона-Ріхмана та його застосування до визначення коефіцієнта

тепловіддачі.

5. Джерела похибок експериментального визначення коефіцієнта

тепловіддачі.

6. Числа та критерії подібності. Рівняння подібності.

7. Визначальна температура та характерний лінійний розмір.


1.Исаченкко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат,

1981. – 416с.

2.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- м., Энергия, 1977. – 344с.

3. Конспект лекцій за курсом «Тепломасообмін»

24

Лабораторна робота №3

ДОСЛІДЖЕННЯ КРИЗИ ТЕПЛООБМІНУ ПРИ КИПІННІ ВОДИ

В УМОВАХ ВЕЛИКОГО ОБ’ЄМУ


Метою роботи є практичне ознайомлення з режимами кипіння води -

бульбашковим і плівковим та переходом від бульбашкового кипіння до

плівкового; застосування теорії теплообміну при фазових перетвореннях щодо

досліджуваного процесу; вивчення методики експериментального визначення

теплових потоків при кипінні води; отримання навичок у виконанні

експериментальних робіт.


1.Експериментальне експериментальне визначення густини теплового

потоку та першої критичної густини теплового потоку при кипінні води в умовах

великого об’єму та обігріві дроту пропусканням через нього електричного

струму.



Якщо тонкий дріт, занурений у воду, нагрівати пропусканням через нього

електричного струму то можна простежити наступні процеси. При невеликих

значеннях потужності Q, що підводиться до дроту, відбувається тепловіддача за

рахунок конвекції води, що має температуру нижче температури кипіння. При

цьому можна спостерігати конвективні потоки рідини навколо нагрітого дроту.

Густину теплового потоку можна визначити за залежністю

qконв =Q/F (1)

де: F - площа поверхні теплообміну.

При збільшенні теплового потоку Q починається кипіння недогрітої

рідини. На поверхні дроту утворюються бульбашки пари, частина яких не

відриваючись висить на дроті, інші ж відриваючись та віддаляючись від дроту у

об’єм недогрітої рідини конденсуються. Процес супроводжується появою

характерного звуку.

При подальшому збільшенні теплового потоку Q відбувається перехід до

розвинутого бульбашкового кипіння води нагрітої до температури кипіння.

Зростання теплового потоку при кипінні нагрітої рідини не є безграничним. При

певному значенні тепловий потік досягає максимального значення Qmax і

відбувається перехід до плівкового кипіння. Максимальну питому густину

теплового потоку при бульбашковому кипінні називають першою критичною

густиною теплового потоку і позначають

qкр1 =Qmax/F (2)

За літературними даними для води при атмосферному тиску перша

критична густина теплового потоку становить qкр1=1,18*106 Вт/м

2.

При електричному обігріві на поверхні теплообміну забезпечується

25

постійна густина теплового потоку. Це обумовлює скачкоподібний перехід від

бульбашкового режиму кипіння до плівкового з різким ростом температури

стінки. При електричному нагріві поверхонь, виготовлених з нетугоплавких

матеріалів, момент переходу від бульбашкового режиму кипіння до плівкового

супроводжується руйнуванням (розплавленням) поверхні теплообміну.

Максимальний тепловий потік, що фіксується в момент розплавляння поверхні

теплообміну, використовується для експериментального визначення першої

критичної густини теплового потоку при кипінні даної рідини. У випадку

проведення експерименту з застосуванням дроту з тугоплавкого матеріалу

(ніхром) про кризу кипіння свідчить виникнення ділянок перегрітого дроту, що

починає світитися.


Лабораторна установка для експериментального дослідження кризи

теплообміну при кипінні, що показана на рис. 1 та рис. 2, складається з робочої

ділянки 1, що виконана із ніхромового дроту діаметром 0,1…0,2 мм довжиною

100…150 мм, яка розміщена в скляній прозорій посудині 5 заповненій

дистильованою водою. Нагрів робочої ділянки здійснюється пропусканням через

неї електричного струму. Струм через робочу ділянку подається від

лабораторного автотрансформатора 7 за допомогою утримувачів 2 та мідних

струмопідводів 3. Напруга прикладена до робочої ділянки вимірюється за

допомогою вольтметра, а струм - за допомогою трансформатора струму 8 та

амперметра. Для виведення установки на робочу температуру служить

допоміжний електричний нагрівач 10. Вимірювання температури води в

посудині 5 здійснюється за допомогою ртутного лабораторного термометра 9.

