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.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

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

(1.1)

где _с- коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/(мК);- длина опытного участка трубы, м;d₁,d₂– внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя материала, м;t_с1иt_с2- температуры внутренней и внешней поверхности этого слоя,⁰С.

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 , который характеризует свойства многослойной цилиндрической стенки.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

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

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

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

2. Заготовить протокол наблюдений. Форма протокола измерений прилагается.

Протокол измерений к лабораторной работе 1

Опыт№__________Время начала_______Время окончания_______Дата_____________

№ изме- рения п/п	Режим работы электронагревателя		Температура окр. среды	Температура поверхности исследуемого материала, ^0С
	Ток	Напряжение		Внутренней	Наружной
	J, А	V, В	tж, ^0С	tc1 (т. I)	tc2 (т. II)	tc3 (т. III)
1 2 3 …..

3. Установить с помощью трансформатора заданную преподавателем силу тока и через 15 – 20 минут начать измерение температур на внутренней и наружной поверхности исследуемого материала тепловой изоляции.

4. Измерение повторять через каждые 5 минут и заносить их в протокол.

5. После достижения стационарного режима, когда показания температур на протяжении последних 3 – х замеров остаются неизменными, измерения и записи результатов при заданной силе тока закончить.

6. Следующий опыт проводится при другом температурном режиме исследуемого материала. Для этого необходимо изменить силу тока, питающего электронагреватель, и повторить эксперимент. Величина тока указывается преподавателем.

Внимание!Включение и выключение тока, как и изменение его величины, выполняется в присутствии и под наблюдением преподавателя.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для обработки опытов используются данные, полученные только при установившемся тепловом состоянии экспериментальной установки.

Коэффициент теплопроводности исследуемого теплоизоляционного материала вычисляется по следующему уравнению, полученному из (1.1)

(1.2)

Количество теплоты Q, выделенное в единицу времени электронагревателем, определяется по измеренным показаниям амперметра и вольтметра.

(1.3)

где J– сила тока в амперах; V - напряжение в вольтах.

Полученное из уравнения (1.2) значение коэффициента теплопроводности следует относить к средней температуре исследуемого материала

(1.4)

где – средняя температура внешней поверхности исследуемого материала,⁰С.

Так как каждому принятому в опытах температурному режиму соответствует своё определенное значение коэффициента теплопроводности, то можно построить график зависимости _сот средней температуры исследуемого материала_с=f(). Для большинства материалов эта зависимость имеет линейный характер

(1.5)

где _со– значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала при 0⁰С; – справочная постоянная, определяемая опытным путем.

Относительная погрешность каждого опыта при вычислении коэффициента теплопроводности находится из следующего уравнения

(1.6)

В уравнение (1.6) через обозначены абсолютные погрешности измерения отдельных величин, которые рассчитываются по классу точности соответствующих измерительных приборов. Точность измерения диаметров и длины опытного участка с помощью металлической линейки составляет1 мм.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчет о выполненной работе должен содержать следующее:

1. название лабораторной работы;

2. цель работы;

3. основные понятия и формулы;

4. схему экспериментальной установки и измерений;

5. протокол измерений;

6. обработку результатов опытов и график зависимости коэффициента теплопроводности от температуры материала _с=f(_с);

7. сравнение полученных результатов с литературными данными и определение постоянных ви_со;

8. расчет относительной погрешности.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какова физическая сущность процесса передачи тепла путем теплопроводности для твердых, жидких и газообразных веществ?

2. Назовите определение стационарного и нестационарного температурного поля.

3. Назовите определение изотермической поверхности, температурного градиента и теплового потока?

4. Напишите уравнение основного закона теплопроводности (закона Фурье).

5. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности? Зависимость коэффициента теплопроводности от физических характеристик материалов. Какие материалы называют теплоизоляционным?

6. Напишите дифференциальное уравнение теплопроводности.

7. Что представляет собой коэффициент температуропроводности?

8. Какова закономерность изменения температур по толщине плоской и цилиндрической стенок?

9. Как подсчитать температуру любой промежуточной изотермической поверхности тела?

10. Напишите формулу частных термических сопротивлений однослойной плоской и цилиндрической стенок.

11. Напишите формулу частных и полных термических сопротивлений многослойной плоской и цилиндрической стенок.

Для подготовки к выполнению лабораторной работы 1 и отчёту рекомендуются следующие разделы из приведённого в методических указаниях списка литературы: [1] – с.17 – 44; [2] – с.7 – 40; [3] – с.5 – 33; [4] – с.166 – 185; [6] – с.16 – 20.