Методическое пособие для лабораторных работ по дисциплине: «техническая термодинамика»

Кафедра электрификации и автоматизации сельского хозяйства

М.Б.Балданов

для студентов направлений подготовки: 140100.62 - Теплоэнергетика и теплотехника

Улан Удэ 2014

УДК 536.24

Балданов М.Б. Учебно – методическое пособие для проведения лабораторных работ по технической термодинамике. Улан –Удэ Из – во БГСХА.-34 с.

Представлены схемы лабораторных установок. Изложены методики проведения лабораторных работ и обработки опытных данных.

Для контроля знаний студентов предложены вопросы.

Рецензент – Дамбиев Ц.Ц.., д – р техн.наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые станции» ВСГУТУ

Лабораторная работа № 2

Лабораторная работа № 3

Исследование свободно-конвективной теплоотдачи от горизонтального цилиндра к воздуху……………………………………………………………...14

Лабораторная работа № 4

Исследование теплоотдачи к воздуху при вынужденной конвекции………..21

Лабораторная работа № 5

Электротепловая аналогия……………………………………………………...28

Литература …………………………....................................................................34

Опыт показывает, что перенос теплоты зависит от распределения температуры в теле. Совокупность значений температур в объеме тела в данный момент времени определяется уравнением трехмерного температурного поля

где x, y, z – координаты;  - текущее время.

При стационарном (установившемся) режиме , тогда для одномерного температурного поля и уравнение (1.1) принимает вид:

. (1.2)

Градиент температуры – это вектор, нормальный к изотермической поверхности и направленный в сторону возрастания температуры:

. (1.3)

Удельный тепловой поток (плотность теплового потока), Вт/м²:

Здесь  – теплопроводность среды, Вт/(м·К); – падение температуры между изотермическими поверхностями, К; – расстояние между изотермическими поверхностями, м.

Из формулы (1.4) теплопроводность, Вт/(м·К):

, (1.5)

то есть, физический смысл теплопроводности – это теплота, переданная через единицу поверхности в единицу времени при падении температуры на 1 К на длине в 1 м. Она является физической характеристикой вещества и ее можно найти для конкретных материалов в справочных таблицах.

Теплопроводности разных сред значительно отличаются: для металлов  = 10…400 Вт/(мК); для жидкостей –  = 0,07…0,7 Вт/(мК); для газов –  = 0,006…0,6 Вт/(мК). Теплоизоляционным называется материал, для которого   0,25 Вт/(мК).

По закону Фурье, Вт/м²:

Тепловой поток q также является векторной величиной. Знак «–» в законе Фурье означает противоположную направленность векторов теплового потока и градиента температуры.

В лабораторной работе теплопроводности материалов определяются методом цилиндрического слоя при стационарном тепловом режиме. Для этого исследуемый материал помещается между двумя металлическими цилиндрами. Внутри меньшего цилиндра установлен электронагреватель. В установившемся режиме вся теплота Q проходит через цилиндрический слой материала, Вт:

, (1.7)

Цель работы

Закрепление теоретических знаний по теплопроводности, практическое освоение метода цилиндрического слоя, проведение эксперимента и сопоставление полученных результатов со справочными данными.

Схема установки приведена на рис. 1.2. Исследуемый слой материала 8 помещен между двумя коаксиальными металлическими трубами. Во внутренней трубе установлен электрический нагреватель 7, создающий равномерный тепловой поток. Мощность, потребляемая нагревателем, регулируется лабораторным автотрансформатором 12 и определяется по результатам измерения тока амперметром 10 и напряжения вольтметром 11. Показания термопар снимаются с потенциометра 15.

1.2. Проведение эксперимента

Рис. 1.1. Cхема экспериментальной установки:

1…3 – внутренние термопары; 4…6 – наружные термопары; 7 – электронагреватель;

8 – цилиндрический слой исследуемого материала; 9 – теплоизоляция; 10 – амперметр;

11 – вольтметр; 12 – трансформатор; 13 – сигнальная лампа; 14 – выключатель;

15 – потенциометр; 16 – переключатель термопар

№ п/п	Термопары						I, А	U, В
	1	2	3	4	5	6
() 30 % цемента + 70 % окиси алюминия
1
2
() шнуровой асбест
	7	8	9	10	11	12	I, А	U, В
1
2
() шлаковата
	13	14	15	16	17	18	I, А	U, В
1
2

На основании измеренных значений проводят расчеты, результаты которых заносят в табл. 1.2. Теплопроводность материала вычисляется по формуле, полученной из выражения (1.7), а теплота Q определяется по электрической мощности, потребляемой нагревателем.

Средние температуры внутренних поверхностей вычисляются по показаниям термопар 1…3, 7…9, 13…15, температуры наружных поверхностей – по показаниям термопар 4…6, 10…12, 16…18. Полученные значения теплопроводностей следует отнести к средним температурам материалов.

Относительная погрешность расчета теплопроводности материала методом цилиндрического слоя определяется как среднеквадратичная величина из соотношения:

где , , , , – абсолютные погрешности измерения отдельных величин, которые можно принять равными = 0,5 Вт, = 0,25 мм, = 0,5 С, = 0,5 мм.

На основании проведенных расчетов делают вывод о возможности практического применения исследуемых материалов.
Таблица 1.2 - Таблица расчетов

Величина	Формула	Размер- ность	Материал
Тепловой поток	, сos = 0,96	Вт
Средняя температура внутренней поверхности слоя		С
Средняя температура наружной поверхности слоя		С
Теплопроводность материала		Вт/(мК)
Средняя температура слоя		С
Относительная погрешность измерения		-
Абсолютная погрешность	 = 	Вт/(мК)
Теплопроводность		Вт/(мК)