Файл: Определение коэффициента теплопроводности твердого тела методом трубы.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.02.2024
Просмотров: 35
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра промышленной теплоэнергетики
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ ТРУБЫ
Методические указания к лабораторной работе № 4 по дисциплине «Теплотехника»
Составитель Р.Ш. Латыпов
В учебно-методическом пособии к лабораторной работе «Определение коэффициента теплопроводности твердого тела методом трубы» приводятся теоретические основы, даются описание лабораторной установки и методика проведения эксперимента по определению коэффициента теплопроводности твердого тела.
Работа предназначена для студентов для студентов, обучающихся по направлениям 130500 «Нефтегазовое дело», 280100 «Безопасность жизнедеятельности», 240400 «Химическая технология органических веществ и топлива», 240800 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии нефтехимии и биотехнологии», 130600 «Оборудование и агрегаты нефтегазового производства», 240900 «Биотехнология».
Содержание
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
1 1
Лабораторная работа «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ ТРУБЫ
1. Цели работы
2. Задание
3. Теоретические основы
4. Метод трубы
5. Лабораторная установка
6. Проведение опытов
7. Обработка опытных данных
8. Оценка погрешности опыта
9. Вопросы для самопроверки
Список литературы
2 2
2 2
6 7
8 8
10 10 11
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Пример использования метода наименьших квадратов для обработки опытных данных
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Градуировочная таблица термопары ХК при температуре холодного спая 0 о
С
11 14
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, прошедшие предварительную проверку знаний по данной теме.
До прихода на занятия в лабораторию студент обязан самостоятельно ознакомиться с описанием лабораторной работы, проработать соответствующие темы предстоящего занятия – раздел учебника, конспекта лекций, изучить применяемые в работе методы измерений, продумать порядок проведения эксперимента и обработки опытных данных, подготовить форму отчета по работе.
Отчет по работе выполняется в соответствии с требованиями ЕСКД и должен содержать:
- цель, задание и краткое описание работы;
- принципиальную схему установки;
- журнал измерений;
- таблицу обработки опытных данных;
- экспериментальные графические зависимости;
- выводы по работе.
Выполняя экспериментальную часть работы, студент руководствуется описанием, указаниями преподавателей и инструкцией по технике безопасности.
По окончании работы студент обязан показать результаты опыта преподавателю для проверки, без чего работа не может считаться выполненной.
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Подключение установки к электросети разрешается после проверки правильности собранной электрической схемы преподавателем.
2. Запрещается: пользоваться проводами с нарушенной изоляцией, проводами, не оборудованными вилками, устанавливать мощность больше заданной величины, вскрывать приборы и схемы предохранителей.
3. По окончании опытов установку необходимо отключить.
При наблюдении случай благоприятствует
лишь подготовленным.
Луи Постер (1822 – 1895),
французский ученый
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ ТРУБЫ
1.
Цели работы
1.1.
Углубление знаний по теории теплопроводности.
1.2.
Изучение методики экспериментального определения коэффициента теплопроводности твердых тел и получение навыков в проведении экспериментальных работ.
1.3.
В результате работы должны быть усвоены физическая сущность процесса теплопроводности, содержание основного закона теплопроводности и его приложения к телам простой геометрической формы, понятие о коэффициенте теплопроводности и методах его определения.
2. Задание
2.1.
Определить экспериментально коэффициент теплопроводности твердого тела.
2.2.
Найти графическую температурную зависимость коэффициента теплопроводности в виде
= f(t ср
).
2.3.
Найти аналитическую зависимость λ
t
= λ
о
+ bt ср
3. Теоретические основы
Теплопроводность - основной вид передачи энергии в форме теплоты от одного тела к другому при их непосредственном контакте, когда оба тела имеют различную температуру, или от одной части тела к другой, если между ними существует температурный перепад.
3.1. Механизм теплопроводности в твердых кристаллических телах.
Различают три группы твердых кристаллических тел: диэлектрики, проводники электрического тока и полупроводники - с принципиально различным механизмом теплопроводности.
В диэлектрикахотсутствуют свободные электрические заряды – электроны и, в зависимости от химической природы, их кристаллические решетки образованы из атомов или молекул. Эти частицы удерживаются в некотором положении равновесия, совершая относительно него колебания.
Если такое тело нагреть в каком-либо месте, то в области с повышенной температурой частицы начнут колебаться более интенсивно, с большими амплитудами. Энергия этих колебаний будет передаваться соседним частицам, поскольку все частицы связаны между собой силами притяжения. В результате энергия теплового движения постепенно перейдет от одного слоя тела к дру- гому. Не трудно понять, что характер передачи тепловой энергии будет волновым (акустическим), обусловленным колебаниями частиц тела. Таким
образом, при нагревании твердого диэлектрика в нем возникают волны, которые, отражаясь от внешних поверхностей тела и налагаясь друг на друга, образуют так называемую систему стоячих волн, энергия которых входит составной частью во внутреннюю энергию этого тела.
Описанный процесс теплопроводности диэлектриков протекает обычно достаточно медленно, поэтому теплопроводность их сравнительно мала.
Проводники электрического тока(главным образом металлы) отличаются от диэлектриков наличием свободных электронов, которые с некоторой средней плотностью разделяются между положительными ионами кристаллической решетки. Подобно молекулам газа, электроны переносят кинетическую энергию и играют, таким образом, главную роль не только в явлении электропроводности, но и в теплопроводности металлов.
Теплопроводность металлов в отличие от теплопроводности газов обусловлена еще и частичными тепловыми колебаниями кристаллической решетки (как и у диэлектриков). Эти тепловые колебания ионов кристаллической решетки создают помехи движению "электронного газа".
Поэтому при нагревании металлов заметно уменьшается теплопроводность.
Заметим, что эта же причина приводит к уменьшению электропроводности (к росту сопротивления) металлов с увеличением температуры.
В полупроводниках при низких температурах мало свободных электронов и перенос тепла имеет волновой характер, с ростом температуры число свободных электронов в полупроводниках увеличивается и проводимость тепла обусловливается смешанным электронно – волновым механизмом.
Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела.
