Лобасова М.С. Тепломассообмен. Лабораторный практикум

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лабораторная работа 6 Исследование теплообмена излучением

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 51

Измеренные величины заносятся в следующую таблицу:

№ опыта t

1,

°С t

2,

°С U

н

, B U

o

, мВ

1

2

…

4

.

П

р

о

в

е

д

е

н

и

е

р

а

с

ч

е

т

о

в

Параметры установки, необходимые для проведения расчетов следую-

щие:

диаметр вольфрамовой проволоки

d

1

= 0,15 мм;

внутренний диаметр трубки

d

2

= 8 мм;

образцовое сопротивление

R

о

= 0,1 Ом;

температурный коэффициент сопротивления вольфрама

α = 4⋅10

-3

К

–1

;

длина нити

l = 450 мм.

В основе калориметрического метода лежит уравнение (16)

, применяе-

мое для результирующего потока излучения с поверхности вольфрамовой

проволоки. Поскольку площадь поверхности вольфрамовой проволоки мала

по сравнению с площадью поверхности оболочки (F

1

<< F

2

), можно приме-

нять уравнение (17)

.

Для определения ε

1

необходимо измерить температуру проволоки Т

1

и

температуру стенки внутренней стеклянной трубки Т

2

(в шкале Кельвина) и

определить плотность потока излучения с поверхности проволоки.

Е = Q/(πdl),

где

Q = U

н

(U

o

/R

o

); d – диаметр вольфрамовой проволоки; l – длина прово-

локи.

Температура вольфрамовой проволоки определяется по формуле

н( ) н(0)

1н

н(0)

273,15

t

RR

TT

R

−

= = +

α

,

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лабораторная работа 6 Исследование теплообмена излучением

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 52

где R

н(0)

– сопротивление вольфрамовой проволоки при 0 °C; R

н(t)

= U

н

/I –

сопротивление проволоки при данной температуре, где

I = U

o

/R

o

; α – темпе-

ратурный коэффициент сопротивления вольфрама. При отсутствии данных

для

R

н(0)

используются данные для R

н(t к)

при комнатной температуре t

к

(из-

меряется R

н(t к)

мультиметром при отключённом нагревателе). При этом фор-

мула для расчёта температуры вольфрамовой проволоки приобретает вид

н( ) н( )

1к

н( к) н( к)

1

273,15 1

tt

RR

Tt

RR



= + −+



α



. (18)

Данные занести в следующую таблицу:

№ опыта Т

1

, К Т

2

, К I, A Q, Вт

1

2

…

К

о

н

т

р

о

л

ь

н

ы

е

в

о

п

р

о

с

ы

д

л

я

д

о

п

у

с

к

а

к

р

а

б

о

т

е

Основные:

1. В чем состоит калориметрический метод измерения излучательной

способности?

2. Каким образом в методике данного эксперимента определяется тем-

пература нагретой нити?

3. Какие физические величины необходимо измерить в ходе выполне-

ния работы?

4. Какие виды теплопередачи реализуются в данной установке?

5. С какой целью производится охлаждение стеклянной стенки водой?

Дополнительные:

6. Каким образом в данной установке реализуется условие преоблада-

ния теплообмена излучением?

7. Запишите и объясните закон Стефана–Больцмана.

МОДУЛЬ 4. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Лабораторная работа 6 Исследование теплообмена излучением

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 53

8. Что в теории излучения означает термин «серое тело»?

9. Что называется степенью черноты тела?

10. Является ли установление постоянной температуры охлаждающей

воды необходимым для получения правильных результатов измерений?

К

о

н

т

р

о

л

ь

н

ы

е

в

о

п

р

о

с

ы

д

л

я

з

а

щ

и

т

ы

р

а

б

о

т

ы

Основные:

1. Перечислите погрешности метода определения излучательной спо-

собности. Назовите наиболее существенные из них.

2. Перечислите погрешности, связанные с неидеальностью реализации

метода. Назовите наиболее существенные из них.

3. Перечислите инструментальные погрешности, присущие данной

экспериментальной установке. Назовите наиболее существенные из них.

4. Какой из процессов может внести существенную погрешность в ме-

тодику измерения – теплопроводность или конвекция? Дайте ответ с учетом

низкой плотности газа в трубке.

