Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности методом трубы

Определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом трубы

Страницы работы

screen 1

screen 2

Содержание работы

Опытным путем определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.

Определение коэффициента теплопроводности твёрдых тел (плохих проводников теплоты) можно проводить по методу плиты, шара и трубы.

Метод трубы как более простой следует считать наиболее приемлемым при испытании теплоизоляционных материалов, так как, а этом случае реальные условия работы тепловой изоляции соблюдаются наиболее полно.

Если на внутренней поверхности цилиндрической стенки диаметром d1 поддерживается температура tc1, а на внешней поверхности диаметром d2 поддерживается температура tc2 (причём tc1>tc2), то при установившемся режиме тепловой поток Q на участке длиной L определяется уравнением:

image001

Тогда, зная tc1, tc2, Q, d1, d2, L, можно найти коэффициент теплопроводности

image002

На медную трубу диаметром d1=54 мм и длиной L=850 мм нанесён слой

испытуемой тепловой изоляции. Наружный диаметр трубы с изоляцией d2=60 мм.

По оси трубы натянута нихромовая спираль, по которой пропускается электрический ток, включаемый рубильником через трансформатор. Вся выделяющаяся теплота передаётся окружающей среде через теплоизолированную боковую поверхность трубы и ее торцы. Для уменьшения потерь теплоты через торцы они теплоизолированы. Выбор длины трубы, значительно превышающей внешний диаметр,

теплоизоляция торцов, равномерный нагрев трубы по ее длине.

Сила тока и напряжение измеряются амперметром и вольтметром соответственно, а температура внутренней и наружной поверхностей тепловой изоляции определяется с помощью термопар, подключённых через переключатель к потенциометру. Термопары имеют общий холодный спай, погруженный в термостат.

image003

Источник

Лабораторная работа 1 определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом трубы

Цель работы: углубление знаний по теории теплопроводности, изучение методики экспериментального определения коэффициента теплопроводности изоляционных материалов и приобретение навыков в проведении экспериментальных работ по теплообмену.

Для определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов часто используется метод трубы. В этом случае материалу придается форма цилиндрического слоя, который плотно закрепляется на поверхности круглой трубы. Изнутри труба равномерно обогревается. При установившемся тепловом режиме через слой исследуемого материала проходит тепловой потокQ. Его величину можно определить по следующей формуле

img(1.1)

где с— коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/(мК);img gkXqcC— длина опытного участка трубы, м;d1,d2– внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя материала, м;tс1иtс2— температуры внутренней и внешней поверхности этого слоя, 0 С.

Цилиндрический образец исследуемого материала должен иметь достаточно большую длину по сравнению с диаметром и иметь надежную тепловую защиту с торцов. На цилиндрическом образце выделяется опытный участок такой длины, при которой аксиальные потоки теплоты пренебрежимо малы в сравнении с радиальными и тепловой поток можно считать одномерным.

В общем случае труба может быть покрыта несколькими слоями изоляционных материалов с различными значениями коэффициента теплопроводности. Тогда по уравнению (1.1) определяется значение эквивалентного коэффициента теплопроводности img hT5SdD, который характеризует свойства многослойной цилиндрической стенки.

Экспериментальная лабораторная установка, представленная на рис1.1, состоит из трубы 2 с опытным участком длиной img PN4GVJ= 0,7м. Изоляционный цилиндрический слой исследуемого материала 1 имеет внутренний диаметрd1= 0,05 м и наружныйd2= 0,095 м.

img OACwCi

Рис.1.1. Схема экспериментальной установки и измерений для определения теплопроводности материалов методом трубы: 1 – исследуемый материал; 2 – цилиндрическая труба; 3 – тепловая изоляция торцов; 4 – электронагреватель; 5 – контрольная лампочка; 6 – выключатель; 7 – лабораторный трансформатор; 8 – переключатель термопар; 9 – милливольтметр; I-III – номера и место расположения термопар.

Внутри трубы установлен электрический нагреватель 4, создающий равномерный обогрев. Сила тока регулируется лабораторным трансформатором 7, а создаваемый тепловой поток определяется с помощью амперметра А и вольтметра V.

Исследуемый теплоизоляционный слой имеет хороший контакт с внутренней поверхностью кожуха, которым покрыт этот слой, и наружной поверхностью трубы. Поэтому соприкасающиеся поверхности изоляционного слоя с кожухом и трубой имеют одну и ту же температуру. Температура на наружной и внутренней поверхностях исследуемого теплоизоляционного слоя измеряется термопарами I–III, подключенными через переключатель 8 к милливольтметру 9 марки МР-64-02.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Проверить готовность лабораторной экспериментальной установки к работе: включение установки по контрольной лампочке, работу лабораторного трансформатора, переключателя термопар и показания приборов.

