Исследование коэффициента теплоизоляционного материала

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА



Цель работы.



    Целью лабораторной работы является экспериментальное определение коэффициента теплопроводности шнурового асбеста и установление зависимости указанного коэффициента от температуры.



Основные понятия и определения.

    Согласно основному закону теплопроводности (закону Фурье) тепловой поток Q, передаваемый в процессе теплопроводности, пропорционален градиенту температуры и поверхности теплообмена

,

где: градиент температуры (характеризует интенсивность увеличения температуры в

                 направлении нормали к изотермической поверхности), К/м;

        F – поверхность теплообмена, м2 ;       

        коэффициент теплопроводности вещества, Вт/(м К).

   Коэффициент теплопроводности  характеризует способность данного вещества проводить теплоту. Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, проходящей через единицу изотермической поверхности в единицу времени при градиенте температуры 1 К/м, измеряется в Вт/(м К)

,

где q – плотность теплового потока (q = Q/F), Вт/ м2.

    Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества и, в общем случае, зависит от температуры, давления и рода вещества.

    Коэффициент теплопроводности в газах зависит в основном от скорости движения молекул, которая, в свою очередь, возрастает с увеличением температуры. В результате с ростом температуры коэффициент теплопроводности газов увеличивается. Например, при изменении температуры от 0 до 300 С значение коэффициента теплопроводности воздуха изменяется в пределах от 0,020 до 0,045 Вт/(м К). При комнатной температуре для воздуха 0,025 Вт/(м К).

     У жидкостей коэффициент теплопроводности, как правило, меньше 1Вт/(м К). Вода является одним из лучших жидких проводников тепла для нее 0,6 Вт/(м К).

   В металлах теплопроводность обеспечивается за счет теплового движения электронов. Теплопроводность металлов много выше, чем газов и жидкостей. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладает серебро и медь: 380…460 ВТ/(м К). Для углеродистых сталей 50 Вт/(м К), а для высоколегированных сталей 10 Вт/(м К).

   Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт/(м К). Теплоизоляционные и многие строительные материалы (кирпич, бетон, дерево и др.), обладают пористым строением, имеют сравнительно низкие коэффициенты теплопроводности – 0,02…2,0 Вт/(м К).

    Коэффициент теплопроводности для различных материалов обычно определяют экспериментально, с использованием различных методов.



Установка для определения коэффициента теплопроводности.



   В данной работе коэффициент теплопроводности шнурового асбеста определяется методом  цилиндрической трубы.

 







    Уравнение Фурье для цилиндрического стержня имеет вид

      (1.1)

где коэффициент теплопроводности материала;

      градиент температуры;

      F – поверхность теплообмена ();

      d – диаметр стержня;

      длина стержня.

   После дифференцирования уравнения (1.1) и разделения переменных можно получить выражение для определения коэффициента теплопроводности  материала, имеющего форму трубы, Вт/(м К):

          (1.2)

где соответственно внутренний и наружный диаметры теплоизоляционного материала,  

                          имеющий форму трубы, м;

                     длина трубы, м;

          соответственно температура на внутренней и наружной поверхностях изоляции, К 

                          или С.

   Таким образом, для расчета коэффициента  необходимо определить величину теплового потока Q и температуру внутренней и наружной поверхностей теплоизоляционного материала, а также знать значение  и .

    Схема лабораторной установки приведена на рис. 1.1. Установка состоит из латунной трубки 1, покрытой слоем шнурового асбеста 2. тепловой поток, проходящий через изучаемый теплоизоляционный материал (шнуровой асбест), создается с помощью спирального электрического нагревателя 3, находящегося внутри латунной трубки. Мощность нагревателя, а следовательно, и величина теплового потока, регулируется лабораторным автотрансформатором 4 и определяется с помощью вольтметра 5 и амперметра 6. на внутренней и наружной поверхностях  теплоизоляционного материала установлены “горячие” спаи 7 термопар. “Холодные” спаи 8 выведены внутрь стенда и имеют комнатную температуру t0. Измерение термо-э.д.с. между “горячими” и “холодными” спаями термопар производится с помощью милливольтметра 9. Для  измерения температуры на внутренней поверхности  асбеста  переключатель 10 термопар ставят в положение 1 (см. рис. 1.1), а при определении  температуры внешней поверхности  асбеста – в положение 2.

    Количество тепла, выделяемое электрическим нагревателем (величина теплового потока) определяется из выражения (в ВТ)

         (1.3)

где J – величина тока, проходящего через спираль нагревателя, А;

      U – падение напряжения на нагревателе, В.

   Температура   определяется при работе милливольтметра в диапазоне “7.5мА” и рассчитывается как 

    (1.4)

где  z – число делений на шкале милливольтметра  при измерении температуры ;

       t0 – температура воздуха в лаборатории, 0С.

   Температура  определяется при работе милливольтметра в диапазоне “15мА” и рассчитывается по аналогичной формуле

      (1.5)

  Значения  и  приведены непосредственно на приборной панели лабораторной установки.





Порядок выполнения работы



   Лабораторную работу необходимо выполнить в следующей последовательности:

выключатель 11 (см. рис. 1.1) перевести в положение “включено”;

небольшим поворотом ручки автотрансформатора 4 установить величину тока в цепи нагревателя в пределах 0,4…0,5 А;

после установления стационарного теплового режима (через 30…40 минут после включения электронагревателя) произвести измерения температур на внутренней и наружной поверхностях теплоизолятора с помощью милливольтметра 9. Результаты измерений занести в протокол (см. табл. 1.1).

с помощью автотрансформатора установить величину тока в цепи нагревателя в пределах 0,6…0,7 А. После установления стационарного теплового режима необходимо вновь произвести измерения и результаты занести в протокол;

по окончании измерений вращением ручки автотрансформатора против часовой стрелки установить напряжение и ток в цепи нагревателя равным нулю, выключатель 11 стенда поставить в положение “выключено”.

Таблица 1.1

Протокол испытаний

Режим

Ток и напряжение в цепи нагревателя

Показания милливольтметра

Размеры теплоизоляционной цилиндрической трубы

Комнатная температура



J, А

U, B





, м

, м

, м

t0, 0С

1

0,74

91

21

14

0,026

0,034

0,7

20



Обработка результатов измерений 



  В процессе обработки результатов измерений для каждого необходимо рассчитать значения Q, ,  и по приведенным выше формулам (1.2), (1.3), (1.4), (1.%). Все расчеты необходимо выполнить в системе СИ.

  Полученные значения  и  коэффициента теплопроводности  следует относить к средней температуре испытаний  соответственно для режима 1 и 2

 и 

   В заключение необходимо построить график зависимости коэффициента теплопроводности  от  средней температуры  теплоизоляционного материала.