Рис. 1 – Схема лабораторної установки яка складається з:

1. Каліброваного ніхромового дроту – робочої ділянки;

26

2. Утримувачів дроту;

3. Стержнів струмопідводу;

4. Знімної рами;

5. Скляної прозорої посудини;

6. Вимикача;

7. Автотрасформатора;

8. Трансформатора струму;

9. Термометра ртутного;

10.Електропідігрівача

V – Вольтметра;

A – Амперметра.

Рис.2 - Загальний вигляд лабораторної установки

Техніка безпеки при експлуатації лабораторної установки

При виконанні роботи не змінювати схему електричних з’єднань

установки.

Вмикати установку в мережу тільки після перевірки схеми викладачем та

за його дозволом.


напругою, а також води та посудини з робочою ділянкою.

При роботі експериментальної лабораторної установки забороняється

порушувати методику експерименту.

27


1. Ознайомитися з устроєм експериментальної лабораторної установки.

2. Заготовити таблицю для запису спостережень та експериментальних

даних.

3. У викладача отримати заздалегідь виготовлений дріт з контактними

клемами.

4. Виміряти опір дроту за допомогою омметра.

5. Виміряти товщину дроту за допомогою мікрометра

6. Виміряти довжину дроту між клемами утримувача дроту за допомогою

лінійки.

7. Закріпити робочу ділянку на зажимах струмопідводу.

8. Встановити рамку з струмопідводами та робочою ділянкою в робоче

положення на посудині з водою.

9. Перевірити цілісність електричної схеми.

10.Впевнитись, що ручка керування автотрансформатора знаходиться в

крайньому лівому, тобто нульовому положенні.

11.Доповісти викладачеві про готовність до виконання роботи.

12.Після перевірки викладачем та за його командою ввімкнути живлення

автотрансформатора.

13.За допомогою автотрансформатора установити струм, що протікає через

дріт 1-1,5 А. Впевнитись у безпечній роботі установки.

14.Збільшити струм, що проходить через дріт до появи звуків кипіння, а потім

зменшити до зникнення шумів кипіння. Через стінки посудини розглянути

характер циркуляції води довкола нагрітого дроту. Записати значення сили

струму та перепаду напруги на дроті.

15.Збільшити силу струму до появи бульбашок пари на поверхні дроту. Через

стінки посудини розглянути характер утворення та відриву бульбашок від

дроту, характер їх руху в товщі води. Записати значення сили струму та

перепаду напруги на дроті.

16.Поступово збільшувати силу струму до інтенсивного бульбашкового

кипіння води на поверхні дроту. Через стінки посудини розглянути

характер руху бульбашок пари в товщі води та їх вихід на поверхню.

Записувати значення сили струму та перепаду напруги на дроті.

17.При появі світіння на окремих ділянках дроту напругу та струм не

збільшувати. Записати досягнуті значення сили струму та перепаду

напруги як такі, що відповідають кризі кипіння. Спостерігати за плівковим

кипінням води на перегрітих ділянках дроту до його руйнування

(перегорання).

18.Після перегорання дроту автотрансформатор вивести в крайнє ліве нульове

положення та відключити установку від мережі.

19.Результати вимірювань та спостережень записати у таблицю

експериментальних та розрахункових даних.

20.Записати похибки вимірювання експериментальних величин d, l, I, U,

коефіцієнт трансформації трансформатора струму.