Заготовить протокол наблюдений. Форма протокола измерений прилагается.

Протокол измерений к лабораторной работе 1

Опыт№__________Время начала_______Время окончания_______Дата_____________

Режим работы электронагревателя

Температура окр. среды

Температура поверхности исследуемого материала, 0 С

Источник

Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом трубы

dark fb.4725bc4eebdb65ca23e89e212ea8a0ea dark vk.71a586ff1b2903f7f61b0a284beb079f dark twitter.51e15b08a51bdf794f88684782916cc0 dark odnoklas.810a90026299a2be30475bf15c20af5b

caret left.c509a6ae019403bf80f96bff00cd87cd

caret right.6696d877b5de329b9afe170140b9f935

Закрепить знания в области теории теплопроводности, изучить методику экспериментального определения коэффициента теплопроводности изоляционных материалов, исследовать эффективность тепловой изоляции и получить навык в проведении экспериментальных работ.

Ознакомление с теоретическими положениями, являющимися основой метода трубы; ознакомление с составом оборудования и принципом действия экспериментальной установки; определение значения коэффициента теплопроводности исследуемого материала; определение эффективности применения изоляционных материалов для снижения тепловых потерь при изоляции труб.

10.3. Теоретические положения

Самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве при наличии разности температур называется теплообменом.

Теплопроводность (кондуктивный теплообмен) – это процесс распространения теплоты за счет непосредственного соприкосновении тел (частиц тела). Она обусловлена движением микрочастиц (молекул) тела и возможна в твердых, жидких и газообразных средах.

Основным законом теплопроводности является закон Фурье, который устанавливает количественную взаимосвязь между тепловым потоком, вызванным тепловодностью, и температурными неоднородностями среды:

image269, Вт/м (10.1)

Согласно основному закону теплопроводности плотность теплового потока q прямо пропорциональна градиенту температуры grad(t). Коэффициент пропорциональности λ (Вт/м?К) называется теплопроводностью, он характеризует способность материала проводить тепловую энергию. Коэффициент теплопроводности λ зависит от структуры вещества, его плотности, теплоемкости, температуры, давления.

Значение коэффициента теплопроводности определяется опытным путем на специальных лабораторных установках. В практических расчетах значения коэффициента теплопроводности для различных материалов можно взять из справочных материалов. В приложениях 4, 5 и 6 приведены значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов.

Одним из применяемых в теплотехнике методов определения λ является метод трубы или цилиндра. В случае установившегося теплового равновесия системы для многослойной стенки, состоящей из слоев разных материалов, уравнение теплового потока имеет вид:

image271, Вт/м (10.2)

На теплообменные поверхности с целью уменьшения тепловых потерь накладывается тепловая изоляция из материалов с низкой теплопроводностью λ (газы, пористые материалы, асбест, минеральная вата, стекловата, пенопласт, пенобетон и другие). Часто на практике изолируются трубопроводы, по которым движутся горячие среды. На рис.10.1 изображена схема однослойной изоляции трубопровода.

В общем случае уравнение теплового потока на отрезке изолированного трубопровода длиной L, будет иметь вид, Вт:

image273(10.3)

где λ и λИЗ – коэффициенты теплопроводности материала трубы и изоляции;

α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя с температурой tж1 к стенке трубы и от изоляции в окружающую среду с температурой tж2.

При увеличении внешнего диаметра изоляции dИЗ увеличивается сопротивление слоя изоляции image275, но одновременно уменьшается сопротивление теплоотдачи image277на наружной поверхности изоляции.

image279

Рис. 10.1. Схема однослойной тепловой изоляции:

1 – горячая среда; 2 – стенка трубопровода; 3 – тепловая изоляция

Анализ общего термического сопротивления изолированной трубы позволяет выразить так называемый критический диаметр изоляции, при котором будут максимальные тепловые потери:

image281(10.4)

Рассчитанное значение критического диаметра должно быть меньше или равно наружному диаметру изолированной трубы, тогда изоляция будет эффективной:

Решая это уравнение относительно значения коэффициента теплопроводности теплоизоляции, получим условие, когда теплопотери через изолированную цилиндрическую стенку будут наименьшими [6]:

image283(10.6)

10.4. Описание экспериментальной установки

Схема установки представлена на рис. 10.2. Экспериментальная установка состоит из металлической трубы 1, покрытой слоем исследуемого изоляционного материала 2, которым является асбест.

