В настоящей работе исследуется процесс охлаждения небольшого по объему тела в среде кипящего жидкого азота. Температурное поле стерженька в процессе опыта остается равномерным. Это позволяет регистрировать среднеобъемную температуру стержня с помощью одной термопары, закрепленной в его центральной зоне.
В первом опыте стерженек с термопарой погружается непосредственно в среду кипящего жидкого азота, а во втором опыте охлаждается через стенку погруженной в азот металлической ампулы. Для измерений используются две термопары. Рабочий спай одной термопары помещается непосредственно в жидкий азот, а спай второй термопары вставляется плотно в глухое отверстие стержня. В опытах одновременно регистрируется быстро изменяющаяся температура образца (стерженька) и практически постоянная температура кипящего жидкого азота.
Опыт 1.
При проведении опыта с открытым стержнем студент должен последовательно выполнить следующие операции:
– определить массу стержня (взвешиванием на лабораторных весах);
– заполнить свободный сосуд-термостат жидким азотом (сосуд заполняется на две трети по высоте);
– включить контроллер и установить заданный режим опыта, т. е. указать номер работы, номер студента, номер опыта, шаг между замерами (2 с), суммарное число шагов в опыте (100 или 200), номера задействованных в работе термопар;
– опустить рабочий конец одной термопары в сосуд с жидким азотом,
– плотно вставить в отверстие стержня рабочий конец второй термопары (при необходимости термопару следует защемить внутри отверстия кусочком спички или деревянной зубочистки, чтобы стержень мог надежно висеть на термопаре);
– через дисплей контроллера запустить опыт и быстро опустить через отверстие крышки висящий на термопаре стерженек в стакан с жидким азотом (рукой при этом следует держаться непосредственно за шнур термопары, а не за стерженек!);
– следить за процессом охлаждения стержня по экрану, где в реальном времени будет строиться график изменения температуры стержня;
– после окончания опыта вынуть стержень из ячейки, держась рукой за шнур термопары, и опустить его в сосуд с дюралевым ядром, где он в течение нескольких минут успеет нагреться до комнатной температуры и будет готовым к другому опыту;
– передать с контроллера всю информацию опыта в базовый компьютер.
Внимание! К охлажденному в азоте металлическому стержню категорически запрещается прикасаться руками, так как он сразу прилипнет к руке, что неизбежно приведет к обморожению пальцев!
Опыт 2
При проведении опыта, когда стержень охлаждается через металлическую стенку ампулы, студент должен повторить все перечисленные выше операции опыта 1.
Отличаться они будут только в некоторых деталях. Во-первых, следует проверить количество оставшегося в сосуде-термостате жидкого азота и при необходимости добавить его до оптимального уровня. Шаг между замерами в новом опыте следует увеличить до 2-х секунд. Перед опытом стерженек с термопарой следует разместить внутри тепловой ячейки (металлической ампулы) и опустить собранную тепловую ячейку через отверстие крышки в жидкий азот. Опускать ячейку в жидкий азот можно, придерживая ее непосредственно за верхнюю кромку. После окончания опыта ячейку можно вынуть из азота, прихватив ее рукой непосредственно за верхнюю кромку.
После опытов следует передать все экспериментальные материалы в базовый компьютер и получить у преподавателя протоколы обоих опытов для самостоятельной аналитической обработки.
Примечание. Оба опыта отличаются скоротечностью и по своей продолжительности не должны занимать более 40 минут. Поэтому преподаватель может расширить техническое задание и предложить провести аналогичные опыты, в которых вместо кипящего азота будет использоваться подогретая до 60…70 °С вода. Процедура проведения этих опытов остается полностью прежней.
6.3. Порядок обработки опытов
По результатам опытов студент должен сначала перевести показания термопар Еi из милливольт в кельвины Тi (через интерполяционные полиномы использованных в опытах термопар), затем перейти к экспериментальным значениям перегрева Qi образца относительно температуры жидкого азота Тс. Конечным этапом обработки каждого опыта является расчет эффективного коэффициента теплоотдачи образца как функции его перегрева Qi относительно кипящего азота.
Расчетная формула для коэффициента теплоотдачи вытекает непосредственно из уравнения теплового баланса (6.1.3) между охлаждающимся образцом и жидким азотом
,
(6.1.4)
где C(T) – теплоемкость стержня как функция температуры (при расчетах используются табличные значения удельной теплоемкости и масса стерженька), Дж/К; F – общая поверхность стерженька, м2.
Скорость охлаждения стерженька при обработке экспериментального массива рекомендуется определять, аппроксимируя экспериментальную кривую Тi(t) интерполяционным полиномом, с его последующим аналитическим дифференцированием по времени. Весь процесс обработки целесообразно производить на компьютере, пользуясь стандартными программами Microsoft Excel и Origin-6.1.
В отчете студент предъявляет протоколы опытов, основные промежуточные данные и результаты расчета коэффициентов теплоотдачи (желательно в виде серии кривых на общем графике, где горизонтальной осью служит температура перегрева образца относительно кипящего азота).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.