28

Таблиця 1

Експериментальні та розрахункові дані дослідження кризи теплообміну при

кипінні води на дроті в умовах великого об’єму

Предмет

дослідження d, м l, м F, м2 U, В

I,

поділо

к I, А R,Ом Q,Вт

q,

Вт/м2

Робоча

ділянка Теплообмін

при

конвекції

Теплообмін

на початку

кипіння


при

розвинутом

у кипінні


при кризі

кипіння

Обробка результатів досліду

Тепловий потік, що виділяється у робочій ділянці, визначається за

виразом:

Q = U*I, Вт (3)

де: U – падіння напруги на робочій ділянці виміряне вольтметром, В

I – сила струму, що проходить через робочу ділянку, виміряна за

допомогою амперметра та трансформатора стуму, А.

Площа поверхні теплообміну робочої ділянки визначається за виразом:

F=dl (4)

де: d- діаметр дроту, м

l - довжина дроту, м

Питомий тепловий потік, що передається через поверхню теплообміну:

q =Q/F (5)

Оцінка похибки вимірювань

Оцінка похибки вимірювань полягає у визначенні максимальної відносної

29

похибки визначення теплових потоків при конвекції, на початку кипіння, при

розвинутому кипінні та при першій кризі теплообміну при кипінні,

використовуючи значення похибок виміряних величин, за виразом: q U I d l

q U I d l

(6)

де: q

q

– шукане значення відносної похибки визначення питомого теплового

потоку;

U – абсолютна похибка вимірювання падіння напруги, В;

I – абсолютна похибка вимірювання сили струму, А;

d – абсолютна похибка вимірювання діаметра робочої ділянки, м;

l – абсолютна похибка вимірювання довжини робочої ділянки, м.

виміряні значення:

U– падіння напруги, В;

I – сила струму, А;

d– діаметр робочої ділянки (дроту), м;

l – довжина робочої ділянки, м.

Абсолютна похибка отриманих результатів визначається за виразом:

qq q

q

(7)

де: q – експериментально визначена питома густина теплового потоку, Вт/м2;

q

q

- максимальна відносна похибка експериментального визначення питомої

густини теплового потоку розрахована на основі похибок виміряних величин.

Отримані числові значення питомої густини теплового потоку навести у

вигляді:

q = q ± q, Вт/м2 (8)

Звіт з лабораторної роботи


1. Мета роботи.

2. Теоретичні основи методики експерименту.

3. Схему установки, опис установки.

4. Методика експерименту. Опис явищ, що спостерігалися

5. Таблиця експериментальних та розрахункових даних. (За

експериментальними даними розрахувати густини теплових потоків при

всіх режимах, що спостерігались, та значення першої критичної густини

теплового потоку при кипінні води.)

30

6. Аналіз та трактування отриманих результатів. (Порівняти значення

густини теплового потоку при конвекції рідини та бульбашковому кипінні.

Порівняти отримане значення першої критичної густини теплового потоку

при кипінні води з розрахунковим значенням за літературними даними.

Пояснити можливі причини розбіжності експериментальних та

розрахункових даних.)

7. Визначення максимальної похибки вимірювань та похибки визначення

густини теплового потоку.


1. Механізм процесу тепловіддачі при кипінні.

2. Режими кипіння. Крива кипіння при електричному нагріві.

3. Фактори, що впливають на інтенсивність теплообміну при кипінні в

умовах вільної конвекції.

4. Конструктивний устрій вимірювальної дільниці.

5. Вимірювання теплового потоку та температур.

6. Джерела похибок експерименту.


1.Исаченкко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат,

1981. – 416с.

2.Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- м., Энергия, 1977. – 344с.

3. Конспект лекцій за курсом «Тепломасообмін»

31

Лабораторна робота № 4

ПОРІВНЯННЯ СТУПЕНЯ ЧОРНОТИ

ПЛАСТИН З ЛАКОФАРБОВИМ ТА СЕЛЕКТИВНИМ ПОКРИТТЯМ


Метою роботи є практичне застосування теорії теплообміну

випромінюванням до вивчення матеріалів, що використовуються для

виготовлення абсорберів сонячних колекторів; експериментальне визначення

випромінювальної здатності пластини з селективним покриттям методом

порівняння з пластиною з сірим покриттям; отримання навичок у виконанні

експериментальних робіт з дослідження променевого теплообміну.


