(3)
(4)
Используемая в эксперименте установка (рис. 2 и 4) состоит из нагревателя (4) с тепловыделяющим элементом и программно управляемым блоком регулирования температуры (6). Исследуемые металлические стержни (1-3) полированной торцевой поверхностью прижимаются к нагревателю винтовым соединением (рис. 3). В каждом образце затеплены по 2 термопары, электрические сигналы с которых выводятся на три двухканальных цифровых измерителя температур (5). При повышении заданной температуры каждый из них имеет возможность выводить сигнал для управления режимом работы нагревателя. Теплоотвод от образцов обеспечивается специальным радиатором.
Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки 1-3 – стержни из исследуемых материалов (1- алюминий, 2 – латунь (бронза), 3 -
нержавеющая сталь), 4 – нагреватель, 5 –двухканальные цифровые термометры для каждого образца, 6 - программно регулируемый блок температуры нагревателя.
Рисунок 3 – Крепление образцов к нагревателю
(в разрезе показаны места установки термопар Т1 и Т2).
Рисунок 4 – фотография лабораторной установки
Порядок выполнения
1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о проведенной работе, в которую внести название и цель работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки, заготовить таблицу 2 и 3 для записи результатов измерений
и вычислений.
2. Вывести на экран лицевую панель лабораторной работы «Определение теплопроводности» (рис. 5).
3. На лицевой панели внесите название сохраняемого файла и запустите программу кнопкой «Пуск».
4. Установить уставку на 70 °С и нажать клавишу «Задать уставку», затем включится
нагреватель.
5. Наблюдать в течение 20 минут переходный процесс (регулярный режим) изменения показаний датчиков температуры Т1 – Т4, закрепленных в образцах, на цифровых индикаторах и многоканальном осциллографе на лицевой панели компьютерной системы измерения.
6. Зафиксировать и перенести в таблицу 2 ключевые моменты переходного процесса нестационарной теплопроводности:
- время от включения нагревателя до t1 установления постоянной температуры на термопарах Т1, Т3, установленных соответственно на образцах 1,2 со стороны нагревателя (время неупорядоченной стадии процесса нестационарной теплопроводности);
- время распространения температурных возмущений до термопар Т2, Т4 (t 2 время установления регулярного режима),
- время установления постоянной температуры на термопарах Т2, Т4, (t 3 время выхода на режима стационарной теплопроводности).
Рисунок 5 – Лицевая панель программы
7. Дождаться установления стационарного процесса (температура горячих концов образцов изменяется ±1 ºС) и в данном режиме записать данные по температурам в таблицу 3.
8. Задать уставку 100 ºС и аналогично пункту 7 записать данные в таблицу 3.
9. Задать уставку 10 ºС, пронаблюдайте охлаждение системы.
10. Используя данные по медному образцу в таблице 1 и 3 с помощью выражения (3) определите теплоту отдаваемую нагревателем стержню для различных режимов температуры.
11. Коэффициент температуропроводности определяется с помощью формулы (1) и данных таблицы 3.
12. Подставляя полученные значения теплоты в формулу (4) вычислите теплопроводность остальных образцов.
13. Полученные данные занесите в таблицу
14. Проанализировать длительность стадий переходного процесса в зависимости от коэффициентов теплопроводности.
15. Сделать выводы об информативности численного и экспериментального методов исследования нестационарной
теплопроводности, возможностях применений подходов, использованных в настоящей работе, в других задачах.
16. Ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные выводы по лабораторной работе.
Таблица 2
Ключевые моменты переходного процесса нестационарной теплопроводности
| Длительность основных стадий нестационарного процесса, с | ||||
| Образцы | стабилизация | режим | регулярный режим | |
| граничных условий, | нестационарной | t 3 | ||
| t 1 | теплопроводности, t 2 | |||
| Алюминий | ||||
| Бронза | ||||
| Нержавеющая сталь |
Таблица 3
Основные теплофизические характеристики испытанных образцов Основные теплофизические характеристики
| Материал | Плотность, | ||||
| Теплоемкость. | Коэффициент | коэффициент | |||
| образцов | кг/м3 | Дж/(кг *К) | Теплопроводности | температуро | |
| , Вт/(м *К) | проводности | ||||
| Алюминий | |||||
| Латунь | |||||
| Нержавеющая | |||||
| сталь | |||||
| Медь | |||||
| Контрольные | вопросы: |
1. Что входит в полную математическую постановку задачи нестационарной теплопроводности?
2. Запишите разностный аналог второй производной температуры от линейной координаты.
3. По какому закону изменяется температура по времени при регулярном нагревания стержня?
4. У каких материалов стационарный режим наступает быстрее?
5. Какие обобщенные координаты используются для универсального описания нестационарной теплопроводности?