640 1

image285

Рис. 10.2. Схема экспериментальной установки:

1 – металлическая труба; 2 – слой изоляции; 3 – нагревательный элемент; 4 – термопары на внутренней поверхности изоляции; 5 – термопары на наружной поверхности изоляции; 6 – вольтметр; 7 – автотрансформатор (ЛАТР); 8 – амперметр; 9 – измеритель температуры; 10 – переключатель термопар; 11 – ртутный термометр; 12 – выключатель сети

Нагрев трубы осуществляется нагревательным элементом 3, при этом для регулирования напряжения применяется лабораторный трансформатор ЛАТР 7. Для определения мощности, потребляемой нагревательным элементом, в цепь питания включен вольтметр 8.

Количество выделяемого в окружающую среду тепла через поверхность трубы определяется по расходу электрической энергии. Для снижения тепловых потерь торцы трубы закрыты тепловой изоляцией. Температура испытываемого материала измеряется десятью хромель-копелевыми термопарами. Термопары 4 (пять штук) замеряют температуру на внутренней поверхности изоляции, а остальные пять термопар 5 – на наружной поверхности.

Вторичным прибором для измерения температуры является милливольтметр 9. Для последовательного подключения термопар к измерителю температур служит переключатель 10. Для определения температуры изоляции используется тот же измеритель. Измерение температуры окружающего воздуха проводится с помощью ртутного лабораторного термометра 11.

10.5. Порядок выполнения работы

Включение установки в сеть осуществляется выключателем 12 (рис. 10.2) под наблюдением преподавателя или лаборанта. Устанавливается тепловой режим (задается значение напряжения, которое регулируется при помощи ЛАТРа 7). Все изменения проводятся при строго установившемся тепловом режиме. Фиксация установившегося режима происходит при неизменной средней температуры наружной t2 и внутренней t1 поверхности изоляции. При этом вся тепловая энергия, выделяемая нагревательным элементом в трубе, отдается в окружающую среду. Установившееся тепловое состояние наступает через 30…40 минут после включения установки. Показания термопар определяют, последовательно подключая их к милливольтметру 9 переключателем 10, повторяя замеры 2-3 раза через 5…10 минут. При этом режим можно считать установившемся, если измеряемые температуры поверхности изоляции двух последовательных опытов отличаются не более, чем на 5 ºС.

10.6. Обработка экспериментальных данных

1) Вычислить количество теплоты, выделяемое нагревательным элементом:

2) Вычислить среднюю температуру внутренней поверхности изоляционного слоя:

image287, ºС (10.8)

3) Определить средняя температура наружной поверхности изоляционного слоя:

image289, ºС (10.9)

4) Вычислить коэффициент теплопроводности для изоляционного материала:

image291, Вт/м·K (10.10)

Геометрические размеры изоляции равны:

Длина трубы: L = 0,9 м.

5) Определить коэффициент теплоотдачи от изоляции в окружающую среду:

image293, Вт/м·K (10.11)

где t0 – температура воздуха по показаниям лабораторного термометра.

6) Определить эффективность изоляции из соотношения (10.6).

7) Определить критический диаметр изоляции по формуле (10.5).

10.7 Оформление отчета

Отчет по работе должен включать цель работы, задачи работы, схему экспериментальной установки, таблицу 10.1 показаний термопар и таблицу 10.2 опытных и расчетных данных.

Номер опыта Температура t, ºC соответствующей термопары Время замера τ, с

Опытные и расчетные данные

№ п/п Параметр Значение
Напряжение питания U, В
Сила тока нагревателя I, A
Тепловой поток от нагревателя Q, Вт
Температура воздуха t0, ºC
Средняя температура внутренней поверхности изоляции image295, ºС

Продолжение табл. 10.2

№ п/п Параметр Значение
Средняя температура внешней поверхности изоляции image297, ºС
Коэффициент теплоотдачи теплоизоляции α2, Вт/м 2 ·К
Коэффициент теплопроводности изоляции λ, Вт/м·К
Критический диаметр изоляции dКР, м

10.8. Контрольные вопросы

1. Каков физический смысл теплопроводности?

2. Сформулировать основной закон теплопроводности – закон Фурье.

3. Что такое критический диаметр теплоизоляции?

4. Из каких составляющих складывается общее термическое сопротивление двухслойной цилиндрической трубы?

Источник

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ТРУБЫ

Введение

Предлагаемые методические указания предназначены для студентов всех специальностей и знакомят их с методикой проведения лабораторных работ. Лабораторные работы являются продолжением теоретического курса, имеют важное значение при подготовке инженерных кадров.