3.2. Температурное поле. Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным
полем. t = f(x,y,z,τ).(1)
Уравнение (1) является математическим выражением такого поля. При этом, если температура меняется во времени, поле называется
нестационарным, а если не меняется – стационарным. Температура может быть функцией одной, двух и трех координат. Соответственно этому и температурное поле называется одно-, двух- и трехмерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля: t=t(x). (2)
3.3. Градиент температур. При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место таких точек образует изотермическую поверхность. Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности друг с другом не пересекаются; все они или за-
мыкаются на себя, или кончаются на границах тела. Следовательно, изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности (например, направление х, рис. 1). При этом наиболее резкое изменение температуры получается в направлении нормали п к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры Δtк расстоянию между изотермами по нормали Δnназывается градиентом темпе-
ратур и обозначается одним из следующих символов: lim(Δt/Δn)
Δn→0
= дt/дn = grad t. (3)
Знак частной производной применен здесь потому, что в общем случае температура может изменяться не только в пространстве, но и во времени (при не стационарности поля температуры).
Рис. 1. К определению температурного градиента
Рис. 2. Закон Фурье
Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, °С/м.
3.4. Тепловой поток. Количество теплоты Q
τ
(Дж), переносимое через какую-либо изотермическую поверхность в единицу времени, называется
тепловым потоком Q = Q
τ
/τ. Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока q =
Q/F = Q
τ
/(Fτ). Плотность теплового потока есть вектор, направление которого совпадает с направлением распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению вектора температурного градиента (рис. 2).
3.5. Закон Фурье является основным законом теплопроводности, который устанавливает, что количество переданной теплоты пропорционально градиенту температуры, площади сечения, перпендикулярного направлению распространения теплоты, и времени.
Q
τ
=
F
n t
, (4)
где Q
τ
– количество теплоты, Дж;
λ – коэффициент теплопроводности, Βт/(м
град);
t/
n - температурный градиент, град/м;
F – площадь сечения, м2;
- время, с.
Если количество переданной теплоты отнести к единице площади сечения и единице времени, то установленную зависимость можно записать: q = – λ∙gradt . (5)
Этот закон лежит в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процессов теплопроводности. Множитель пропорциональности λ в уравнениях (3.1 и 3.2) называется коэффициентом теплопроводности. Он характеризует способность вещества проводить тепло.
3.6. Величина коэффициента теплопроводности представляет собой количество тепла, которое переходит в единицу времени через один квадратный метр изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.
Коэффициент теплопроводности λ, Βт/(м
град) является одной из важнейших теплофизических характеристик вещества. Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и в общем случае зависит от структуры, состава, плотности, влажности, давления и температуры их. Все вместе взятое затрудняет выбор правильного значения коэффициента теплопроводности.
Поэтому при ответственных расчетах значение коэффициента теплопроводности следует определять путем специального изучения применяемого материала.
Значение коэффициента теплопроводности
для различных материалов имеет следующий порядок, Вт/(м
град):
Газов
Капельных жидкостей
Теплоизоляционных материалов
Строительных материалов
Металлов
0,005…0,5 0,08 …0,7 менее 0,2 0,02 …3,0 20 …410
В технических же расчетах значения коэффициента теплопроводности обычно выбираются по справочным таблицам. При этом необходимо следить, чтобы физические характеристики материала (структура, плотность, влажность) соответствовали. Так как при распространении тепла температура в различных частях тела различна, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры.
Для большого числа твердых тел эта зависимость оказывается почти линейной:
λ
t
= λ
о
+ b
t ср
, (6) где λ
о
– коэффициент теплопроводности при 0 °C; b - постоянная для данного материала, определяемая опытным путем.
Для большинства металлов b < 0, т.е. теплопроводность уменьшается с увеличением температуры. Для большинства неметаллов b > 0, т.е. теплопроводность увеличивается с увеличением температуры.
В случае твердых пористых тел с порами, заполненными воздухом, теплопроводность можно представить эмпирическим уравнением Якоба:
λ = λ
тв
1– ε
, (7)
1+ε/2 где λ
ТВ
– теплопроводность твердой фазы;
ε – пористость тела.
Большинство методов определения коэффициента теплопроводности основано на законах протекания процесса при стационарном режиме. Основные из этих методов: метод плиты, метод шара, метод нагретой нити (для определения коэффициента теплопроводности жидкости и газа) и метод трубы.
4. Метод трубы
Данный метод заключается в том, что на металлическую трубу накладывается исследуемый материал, а внутри помещается электрический нагреватель.
При установившемся тепловом режиме тепловой поток (количество теплоты за единицу времени) Q, создаваемый электронагревателем, полностью проходит через цилиндрический слой исследуемого материала в окружающую среду. При этом через любую изотермическую поверхность, представляющую в данном случае систему концентрически расположенных в теле цилиндрических поверхностей, отстоящих на различном радиусе r от оси симметрии, проходит один и тот же тепловой поток Q.
Измеряя тепловой поток Q = W (численно равен мощности электронагревателя, Вт) и температуры на внутренней и внешней поверхностях слоя исследуемого материала, считая эти поверхности изотермическими, зная длину L и внутренний и внешний диаметры цилиндрического слоя исследуемого материала d вн и d н
, коэффициент теплопроводности определяют из уравнения теплопроводности для цилиндрической стенки, Вт/(м
град):
λ =
W
d d
L t t
н вн ln(
/
)
(
)
2 1
2
. (8)
5. Лабораторная установка
Лабораторная установка (рис. 1) состоит из горизонтальной стальной трубы 4, покрытой слоем изоляционного материала 7, милливольтметра 8, термопар 1 и 2, трансформатора 6, ваттметра 5 и электронагревателя 3.
Горизонтальная стальная труба имеет длину L м. Испытуемый цилиндрический слой изоляционного материала имеет внутренний диаметр d вн и наружный d н
, м.
Электронагреватель в виде спирали смонтирован внутри трубы. Мощность регулируется трансформатором, а измеряется ваттметром. Наружная и внутренняя средние температуры замеряются при помощи термопар, горячие спаи которых соответственно расположены внутри и снаружи изоляционного слоя, а холодные вынесены на клеммы милливольтметра. Термопары подключены к милливольтметру посредством переключателя. Таблица размеров d вн
, d н
, L экспериментального участка вывешена около лабораторной установки.