1. Експериментально визначити випромінювальну здатність алюмінієвої

пластини з селективним покриттям методом порівняння з алюмінієвою

пластиною з «сірим» лакофарбовим покриттям;



Для виробництва абсорберів сонячних колекторів широко застосовуються

лакофарбові покриття, що характеризуються високою поглинальною здатністю

a=0,96…0,98 та високою випромінювальною здатністю (ступінь чорноти) ε,

причому для «сірих» тіл з закону Кірхгофа слідує, що a = ε.

Слід зазначити, що спектр сонячного випромінювання подібний до спектру

абсолютно чорного тіла, що має температуру 5800 К та максимумом енергії

випромінювання в короткохвильовій частині спектра.

Абсорбер сонячного колектора зазвичай має температуру не більше

80…100 оС (353 К), тому енергія його власного теплового випромінювання за

законом Віна має максимум в довгохвильовій частині спектра.

Покриття абсорберів, що характеризуються високою поглинальною

здатністю до короткохвильового сонячного випромінювання та низькою

випромінювальною здатністю щодо власного теплового випромінювання, яке

відбувається в довгохвильовій частині спектра, прийнято називати

селективними.

В сучасних сонячних колекторах, особливо призначених для роботи в

зимових умовах та при нагріві води до більш високих температур, з метою

підвищення їх ефективності застосовують абсорбери з селективними

покриттями. Селективні покриття характеризуються дещо нижчою

поглинальною здатністю до сонячного випромінювання as=0,88…0,92 але їх

випромінювальна здатність щодо власного теплового випромінювання

становить εt = 0,10…0,20.

В результатів цього, абсорбер з селективним покриттям сприймає від

сонця майже такий же тепловий потік як і абсорбер зі звичайним чорним

лакофарбовим покриттям тому, що a ≈ as, але його теплові втрати з власним

32

тепловим випромінюванням значно менші оскільки εt. << ε.

В даній лабораторній роботі випромінювальну здатність селективного

покриття нанесеного на алюмінієву пластину будемо порівнювати з

випромінювальною здатністю чорного лакофарбового покриття нанесеного на

аналогічну алюмінієву пластину.

З тильної сторони до кожної з пластин підводять тепловий потік величина

якого вимірюється. Отриманий тепловий потік віддається від пластин

випромінюванням та конвекцією до оточуючого середовища, що має

температуру повітря Тр. Змінюючи теплові потоки, що підводяться до пластин,

доводять їх температури до однакового значення Т1.

Запишемо рівняння теплового балансу для пластин

з чорним лакофарбовим покриттям:

44

11 1в 1к 1 0 1

100 100

p

p

TTq q q С T T

(1)

з селективним покриттям:

44

12 2в 2к 2 0 1

100 100

p

p

TTq q q С T T

(2)

де: q1, q2 – густина теплового потоку підведеного до першої та другої пластин;

q1в, q2в – густина теплового потоку, що віддається до оточуючих предметів

випромінюванням від першої та другої пластин;

q1к, q2к – густина теплового потоку, що віддається до навколишнього

повітря конвекцією від першої та другої пластин;

ε1, ε2 – ступінь чорноти пластин з лакофарбовим та селективним

покриттям;

С0=5,67 Вт/(м2К

4) – випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла;

Т1 – температура пластин, К;

Тр – температура повітря та предметів довкола пластин;

- коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від пластин до повітря.

Конвективна складова теплообміну обох пластин є однаковою, тому

віднявши друге рівняння від першого отримаємо:

44

11 2 1в 2в 1 2 0

100 100

pTTq q q q С

(3)

Якщо нам відоме значення ступеня чорноти пластини з лакофарбовим

покриттям ε1, то з рівняння 3 можна знайти ступінь чорноти пластини з

селективним покриттям:

1 22 1 44

10

100 100

p

q q

TTС

(4)

33

З цього рівняння слідує, що для визначення ступеня чорноти пластини з

селективним покриттям необхідно виміряти теплові потоки q1 та q2 при заданій

однаковій температурі обох пластин Т1.

Оскільки пластини виготовлені з однакового алюмінієвого листа, що

характеризується високою теплопровідністю, тоді можна знехтувати падінням

температури по їх товщині та приймати її рівною Т1.

