7.6 Питання для самоперевірки

1. Що називається теплообміном?

2. Назвіть види теплообміну?

3. Що називається теплопровідністю?

4. Який теплообмін називається конвективним?

5. Що називають теплоносієм?

6. Які є види руху теплоносіїв?

7. Які є режими конвекції теплоносіїв?

8. В чому відмінність між природною та вимушеною конвек-цією?

9. Який фізичний зміст коефіцієнта тепловіддачі?

10. Від яких величин залежить коефіцієнт тепловіддачі?

11. Чи є коефіцієнт тепловіддачі фізичною характеристикою теплоносія? Чому?

12. В яких межах знаходиться коефіцієнт тепловіддачі від по-верхні до газів при природній конвекції?

13. В яких середовищах коефіцієнт тепловіддачі більший: в рі-динах чи газах?

14. Запишіть рівняння, які описують процес тепловіддачі?

15. Як формулюються перша, друга і третя теореми подібнос-ті?

16. Що таке число подібності?

17. Які числа подібності використовують при вивченні стаціо-нарної тепловіддачі?

18. Чому в рівнянні подібності для природної конвекції, відсутнє число Рейнольдса?

19. Запишіть рівняння Ньютона-Ріхмана для тепловіддачі?

20. Які вимірювальні прилади входять в установку і для чого вони використовуються?

21. Який елемент установки використовується для регулю-вання теплового потоку?

22. За якою формулою визначається тепловий потік, що передається від електронагрівника до труби?

23. За якою формулою визначаються максимально можливі відносні похибки прямих вимірів?

8 Лабораторна робота № 9 Визначення коефіцієнта теплопровідності методом “труби”

8.1 Мета і задачі роботи

Метою роботи є експериментальне визначення коефіцієнта теплопровідності твердого матеріалу методом циліндричного шару (труби).

Задачі:

- засвоєння основних понять і залежностей теорії теплопровідності;

- вивчення призначення основних елементів дослідної установки і методики проведення експерименту;

- набуття навиків обробки дослідних даних і оцінки похибки вимірювання.

8.2 Теоретичні положення

Теплообмін - незворотний процес перенесення теплоти в просторі з неоднорідним полем температури.

Розрізняють три елементарних способи (механізми) перенесення теплоти: теплопровідність, конвекція, випромінювання.

Теплопровідність - процес перенесення теплоти на молекулярному рівні, тобто методом енергетичної взаємодії між мікрочастинками (молекулами, атомами, електронами).

В найчистішому вигляді теплопровідність спостерігається в твердих суцільних тілах і тонких нерухомих шарах рідини чи газу. В твердих тілах теплообмін здійснюється внаслідок ударів між молекулами і дифузії вільних електронів, а також завдяки пружним коливанням кристалічної решітки.

В рідинах теплопровідність здійснюється шляхом пружних коливань молекул, а в газах - в результаті зіткнень окремих молекул газу і обміну кінетичною енергією.

Полем температури (температурним полем) називається сукупність миттєвих значень температури в усіх точках виділеного для вивчення простору.

Якщо поле температури не зміняється в часі, то воно називається стаціонарним.

Сукупність точок простору з однаковою температурою називається ізотермічною поверхнею. В неоднорідному полі температури є нескінчена кількість ізотермічних поверхонь, які являють собою або замкнуті поверхні, або поверхні, що закінчуються на границях виділеного простору.

Ізотермічні поверхні не доторкаються і не перетинаються, вздовж них перенесення теплоти не здійснюється.

Градієнтом температури називається вектор направлений по нормалі до ізотермічної поверхні в бік збільшення темпера-тури і чисельно рівний частковій похідній від температури за цим напрямом, тобто:

, (8.1)

де - одиничний вектор нормалі.

Тепловим потоком називається кількість теплоти, що переноситься за одиницю часу через довільну поверхню F, тобто:

, (8.2)

де Q - тепловий потік, Вт; Q_ - кількість теплоти, Дж;  - час переносу теплоти, с.

Тепловий потік через одиницю площі поверхні називається густиною теплового потоку або питомим тепловим потоком:

. (8.3)

Основним законом теплопровідності є рівняння, запропоноване французьким вченим Біо, і сформульоване в сучасному вигляді Фур’є. Рівняння встановлює прямопропорційну залежність між густиною теплового потоку і температурним градієнтом:

q=-t, (8.4)

де q - густина теплового потоку через ізотермічну поверхню, Вт/м²;  - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК); t - градієнт температури, К/м.

Коефіцієнт теплопровідності характеризує здатність тіл проводити теплоту, і є їх теплофізичною характеристикою.

Чисельно коефіцієнт теплопровідності рівний густині теплового потоку при градієнті температур 1 К/м.

Коефіцієнт теплопровідності залежить від температури і для металів та сплавів знаходиться в межах 2-458 Вт/(мК), для будівельних і теплоізоляційних матеріалів - від 0,02 до 3 Вт/(мК), для рідин - від 0,07 до 0,7 Вт/(мК), для газів - від 0,006 до 0,6 Вт/(мК).

Коефіцієнт теплопровідності чистих металів (за винятком алюмінію) із зростанням температури зменшується, а для теплоізоляційних і будівельних матеріалів зростає. Для більшості рідин коефіцієнт теплопровідності зменшується при зростанні температури. Виняток становлять вода і гліцерин. У газів  при підвищенні температури зростає.

Слід зазначити, що домішки різко знижують коефіцієнт теплопровідності металів. Коефіцієнт теплопровідності пористих тіл залежить від їх пористості і вологості. З ростом вологості пористого матеріалу коефіцієнт теплопровідності збільшується. Збільшення пористості матеріалу супроводжується зниженням коефіцієнта теплопровідності. Коефіцієнт теплопровідності газової суміші не є адитивною величиною, тому його потрібно визначати дослідним шляхом.

Таким чином, в загальному випадку коефіцієнт теплопровідності у різних тіл різний і залежить від їх структури, температури, наявності домішок, густини, вологості, тиску і т.д.

Запропоновані різними авторами формули для визначення коефіцієнта теплопровідності газів забезпечують точність 5% і потребують знання інших теплофізичних характеристик, таких як динамічний коефіцієнт в’язкості, ізобарна теплоємність, і т.д. Значні труднощі викликає аналітичне визначення коефіцієнта теплопровідності для ізоляційних і будівельних матеріалів, гірських порід і т.д.

Тому отримання надійних даних про коефіцієнт теплопровідності таких матеріалів потребує проведення експерименту.

Більшість використовуваних методів дослідного визначення коефіцієнта теплопровідності побудоване на закономірностях протікання процесів при стаціонарному режимі. До них належать: метод труби, плити, кулі та нагрітої нитки для визначення коефіцієнта теплопровідності рідин і газів.

Суть методу труби полягає в тому, що на металеву трубу ззовні накладають циліндричний шар досліджуваного матеріалу, а в середині розміщують нагрівник. При стаціонарному режимі вся теплота, що виділяється нагрівником проходить послідовно через бокову поверхню труби і шар досліджуваного матеріалу та передається в навколишнє середовище.