 |
Основные теоретические положения
|
|
|
|
А. С. АНИСИМОВ, О. В. БАЛАГИН
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПРИ ИЗУЧЕНИИ КУРСА
«ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА»
Часть 2
Омск 2008
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
 |
А. С. Анисимов, О. В. Балагин
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПРИ ИЗУЧЕНИИ КУРСА
«ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА»
Часть 2
Утверждено редакционно-издательским советом университета
Омск 2008
УДК 621.1:536(7)
ББК 22.317.1:22.365.55
А67
Методические указания к выполнению лабораторных работ при изучении курса «Термодинамика и теплопередача». Часть 2 / А. С. Анисимов, О. В. Балагин; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. 32 с.
Рассмотрены основные теоретические и практические вопросы применения первого закона термодинамики применительно к открытым системам, законов термодинамики для определения влажности воздуха и для исследования процесса истечения газов и паров, законов теплопередачи для определения коэффициента теплопроводности различных материалов и исследования процессов теплообмена.
Предназначены для студентов второго и третьего курсов специальностей 190301 – «Локомотивы», 190302 – «Вагоны», 190303 – «Электрический транспорт железных дорог» – очной и заочной форм обучения.
Библиогр.: 2 назв. Табл. 7. Рис. 3.
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Р. Ведрученко;
канд. техн. наук, доцент Г. Г. Кустиков.
____________________________
Ó Омский гос. университет
путей сообщения, 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
|
|
| Введение……………………………………………………………………… Лабораторная работа 4. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала…………………………………………. | |
| 4.1. Основные теоретические положения………………………………. | |
| 4.2. Схема и описание установки………………………………………… | |
| 4.3. Обработка результатов измерений…………………………………. | |
| 4.4. Контрольные вопросы………………………………………………. | |
| Лабораторная работа 5. Процессы теплообмена при свободной конвекции…………………………………………………………………. | |
| 5.1. Основные теоретические положения………………………………. | |
| 5.2. Схема и описание установки………………………………………… | |
| 5.3. Обработка результатов измерений…………………………………. | |
| 5.4. Контрольные вопросы………………………………………………. | |
| Лабораторная работа 6. Процессы теплообмена на горизонтальном трубопроводе…………………………………………................................ | |
| 6.1. Основные теоретические положения………………………………. | |
| 6.2. Схема и описание установки………………………………………… | |
| 6.3. Обработка результатов измерений…………………………………. | |
| 6.4. Контрольные вопросы………………………………………………. | |
| Библиографический список…………………………………………………... |
ВВЕДЕНИЕ
При эксплуатации современных энерготехнологических систем необходимо понимание законов и принципов действия теплового оборудования, входящего в эти системы. Только высокий уровень теплотехнической подготовки специалистов позволит им решать задачи по созданию современных экономически выгодных тепловых установок и находить пути повышения их энергетической эффективности.
Лабораторные исследования позволяют студентам лучше изучить и понять основные законы термодинамики и теплопередачи и принципы работы тепловых установок. Обработка опытных данных осуществляется с помощью диаграмм и справочных таблиц, умение пользоваться которыми необходимо будущему инженеру.
|
|
|
Методические указания состоят из двух частей. В первую часть включены три лабораторные работы по технической термодинамике, во вторую – три лабораторные работы по теплопередаче. Применение компьютерных технологий при выполнении лабораторных работ позволяет значительно расширить диапазон качественных и количественных характеристик исследуемых теплотехнических процессов.
После выполнения лабораторной работы необходимо оформить отчет, который должен содержать цель работы, основные теоретические положения, схемы и описание лабораторной установки, обработку результатов измерений и ответы на контрольные вопросы.
Лабораторная работа 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Цель работы: получить практические навыки применения одного из методов определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов – метода цилиндрического слоя.
Основные теоретические положения
Теплота является наиболее универсальной формой передачи энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц – молекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т. п.) трансформируется в конечном счете частично либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики.
Теплообмен – это самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем.
