Краткие теоритические сведения.

Многие производственные процессы осуществляется, при отводе и подводе тепла. Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Эти формы теплообмена различны по своей природе и характеризуются различными законами.

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела. В чистом виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах, неподвижных газах и жидкостях.

 В газах тепло переносится с помощью атомов и молекул, в жидкостях и диэлектриках перенос теплоты осуществляется в основном упругими волнами. В металлах основным передатчиком теплоты является свободные электроны.

Передача теплоты теплопроводностью связана с наличием разностей температур.Совокупность значений температур всех точек тела в данный момент времени называется температурным полем. При неустановившемся режиме теплопроводности температурное поле изменяется во времени. Такое поле называется нестационарным. Если температурное поле не изменяется с течением времени, то оно называется стационарным.

Физический параметром, характеризующим теплопроводящие свойства материалов, является коэффициент теплопроводности . Размерность его Вт/(м град). Для различных материалов коэффициент теплопроводности различен и для каждого из них зависит от структуры, объемного веса, влажности и температуры.

Численно коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, проходящей в единицу времени через единицу изотермической по­верхности при градиенте температура разным 1 К/м. Для большинства веществ коэффициент теплопроводности определяется опытным путём. Значение коэффициента теплопроводности для различных материалов даны в таблице 9.1.

Одним из методов определения коэффициента теплопроводности является так называемый метод цилиндра (плиты или шара).

Если исследуемому материалу придается форма цилиндрического слоя, то его помещают на поверхность круглой трубы, которая изнутри равномерно обогревается. При установившемся тепловом состоянии системы все количество тепла, которое выделяется внутри трубы, про­ходит через цилиндрический слой материала и определяется следующим уравнением теплопроводности:

=                                                (9.1)

где  Q -тепловой поток, Вт;

    - коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/(м град); 

    - длина трубы, м;

    и  - внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя материала, м;

   и  - средние температуры внутренней и внешней поверхностей цилиндрического слоя материала, град.

Изменение температуры по толщине цилиндрического слоя проис­ходит по логарифмическому закону.                                         

Из уравнения (1) может быть определен коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала:

 =     (2)

 

По величине коэффициента теплопроводности оцениваются и теплоизоляционные свойства материалов.

Тепловая изоляция предназначена для снижения потерь теплоты в окружающую среду. Эффективность действия изоляции при наложении её на цилиндрическую поверхность оценивается по величине критического диаметра dкр.

d кр =                                                       (9.3)

где _из - коэффициент теплопроводности, Вт/(м град);

    - коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающей среде, Вт/(м² град).

      Для того чтобы изоляция соответствовала своему назначению необходимо выполнение следующего условия:

                                 d кр < d н                                              (9.4)

                                 _из    dн                                                  (9.5)

где dн - наружный диаметр трубы, на поверхность которой накла­дывается изоляция, м.

 

 

4.СХЕМА И ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ.

 

Общий вид установки для определения- коэффициента теплопро­водности цилиндрического слоя материала представлен на рис. 1.

Установка состоит из металлической цилиндрической трубы 1; на наружной поверхности, которой помещается исследуемый слой изоляционного материала 2. Труба имеет длину  = 1000 мм; цилинд­рический слой исследуемого материала имеет внутренний диаметр dвн = 12,5 мм и наружный диаметр dн = 25,5 мм. Внутри трубы заложен электрический нагреватель 3, создающий равномерный обогрев. Сила тока регулируется лабораторным автотрансформатором 4, а расходуемая мощность измеряется точным ваттметром 5.

  Температуры исследуемого материала измеряются термопарами 6, выполненными из хромеля и алюмеля, горячие спаи которых заложены на внутренней (t1, t3, t5) и на наружной поверхности изоля­ционного слоя      (t2, t4, t6) по три спая (рис. 1).    

Электродвижущая сила термопар измеряется с помощью потенциометра 7, проградуированного в  , через переключатель 8.

                     

                       Рис 9.l. Схема опытной установки.

1 - цилиндрическая труба, 2 - исследуемая изоляция, 3 - электрический нагреватель, 4 - автотрансформатор, 5 - ваттметр, 6 - термопары, 7 -потенциометр, 8 - переключатёль, 9 - тепловая защита торцов трубы.

Торцы цилиндрической трубы защищены тепловой изоляцией 9 для создания одномерного температурного поля.            

          

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ.

 

l. С разрешения преподавателя включается лабораторный стенд.

2. По указанию преподавателя устанавливают с помощью авто - трансформатора определенный тепловой режим.

3. Через 15 минут после включения нагрева измеряются температуры цилиндрического слоя не менее 3-5 раз через каждые 5 минут. Замеры производятся до наступления стационарного теплового состояния системы, т.е. температура точек не изменяется во времени.

4. Следующий опыт проводится при другом температурном режиме:

для этого нужно изменить силу тока, питающего нагреватель / пункты 2 и 3 данного раздела/.    

5. По окончании опытов выключить установку под наблюдением преподавателя.                         

6. Все замеры вносятся в таблицу 9.1.

                                              Таблица 9.1.

                    Результаты измерений.

Мощность Нагревателя, Вт	Температура изоляции,						Температура окружающей среды,
	Внутренней                   поверхности			Наружной поверхности
P	t1	t2	t3	t4	t5	t6	t7

 

6. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

 

1. Определение средней температуры внутренней поверхности изоляции в :

                                             =

2. Определение средней температуры наружной поверхности изоляции в :

                                                  =

3. Определение температурного напора в :

                                                 =

4. Определение средней температуры изоляции :

                                               =

5. Количество тепла  Вт определяется по мощности, потребляемой электрическим нагревателем       

                        = P  , где  = 1 с.

6. Определение коэффициента теплопроводности изоляции   Вт/(м град) по формуле (2).

7. B координатах  - tстроится зависимость  = f (  ) по которой определяется ₀ и по его значению определяется тип исследуемого теплоизоляционного материала.

 

           Все расчеты сводятся в таблицу 9.2.

                                                                                Таблица 9.2.

                 Результаты вычислений.

				Кол-во	Коэффициент
Тепловой	Средние температуры изоляции			тепла Вт	Теплопроводности Вт/(м град.)
режим					P	табл

 

8. Проверяется выполнение условий (4) и (5) и на основании этого делается вывод об эффективности действия изоляции. 

(Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающему воздуху принять  = 10 Вт/( град).

 

 

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.  

 

1. Физическая сущность процесса переноса теплоты теплопроводностью.

2. Определение потока тепла через цилиндрический слой.

3. Коэффициент теплопроводности и его физический смысл. Факторы влияющие на коэффициент теплопроводности.

4. Каков закон распределения температуры по толщине цилиндрического

слоя?                        

5.По какому закону выбирается изоляция трубы?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10.