Описание оборудования

Лабораторная работа выполняется на IВМ -cовместимом компьюте­ре в среде операционной системы Windows 3.1 и выше. Для проведе­ния работы необходимо запустить программу «Теплопроводность».

Установка (рис. З, 4) состоит из нагревательного элемента, плоской стенки или цилиндрической стенки (по выбору), тепло­изоляции, автотрансформатора, регуляторов площади поверхности плоской стенки или высоты цилиндрической стенки, толщины слоев стенки, списков материалов слоев стенки, регулятора диа­метра нагревательного элемента цилиндрической стенки, датчиков и приборов для определения мощности нагревательного элемента, измерения температуры внутренней и наружной поверхностей стенки, на границах между слоями и внутри слоев стенки.

Тепловой поток через стенку создается электри­ческим нагревате­лем. Изменение мощности нагревателя в лабораторной работе производится изменением напряжения в цепи нагревателя. Для этого нужно поместить курсор мыши на автотрансформатор и щелкнуть по левой клавише мыши.

На экране компьютера появится панель авто­трансформатора (рис. 5), на которой размещены регулятор напряжения 3, шкала прибора 1 и кнопка выключения панели 2. Для повышения на­пряжения нужно поместить курсор мыши на верхнюю кнопку регуля­тора 3 и нажать левую клавишу мыши, для снижения напряжения - на нижнюю кнопку регулятора. Значение напряжения отображается на шкале 1. После задания напряжения нужно щелкнуть по кнопке 2 для выключения панели автотрансформатора.

Рис. 3. Вид лабораторной установки для исследования теплопроводности плоской стенки на дисплее ПЭВМ

Рис. 4. Вид лабораторной установки для исследования теплопроводности
цилиндрической стенки на дисплее ПЭВМ

Электрическое сопротив-ление нагревателя пока-зывается на омметре
(рис. 3 и 4).

Изменение площади поверхности плоской стенки производится регулятором (рис. 3) аналогично изменению напряжения. Диапазон изменения площади поверхности - 0,04-0,25 м². Значение площади по­верхности показывается слева от регулятора. Для задания высоты ци­линдрической стенки и диаметра нагревательного элемента использу­ются регуляторы (рис. 4). Высота изменяется от 200 до 500 мм, диаметр нагревателя - от 10 до 200 мм. Значе­ния параметров выводятся слева от регуляторов. Регуляторами устанавливается толщина слоев стенки. Толщина слоя плоской стенки изменяется от 0 до 300 мм, цилиндрической – от 0 до 120 мм. Материал слоев стенки выбирается из списков. Для вы­бора материала необходимо установить курсор мыши на кнопку справа от списка и щелкнуть по левой клавише мыши, из раскрывшегося списка нужно выбрать материал слоя. Название выбранного материала выводится внутри списка

Измерение температуры на внутренней и наружной поверхности и между слоями стенки производится датчиками, установленными в со­ответствующих точках стенки. Для определения температуры в какой-либо точке нужно установить курсор мыши на датчик и щелкнуть по левой клавише мыши. На экране появится изображение термометра (рис. 6), по показанию которого определяется температура. Для выклю­чения панели прибора щелкнуть по кнопке 2.

Измерение температуры по толщине слоя
(рис. 6) производится датчи­ками, установленными в двух ближних к нагревателю слоях стенки. Датчики располагаются в слое толщиной 20 мм и более.

Определение температуры выполняется в следующей последовательности:

- установить курсор мыши на слое, в котором производится изме­рение, и щелкнуть по левой клавише. На экране появится панель с изо­бражением выбранного слоя стенки 1 (рис.7), датчиков температуры 2 и 3, глубины установки датчиков 4, которая отсчитывается от поверхности, ближней к нагревательному элементу;

- поместить курсор мыши на один из датчиков и щелкнуть по ле­вой клавише, на экране появится изображение термометра (рис.6);

- произвести измерение температуры и закрыть панель при помощи кнопки 2.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением работы студенты должны знать теоре­тические положения изучаемого явления, ознакомиться с оборудова­нием лабораторной работы, изучить порядок проведения работы. Сту­дентам необходимы навыки работы на компьютере в операционной среде Windows 3.1. До начала работы нужно подготовить бланк "Журнал наблюдений" по образцу табл. 1.

Задача исследования ставится преподавателем. Студенты предва­рительно определяют данные, необходимые для решения задачи.

Работу выполняют в следующей последовательности:

1. В окне «Лабораторные работы» выбрать программу «Теплопроводность» и запустить на исполнение (поместить на пикто­грамму программы курсор мыши и дважды щелкнуть по левой клави­ше мыши). На экране компьютера появится окно программы, анало­гичное рис. 3 или 4.

2. Выбрать нужную лабораторную установку, для этого необхо­димо поместить курсор мыши на закладку "Плоская стенка" или "Ци­линдрическая стенка" и щелкнуть по левой клавише.

3. Задать площадь поверхности плоской стенки или высоту ци­линдрической стенки и наружный диаметр нагревательного элемента.

4. Задать толщину и материал слоев стенки.

5. Установить напряжение тока на нагревателе.

6. Произвести измерение температур в различных точках стенки в стационарном режиме.

7. Повторить пункты 5-8 до выполнения задачи исследования.

Данные измерений занести в таблицу, аналогичную табл. 1, в которой столбец 2 заполняется при работе с плоской стен­кой, 3 и 4 - с цилиндрической стенкой.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Рассчитать тепловой поток через стенку:

плоская стенка

,

цилиндрическая стенка

,

где U - напряжение тока в цепи нагревателя, В;

r_н - сопротивление нагревателя, Ом;

F - площадь поверхности плоской стенки, м²;

L - высота цилиндрической стенки, м.

2. По справочникам определить значение коэффициентов тепло­проводности материалов стенки.

3. Рассчитать тепловую проводимость или термическое сопротив­ление стенки по формулам.

Для плоской стенки тепловая проводимость равна

,

термическое сопротивление:

.

Для цилиндрической стенки линейная тепловая проводимость равна

,

линейное термическое сопротивление:

,

4. По формулам (4) или (8) рассчитать температуры наружной по­верхности стенки t_{w 2 p} , между слоями стенки t _{1 p} , t _{2 p} , t _{3 p} ,, внутри одного из слоев t _d1- t _d4.

Данные расчетов занести в таблицу, аналогичную табл. 2. Столбцы 3, 10 и 11 заполняются при проведении лабораторной работы на цилиндрической стенке, 2, 8 и 9 - на плоской стенке. Столбцы 8 и 10 заполняются при исследовании влияния различных факторов на тепловую проводимость стенки, 9 и 11 - на термическое сопротивление стенки.

По результатам расчетов построить графики зависимостей со­гласно задаче исследования. Выполнить анализ результатов исследования.

6. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет оформляется на листах бумаги формата А4 в соответствии со стандартами. Отчет должен содержать:

а) титульный лист установленной формы;

б) краткое изложение теоретических положений;

в) принципиальную схему установки;

г) таблицы «Журнал наблюдений» и «Результаты расчетов»;

д) графики изменения параметров;

е) анализ результатов работы.

Таблица 1

Журнал наблюдений

Таблица 2

Результаты расчетов

Таблица 3

Значения коэффициента теплопроводности материалов в зависимости от температуры