Зертханалық жұмыс №4 “Шарлы қабырға арқылы жылуөткізгіштік коэффициентің анықтау”

Зертханалық жұмыс №4 “Шарлы қабырға арқылы жылуөткізгіштік коэффициентің анықтау”

Жылулық ағындар денелерде олардың жеке бөліктері арасындағы қызудың айырмасы болғанда пайда болады.Денелердің қызулық жағдайларын қызулық өрістің көмегімен сипаттауға болады, зерттелетін кеңістіктің барлық нүктелерінде қызу лездік шамасының қосындысы ретінде түсініледі.

Қызулық өрістер ыстықтұрақтық беттердің көмегімен, немесе нүктелердің геометриялық орны қызудың бірдей шамасымен сипатталады. Шарлы қабырғалар үшін, ондағы ішкі жылу көздері болмаған жағдайда, ыстықтұрақтық беттер-жалпы орталығы бар сфералар.

Жылу беру қалыптасқан процессінде, егер қызулық өріс уақыт өткенде ауыспаса, жылулық ағындар ыстық ортадан шарлық қабығаға Ф_1-2 , сол қабырғада Ф_2-3, және де қабырғадан суық ортаға Ф_3-4 өзара тең, Ньютон-Рихман кейіптемесі бойынша анықталады:

Ф=Ф_1-2=α₁πd₁² (Т_Ж1 – Т_С1) (1.1)

Ф=Ф_3-4=α₂πd₂² (Т_С2 –Т_Ж2) (1.2)

онда α₁, α₂- жылуберудің коэффициенттері суық және ыстық орта жағынан (Вт/(м²К));

d₁, d₂- ішкі және сыртқы шарлы қабырғаның диаметрі (м);

λ-жылуөткізгіштік көрсеткіші (Вт/(мК));

Т_Ж1,Т_Ж2- суық және ыстық ортаның қызуы(К);

Т_С1,Т_С2- қабырғаның қызуы ыстық және суық орта жағынан.

Егер, орта газдалған жағдайда, қабырға мен оның жуатын ортасының жылуалмасу процессі, бірлескен ағындық жылуалмасу Ф_К жылуды ауыстыруда болып есептеледі және жылулық сәуле шығару Ф_Е. Жылуауысудың сандық сипаттамасы бұл жағдайда жылуберудің жалпы коэффициенті болып есептеледі
α_ОБЩ =α_К + α_Е (1.4)

онда α_К- ағындық жылуалмасудың әсерін ескереді, ал α_Е- жылулық сәуле шығаруды.

Жылулық ағынның қосындысы қабырғамен газдық ортамен Ньютон-Рихман және Стефон-Больцман кейіптемелерімен анықталады:
Ф_3-4=Ф_(3-4)К + Ф_(3-4)Е ;
Ф_3-4=α_Кπd₂²(Т_С2–Т_Ж2) +εc₀{(Т_С1/100)⁴- (Т_Ж1/100)⁴}πd₂² (1.5)

немесе

онда

c₀ – қара дененің сәулешығару қабілеттілігі, Вт/(м²К) (с₀ =5,67).

Бірқатар практикалық есептерде жылулық ағынның шамасын маңызды азайту мәселесі қойылады, қабырға арқылы өтетін. Бұл үшін қабырғаны жылуөткізгіштік еселеуіші төмен оқшалаушы материялдың қабатымен жабады.(λ<0,25)

Бұл жағынан қайраттық қондырғылар бар болғандықтан, оның пайдалану мерзімінде, ондағы оқшалау қабаты жылуалмастырудың бетіндегі кірлер немесе қақтан пайда болады, ол қатты екі- немесе көпқабатты қабырға арқылы өтетін жылулық ағындардың бір жылутасығыштан екіншісіне шамасының азаюына әкеп соғады.

Жылулық ағынды есептеу үшін көпқабатты шарлық қабырға арқылы, мына теңдеуді пайдаланады:

Ф=π(T_C1-T_{C n+1}) /∑ (1/2λ_i (1/d_i-1/d_i+1)) (1.8)

мұнда n- қабаттар саны, ал жылуөтуді анықтау үшін ыстық жылутасығыштан суыққа жылуөтудің теңдеуін пайдаланады:
Ф=k_Шπ(Т_Ж1–Т_Ж2) (1.9)
мұнда k_Ш- жылуөту еселеуіші, Вт/К, мына кейіптемемен есептеледі:

k_Ш= 1/(1/α₁d₁² +∑ 1/2λ_i(1/d_i- 1/d_i+1)+1/α₂d²_n+1) (1.10)

Жарлық қабырғаға оқшалау қабатын жүргізгенде біруақытта R_λ қабырғаның қызулық кедергісі өсуінен, жылуөткізгіштіктің кері шамасы болып түсініледі, сыртқы жылуберуші беттің шамасының ұлғаюы байқалады, осыдан сыртқы беттен R_α қызулық кедергі жылуөтуге азаяды.