5. Оцените, насколько низким должно быть давление в трубке для того,

чтобы исключить все виды теплообмена, кроме излучения.

Дополнительные:

6. Каким образом можно практически реализовать сколь угодно близ-

кое приближение к пределу «черного тела»?

7. Подтвердилось ли результатами эксперимента предположение о том,

что вольфрамовая проволока является «серым телом»?

8. Пусть у некоторого материала излучательная способность растет с

увеличением температуры. О какой зависимости степени черноты от длины

волны говорит этот факт?

9. Объясните, почему на мощность теплопередачи между проволокой и

стенкой трубки практически не влияет величина излучательной способности

трубки.

10. Объясните, почему на мощность теплопередачи практически не

влияет отражение излучения от стенок трубки.

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 54

М

О

Д

У

Л

Ь

5

.

М

А

С

О

Т

Д

А

Ч

А

Л

а

б

о

р

а

т

о

р

н

а

я

р

а

б

о

т

а

7

.

О

п

р

е

д

е

л

е

н

и

е

к

о

э

ф

и

ц

и

е

н

т

а

д

и

ф

у

з

и

в

о

д

я

н

о

г

о

п

а

р

а

в

о

з

д

у

х

е

Цель работы: исследование процесса молекулярной диффузии и ос-

воение методики измерения коэффициента диффузии.

Задачи работы: изучение теории переноса вещества в пространстве

между цилиндрическими стенками; измерение температур и тепловых мощ-

ностей и определение на их основе коэффициента теплопроводности; анализ

погрешностей методики и измерений.

1

.

Т

е

о

р

е

т

и

ч

е

с

к

и

е

с

в

е

д

е

н

и

я

Исследуется процесс переноса пара воды через прослойку воздуха ме-

жду двумя коаксиальными цилиндрическими поверхностями. Внутренний

цилиндр представляет собой нагревательный элемент, обернутый пористым

материалом, пропитанным водой. Внешняя поверхность охлаждается с на-

ружной стороны льдом. Основные принципы экспериментальной методики

состоят в следующем. На охлаждаемой поверхности происходит конденсация

водяного пара, в результате чего обе цилиндрические поверхности оказыва-

ются покрытыми тонким слоем воды; пар вблизи поверхностей является на-

сыщенным. Вследствие этого возможно определить парциальные плотности

водяного пара вблизи цилиндрических поверхностей по их температурам,

используя данные о термодинамическом состоянии насыщенного пара. Для

диапазона температур 0–30 °С с хорошей точностью выполняется следующее

соотношение между парциальным давлением насыщенного пара и темпера-

турой:

4,241

7,1838

402,

10lg

+

−=

t

p

,

где p – давление в паскалях; t – температура по шкале Цельсия.

Для диапазона 30–60 °С действует соотношение

МОДУЛЬ 5. МАССООТДАЧА

Лабораторная работа 7. Определение коэффициента диффузии водяного пара в воздухе

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 55

7,233

9,1733

204,10lg

+

−=

t

p

.

В данных диапазонах температур пар может считаться идеальным га-

зом, плотность которого связана с давлением через уравнение Менделеева–

Клапейрона:

p

RT

µ

ρ=

.

Рассмотрим стационарный процесс диффузии в цилиндрическом слое с

внутренним радиусом

r = r

1

и внешним радиусом r = r

2

. На границах слоя

заданы постоянные плотности пара ρ

1

и ρ

2

. Благодаря цилиндрической сим-

метрии плотность пара изменяется только в радиальном направлении,

( )

rρ=ρ

. Считаем диффузию стационарной, коэффициент диффузии посто-

янным. При данных допущениях дифференциальное уравнение диффузии,

записанное в дивергентной форме, принимает следующий вид:

. (1

9)

Применяя метод разделения переменных и подставляя граничные условия,

находим решение уравнения (19)

:

( )

1

21

ln

rr

ρ=ρ− ρ−ρ

1 12

,

и из него – поток массы:

( )

21

22

ln

m rlj lD

rr

ρ −ρ

=π=π



12

.

