 |
Схема и описание установки
|
|
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра гидравлики, теплотехники и гидропривода
ПРОТОКОЛ
ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ №4Т
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Вариант начальных установок №
Выполнил студент _______________
Группа__________
Принял доц. Ф. В. Качановский
Тверь- 2016
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
Цель работы
Освоение одного из методов определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов (метод цилиндрического слоя) и закрепление знаний по теории теплопроводности.
Основные положения
Теплота - универсальная форма передачи энергии, возникающая в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц - молекул, атомов. Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая и т.п.) трансформируется (частично либо полностью) в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики.
Теплообмен - это самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем.
Температурное поле - совокупность мгновенных значений тем-пературы 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 три вида теплообмена.
|
|
|
А. Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движения микрочастиц.
Б. Конвекция - перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры при движении среды.
В. Теплообмен излучением - теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию излучения, перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества).
Теплообмен возможен:
-стационарный, если температурное поле не зависит от времени;
-нестационарный, если температурное поле меняется с течением времени.
Для количественного описания процесса теплообмена используются следующие величины:
1) Т е м п е р а т у р а Т в данной точке тела, осредненная по поверхности, по объему, по массе тела. Соединив точки температурного поля с одинаковой температурой, получим изотермическую поверхность. При пересечении изотермических поверхностей плоскостью получим на этой плоскости семейство изотерм − линий постоянной температуры.
2) П е р е п а д т е м п е р а т у р Δ Τ - разность температур 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.
3) Средний градиент температуры 
- отношение перепада температур между двумя изотермическими поверхностями 
к расстоянию между ними 
, измеренному по нормали n к этим поверхностям (рис. 1).
4)Истинный градиент температуры 
- градиент температуры при 
- есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, численно равный производной температуры по этой нормали:
|
|
|
5)Количество теплоты 
(Дж).
6)Мощность теплового потока 
(Вт) - количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность.
7) Удельный тепловой поток 
(Вт/м2) - количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности.
Перенос теплоты теплопроводностью выражается эмпирическим законом Био-Фурье, согласно которому вектор удельного теплового потока прямо пропорционален градиенту температуры:
.
Знак «минус» в этом уравнении показывает, что направление теплового потока противоположно направлению градиента температуры.
Коэффициент пропорциональности λ в уравнении характеризует способность тел проводить теплоту и называется коэффициентом теплопроводности. Количественно коэффициент теплопроводности λ - тепловой поток (Вт), проходящий через единицу поверхности (м2) при единичном градиенте температур (град/м). Размерность λ – [Вт/(м·град)].
Коэффициент теплопроводности – физическая характеристика, зависящая от химического состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и других факторов. Коэффициент теплопроводности имеет максимальные значения для чистых металлов и минимальные для газов.
Теплоизоляционные материалы. К числу теплоизоляционных относят материалы, обладающие низким коэффициентом теплопроводности (менее 5 Вт/(м·град) при t = 0°С).
Теплоизоляционные материалы могут быть неорганического происхождения (асбест, шлаки, глины, пески, минералы и т.д.), органического (шерсть, хлопок, дерево, кожа, резина, текстолит и т.д.) и смешанными, т.е. состоящими одновременно из органических и неорганических веществ. Материалы органического происхождения используют в области температур, не превышающих 150°С. Для более высоких температур применяются материалы неорганического происхождения.
Теплопроводность твердых теплоизоляционных материалов, как правило, зависит от их пористости (т.е. общего объема газовых включений, отнесенного к единице объема изоляционного материала), размера пор и влажности. С ростом влажности теплопроводность увеличивается. Теплопроводность пористых тел сильно возрастает с повышением температуры. Установлено также, что чем выше плотность материала, тем больше его теплопроводность.
|
|
|
Однослойная стенка (трубка) при λ = const. Рассмотрим цилиндрическую стенку (трубку) длиной l с внутренним r 1 и внешним r 2 радиусами (рис. 2).
Заданы температуры T 1 внутренней и T 2 наружной поверхностей стенки. Условие одномерности теплового потока - соотношение l >> r 2, откуда следует, что 
.
Дифференциальное уравнение теплопроводности в полярных координатах при 
и отсутствии внутреннего источника теплоты (
) имеет вид:
.
При граничных условиях:
для 
температура 
; для 
температура 
решение дифференциального уравнения имеет вид
.
Температура цилиндрической стенки меняется по логарифмической зависимости (рис. 2).
Удельный тепловой поток q через единицу площади цилиндрической поверхности - величина переменная:
.
Мощность теплового потока Q через цилиндрическую поверхность площадью 
(l - длина цилиндрической стенки) - постоянная величина:
.
Эту формулу можно записать иначе, используя понятие термического сопротивления:
,
где 
− термическое сопротивление цилиндрической стенки.
Удельный тепловой поток на единицу длины стенки:
.
Рассматриваемый экспериментальный метод определения коэффициента теплопроводности основан на измерении:
· мощности теплового потока, проходящего через цилиндрический слой;
· перепада температур между внутренней и наружной поверхностями слоя тепловой изоляции;
· геометрических характеристик слоя тепловой изоляции.
Схема и описание установки
Исследуемый материал 1 (рис. 3) нанесен в виде цилиндрического слоя (d 1 = 0,05 м; d 2 = 0,02 м) на наружную поверхность металлической трубы 2. Длина цилиндра тепловой изоляции составляет 1 м, что значительно больше наружного диаметра
Источником теплового потока служит электронагреватель 3, включенный в электрическую цепь через автотрансформатор 4. Для определения мощности теплового потока служат вольтметр 5 и амперметр 6. Для измерения температур на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции применяются хромель-копелевые термопары 7 и 9 в комплекте с вторичными приборами 8 и 10.
|
|
|
Результаты измерений при достижении стационарного режима заносятся в протокол наблюдений (табл. 1). Стационарность режима оценивается по неизменности температур t 1 и t 2 во времени.
Рис.3. Схема лабораторной установки
для определения коэффициента теплопроводности
теплоизоляционного материала.
Таблица 1. Результаты измерений
| № п/п | Измеряемая величина | Обо- зна чение | Номера опытов | |||||||||||
| Первый материал | Второй материал | Третий материал | ||||||||||||
| Сила тока, А | I | |||||||||||||
| Напряжение, В | U | |||||||||||||
| Температура внутренней поверхности слоя изоляции, °С | t 1 | |||||||||||||
| Температура наружной поверхности слоя изоляции, °С | t 2 |
Таблица 2. Обработка результатов измерений
| № п/п | Измеряемая величина | Обо- зна чение | Номера опытов | |||||||||||
| Первый материал | Второй материал | Третий материал | ||||||||||||
| Тепловой поток, Вт | Q | |||||||||||||
| Средняя температура исследуемого материала, °С | t cр | |||||||||||||
| Коэффициент теплопроводности исследуемого материала при tср°С, Вт/(м·град) | l t | |||||||||||||
| Коэффициент теплопроводности исследуемого материала при 0°С, Вт/(м·град) | l 0 | |||||||||||||
| Температурный коэффициент, 1/град | b |
|
|
|