Рис. 3. Принципиальная схема установки для определения коэффициента теплопроводности материалов методом трубы:
1- внешняя термопара; 2- внутренняя термопара; 3- электронагреватель;
4 – стальная труба; 5 – измерительный комплект К-50; 6 – регулятор напряжения РНШ; 7 – слой изоляционного материала; 8 – милливольтметр
6. Проведение опытов
6.1. К выполнению опытов приступить только после прохождения инструктажа по технике безопасности.
6.2. Проверить правильность электрической схемы обогрева.
6.3. Включить электронагреватель на заданную мощность. Рекомендуемая мощность установки не более 60 Вт.
6.4. По истечении 40 минут с пятиминутным интервалом производится запись показаний милливольтметра на внутренней и внешней поверхности до установившегося (стационарного) теплового состояния системы при заданной постоянной мощности. Опыт считается законченным после того, как показания милливольтметра на протяжении нескольких замеров остаются неизменными.
6.5. Опыты произвести при двух – трех разных режимах.
6.6. Показания милливольтметра по градуировочной таблице (см. приложение 2) перевести в °C с учетом поправки на холодный спай. Данные опыта занести в таблицу
Журнал измерений
Н
оме р о пыта
Мощно ст ь W, Вт
Усреднен ная термо
-
ЭДС
вну тренн ей поверх но сти с по пр авкой на холо дный спай
Е
1
+
Е, мВ
Усреднен ная термо
-
ЭДС
нару жно й по верхн ос ти с по пр авкой на хол одный спай
Е
2
+
Е, мВ
Температ ур а вну тренн ей по вер хности, t
1
, °C
Температ ур а нару жно й по верхн ос ти,
t
2
, °C
Температ ур а ок ру жающей среды (во зду ха),
t возд
, °C
1 2
3
7. Обработка опытных данных
Обработка опытных данных для каждого режима ведется в следующей последовательности.
1. Тепловой поток, Вт:
Q = W.
2. Геометрические размеры установки, м: внутренний диаметр d вн
= ;
внешний диаметр d н
= ; длина экспериментального участка L = .
3. Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала из формулы (8), (Вт/(м
°C):
λ
с
=
W
d d
L t t
н вн ln(
/
)
(
)
2 1
2
4. Средняя температура исследуемого слоя, °C : t
ср
=
2
t t
2 1
5. Построение графической зависимости λ
i
= f(t срi
) (рис. 4).
Рис. 4. Графическая зависимость коэффициента теплопроводности исследуемого материала от средней температуры исследуемого слоя:
1, 2, 3 – экспериментальные точки;
А – точка, выбранная на усредненной прямой
Если эксперимент требует, чтобы все точки
размещались на одной линии, обозначь только две точки
«Правило Везиленда»
французский ученый
6. Обрабатывая полученные опытные данные методом наименьших квадратов (см. приложение 1), определяются коэффициент теплопроводности при t = 0 °C (λ
0
= ) и температурный коэффициент b = .
7. Аналитическая зависимость λ = f(t ср
) в явном виде, т.е.
λ = λ
0
+ bt ср
8. Оценка погрешности опыта
8.1. Расчет проводится по максимальной относительной погрешности измерений. В рассматриваемом случае максимальная погрешность определения теплопроводности вычисляется для каждого режима с помощью соотношения
[3]:
)
d
/
d ln(
d d
d d
d d
t t
t t
L
L
W
W
вн н
н вн н
н вн вн
2 1
2 1
. (10)
8.2. Предел допускаемой абсолютной основной погрешности Δ измерения отдельных величин, входящих в расчетное уравнение, принимают равным половине деления шкалы прибора или инструмента. Для линейных размеров (d вн
, d н
, L) абсолютная погрешность равна Δ = 0,0005 м.
Действительная погрешность обычно меньше максимальной.
9. Вопросы для самопроверки
1. Закон Фурье (основной закон теплопроводности).
2. Определение температурного градиента.
3. Чем объяснить наличие знака (– ) в уравнении Фурье?
4. Определение температурного поля, изотермической поверхности, стационарного и нестационарного температурных полей.
5. Стационарная теплопроводность. Физическая сущность процесса.
6. Определение и единица коэффициента теплопроводности.
7. Назовите примерные значения коэффициента теплопроводности для твердых тел (металл, изоляция, строительные материалы), жидких (вода, нефть, глицерин) и газообразных теплоносителей.
8. Каков закон изменения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок?
9. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры для твердых тел.
10. Можно ли плотность теплового потока и линейную плотность теплового потока выражать в одноименных единицах?
11. Каков механизм теплопроводности в твердых телах?
12. Одинаков ли тепловой поток Q по всем границам между слоями многослойной плоской и цилиндрической стенок при отсутствии в них внутренних тепловыделений и в условиях стационарного режима?
13. Могут ли изотермические поверхности пересекаться, быть замкнутыми?
14. Опишите одномерное плоское температурное поле. Дайте его аналитическое и графическое изображение. Приведите примеры.
15. Опишите одномерное цилиндрическое температурное поле. Дайте его аналитическое и графическое изображение. Приведите примеры.
16. Изобразите графически распределение температуры в двухслойной плоской и цилиндрической стенке для случаев λ
1
> λ
2
и λ
1
< λ
2
. Объясните различие в полях температуры для каждого слоя.
Список литературы
1. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи. – М.: Энергия, 1969.
2. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.:
Энергия, 1965.
3. Михеев М.Л., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия,
1977. –344 с.
4. Солодова А.П. Практикум по теплопередаче. – М.: Энергоатомиздат,
1986. –295с.
5. Лабораторный практикум по теории тепломассопереноса/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Н.М. Цирельман – Уфа: УГАТУ, 2006. – 200 с.
6. Батунер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. – Л.: Химия, 1971. 824 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Пример использования метода наименьших квадратов для обработки
опытных данных
Метод наименьших квадратов (МНК) [4,6] применяется в тех случаях, когда вид зависимости известен, а искомые величины (например, λ
0
, b) не могут быть измерены непосредственно.
Неизвестные коэффициенты, входящие в формулу, определяются из условия минимума суммы квадратов отклонений значений опытных величин от
– Как прошла защита лабораторных работ?
– Блестяще, преподаватели в восторге. Просят повторить на следующем занятии.
значений аппроксимирующей функции.
Пусть, например, известно, что между двумя величинами λ и t ср должна существовать линейная зависимость вида:
λ = λ
0
+ bt ср
, где λ
0
и b – неизвестные параметры этой зависимости.