Зная геометрические параметры (радиусы

12

,rr

, длину

l

), температуры

внутренней и наружной поверхности и поток массы можно определить ко-

эффициент диффузии:

МОДУЛЬ 5. МАССООТДАЧА

Лабораторная работа 7. Определение коэффициента диффузии водяного пара в воздухе

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 56

( )

21

12

ln

2

=

π ρ −ρ



rr

m

D

l

. (20)

2

.

С

х

е

м

а

э

к

с

п

е

р

и

м

е

н

т

а

л

ь

н

о

й

у

с

т

а

н

о

в

к

и

На рис.10

приведена принципиальная схема рабочего участка, электри-

ческая схема питания и измерений. На цилиндрическом нагревателе 1 распо-

ложена медная термостатирующая труба 2, покрытая пористым материалом,

пропитанным водой. На внешней поверхности пористого материала распо-

ложена термопара для измерения температуры

t

1

. Внешняя труба охлаждает-

ся с обратной стороны водой. На внутренней поверхности внешней трубы,

где происходит конденсация пара, расположена термопара для измерения

температуры

t

2

. Для снижения влияния конвекции измерительный промежу-

ток разделен на 5 отрезков полиэтиленовыми кольцами.

Рис. 10. Схема рабочего участка и подключений вольтметра

Электропитание к нагревателю подводится от источника питания

ЛАТР 4 . Выход от ЛАТР соединяется с нагревателем электрическим кабелем

через заднюю панель. Последовательно с нагревателем включено образцовое

МОДУЛЬ 5. МАССООТДАЧА

Лабораторная работа 7. Определение коэффициента диффузии водяного пара в воздухе

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 57

сопротивление (R

о

) для определения величины электрического тока в цепи

по измеренному значению падения напряжения на

R

о

.

3

.

П

о

р

я

д

о

к

п

р

о

в

е

д

е

н

и

я

э

к

с

п

е

р

и

м

е

н

т

а

1. Убедиться, что установка отключена от сети 220 В.

2. Отсоединить провода питания от нагревателя и извлечь внутреннюю

трубку.

3. Обработать внутреннюю поверхность стеклянной трубки слабым

раствором поверхностно-активного вещества с помощью губки до состояния,

когда вся поверхность будет покрыта тонкой пленкой воды.

4. Установить внутреннюю трубку на место и подключить провода пи-

тания к клеммам нагревателя.

5. Снять выходное напряжение на ЛАТР, повернув регулятор напряже-

ния ЛАТР против часовой стрелки до упора.

6. Подключить выход ЛАТР к кабелю нагревателя, расположенного на

задней панели установки.

7. Подключить вход ЛАТР к розетке 220 В, находящейся на задней па-

нели установки.

8. Включить тумблер 3 питания установки, тумблер питания нагревате-

ля.

В ходе проведения эксперимента измеряются следующие величины:

U

н

– напряжение на нагревателе;

U

о

- напряжение на образцовом сопротивлении;

t

1

, t

2

– температуры внешней и внутренней поверхностей.

Порядок проведения измерений:

1. Установить напряжение на нагревателе

U

н

= 60 В регулятором на-

пряжения ЛАТР.

2. Подождать 4–5 минут для получения стационарного режима.

3. Снять показания

U

н

и U

о,

установив переключатель в соответствую-

щее положение.

4. Снять показания термопар.

5. Занести полученные данные в подготовленную таблицу.

Образец таблицы результатов измерений:

№ опыта U

н

U

о

t

1

t

2

1

2

…..

МОДУЛЬ 5. МАССООТДАЧА

Лабораторная работа 7. Определение коэффициента диффузии водяного пара в воздухе

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 58

N

6. Повторить пункты 6–10, устанавливая на нагревателе другие значе-

ния напряжения.

4

.

П

р

о

в

е

д

е

н

и

е

р

а

с

ч

е

т

о

в

Параметры установки, необходимые для проведения расчетов, сле-

дующие:

длина рабочего участка

l = 250 мм;

диаметр внутренней стенки промежутка

d

1

= 10 мм;

диаметр внешней стенки промежутка

d

2

= 24,5 мм;

величина образцового сопротивления

R

о

= 0,1 Ом.

Мощность, потребляемая нагревателем, определяется как произведение

тока, протекающего по нему, на падение напряжения:

нн н о о

;Q UI I U R= =

.