Температурным полем называют совокупность мгновенных значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства. Поскольку температура – скалярная величина, то температурное поле – скалярное поле.
В общем случае перенос теплоты может вызываться неоднородностью полей других физических величин (например, диффузионный перенос теплоты за счет разности концентраций и др.). В зависимости от характера теплового движения различают следующие виды теплообмена.
|
|
|
Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры тепловым движением микрочастиц.
Конвенция – перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры при движении среды.
Теплообмен излучением – теплообмен, включающий в себя переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию излучения, перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (ве-щества).
В зависимости от времени теплообмен может быть
стационарным, если температурное поле не зависит от времени;
нестационарным, если температурное поле меняется во времени.
Для количественного описания процесса теплообмена используют следующие величины.
Температура Т в данной точке тела (осредненная по поверхности, объему, массе тела). Если соединить точки температурного поля с одинаковой температурой, то получим изотермическую поверхность. При пересечении изотермической поверхности плоскостью получим на этой плоскости семейство изотерм – линий постоянной температуры.
Перепад температуры DТ – разность температуры между двумя точками одного тела, двумя изотермическими поверхностями, поверхностью и окружающей средой, двумя телами. Перепад температуры вдоль изотермы равен нулю. Наибольший перепад температуры происходит по направлению нормали к изотермической поверхности. Возрастание температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.
Средний градиент температуры 
– отношение перепада температуры между двумя изотермическими поверхностями 
к расстоянию между ними 
, измеренному по нормали n к этим поверхностям.
Истинный градиент температуры 
– средний градиент температуры при 
или это есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, численно равный первой производной температуры по этой нормали:
. (66)
Удельный тепловой поток – это количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности, Вт/м2:
|
|
|
, (67)
где 
– мощность теплового потока, Вт;
– площадь изотермической поверхности, м2.
Перенос теплоты теплопроводностью выражается эмпирическим законом Био-Фурье, согласно которому вектор удельного теплового потока прямо пропорционален градиенту температуры:
. (68)
Знак «минус» в уравнении указывает на то, что направление теплового потока противоположно направлению градиента температуры.
Коэффициент пропорциональности l в уравнении (68) характеризует способность тел проводить теплоту, называется он коэффициентом теплопроводности и имеет размерность Вт/(м×К).
Коэффициент теплопроводности l – физическая характеристика, зависящая от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и ряда других факторов. Коэффициент теплопроводности имеет максимальные значения для чистых металлов и минимальные для газов.
К теплоизоляционным материалам могут быть отнесены все материалы, имеющие низкий коэффициент теплопроводности (менее 5 Вт/(м×К) при t = 0 °С).
Однослойная стенка (трубка) при l = const. Рассмотрим цилиндри-ческую стенку (трубку) длиной l c внутренним r1 и внешним r2 радиусами.
Задана температура внутренней (Т1) и наружной (Т2) поверхностей стенки.
При заданных граничных условиях (r = r1, T = T1, r = r2, T = T2) получим:
. (69)
Температура цилиндрической стенки меняется по логарифмической зависимости.
Удельный тепловой поток q, проходящий через единицу площади цилиндрической поверхности, будет переменной величиной, Вт/м2:
. (70)
Мощность теплового потока Q = qF, проходящий через цилиндрическую поверхность площадью 
(l – длина цилиндрической стенки), есть постоянная величина, Вт:
. (71)
Формулу (71) можно записать, используя понятие термического сопротивления, Вт:
, (72)
где 
– термическое сопротивление цилиндрической стен- ки, К/Вт.
Удельный тепловой поток на единицу длины стенки, Вт/м,
. (73)
Таким образом, предлагаемый экспериментальный метод определения коэффициента теплопроводности основан на измерении
мощности теплового потока, проходящего через цилиндрический слой;
перепада температуры между внутренней и наружной поверхностями слоя тепловой изоляции;
геометрических характеристик слоя тепловой изоляции.
|
|
|