Для вимірювання величин теплових потоків їх будемо підводити через

однакові еталонні пластини заданої товщини та з відомим значенням

коефіцієнта теплопровідності , вимірюючи при цьому перепад температур на їх

поверхнях. Для еталонної пластини встановленої перед пластиною з

лакофарбовим покриттям одержимо температури Т1е та Т1, а для еталонної

пластини встановленої перед пластиною з селективним покриттям отримаємо Т2е

та Т1.

За законом Фур’є визначимо теплові потоки, що передаються через

еталонні пластини

- до пластини з лакофарбовим покриттям:

1е 11

T Tq

(5)

- до пластини з селективним покриттям:

2е 12

T Tq

(6)

З рівнянь 5 та 6 знаходимо

1е 2е1 2

T Tq q

(7)

Підставляючи отримане значення різниці теплових потоків q1 та q2 в

рівняння 4 отримаємо залежність для розрахунку ступеня чорноти пластини з

селективним покриттям безпосередньо вимірюючи тільки температури:

1е 2е

1е 2е2 1 14 44 4

1 10 0

100 100 100 100

p p

T T

T T

T TT TС С

(8)


Схема експериментальної установки наведена на рис. 1. Установка

включає посудину 1 з водою у яку поміщено електричний нагрівач 2. За

допомогою лабораторного автотрансформатора 3 на електричний нагрівач

подається електричний струм, що забезпечує нагрів води у посудині до заданої

температури. До пласкої стінки посудини 1 притиснута еталонна пластина 4,

виготовлена з поліметилметакрилату, а до неї алюмінієва пластина 5 з нанесеним

34

чорним лакофарбовим покриттям та алюмінієва пластина 6 з нанесеним

селективним покриттям.

Завдяки різниці температур води в посудині 1 та атмосферного повітря

через еталонну пластину 4 та досліджувані пластини 5 та 6 передаються теплові

потоки, які передаються до повітря конвекцією та до оточуючих предметів

випромінюванням. В результаті проходження теплових потоків в пластинах 4, 5,

6 формуються поля температур.

Для вимірювання температур установка оснащена вісьмома хромель-

копелевими термопарами t1…t6 з тонкими електродами. Спаї термопар

встановлені в наступних точках:

t1 – в посудині для вимірювання температури води;

t2 – ззовні установки на відстані 0,1 м від досліджуваних пластин для

вимірювання температури повітря;

t3 – на границі стінки посудини 1 та еталонної пластини 4 в зоні

розташування пластини з лакофарбовим покриттям 5;

t4 – припаяна до алюмінієвої пластини 5 з лакофарбовим покриттям;

t5 – на границі стінки посудини 1 та еталонної пластини 4 в зоні

розташування пластини з селективним покриттям 6;

t6 – припаяна до алюмінієвої пластини 6 з селективним покриттям;

Холодні виводи термопар приєднані до приладу вимірювання та реєстрації

температур 7 типу ПКРТ-0103 який в свою чергу через COM-порт (інтерфейс

RS232) з’єднується з персональним комп’ютером 8 для графічного відображення

зміни температур на екрані монітора. Вимірювальний прилад уже враховує

поправку на температуру холодних кінців термопар. У приладі ПКРТ-0103

результати вимірювань записуються в пам'ять через кожні 15 с, а після

закінчення експериментів їх необхідно переписати в пам'ять комп’ютера у

вигляді txt-файлу.

Для запобігання впливу випадкового вимушеного руху повітря, що

виникає внаслідок протягів або переміщення людей, посудина 1 разом з

досліджуваними пластинами захищена вертикальними сітками, що розташовані

на відстані 0,1 … 0,2 м.

35

Рис.1 – Принципова схема лабораторної установки яка складається з:

1. Посудини з водою;

2. Нагрівача зануреного у воду;


4. Еталонної пластини з відомою теплопровідністю;

5. Досліджуваної пластини з лакофарбовим покриттям;

6. Досліджуваної пластини з селективним покриттям;

7. Приладу для вимірювання та реєстрації температур ПКРТ-0103;

8. Персонального комп’ютера;

t1, t2, t3, t4, t5, t6 – термопар.