Если заданную зависимость иллюстрировать графиком и замерить m
(например, m = 3) пар значений λ и t ср
(см. журнал измерений):
λ … 0,20 0,30 0,35 t
ср
… 25 35 45, то можно составить m (например, три) уравнений:
0,20 = λ
0
+ 25 b;
0,30 = λ
0
+ 35 b;
0,35 = λ
0
+ 45 b для определения наивероятнейших значений параметров λ
0
и b.
Для нахождения n неизвестных величин достаточно произвести n серий наблюдений, чтобы составить число условных уравнений, необходимых для определения неизвестных. Обычно же число серий увеличивают и получают системы из m уравнений с n неизвестными (m > n).
Для приведения условных уравнений к нормальным составим таблицу:
Номер опыта
Исходные данные
Первое нормальное уравнение
Второе нормальное уравнение
λ
0i b
i
λ
i
λ
2 0i
λ
0i b
i
λ
0i
λ
i b
i
λ
0i b
2
i b
i
λ
i
1 1
25 0,2 1
25 0,2 25 625 5
2 1
35 0,3 1
35 0,3 35 1225 10,5 3
1 45 0,35 1
45 0,35 45 2025 15,8
∑
3
105
0,85
3
105
0,85
105
3875 31,3
Полученные нормальные уравнения:
3 λ
0
+ 105b = 0,85;
105 λ
0
+ 3875b = 31,3 имеют корни
λ
0
= 0,06; b = 0,0065.
1 мм наросшей накипи «съедает» дополнительно до 10 % топлива !!! Котёл
может прогореть из-за нарушения теплообмена и привести к аварии в самый
неподходящий момент.
Тогда уравнение искомой усредненной прямой будет
λ = 0,06 +0,0065t
ср
.
Среднеквадратичные ошибки λ
0
и b, определенных по МНК, определяются по формулам:
√ n
∑ξ
2
i
μ
λ0
= i = 1
;
G
λ0
(n – m)
(а)
√ n
∑ξ
2
i
μ b
= i = 1
G
b
(n – m)
В формулах (а):
G
λ0
– величина, равная отношению определителя, составленного из коэффициентов нормальных уравнений к тому минору, который получается из него путем вычеркивания строки и столбца, имеющего номер λ
0
:
| 3 105 |
|105 3875|
G
λ0
=
=
3·3875 – 105·105
= 0,155.
3875 3875
G
b
– величина, равная отношению определителя, составленного из коэффициентов нормальных уравнений к тому минору, который получается из него путем вычеркивания строки и столбца, имеющего номер b:
| 3 105 |
|105 3875|
G
b
=
=
3·3875 – 105·105
=
200.
3 3 n
∑ξ
2
i
– есть сумма квадратов отклонений левых частей условных i = 1 уравнений после подстановки в них найденных из нормальных уравнений наивероятнейших значений неизвестных (λ
0
и b), определяются по следующей методике:
Номер опыта
λ
0i
λ
0
b i
b
|ξ
i
| = |(λ
0i
λ
0
+ b i
b) – λ
i
|
ξ
2
i
1 0,06 0,16
|(0,06 + 0,16) – 0,2| = 0,02 0,0004 2
0,06 0,227
|(0,06 + 0,227) – 0,3| =0,01 0,0001 3
0,06 0,29
|(0,06 + 0,29) –0,35| =0 0
∑
–
–
–
0,0005
Следовательно, среднеквадратичные ошибки λ
0
и b по формулам (а):
μ
λ0
=
√
0,0005
= 0,0032;
0,155·(3 – 2)
μ b
=
√
0,0005
= 0.
200·(3 – 2)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Градуировочная таблица термопары ХК при температуре холодного спая 0 о
С
Темпе ратура горячего спая, о
C
Температура
0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
ЭДС, мВ
0 0
0,07 0,13 0,20 0,26 0,32 0,39 0,46 0,52 0,59 10 0,65 0,72 0,78 0,85 0,91 0,98 1,05 1,11 1,18 1,24 20 1,31 1,38 1,44 1,51 1,57 1,64 1,70 1,77 1,84 1,91 30 1,98 2,05 2,12 2,16 2,25 2,32 2,38 2,45 2,52 2,59 40 2,66 2,73 2,80 2,87 2,94 3,00 3,07 3,14 3,21 3,23 50 3,35 3,42 3,49 3,56 3,68 3,70 3,77 3,85 3,91 3,98 60 4,05 4,12 4,19 4,26 4,33 4,41 4,48 4,55 4,62 4,69 70 4,76 4,83 4,90 4,98 5,05 5,12 5,19 5,26 5,33 5,41 80 5,48 5,56 5,63 5,70 5,78 5,85 5,92 5,99 6,07 6,14 90 6,21 6,29 6,36 6,43 6,51 6,58 6,65 6,73 6,80 6,87 100 6,95 7,02 7,10 7,17 7,25 7,32 7,40 7,47 7,54 7,63 110 7,69 7,77 7,84 7,91 7,99 8,06 8,13 8,21 8,28 8,35 120 8,43 8,50 8,58 8,65 8,72 8,80 8,88 8,95 9,02 9,10 130 9,18 9,25 9,33 9,40 9,48 9,55 9,63 9,70 9,78 9,85 140 9,93 10,00 10,08 10,16 10,23 10,31 10,38 10.46 10,54 10,61 150 10,69 10,77 10,85 10,92 11,00 11,08 11,15 11,23 11,31 11,38
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ КРОССВОРД
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10 11 12 13 14 15 15 1 – Характерная линия в любом температурном поле.
2 – Тепловой поток … величина.
3 – Величина, входящая во все основные законы процессов теплообмена.
4 – Твердые тела, не имеющие свободных электронов.
5 – Датчик температуры.
6 – Метод определения коэффициента теплопроводности.
7 – Характер зависимости температуры по толщине цилиндрической стенки.
8 – Материал, у которого коэффициент теплопроводности менее 0,2 Вт/(м·К).
9 – Фактор, влияющий на коэффициент теплопроводности.
10 – Единица измерения теплоты.
11 – Скорость изменения движущей силы.
12 – Простейшее температурное поле.
13 – Видный советский ученый в области процессов тепломассопереноса.
14 – Известный автор учебников по теплопередаче.
