Определение коэффициента теплоотдачи: Методическое указание к выполнению лабораторной работы

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Восточно-Сибирский государственный технологический университет» (ГОУ ВПО ВСГТУ)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ Методическое указание к выполнению лабораторной работы

Составители: Лыгденов Б.Д., Старова О.В.

Улан-Удэ Издательство ВСГТУ 2006

Методическое указание рекомендовано для выполнения лабораторной работы студентами специальности 261101 «Технология художественной обработки материалов» по курсу «Художественное материаловедение». Раскрываются вопросы теплоотдачи твердых тел и возможность определения коэффициента теплоотдачи. -

конвекция излучение теплоотдача термопара потенциометр

Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ Как известно, теплоотдача может осуществляться тремя основными процессами; лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В практике художественного материаловедения при охлаждении изделий наибольший интерес представляет теплоотдача в газообразные; (воздух) или жидкие (вода) среды. В этом случае теплоотдача, обусловленная теплопроводностью, пренебрежимо мала. Оценку теплоотдачи, связанной с лучеиспусканием и конвекцией, можно провести следующим образом. Тело, нагретое до температуры Т1, излучает в окружающее пространство с каждой единицы своей поверхности в единицу времени количество теплоты, определяемое законом Стефана—Больцмана: q1 = AσT14 , где А константа, характеризующая излучающую способность тела; σ - универсальная постоянная (константа Стефана-Больцмана); T1 - абсолютная температура. Константа А для абсолютно черного тела равна 1, для всех других - меньше 1. Однако в связи с тем, что излучающее тело находится в окружающем его пространстве, температура которого T2, одновременно каждая единица поверхности тела в единицу времени поглощает из окружающего пространства количество теплоты q 2 = AσT24 Таким образом, общая потеря теплоты на излучение с единицы поверхности в единицу времени равна:

3

qπ = q1 − q 2 = Aσ (T14 − T24 ). Теплоотдача с единицы поверхности нагретого тела в единицу времени, связанная с конвекцией, выражается следующей зависимостью: q k = α k (T1 − T2 ) , где α k - коэффициент теплоотдачи конвекции. Общая теплоотдача, связанная как с лучеиспусканием, так и с конвекцией, равна: q = q л + q k = Aσ (T14 − T24 ) + α k (T1 − T2 ). Полученное выражение можно записать в следующем виде: q = q л + q k = α л (T1 − T2 ) + α k (T1 − T2 ), где α л - коэффициент теплоотдачи излучением,

Aσ (T14 − T24 ) , αл = T1 − T2 Или окончательно получим: q = q л + q k = α (T1 − T2 ), где α = α л + λк - суммарный коэффициент теплоотдачи. Определив количество теплоты q и замерив температуру T1 и T2, можно определить коэффициент теплоотдачи: α = q /(T1 − T2 ) . Задание 1. Определение суммарного коэффициента теплоотдачи α. Приборы и оборудование: 1) установка; 2) термопара; 3) потенциометр ПП-63; 4) сосуд Дьюара для холодных спаев термопары. Установка (рис. 1) представляет собой трубчатый кварцевый инфракрасный нагреватель, закрепленный в штативе. Нагреватель питается электроэнергией через ЛАТР (типа РНШ). Напряжение и ток замеряются по 4

соответствующим приборам. Термопара с помощью радиотехнического зажима типа "крокодил" может передвигаться по поверхности излучателя, регистрируя тем самым температуру в разных точках. При установившемся процессе количество теплоты q, подводимое к нагревателю в единицу времени в расчете на единицу поверхности, равно IU q= , πdl где U - напряжение, измеряемое вольтметром ЛАТРа; I сила тока, измеряемая амперметром; d - диаметр нагревателя; l - его длина. Произведение πdl, очевидно, дает площадь боковой поверхности цилиндрического нагревателя. При этом коэффициент теплоотдачи принимает вид: UI α= . πdl (T1 − T2 )

Рис.1.Установка для определения суммарного коэффициента теплоотдачи

1. Ознакомиться с инструкцией работы на потенциометре ПП-63. 2. Опустить холодный спай в сосуд Дьюара, с помощью "крокодила" прижать к середине кварцевого нагревателя горячий спай термопары. 3. Включить ЛАТР в сеть и установить напряжение, указанное на установке. 4. Через 3...5 мин замерить температуру в различных пяти точках по длине нагревателя. 5. Записать показания вольтметра, амперметра и температуру T1. 6. Провести аналогичные измерения для пяти значений напряжений. 7. Усреднить измеренные по длине нагревателя значения T1 и по средним значениям рассчитать коэффициент теплоотдачи α. Температуру T2 считать комнатной. 8. Построить график зависимости α = f (T1 − T2 ). Задание для УИРс. Определение коэффициентов лучеиспускания α л и конвекции α к Порядок выполнения 1. По данному значению A = 0,35 для стекла рассчитать коэффициент α л для всех измеренных температур T1 (постоянная Стефана—Больцмана σ =5,67 • 10 -8 Вт-м -2 –К -4). 2. Определить коэффициент теплоотдачи конвекции исходя из выражения α к = α - α л для всех температур Т1. 3. Построить график зависимости α к = f (T1 − T2 ). Контрольные вопросы. 1. Какими основными процессами осуществляется теплоотдача?

Порядок выполнения

5

6

2. Как определяется коэффициент теплоотдачи и от чего он зависит? 3. Что такое абсолютно черное тело? 4. Выведите размерность коэффициента теплоотдачи. 5. С какими видами теплоотдачи чаще встречаются в машиностроении?

Подписано в печать 18.10.2006 г. Формат 60х84 1/16 Усл.п.л. 0,46. Тираж 100 экз. Заказ № 216

7