Изучение конструкции нагревательных печей и исследование процесса нагрева термически массивных и тонких тел: Методические указания к лабораторной работе № 3 по курсу "Теплотехника", страница 4

После этого, пользуясь графиком приложения Б для оси цилиндра, по значениям Вi   и Fo  находят величину q ц и определяют температуру в тот же момент времени.

                                      tцк = tп - qц (tп - tно ).

При Bi < 0,25 время нагрева образца до температуры tпо можно определить по формуле

t =(m c / F aS  ) ln((tпе - tно) / (tпе - tпо)),               (8)

где  m - масса образца, кг; с - удельная теплоемкость  образца, Дж/(кг К);   F = p d h - поверхность нагрева образца (поверхности торцов не учитываются), м2.

Решая уравнение (8) относительно tпо , можно получить уравнение для определения температуры тела через известный промежуток времени:

                                tпо= (tп - tно-F aS t / (m c).

В регулярном режиме нагрева (охлаждения) изменение lnJ во времени носит линейный характер. Это позволяет легко обнаружить в эксперименте наступление регулярного режима и, фиксируя температуру в произвольной точке тела для двух моментов времени t1 и t2 , рассчитать темп    охлаждения

m = (lnJ1 - lnJ2)/ (t2 - t1 ),

где  J = t(x,y,z, t) – t - избыточная температура тела. Здесь t(x,y,z, t) - температура тела в данной точке, в данный момент времени t; tтемпе-ратура окружающей тело среды.

Согласно первой теореме Г. М. Кондратьева для однородных тел при конечном значении коэффициента теплоотдачиa выполняется соотношение: m=  aFy / (rcV),

где F - площадь поверхности; y=J F /JV - коэффициент неравномерности температурного поля, равный отношению средней по поверхности избыточной температуры J F к средней по объему JV ; r  - плотность материала тела; с - удельная теплоемкость материала тела; V- объем тела.

Коэффициент y остается постоянным в течение всего периода регулярного режима, причем 0 £ y £  1, и рассчитывается по формуле

y = (B2 + 1,44B +1)-1/2,

где B = aKF / (lV) - модифицированная форма записи числа Био. Здесь К - коэффициент формы, который определяется формой и размерами тела: для параллелепипеда

K= [(p / А )2 + (p / С)2 + (p / L)2] –1, где  А, С, L, - высота, ширина, и длина параллелепипеда соответственно; для цилиндра конечной длины L и радиусом R

K = [(2,405/R)2 + (p / 2 L)2] -1;

для шара радиусом R

K = (R / p ).

Связь между темпом охлаждения т и температуропроводностью a материала однородного тела при высокой интенсивности теплоотдачи (коэффициент теплоотдачи a®¥) повторой теореме Кондратьева имеет вид

m = a / K.

На основе теории регулярного режима можно экспериментально определить теплофизические свойства веществ

           2  ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ, МАТЕРИАЛЫ

Электропечь сопротивления, мощностью 2 кВт; электронный регулятор температуры печи; электронный ; термопары хромель-алюмель - 3 шт.; образцы из стали, чугуна, шамота и других материалов диаметром       40...50 мм, длиной   120 мм - по 2 шт.

           3  ПОРЯДОК  ВЫПОЛНЕНИЯ  РАБОТЫ

Схема установки приведена на рисунке 1.

Исследуемый образец 2, выполненный в виде длинного цилиндра, помещается в электропечь 1, температура которой измеряется хромель-алюмелевой термопарой и поддерживается постоянной электронным потенциометром 4 с регулятором включением и выключением контактора К.

1- электропечь сопротивления;  2 - образец; 3 - термопары; 4 -  элек-        тронный потенциометр  с регулятором температуры; 5 - электронный         потенциометр

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки

В центре и на поверхности исследуемого образца заделываются рабочие спаи хромель-алюмелевых термопар 3. Температура центра и поверхности образца измеряется с помощью электронного потенциометра 5.

Порядок выполнения работы следующий.

Получить у преподавателя исходные данные: материал образца, температуру печи tп  и температуру поверхности образца tпозад .