15 – δ/λ по сути это …
16 – Фр. ученый, в 1795 был направлен в Политехническую школу (Париж) учеником, но вскоре стал в ней преподавателем, затем профессором, почетный член
Петербургской АН (с 1829).
После правильного отгадывания в выделенном столбце прочтете тему кроссворда.
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра промышленной теплоэнергетики
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ ТРУБЫ
Методические указания к лабораторной работе № 4 по дисциплине «Теплотехника»
Составитель Р.Ш. Латыпов
В учебно-методическом пособии к лабораторной работе «Определение коэффициента теплопроводности твердого тела методом трубы» приводятся теоретические основы, даются описание лабораторной установки и методика проведения эксперимента по определению коэффициента теплопроводности твердого тела.
Работа предназначена для студентов для студентов, обучающихся по направлениям 130500 «Нефтегазовое дело», 280100 «Безопасность жизнедеятельности», 240400 «Химическая технология органических веществ и топлива», 240800 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии нефтехимии и биотехнологии», 130600 «Оборудование и агрегаты нефтегазового производства», 240900 «Биотехнология».
Содержание
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
1 1
Лабораторная работа «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ ТРУБЫ
1. Цели работы
2. Задание
3. Теоретические основы
4. Метод трубы
5. Лабораторная установка
6. Проведение опытов
7. Обработка опытных данных
8. Оценка погрешности опыта
9. Вопросы для самопроверки
Список литературы
2 2
2 2
6 7
8 8
10 10 11
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Пример использования метода наименьших квадратов для обработки опытных данных
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Градуировочная таблица термопары ХК при температуре холодного спая 0 о
С
11 14
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ОБЯЗАТЕЛЬНЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, прошедшие предварительную проверку знаний по данной теме.
До прихода на занятия в лабораторию студент обязан самостоятельно ознакомиться с описанием лабораторной работы, проработать соответствующие темы предстоящего занятия – раздел учебника, конспекта лекций, изучить применяемые в работе методы измерений, продумать порядок проведения эксперимента и обработки опытных данных, подготовить форму отчета по работе.
Отчет по работе выполняется в соответствии с требованиями ЕСКД и должен содержать:
- цель, задание и краткое описание работы;
- принципиальную схему установки;
- журнал измерений;
- таблицу обработки опытных данных;
- экспериментальные графические зависимости;
- выводы по работе.
Выполняя экспериментальную часть работы, студент руководствуется описанием, указаниями преподавателей и инструкцией по технике безопасности.
По окончании работы студент обязан показать результаты опыта преподавателю для проверки, без чего работа не может считаться выполненной.
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Подключение установки к электросети разрешается после проверки правильности собранной электрической схемы преподавателем.
2. Запрещается: пользоваться проводами с нарушенной изоляцией, проводами, не оборудованными вилками, устанавливать мощность больше заданной величины, вскрывать приборы и схемы предохранителей.
3. По окончании опытов установку необходимо отключить.
При наблюдении случай благоприятствует
лишь подготовленным.
Луи Постер (1822 – 1895),
французский ученый
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ ТРУБЫ
1.
Цели работы
1.1.
Углубление знаний по теории теплопроводности.
1.2.
Изучение методики экспериментального определения коэффициента теплопроводности твердых тел и получение навыков в проведении экспериментальных работ.
1.3.
В результате работы должны быть усвоены физическая сущность процесса теплопроводности, содержание основного закона теплопроводности и его приложения к телам простой геометрической формы, понятие о коэффициенте теплопроводности и методах его определения.
2. Задание
2.1.
Определить экспериментально коэффициент теплопроводности твердого тела.
2.2.
Найти графическую температурную зависимость коэффициента теплопроводности в виде
= f(t ср
).
2.3.
Найти аналитическую зависимость λ
t
= λ
о
+ bt ср
3. Теоретические основы
Теплопроводность - основной вид передачи энергии в форме теплоты от одного тела к другому при их непосредственном контакте, когда оба тела имеют различную температуру, или от одной части тела к другой, если между ними существует температурный перепад.
3.1. Механизм теплопроводности в твердых кристаллических телах.
Различают три группы твердых кристаллических тел: диэлектрики, проводники электрического тока и полупроводники - с принципиально различным механизмом теплопроводности.
В диэлектрикахотсутствуют свободные электрические заряды – электроны и, в зависимости от химической природы, их кристаллические решетки образованы из атомов или молекул. Эти частицы удерживаются в некотором положении равновесия, совершая относительно него колебания.
Если такое тело нагреть в каком-либо месте, то в области с повышенной температурой частицы начнут колебаться более интенсивно, с большими амплитудами. Энергия этих колебаний будет передаваться соседним частицам, поскольку все частицы связаны между собой силами притяжения. В результате энергия теплового движения постепенно перейдет от одного слоя тела к дру- гому. Не трудно понять, что характер передачи тепловой энергии будет волновым (акустическим), обусловленным колебаниями частиц тела. Таким
Описанный процесс теплопроводности диэлектриков протекает обычно достаточно медленно, поэтому теплопроводность их сравнительно мала.
Проводники электрического тока(главным образом металлы) отличаются от диэлектриков наличием свободных электронов, которые с некоторой средней плотностью разделяются между положительными ионами кристаллической решетки. Подобно молекулам газа, электроны переносят кинетическую энергию и играют, таким образом, главную роль не только в явлении электропроводности, но и в теплопроводности металлов.
Теплопроводность металлов в отличие от теплопроводности газов обусловлена еще и частичными тепловыми колебаниями кристаллической решетки (как и у диэлектриков). Эти тепловые колебания ионов кристаллической решетки создают помехи движению "электронного газа".
Поэтому при нагревании металлов заметно уменьшается теплопроводность.
Заметим, что эта же причина приводит к уменьшению электропроводности (к росту сопротивления) металлов с увеличением температуры.
В полупроводниках при низких температурах мало свободных электронов и перенос тепла имеет волновой характер, с ростом температуры число свободных электронов в полупроводниках увеличивается и проводимость тепла обусловливается смешанным электронно – волновым механизмом.
Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры внутри тела.