36

Заходи безпеки при експлуатації лабораторної установки

При виконанні роботи не змінювати встановлену схему електричних

з’єднань установки.

Вмикати установку в мережу тільки після перевірки схеми завідувачем

лабораторією, за його дозволом та під його наглядом.


напругою, а також води та посудини з нагрівачем.

При роботі експериментальної установки забороняється порушувати

методику експерименту.


1. Ознайомитися з устроєм експериментальної лабораторної установки та

правилами безпеки при її експлуатації.

2. Заготовити таблицю для запису експериментальних даних.

3. Впевнитись, що у цілісності установки та правильності електричних з’єднань.

4. Провірити рівень води у посудині 1 по контрольній мітці, при необхідності

долити дистильовану воду.

5. Установити в посудину 1 скляний лабораторний термометр.

6. Впевнитись, що ручка лабораторного автотрансформатора знаходиться в

нульовому положенні – виведена у крайнє ліве положення.

7. Включити персональний комп’ютер. Включити живлення приладу ПКРТ-

0103. На персональному комп’ютері запустити програму «Термопара».

Впевнитись, що програма працює та відображає значення температур по

кожній термопарі. Впевнитись у синхронності значень часу у комп’ютері та

приладі ПКРТ-0103.

8. Включити живлення лабораторного автотрансформатора 3 і поворотом його

ручки, спостерігаючи за вольтметром, встановити напругу вказану

викладачем.

9. Спостерігати зміну температур води, поверхонь еталонної та досліджуваних

пластин за графіком, що відображається на екрані монітора комп’ютера. При

досягненні температури води 75оС, змінюючи напругу, що подається на

нагрівачі 2, досягти сталого стану з температурою пластини 6 з селективним

покриттям при значенні t6=70 оС. Записати значення поточного часу при якому

спостерігався сталий стан. Записати значення всіх температур.

10. Поступово підвищуючи температуру води у посудині 1, досягти сталого стану

з температурою пластини 5 з лакофарбовим покриттям при значенні t4=70 оС.

Записати значення поточного часу при якому спостерігався сталий стан.

Записати значення всіх температур.

11. Повторити експеримент двічі при значенні температури досліджуваних

пластин 70оС.

12. За вказівкою викладача повторити експеримент при інших значеннях

температури досліджуваних пластин.

13. Провівши останній експеримент вивести ручку автотрансформатора 6 в

нульове положення та вимкнути його живлення від мережі.

37

14. Переписати результати вимірювань із пам’яті приладу ПКРТ-0103 у пам'ять

комп’ютера у вигляді txt-файлу в імені якого вказати дату створення.

15. Відкрити програму Excel та імпортувати до неї txt-файл з результатами

вимірювання температур. Здійснити перетворення текстового формату даних у

числовий та записати у вигляді xls-файлу.

16. До таблиці експериментальних та розрахункових даних внести уточнені

значення температур, що відповідають моментам часу, коли спостерігалися

сталі значення температур пластини 5 з лакофарбовим покриттям та пластини

з селективним покриттям.

17. Вимкнути живлення приладу ПКРТ-0103.

18. Записати значення ступеня чорноти для пластини з лакофарбовим покриттям

ε1, абсолютні похибки вимірювання величин , та всіх температур.

Результати вимірювань

Таблиця 1

Результати вимірювань та розрахунків

ступеня чорноти алюмінієвої пластини з селективним покриттям

Фіз.

величина ε1

t1 t2 t3 t4 t5 t6

ε2

Од. вим.

№ досліду

м Вт/(м*К) - оС

оС

оС

оС

оС

оС -

Обробка результатів експерименту

Ступінь чорноти алюмінієвої пластини з селективним покриттям

визначають за залежністю:

1е 2е2 1 44

10

100 100

p

T T

TTС

(9)

де: λ – коефіцієнт теплопровідності еталонної пластини, приймається за

довідковими даними або паспортом еталонної пластини;

– товщина еталонної пластини, приймається за паспортом еталонної

пластини або на основі вимірювань, м;

Т1 – абсолютна температура пластин з лакофарбовим покриттям та

селективним покриттям в момент сталого стану, К. Величині Т1 присвоюється

значення вимірювані термопарами t4 та t6, які повинні бути однаковими:

Т1=(t4+273)=(t6+273),K.