При проведении лабораторных работ закрепляются знания, полученные при изучении теоретического курса, путем ознакомления с устройством, работой отдельных тепловых устройств, приобретаются навыки самостоятельной научно-исследовательской работы студентов.

Перед выполнением работ необходимо проработать соответствующие разделы курса теплопередачи.

В качестве основных учебных пособий рекомендуются:

1. Исаченко В.П.,Осипова В.А.,Сукомел А.С.Теплопередача. – М.: Энергия, 1975.

2. Бахмат Г.В., Кабес Е.Н., Степанов О.А. Термодинамика и теплопередача. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2000.

Порядок проведения лабораторных работ

1. Перед проведением лабораторных работ студенты обязаны ознакомиться с правилами по технике безопасности и строго их соблюдать.

2. Перед проведением лабораторной работы необходимо ознакомиться с её содержанием и изучить теоретический материал данного раздела.

3. В черновую тетрадь заносятся: схема установки, таблица для записи наблюдений, расчётные уравнения.

4. Необходимые измерения производятся на установившемся тепловом режиме (т.е. когда температура тела не изменяется во времени) и записываются в соответствующие графы журнала наблюдений. При выполнении работ на ПЭВМ период ожидания установившегося режима – около 3 минут.

5. При обнаружении неисправности (сбой в программе ПЭВМ) немедленно сообщить об этом лаборанту или преподавателю.

6. После проведения измерений производится черновая обработка результатов опыта. Эти результаты представляются преподавателю на подпись.

7. Отчёт о лабораторной работе составляется к следующему занятию.

8. В отчёт по работе должны входить следующие данные:

а) таблицы опытных данных;

б) необходимые графики;

в) выводы по выполненной работе.

9. Студенты, не предоставившие отчёт, к следующей лабораторной работе не допускаются.

Основные обозначения

f – площадь поперечного сечения, м 2

H – поверхность, м 2

t – температура, о С

T – абсолютная температура, К

tf – температура жидкости, газа, o С

tw – температура стенки, o С

Q – тепловой поток, Вт

q – плотность теплового потока, Вт/м 2

ql – линейная плотность потока на единицу длины трубы, Вт/м

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м 2 ×град.)

l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м×град.)

E – излучательная способность Вт/м 2

С – коэффициент излучения, Вт/(м 2 ×К 4 )

e – степень черноты,

u – удельный объём, м 3 /кг

r – плотность, кг/м 3

m – коэффициент динамической вязкости, кг/(м×с)

n – коэффициент кинематической вязкости, м 2 /с

а – коэффициент температуропроводности, м 2 /с

b – коэффициент объёмного расширения, 1/К

g – ускорение силы тяжести, м/с 2

U – падение напряжения, B

l – характерный размер, м

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ ТРУБЫ

1. Изучение процесса теплопроводности.

2. Ознакомление с одним из экспериментальных методов.

3. Получение навыков в проведении эксперимента.

1. Определить коэффициент теплопроводности двух исследуемых материалов.

2. Установить зависимость коэффициентов теплопроводности от температуры.

3. Сопоставить между собой полученные данные.

4. Составить отчёт по работе.

3.3. Краткое теоретическое введение

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепла путем непосредственного соприкосновения беспорядочно движущихся (колеблющихся) структурных частиц вещества – молекул, атомов, электронов. Это так называемый молекулярный способ переноса тепловой энергии, который может осуществляться в любых термически неравновесных (т.е. имеющих различные температуры) телах или системах тел.

В основу теории теплопроводности положен закон Фурье – тепловой поток прямо пропорционален температурному градиенту:

image002, (1)

где Н – площадь поверхности, через которую проходит тепло, м 2 ; l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К); image004– температурный градиент, К/м, o C/м.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел проводить тепло:

image006. (2)

По своему физическому смыслу коэффициент теплопроводности представляет собой количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице, или другими словами, это тепловой поток в единицу времени через единицу изотермической поверхности при изменении температуры на единицу толщины стенки в один градус. Коэффициент теплопроводности зависит от природы тела, его пористости, влажности, давления, температуры и других параметров. Для всех материалов с изменением температуры l изменяется по линейному закону во всём рассматриваемом интервале температур:

image008, (3)

где l0 – коэффициент теплопроводности при 0°С; b – постоянная, характеризующая приращение (уменьшение) l материала при повышении его температуры на 1°С.

Численное значение коэффициента теплопроводности определяется опытным путем различными методами (шара, плиты и др). Для теплоизоляционных материалов (l ≤ 0,3 Вт/м×К) наибольшее распространение получил метод трубы (цилиндра), сущность которого заключается в следующем.