Жалпы қызулық кедергісі шарлық екі қабаттық қабырғаның (екінші қабатты оқшалау қабаты деп түсінеміз) төмендегі кейіптемемен анықталады:

R_λ1- шарлық қабырғаның бірінші қабатының жылуөткізгіштік қызулық кедергісі К/Вт, [R_λ1=1/2λ₁ (1/d₁ – 1/d₂)];

R_λоқш- шарлық қабырғаның екінші қабаттың жылуөткізгіштік ысытықтық кедергісі К/Вт,[R_λоқш= 1/2λ_оқш(1/d₂- 1/d_оқш)];

R_α2- шарлық қабырғаның cыртқы беттеріне жылуөтудің қызулық кедергісі К/Вт, [ R_α2=1/(αd²₂) ];

Өзгеру кестесінен R_Ш=f(d_ОҚШ) (1.1сур.) мынаны көреміз, оқшалау қабатын жүргізу қорытындысы әр түрлі болуы мүмкін, жылуөткізгіштіктің еселеуіші мен оқшаулау баскермесіне байланысты.

Егер d_ОҚШ < d_ау, онда жылулық ағын ыстық жылутасығыштан суыққа ұлғаятын болады, ал d_ОҚШ> d_ау болғанда жылулық ағын азаятын болады.

Шарлық қабырға үшін аумалы баскермелік шамасы

d_ау=4 λ_оқш /α_ЖАЛПЫ (1.12)

R

R_Ш

R_λОҚШ

R_α2

0 d₂ d_ау d_ОҚШ

Шарлы қабырғаның жылуөткізгіштік еселеуішін анықтаудың экспериментті әдістемесі

Т_С1, Т_С2, Т_С3- металл қабырғаның шарлық беттерінің ішкі, сыртқы және оқшаулау қабатының сыртқы бетінің ыстықтығының арифметикалық орташа шамасы, К.

Оқшаулау қабатының жылуөткізгіштік еселеуіші (2.3) теңдеуі бойыша жоғарыдағы, λ₁ және λ_1-2 табылған шамалар негізінде анықталады

λ_оқш = (1/d₁-1/d₃) /( (1/ λ_1-2 (1/d₁ - 1/d₃))- (1/ λ₁ (1/d₁-1/d₂))) (2.3)

α_ЖАЛПЫ = α₂= =Ф / πd²₃ (Т_С3-Т_Ж2) (2.4)

Тәжірибелік қондырғы (3.1сур) металл шарлық қабырға болып келеді 1ішкі d₁ және сыртқы d₂ баскермелерімен оқшаулау қабатымен жабылған 2. Оқшаулау қабатының сыртқы баскермесі d₃. Металл шарлық қабырға ішінде электрқыздырғыштың 3 элементі орнатылған. Ішкі және сыртқы күмбездік беттерге ыстық зұптардың 4 ыстық дәнекерлері бекітілген (әр бетте үшеуден). Ыстықтық шамалар милливольтөлшермен анықталады 5, ол әр ыстықзұпқа ауыстырып қосқыштың көмегімен кезек-кезек қосылады 6. Ыстықтық шамалар да КСП- 4,6 құралымен тіркеледі,көрнек сызық таспасында стационардық тәртіп басталғаны ол бойынша көрнекті көріліп тұрады (ыстықтық өзгерістердің қисық сызығы біртіндеп тура сызыққа айналады, ол стационарлық тәртіп орнағаның көрсетеді). Электрқыздырғыштың қуаты вольтметрдің 7 және амперметрдің 8 көрсеткіштері бойынша анықталады және реостаттың 9 көмегімен реттелуі алады. Қоршаған ортаның ыстықтығы сынаптың ыстықөлшермен 10 өлшенеді.

4.2. Зертханалық жұмысты бастар алдында қондырғының жерге тұйықталғанына, қондырғының электрмен қоректену сымдарының бүлінген жерлерінің жоқтығына көз жеткізу;

4.3. Ұстаздың көмегімен электрменқоректенуді қосу, ЛАТРдың көмегімен кернеудің және токтың басты шамасын қою;

4.4. КСП- 4 аспабының көрсетуі бойынша стационарлық тәртіп басталғанын тосу керек;

4.5. Көрсетулер бойынша :

• 
  вольтметрдің U,В қыздырғыштағы кернеуінің шамасын;
  
• 
  амперметрдің І,А токтың шамасын;
  
• 
  КСП- 4 аспабының Т₁,Т₂,Т₃ ішкі ыстықтардың шамасы, сыртқы Т₄, Т₅, Т₆ беттеріндегі металл шарлық қабырғаның, Т₇, Т₈, Т₉ оқшаулау қабатының бетіндегі ыстықтық шамасы;
  
• 
  геометриялық өлшемдерін d₁, d₂, d₃ –дің жазу, олар қондырғыда көрсетілген (d₁=0,061 м; d₂=0,077 м; d₃ =0,81м);
  
• 
  ыстықөлшеуіштің - Т_Ж2.
  

• 
  шардың ішкі бетінің орташа ыстықтығын
  
• 
  
  

• 
  шардың сыртқы бетінің орташа ыстықтығын
  
• 
  
  

• 
  оқшаулау қабатының бетінің орташа ыстықтығын
  
• 
  
  

• 
  бір қабаттық шарлық қабырғаның λ₁ жылуөткізгіштік еселеуішін (2.1) кейіптеме бойынша;
  
• 
  екі қабатты шарлық қабырғаның жылуөткізгіштік жалпы еселеуішін λ_1-2 (2.2)кейіптеме бойынша;
  
• 
  (2.3) кейіптеме бойынша оқшаулау қабатының жылуөткізгіштік еселеуішін;
  
• 
  жылуберудің жалпы еселеуішін (2.4) кейіптеме бойынша;
  
• 
  (1.12) теңдеуі бойынша оқшаулаудың баламалық баскермесін.
  

Өлшемдер мен есептеулер қорытындысы