Поток массы определяется как отношение мощности к удельной тепло-

те испарения:

/,= λ



mQ

(21)

при этом удельная теплота испарения, зависящая от температуры, рассчиты-

вается по уравнению Клапейрона–Клаузиуса:

( )

ln

1/

λ=

dp

d RT

,

где p – давление насыщенных паров при данной температуре. Эмпирические

соотношения для давления насыщенных паров, приведенные в теоретической

части, дают следующие выражения для удельной теплоты испарения:

2

1838,7

31,6

λ=

µ−

RT

T

,

0 30 t°< < °

;

МОДУЛЬ 5. МАССООТДАЧА

Лабораторная работа 7. Определение коэффициента диффузии водяного пара в воздухе

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 59

2

1733,9

39,5

λ=

µ−

RT

T

,

30 60 t°< < °

.

Здесь и выше T – температура испарения по шкале Кельвина. Таким

образом, по температурам внутренней и внешней цилиндрической поверхно-

сти определяются плотности пара на них, по температуре внутренней по-

верхности – удельная теплота испарения. Далее по формуле (21)

определяет-

ся поток массы, по формуле (20)

– коэффициент диффузии. Расчетные дан-

ные заносятся в следующую таблицу:

К

о

н

т

р

о

л

ь

н

ы

е

в

о

п

р

о

с

ы

д

л

я

д

о

п

у

с

к

а

к

р

а

б

о

т

е

Основные:

1. Дайте определение потока массы и плотности потока массы.

2. При каких условиях пар является насыщенным?

3. Какие физические величины измеряются на данной лабораторной ус-

тановке непосредственно, а какие – косвенным образом?

4. Какой метод измерения температур используется в данной лабора-

торной установке?

5. Какую размерность имеет коэффициент диффузии?

Дополнительные:

6. Чем отличается диффузия от других процессов массообмена?

7. Сформулируйте закон Фика в дифференциальной форме.

8. Каким образом методика данного эксперимента обеспечивает вы-

полнение условия стационарности диффузии?

9. Нарушение какого указания данной методики приведет к получению

неверного значения коэффициента диффузии?

10. С какой целью данная методика предусматривает проведение серии

измерений при различных значениях потока массы?

№ опыта I Q

T ρ

1

ρ

2



m

D

1

2

3

…..

МОДУЛЬ 5. МАССООТДАЧА

Лабораторная работа 7. Определение коэффициента диффузии водяного пара в воздухе

 Тепломассообмен. Метод. указания к лаб. работам 60

К

о

н

т

р

о

л

ь

н

ы

е

в

о

п

р

о

с

ы

д

л

я

з

а

щ

и

т

ы

р

а

б

о

т

ы

Основные:

1. Опишите этапы вывода уравнения для потока массы через промежу-

ток между цилиндрическими стенками.

2. Каким образом методика данного эксперимента обеспечивает вы-

полнение условия

()t tr=

?

3. Какие виды тепло- и массопередачи наблюдаются в данном экспери-

менте?

4. Перечислите погрешности, связанные с неидеальностью реализации

методики определения коэффициента диффузии. Назовите наиболее сущест-

венные из них.

5. Перечислите инструментальные погрешности, присущие данной

экспериментальной установке. Назовите наиболее существенные из них.

Дополнительные:

6. Проанализируйте поведение уравнения для потока массы через про-

межуток между цилиндрическими стенками при стремящемся к бесконечно-

сти радиусе наружной стенки. Сформулируйте физическую интерпретацию

этого поведения.

7. Перечислите погрешности метода определения коэффициента диф-

фузии. Назовите наиболее существенные из них.

8. Пусть измерения проведены до того, как установится стационарный

режим. Будет ли значение коэффициента диффузии, рассчитанное по данным

этих измерений, завышенным или заниженным по сравнению с действитель-

ным? Обоснуйте ответ.

9. Какое из характерных времен больше – время установления стацио-

нарного потока массы в газовом промежутке или время установления посто-

янной температуры внутреннего цилиндра? Обоснуйте ответ.

10. Сделайте свои предложения по снижению погрешности определе-

ния коэффициента диффузии

.

Лобасова М.С. Тепломассообмен. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.