Определение коэффициента теплопроводности методом трубы реферат

Обновлено: 05.07.2024

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

L – длина, м

d – диаметр, м

f – площадь поперечного сечения, м 2

H – поверхность, м 2

t – время, с

t – температура, о С

T – абсолютная температура, К

t_f – температура жидкости, газа, o С

t_w – температура стенки, o С

Q – тепловой поток, Вт

q – плотность теплового потока, Вт/м 2

q_l – 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

I – сила тока, A

l – характерный размер, м

R_e – число Рейнольдса, G_r – число Грасгофа,

N_u – число Нуссельта, P_r – число Прандтля.

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:

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

Коэффициент теплопроводности характеризует способность тел проводить тепло:

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:

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:

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 t₁ – t₂ величину, то измерив значения t₁, t₂, Q, его можно вычислить из уравнения

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:

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 , 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 l_ср = f(t_ср), где для 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

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 t_c₁, а на внешней поверхности диаметром d₂ поддерживается температура t_c₂ (причём t_c₁>t_c₂), то при установившемся режиме тепловой поток Q на участке длиной L определяется уравнением:

Тогда, зная t_c_1, t_c_2, Q, d_1, d_2, L, можно найти коэффициент теплопроводности

2.Экспериментальная установка:

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.

I - рубильник; 2 - трансформатор; 3 - амперметр; 4 - вольтметр; 5 - труба, 6 - слой тепловой изоляции; 7 - нагревательный элемент; 8 - тепловая защита торцов; 9 - 14 - термопары; 15 - переключатель; 16 - милливольтметр; 17 – термостат.

Лекции

Лабораторные

Справочники

Эссе

Вопросы

Стандарты

Программы

Дипломные

Курсовые

Помогалки

Графические

Доступные файлы (1):

10.doc

Калининградский государственный технический университет

Кафедра судовых энергетических установок и теплоэнергетики

Теоретические основы теплотехники
Лабораторная работа №10

Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных

материалов методом трубы.
Выполнил:
Проверил:

В результате работы должно быть усвоено:

- Физическая сущность процесса теплопроводности;

- Содержание основного закона теплопроводности и его приложение к телам

простой геометрической формы;

- Понятие о коэффициенте теплопроводности и методах его определения.

Схема опытной установки:

Таблица 1

Исходные данные:
Наружный диаметр внутренней трубы: d₁ =12 мм = 0,012 м

Внутренний диаметр наружной трубы: d2 = 42,5 мм = 0,0425 м

Длина рабочего участка: l = 1113 мм = 1,113 м

Общее сопротивление термометра, измеряющего температуру внутренней трубки:

Общее сопротивление термометра, измеряющего температуру наружной трубки:

R₀₂ = 36.71 Ом
Обработка результатов опытов:
1. Сила тока, I

2. Напряжение, U
Опыт I: В;

^ 3. Средняя температура поверхности внутренней трубки,

^ 4. Средняя температура поверхности наружной трубки,

^ 5. Тепловой поток, Q
Q = U∙I, Вт

Опыт I: Q = 91∙1 = 91 Вт

Опыт II: Q = 45∙0,525 = 23,6 Вт
6. Коэффициент теплопроводности материала,

7. Средняя температура материала,

Коэффициент теплопроводности материала:

Относительная погрешность в %:

Точность амперметра: 2,5

Точность вольтметра: 1,5

Вывод: экспериментально определили коэффициент теплопроводности изоляционного

материала (в опыте I: 0,485 , в опыте II: 0,18 ), построили график

зависимости коэффициента теплопроводности от средней температуры материала f(). По данной зависимости видно, что коэффициент теплопроводности при повышении температуры возрастает по линейному закону. Определили погрешность опытных измерений, она равна 1,7 %

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

(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, 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 , который характеризует свойства многослойной цилиндрической стенки.

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

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_____________

Читайте также: