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

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.