При установившемся тепловом режиме количество тепла Q, передаваемого в единицу времени от внутренней поверхности цилиндра к наружной на участке длиной L, определяется согласно закону Фурье для цилиндрической стенки:

image010. (4)

Установившийся (стационарный) режим предполагает неизменность температур t1 и t2 на внутренней и внешней поверхностях стенки диаметром, соответственно d1 и d2 (см. рис. 1), в различные моменты времени.

Таким образом, если коэффициент теплопроводности рассматривать как постоянную в диапазоне температур t1t2 величину, то измерив значения t1, t2, Q, его можно вычислить из уравнения

image012. (5)

3.4. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка, принципиальная схема которой изображена на рис. 1, предназначена для определения коэффициентов теплопроводности двух различных материалов. Она состоит из двух элементов, которые отличаются один от другого только материалом испытуемой изоляции, поэтому в дальнейшем будет описано устройство лишь одного элемента. Он представляет собой медную трубу (13) наружным диаметром d1 = 12 мм и длиной L = 350 мм, на которую нанесён слой испытуемой изоляции (14) диаметром d2 = 24 мм. Внутри трубы помещена спираль (15), по которой пропускается электрический ток, служащий источником тепла. Всё выделяющееся тепло Q передаётся через цилиндрическую поверхность испытуемой изоляции. Величина Q определяется по показаниям вольтметра и амперметра и для каждого из двух элементов равна:

image014, Вт. (6)

image016

Рис. 1. Схема лабораторной установки

3.5. Порядок проведения опытов и обработка результатов эксперимента

Измерение температуры исследуемых материалов производится при помощи термопар (1-12). Горячие спаи термопар заложены на внутренней (№№ 1, 2, 3 в первом элементе и №№ 7, 8, 9 во втором элементе) и наружной (№№ 4, 5, 6 в первом элементе, и №№ 10, 11, 12 во втором элементе) поверхностях испытуемого материала. Переключение термопар производится переключателем (17). Результаты замеров вносятся в журнал наблюдений (табл. 1).

Убедившись, что режим работы установки стационарный (установившийся), провести после этого не менее 3-х замеров с интервалом 1-2 минуты.

Журнал наблюдений к работе № 1

Режим 1
Элемент 1 Элемент 2
Замер 1 Замер 2 Замер 3 Замер 1 Замер 2 Замер 3
Напряжение на нагревателе U, В
Сила тока на нагревателе I, А
Тепловой поток image018, Вт
Темпера-туры на внутрен-ней по-верхности изоляции Номера термопар
Эл. 1 Эл. 2
Среднее значение температуры t1, °С
Темпера-туры на внешней поверх-ности изоляции Номера термопар
Эл. 1 Эл. 2
Среднее значение температуры t2, °С
Расчёт коэффициента тепло-проводности l, Вт/(м×К)

Следующий опыт проводится аналогично первому при другом температурном режиме, для этого изменяют мощность тока. Замеры на 2‑ом режиме начинают через 3-5 мин, после смены режима. Определение коэффициента теплопроводности производится по формуле (5).

Для выяснения зависимости коэффициента теплопроводности от температуры необходимо построить два графика lср = f(tср), где image020для различных элементов 3-х режимов.

3.6. Содержание отчёта

2. Журналы наблюдений.

3. Обработка результатов опытов.

4. График зависимости коэффициентов теплопроводности от средней температуры исследуемых материалов.

5. Сравнение полученных результатов с литературными данными и между собой.

3.7. Вопросы для самостоятельной проверки

1. Физическая сущность процесса теплопроводности.

2. Содержание основного закона теплопроводности и его приложение к телам простой геометрической формы.

3. Коэффициент теплопроводности и факторы, влияющие на его величину.

4. Расчётные зависимости, положенные в основу опытного определения коэффициента теплопроводности.

5. Устройство опытной установки.

6. Обработка опытных данных.

3.8. Защита лабораторной работы № 1

Для защиты лабораторной работы № 1 следует ответить на 10 вопросов по теме «Теплопроводность» из раздела «Контрольные вопросы к лабораторным работам» (см. стр. ). При ответе можно допустить не более двух ошибок. Если для защиты используется ЭВМ, то рекомендуется вначале работать в режиме «обучение». При этом машина будет воспринимать только правильные ответы и не допустит к следующему вопросу, если не дан правильный ответ на предыдущий. В режиме «зачёт» машина реагирует на любой ответ и в завершении работы выставляет оценку.

Источник

Комфорт