3.2. Температурное поле. Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным
полем. t = f(x,y,z,τ).(1)
Уравнение (1) является математическим выражением такого поля. При этом, если температура меняется во времени, поле называется
нестационарным, а если не меняется – стационарным. Температура может быть функцией одной, двух и трех координат. Соответственно этому и температурное поле называется одно-, двух- и трехмерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одномерного стационарного температурного поля: t=t(x). (2)
3.3. Градиент температур. При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место таких точек образует изотермическую поверхность. Так как в одной и той же точке пространства одновременно не может быть двух различных температур, то изотермические поверхности друг с другом не пересекаются; все они или за-
ратур и обозначается одним из следующих символов: lim(Δt/Δn)
Δn→0
= дt/дn = grad t. (3)
Знак частной производной применен здесь потому, что в общем случае температура может изменяться не только в пространстве, но и во времени (при не стационарности поля температуры).
Рис. 1. К определению температурного градиента
Рис. 2. Закон Фурье
Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, °С/м.
3.4. Тепловой поток. Количество теплоты Q
τ
(Дж), переносимое через какую-либо изотермическую поверхность в единицу времени, называется
тепловым потоком Q = Q
τ
/τ. Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока q =
Q/F = Q
τ
/(Fτ). Плотность теплового потока есть вектор, направление которого совпадает с направлением распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению вектора температурного градиента (рис. 2).
3.5. Закон Фурье является основным законом теплопроводности, который устанавливает, что количество переданной теплоты пропорционально градиенту температуры, площади сечения, перпендикулярного направлению распространения теплоты, и времени.
Q
τ
=
F
n t
, (4)
τ
– количество теплоты, Дж;
λ – коэффициент теплопроводности, Βт/(м
град);
t/
n - температурный градиент, град/м;
F – площадь сечения, м2;
- время, с.
Если количество переданной теплоты отнести к единице площади сечения и единице времени, то установленную зависимость можно записать: q = – λ∙gradt . (5)
Этот закон лежит в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процессов теплопроводности. Множитель пропорциональности λ в уравнениях (3.1 и 3.2) называется коэффициентом теплопроводности. Он характеризует способность вещества проводить тепло.
3.6. Величина коэффициента теплопроводности представляет собой количество тепла, которое переходит в единицу времени через один квадратный метр изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.
Коэффициент теплопроводности λ, Βт/(м
град) является одной из важнейших теплофизических характеристик вещества. Для различных веществ коэффициент теплопроводности различен и в общем случае зависит от структуры, состава, плотности, влажности, давления и температуры их. Все вместе взятое затрудняет выбор правильного значения коэффициента теплопроводности.
Поэтому при ответственных расчетах значение коэффициента теплопроводности следует определять путем специального изучения применяемого материала.
Значение коэффициента теплопроводности
для различных материалов имеет следующий порядок, Вт/(м
град):
Газов
Капельных жидкостей
Теплоизоляционных материалов
Строительных материалов
Металлов
0,005…0,5 0,08 …0,7 менее 0,2 0,02 …3,0 20 …410
В технических же расчетах значения коэффициента теплопроводности обычно выбираются по справочным таблицам. При этом необходимо следить, чтобы физические характеристики материала (структура, плотность, влажность) соответствовали. Так как при распространении тепла температура в различных частях тела различна, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры.
Для большого числа твердых тел эта зависимость оказывается почти линейной:
λ
t
= λ
о
+ b
t ср
, (6) где λ
о
– коэффициент теплопроводности при 0 °C; b - постоянная для данного материала, определяемая опытным путем.
Для большинства металлов b < 0, т.е. теплопроводность уменьшается с увеличением температуры. Для большинства неметаллов b > 0, т.е. теплопроводность увеличивается с увеличением температуры.
В случае твердых пористых тел с порами, заполненными воздухом, теплопроводность можно представить эмпирическим уравнением Якоба:
λ = λ
тв
1– ε
, (7)
1+ε/2 где λ
ТВ
– теплопроводность твердой фазы;
ε – пористость тела.
Большинство методов определения коэффициента теплопроводности основано на законах протекания процесса при стационарном режиме. Основные из этих методов: метод плиты, метод шара, метод нагретой нити (для определения коэффициента теплопроводности жидкости и газа) и метод трубы.
4. Метод трубы
Данный метод заключается в том, что на металлическую трубу накладывается исследуемый материал, а внутри помещается электрический нагреватель.
При установившемся тепловом режиме тепловой поток (количество теплоты за единицу времени) Q, создаваемый электронагревателем, полностью проходит через цилиндрический слой исследуемого материала в окружающую среду. При этом через любую изотермическую поверхность, представляющую в данном случае систему концентрически расположенных в теле цилиндрических поверхностей, отстоящих на различном радиусе r от оси симметрии, проходит один и тот же тепловой поток Q.
Измеряя тепловой поток Q = W (численно равен мощности электронагревателя, Вт) и температуры на внутренней и внешней поверхностях слоя исследуемого материала, считая эти поверхности изотермическими, зная длину L и внутренний и внешний диаметры цилиндрического слоя исследуемого материала d вн и d н
, коэффициент теплопроводности определяют из уравнения теплопроводности для цилиндрической стенки, Вт/(м
град):
λ =
W
d d
L t t
н вн ln(
/
)
(
)
2 1
2
. (8)
5. Лабораторная установка
Лабораторная установка (рис. 1) состоит из горизонтальной стальной трубы 4, покрытой слоем изоляционного материала 7, милливольтметра 8, термопар 1 и 2, трансформатора 6, ваттметра 5 и электронагревателя 3.
Горизонтальная стальная труба имеет длину L м. Испытуемый цилиндрический слой изоляционного материала имеет внутренний диаметр d вн и наружный d н
, м.
Электронагреватель в виде спирали смонтирован внутри трубы. Мощность регулируется трансформатором, а измеряется ваттметром. Наружная и внутренняя средние температуры замеряются при помощи термопар, горячие спаи которых соответственно расположены внутри и снаружи изоляционного слоя, а холодные вынесены на клеммы милливольтметра. Термопары подключены к милливольтметру посредством переключателя. Таблица размеров d вн
, d н
, L экспериментального участка вывешена около лабораторной установки.
Рис. 3. Принципиальная схема установки для определения коэффициента теплопроводности материалов методом трубы:
1- внешняя термопара; 2- внутренняя термопара; 3- электронагреватель;
4 – стальная труба; 5 – измерительный комплект К-50; 6 – регулятор напряжения РНШ; 7 – слой изоляционного материала; 8 – милливольтметр
6. Проведение опытов
6.1. К выполнению опытов приступить только после прохождения инструктажа по технике безопасности.
