 |
Выполнение эксперимента и обработка опытных данных
|
|
|
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Опытное определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала
ВВЕДЕНИЕ
Свойство материалов проводить тепло зависит от ряда факторов: его природы, структуры, температуры, влажности и т.д. Для инженерных расчётов процессов теплопроводности необходимо иметь математические зависимости или табличные данные.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
В работе изучается методика опытного определения коэффициента теплопроводности и математической обработки опытных данных.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Материалы, имеющие коэффициент теплопроводности менее 0.25 Вт/мК, относятся к теплоизоляционным. Одним из способов опытного определения коэффициентов теплопроводности таких материалов является “ метод трубы ” при стационарном тепловом потоке.
Этот метод заключается в следующем. Если на внутренней поверхности цилиндрической стенки диаметром d1 поддерживается равномерная на поверхности температура tI, а на внешней, диаметром d2 – температура tII / пусть tI > tII /, То приустановившемся тепловом состоянии опытного элемента количество тепла Q, передаваемое в единицу времени от внутренней поверхности цилиндра к наружной на участке длиной L, равно:
Q = 
, Вт (1).
Если в проведённом эксперименте измерить величины tI, tII, Q, d1, d2 и L, то значение λ для заданного теплового состояния исследуемого материала можно подсчитать по формуле:
λ = 
, Вт / м·К (2).
ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ
Установка схематично изображена на рис. 1. Опытный элемент представляет собой трубчатый электронагреватель, на поверхность которого нанесён асбест. Причём на левой половине толщина его определяется значением внешнего диаметра d2, на правой – d3. температуры внутренней поверхности слоёв измеряются посредством термопар 1, 3, 5, 7. На внешних поверхностях – 2, 4, 6, 8. Термопары через переключатель 10 и холодный термопар 11 / он имеет комнатную температуру / подключаются последовательно к потенциометру 12, измеряющему термоэлектродвижущую
|
|
|
Рис. 1 Схема установки
силу в каждой термопаре, возникающую вследствие разности температур горячего и холодного нагрева. Регулирование электрической нагрузки нагревателя осуществляется лабораторным автотрансформатором, а замер величины её – ваттметром.
ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
После подключения в сеть лабораторного автотрансформатора устанавливаем с помощью него показания по шкале ваттметра: 10,40,60 Вт. Эксперимент проводят при трёх стационарных температурных режимах. После установления стационарного теплового состояния опытного элемента 3 (через 15 мин.) для каждого режима производят замер показаний термопар 1-8, ваттметра и температуры комнатного воздуха (термометр) и складывают их. (Это и будет температура в той точке, где расположен горячий спай термопары).
Результаты замеров и расчётов заносят в таблицу 1.
Таблица 1
| № п/п | Показания термопар в Мв и ℃ | Показание ваттметра | Средние температуры слоёв | λˈi | λˈˈi | ||||||||
| t1 | t2 | t3 | t4 | t5 | t6 | t7 | t8 | W, Вт | tˈсл,℃ | tˈˈсл,℃ | Вт/ мК | Вт/ мК | |
Тепловой поток через каждую половину опытного элемента находят
Q = 0.5 · W, Вт (3).
Температуры поверхностей слоёв исследуемого материала определяют:
|
|
|
t1/ = 0.5 (t2 + t4 ) (4); t1// = 0.5 (t6 + t8) (6)
tII/ = 0.5 (t1 + t3) (5); tII//= 0.5 (t5 + t7) (7)
Затем определяют значения λ для каждого теплового режима λ/ для отношений диаметров d2/d1 и λ// для d3/d1
λ/ = 
; (8) λ// = 
(9)
Таким образом, для трех температурных режимов получается шесть значений коэффициента теплопроводности λ.
Средние температуры слоев находят по формуле
tсл/ = 
(10) tсл// = 
; (11)
Таким образом, для трех температурных режимов получается шесть значений средних температур слоев. На основании этих данных в масштабе выполняют графическую зависимость λ t = f (tСЛ) в виде прямой линии
λ t = λ0 + btСЛ (12)
(так как для инженерных расчетов можно принять линейную зависимость коэффициента теплопроводности от температуры).
Для этого в системе координат λ −t наносят опытные точки и производят их прямолинейную аппроксимацию. Величина отрезка, отсекаемого этой прямой на вертикальной оси (λ) в масштабе этой оси определит величину λ0 в уравнении (12) См.рис. 2
Значение коэффициента " b " определим, взяв координаты произвольной точки " А " на опытной прямой (т.е. значение λА и tА),
b = 
. (13)
а конце отчета необходимо записать уравнение (12) с полученными значениями величин λ0 и b
Рисунок 2 – График зависимости теплопроводности от температуры слоя
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ОТЧЁТУ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 1.
“Исследование теплопроводности строительного материала”.
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель?
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.
3. Какие величины следует измерять в данной работе, чтобы вычислить коэффициент теплопроводности?
4. Какова физическая сущность передачи тепла теплопроводностью?
5. Сформулируйте понятия: температурное поле, изотермическая поверхность, градиент температуры, мощность теплового потока, удельный тепловой поток.
6. Покажите на схеме установки, как направлен вектор теплового потока и градиента температуры?
7. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности, и от каких факторов он зависит?
8. Каков характер изменения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок?
|
|
|
9. Какова взаимосвязь между коэффициентом теплопроводности и наклоном температурной кривой по толщине тепловой изоляции?
10. Дайте определение понятию термического сопротивления стенки.
11. Как зависит коэффициент теплопроводности различных веществ (металлов, неметаллов, жидкостей и газов) от температуры? Ответ обосновать.
12. Сформулируйте основной закон теплопроводности. В чем его сущность?
13. Каковы основные трудности тепловых расчетов при переносе тепла теплопроводностью?
14. Как влияет форма стенки на величину её термического сопротивления?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
«Изучение процесса теплоотдачи при свободной конвекции воздуха
|
|
|