38

Tp – абсолютна температура повітря навколо установки в момент сталого

стану, К. Величині Tp присвоюється значення виміряне термопарою t2: Tp =

(t2+273), K .

Т1е – абсолютна температура на стику еталонної пластини та пластини з

лакофарбовим покриттям в момент сталого стану, К. Величині Т1е присвоюється

значення температури виміряне термопарою t3: Т1е = (t3+273),K

Т2е – абсолютна температура на стику еталонної пластини та пластини з

селективним покриттям в момент сталого стану, К. Величині Т2е присвоюється

значення температури виміряне термопарою t5: Т1е = (t5+273),K

Оцінка похибки отриманих результатів

Абсолютні похибки прямих вимірювань величин відповідно до

характеристик застосовуваних засобів вимірювання:

Δ() приладу = ± м

Δti приладу = ± оС

Абсолютні похибки довідкових даних

Δ() = ± 0,00 Вт/(м2К)

(ε) = ± 0,000.

Відносна похибка опосередкованих вимірювань ступеня чорноти

селективного покриття:

(ε2)/ε2 = (ε1/ε1+Т1е/Т1е+Т2е/Т2е+/+/+4Т1/Т1+4Тр/Тр)

Абсолютна похибка опосередкованих вимірювань ступеня чорноти

селективного покриття:

Δ ε2= ε2*[ε2/ε2]

Остаточний результат експериментального вимірювання ступеня

чорноти пластини з селективним покриттям:

ε2= ε2 ± Δ ε2

Вимоги до звіту з лабораторної роботи


1. Мета роботи.

2. Теоретичні основи методики експерименту.

3. Схема установки, опис установки.

4. Методика експерименту.

5. Таблиця експериментальних та розрахункових даних.

6. Розрахунки значень ступеня чорноти алюмінієвої пластини з селективним

покриттям.

7. Оцінка похибки отриманих результатів.

39

8. Висновки. (В ході роботи визначено ступінь чорноти анодованої

алюмінієвої пластини методом порівняння зі ступенем чорноти

алюмінієвої пластини з лакофарбовим покриттям для якого відоме

значення ступеня чорноти ε1=0,96. За даними виробника «Aluminium-

Veredlung GmBH & Co» значення ступеня чорноти досліджуваної

алюмінієвої пластини з селективним покриттям становить ε2 = 0,20±0,03; а

експериментально отримане значення ε2=__±__, що відрізняється на ___%

від даних виробника. Пояснити можливу причину розходження даних

виробника та експериментально визначеного значення).


1. Фізична суть теплообміну випромінюванням.

2. Закон Кірхгофа для випромінюванням сірих тіл. Що таке ступінь чорноти ?

3. Особливості поглинання та випромінювання тіл з селективним покриттям.

4. Розрахункові залежності покладені в основу експериментального визначення

ступеня чорноти селективного покриття методом порівняння.


1. Исаченкко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат,

1981. – 416с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- м., Энергия, 1977. –

344с.

3. Конспект лекцій за курсом «Тепломасообмін».

4. Бекман Д. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.:

Энергоиздат. 1983. - 325с.

40

Рекомендована форма титульного листа звіту з лабораторної роботи

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Кафедра відновлюваних джерел енергії

Звіт про виконання лабораторної роботи

(НАЗВА ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ)

по курсу «Тепломасообмін»

Виконав

студент II курсу групи ЕД-__, ФЕА

Прізвище І.П.

Підпис

Дата

Перевірив

ПОСАДА ВИКЛАДАЧА

Прізвище І.П.

Оцінка (кількість балів):

Підпис

Дата

Київ, 20__

Методичні вказівкиvde.kpi.ua/images/metodi4ki/laborat/lab_teplomasoobmen.pdf ·...

Documents