6.2. Проверить правильность электрической схемы обогрева.
6.3. Включить электронагреватель на заданную мощность. Рекомендуемая мощность установки не более 60 Вт.
6.4. По истечении 40 минут с пятиминутным интервалом производится запись показаний милливольтметра на внутренней и внешней поверхности до установившегося (стационарного) теплового состояния системы при заданной постоянной мощности. Опыт считается законченным после того, как показания милливольтметра на протяжении нескольких замеров остаются неизменными.
6.5. Опыты произвести при двух – трех разных режимах.
6.6. Показания милливольтметра по градуировочной таблице (см. приложение 2) перевести в °C с учетом поправки на холодный спай. Данные опыта занести в таблицу
Журнал измерений
Н
оме р о пыта
Мощно ст ь W, Вт
Усреднен ная термо
-
ЭДС
вну тренн ей поверх но сти с по пр авкой на холо дный спай
Е
1
+
Е, мВ
Усреднен ная термо
-
ЭДС
нару жно й по верхн ос ти с по пр авкой на хол одный спай
Е
2
+
Е, мВ
Температ ур а вну тренн ей по вер хности, t
1
, °C
Температ ур а нару жно й по верхн ос ти,
t
2
, °C
Температ ур а ок ру жающей среды (во зду ха),
t возд
, °C
1 2
3
7. Обработка опытных данных
Обработка опытных данных для каждого режима ведется в следующей последовательности.
1. Тепловой поток, Вт:
Q = W.
2. Геометрические размеры установки, м: внутренний диаметр d вн
= ;
= ; длина экспериментального участка L = .
3. Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала из формулы (8), (Вт/(м
°C):
λ
с
=
W
d d
L t t
н вн ln(
/
)
(
)
2 1
2
4. Средняя температура исследуемого слоя, °C : t
ср
=
2
t t
2 1
5. Построение графической зависимости λ
i
= f(t срi
) (рис. 4).
Рис. 4. Графическая зависимость коэффициента теплопроводности исследуемого материала от средней температуры исследуемого слоя:
1, 2, 3 – экспериментальные точки;
А – точка, выбранная на усредненной прямой
Если эксперимент требует, чтобы все точки
размещались на одной линии, обозначь только две точки
«Правило Везиленда»
французский ученый
6. Обрабатывая полученные опытные данные методом наименьших квадратов (см. приложение 1), определяются коэффициент теплопроводности при t = 0 °C (λ
0
= ) и температурный коэффициент b = .
7. Аналитическая зависимость λ = f(t ср
) в явном виде, т.е.
λ = λ
0
+ bt ср
8. Оценка погрешности опыта
8.1. Расчет проводится по максимальной относительной погрешности измерений. В рассматриваемом случае максимальная погрешность определения теплопроводности вычисляется для каждого режима с помощью соотношения
[3]:
)
d
/
d ln(
d d
d d
d d
t t
t t
L
L
W
W
вн н
н вн н
н вн вн
2 1
2 1
. (10)
8.2. Предел допускаемой абсолютной основной погрешности Δ измерения отдельных величин, входящих в расчетное уравнение, принимают равным половине деления шкалы прибора или инструмента. Для линейных размеров (d вн
, d н
, L) абсолютная погрешность равна Δ = 0,0005 м.
Действительная погрешность обычно меньше максимальной.
9. Вопросы для самопроверки
1. Закон Фурье (основной закон теплопроводности).
2. Определение температурного градиента.
3. Чем объяснить наличие знака (– ) в уравнении Фурье?
4. Определение температурного поля, изотермической поверхности, стационарного и нестационарного температурных полей.
5. Стационарная теплопроводность. Физическая сущность процесса.
6. Определение и единица коэффициента теплопроводности.
7. Назовите примерные значения коэффициента теплопроводности для твердых тел (металл, изоляция, строительные материалы), жидких (вода, нефть, глицерин) и газообразных теплоносителей.
8. Каков закон изменения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок?
9. Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры для твердых тел.
10. Можно ли плотность теплового потока и линейную плотность теплового потока выражать в одноименных единицах?
11. Каков механизм теплопроводности в твердых телах?
12. Одинаков ли тепловой поток Q по всем границам между слоями многослойной плоской и цилиндрической стенок при отсутствии в них внутренних тепловыделений и в условиях стационарного режима?
13. Могут ли изотермические поверхности пересекаться, быть замкнутыми?
14. Опишите одномерное плоское температурное поле. Дайте его аналитическое и графическое изображение. Приведите примеры.
15. Опишите одномерное цилиндрическое температурное поле. Дайте его аналитическое и графическое изображение. Приведите примеры.
16. Изобразите графически распределение температуры в двухслойной плоской и цилиндрической стенке для случаев λ
1
> λ
2
и λ
1
< λ
2
. Объясните различие в полях температуры для каждого слоя.
Список литературы
1. Жуковский B.C. Основы теории теплопередачи. – М.: Энергия, 1969.
2. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.:
Энергия, 1965.
3. Михеев М.Л., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия,
1977. –344 с.
4. Солодова А.П. Практикум по теплопередаче. – М.: Энергоатомиздат,
1986. –295с.
5. Лабораторный практикум по теории тепломассопереноса/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Н.М. Цирельман – Уфа: УГАТУ, 2006. – 200 с.
6. Батунер Л.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. – Л.: Химия, 1971. 824 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Пример использования метода наименьших квадратов для обработки
опытных данных
Метод наименьших квадратов (МНК) [4,6] применяется в тех случаях, когда вид зависимости известен, а искомые величины (например, λ
0
, b) не могут быть измерены непосредственно.
Неизвестные коэффициенты, входящие в формулу, определяются из условия минимума суммы квадратов отклонений значений опытных величин от
– Как прошла защита лабораторных работ?
– Блестяще, преподаватели в восторге. Просят повторить на следующем занятии.
Пусть, например, известно, что между двумя величинами λ и t ср должна существовать линейная зависимость вида:
λ = λ
0
+ bt ср
, где λ
0
и b – неизвестные параметры этой зависимости.
Если заданную зависимость иллюстрировать графиком и замерить m
(например, m = 3) пар значений λ и t ср
(см. журнал измерений):
λ … 0,20 0,30 0,35 t
ср
… 25 35 45, то можно составить m (например, три) уравнений:
0,20 = λ
0
+ 25 b;
0,30 = λ
0
+ 35 b;
0,35 = λ
0
+ 45 b для определения наивероятнейших значений параметров λ
0
и b.
Для нахождения n неизвестных величин достаточно произвести n серий наблюдений, чтобы составить число условных уравнений, необходимых для определения неизвестных. Обычно же число серий увеличивают и получают системы из m уравнений с n неизвестными (m > n).
Для приведения условных уравнений к нормальным составим таблицу:
Номер опыта
Исходные данные
Первое нормальное уравнение
Второе нормальное уравнение
λ
0i b
i
λ
i
λ
2 0i
λ
0i b
i
λ
0i
λ
i b
i
λ
0i b
2
i b
i
λ
i
1 1
25 0,2 1
25 0,2 25 625 5
2 1
35 0,3 1
35 0,3 35 1225 10,5 3
1 45 0,35 1
45 0,35 45 2025 15,8
∑
3
105
0,85
3
105
0,85
105
3875 31,3
Полученные нормальные уравнения:
3 λ
0
+ 105b = 0,85;
105 λ
0
+ 3875b = 31,3 имеют корни
λ
0
= 0,06; b = 0,0065.
1 мм наросшей накипи «съедает» дополнительно до 10 % топлива !!! Котёл
может прогореть из-за нарушения теплообмена и привести к аварии в самый
неподходящий момент.
Тогда уравнение искомой усредненной прямой будет
λ = 0,06 +0,0065t
ср
.
Среднеквадратичные ошибки λ
0
и b, определенных по МНК, определяются по формулам:
√ n
∑ξ
2
i
μ
λ0
= i = 1
;
G
λ0
(n – m)
(а)
√ n
∑ξ
2
i
μ b
= i = 1
G
b
(n – m)
В формулах (а):
G
λ0
– величина, равная отношению определителя, составленного из коэффициентов нормальных уравнений к тому минору, который получается из него путем вычеркивания строки и столбца, имеющего номер λ
0
:
| 3 105 |
|105 3875|
G
λ0
=
=
3·3875 – 105·105
= 0,155.
3875 3875
G
b
– величина, равная отношению определителя, составленного из коэффициентов нормальных уравнений к тому минору, который получается из него путем вычеркивания строки и столбца, имеющего номер b:
| 3 105 |
|105 3875|
G
b
=
=
3·3875 – 105·105
=
200.
3 3 n
∑ξ
2
i
– есть сумма квадратов отклонений левых частей условных i = 1 уравнений после подстановки в них найденных из нормальных уравнений наивероятнейших значений неизвестных (λ
0
и b), определяются по следующей методике:
Номер опыта
λ
0i
λ
0
b i
b
|ξ
i
| = |(λ
0i
λ
0
+ b i
b) – λ
i
|
ξ
2
i
1 0,06 0,16
|(0,06 + 0,16) – 0,2| = 0,02 0,0004 2
0,06 0,227
|(0,06 + 0,227) – 0,3| =0,01 0,0001 3
0,06 0,29
|(0,06 + 0,29) –0,35| =0 0
∑
–
–
–
0,0005
Следовательно, среднеквадратичные ошибки λ
0
и b по формулам (а):
μ
λ0
=
√
0,0005
= 0,0032;
0,155·(3 – 2)
μ b
=
√
0,0005
= 0.
200·(3 – 2)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Градуировочная таблица термопары ХК при температуре холодного спая 0 о
С
Темпе ратура горячего спая, о
C
Температура
0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
ЭДС, мВ
0 0
0,07 0,13 0,20 0,26 0,32 0,39 0,46 0,52 0,59 10 0,65 0,72 0,78 0,85 0,91 0,98 1,05 1,11 1,18 1,24 20 1,31 1,38 1,44 1,51 1,57 1,64 1,70 1,77 1,84 1,91 30 1,98 2,05 2,12 2,16 2,25 2,32 2,38 2,45 2,52 2,59 40 2,66 2,73 2,80 2,87 2,94 3,00 3,07 3,14 3,21 3,23 50 3,35 3,42 3,49 3,56 3,68 3,70 3,77 3,85 3,91 3,98 60 4,05 4,12 4,19 4,26 4,33 4,41 4,48 4,55 4,62 4,69 70 4,76 4,83 4,90 4,98 5,05 5,12 5,19 5,26 5,33 5,41 80 5,48 5,56 5,63 5,70 5,78 5,85 5,92 5,99 6,07 6,14 90 6,21 6,29 6,36 6,43 6,51 6,58 6,65 6,73 6,80 6,87 100 6,95 7,02 7,10 7,17 7,25 7,32 7,40 7,47 7,54 7,63 110 7,69 7,77 7,84 7,91 7,99 8,06 8,13 8,21 8,28 8,35 120 8,43 8,50 8,58 8,65 8,72 8,80 8,88 8,95 9,02 9,10 130 9,18 9,25 9,33 9,40 9,48 9,55 9,63 9,70 9,78 9,85 140 9,93 10,00 10,08 10,16 10,23 10,31 10,38 10.46 10,54 10,61 150 10,69 10,77 10,85 10,92 11,00 11,08 11,15 11,23 11,31 11,38
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ КРОССВОРД
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10 11 12 13 14 15 15 1 – Характерная линия в любом температурном поле.
2 – Тепловой поток … величина.
3 – Величина, входящая во все основные законы процессов теплообмена.
4 – Твердые тела, не имеющие свободных электронов.
5 – Датчик температуры.
6 – Метод определения коэффициента теплопроводности.
7 – Характер зависимости температуры по толщине цилиндрической стенки.
8 – Материал, у которого коэффициент теплопроводности менее 0,2 Вт/(м·К).
9 – Фактор, влияющий на коэффициент теплопроводности.
10 – Единица измерения теплоты.
11 – Скорость изменения движущей силы.
12 – Простейшее температурное поле.
13 – Видный советский ученый в области процессов тепломассопереноса.
14 – Известный автор учебников по теплопередаче.
15 – δ/λ по сути это …
16 – Фр. ученый, в 1795 был направлен в Политехническую школу (Париж) учеником, но вскоре стал в ней преподавателем, затем профессором, почетный член
Петербургской АН (с 1829).
После правильного отгадывания в выделенном столбце прочтете тему кроссворда.