Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом трубы

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

 

 

Методические указания

к выполнению лабораторных работ по курсу «Тепломассообмен»

для студентов всех форм обучения

по направлению «Теплоэнергетика» и «Строительство»

 

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

 

Саратов 2006

ВВЕДЕНИЕ

 

Теплопроводностью называется самопроизвольный физический процесс переноса тепловой энергии в материальном пространстве с неравномерным температурным полем, вызванный взаимодействием (соприкосновением, соударением, диффузией и пр.) молекул, атомов, электронов и ионов. [1,2,3]. Относится к одному из трёх элементарных видов теплообмена.

Знание закономерностей процессов теплопроводности имеет очень важное практическое значение, так как эти процессы широко распространены в природе вообще и в технике в частности. Известно, что надёжность работы многих элементов сложной современной техники зависит от температурного режима, на который сильное влияние оказывает именно теплопроводность.

При изучении процессов теплопроводности часто используется феноменологический метод исследования. Он сочетает в себе математическое описание изучаемых процессов на основе общих законов физики и конкретные опытные данные. При этом аналитический подход позволяет установить некоторые общие соотношения между параметрами, характеризующими рассматриваемое явление в целом, а эксперимент даёт возможность учесть особенности свойств той или иной материальной среды с помощью различных эмпирических коэффициентов и их зависимостей от параметров среды.

Интенсивность процесса теплопроводности зависит от рода материальной среды, заполняющей рассматриваемое пространство, и параметров её состояния. Количественной мерой интенсивности переноса тепловой энергии теплопроводностью служит коэффициент теплопроводности. Он является физическим параметром среды и в инженерной практике определяется по справочным данным [4], полученным экспериментально.

Ниже приводятся методические указания к выполнению лабораторных работ по теплопроводности, основанных на физическом моделировании тепловых процессов.

 

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. К лабораторным работам допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

2. Работа проводится только под контролем преподавателя или лаборанта.

3. Во избежание ожога запрещается касаться руками наружной поверхности элементов и токоведущих частей лабораторных экспериментальных установок.

4. Запрещается оставлять без присмотра работающую установку.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

 

Существует несколько методов определения величины коэффициента теплопроводности материала l_с, которые по характеру процесса распространения теплоты делятся на две основные группы:

а) методы, основанные на использовании стационарного теплового потока.

б) методы, основанные на использовании нестационарного теплового потока;

К первой группе относятся так называемые методы плиты, трубы (цилиндра), шара и т.д. В данных методических указаниях рассматриваются методы первой группы, так как именно они положены в основу представленных лабораторных работ. Коэффициент теплопроводности исследуемого материала в этих лабораторных работах определяется при условии, когда температура в измеряемых точках материала не меняется во времени. Математически перенос теплоты теплопроводностью в материальном пространстве описывается законом Фурье. Согласно этому закону количество теплоты, проходящее через изотермическую поверхность F в единицу времени пропорционально температурному градиенту ¶t_с / ¶n и величине коэффициента теплопроводности l_с среды, заполняющей рассматриваемое пространство

(0.1)

В общем виде дифференциальное уравнение теплопроводности для стационарного процесса без внутренних источников теплоты, в декартовой системе координат имеет вид

(0.2)

Приведенные уравнения (0.1) и (0.2) справедливы для твердых тел, но могут быть использованы для жидкостей и газов, если не учитывать перенос тепла конвекцией и излучением. Эти уравнения имеют множество частных решений, зависящих от геометрической формы тела и конкретно заданных условий однозначности. Для тел простой геометрической формы и одномерного температурного поля задача определения коэффициента теплопроводности сводится к отысканию его из соотношения

(0.3)

где Q – тепловой поток при стационарном режиме, Вт; Ф – коэффициент формы исследуемого материала, который выражается следующими зависимостями соответственно для плоского, цилиндрического и шарового слоев

; (0.4)

где d_с - толщина плоского слоя, м; F – теплообменная поверхность плоского слоя, нормальная к направлению теплового потока, м²; - длина цилиндрического слоя, м; d₁, d₂ – соответственно внутренний и наружный диаметры цилиндрического и шарового слоя исследуемого материала, м.

Из выражения (0.3) видно, что все методы, основанные на использовании стационарного теплового потока, имеют общий принцип определения коэффициента теплопроводности. Он состоит в вычислении теплового потока Q, проходящего через опытный образец заданного размера, и температур и на обеих его изотермических поверхностях. Стационарные методы позволяют получить значение коэффициента теплопроводности для зафиксированных, установившихся в опыте температур. Зависимость l_с = f(t_с) определяется по значениям коэффициента теплопроводности, полученным для нескольких разных значений температуры опытного образца.

К недостаткам стационарных методов определения коэффициента теплопроводности исследуемых материалов относятся сложность регулировки экспериментальных установок, применение большого количества термопар, значительное время на подготовку необходимого теплового режима и на проведение опыта.

 

ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

 

Настоящий раздел является вводным и освещает некоторые общие вопросы измерений, которые применяются в представленных ниже лабораторных работах. Более подробно эти вопросы изложены в методических указаниях [5], а также изучаются в специальных курсах по теплотехническим изменениям и приборам.

Измерение тепловых потоков. Методы определения величины тепловых потоков зависят от вида рассматриваемой теплотехнической задачи, от способов подвода и отвода теплоты и множества других факторов. Так, при исследовании коэффициентов теплопроводности при стационарном режиме часто тепловой поток создается с помощью электрических нагревателей, которые изготавливаются из тонкой проволоки и имеют различную конструкцию и форму. Однако любой вид нагревателя должен создавать одномерный тепловой поток, равномерно распределенный по выделенному опытному участку образца. При этом необходимо создать такую тепловую защиту исследуемого образца, чтобы потери теплоты были малы по сравнению с величиной теплового потока, идущего на нагревание опытного образца. Этот поток теплоты (Вт) может быть определен непосредственным измерением мощности, потребляемой нагревателем испытуемого образца, или подсчитывается по измеренной величине силы тока J и падению напряжения V в нагревателе

Q = J×V. (0.5)

Измерение мощности, силы тока и падения напряжения в нагревателе производится соответственно ваттметрами, амперметрами и вольтметрами, имеющими различный класс точности и предел измерения.

Существует несколько методов измерения тепловых потоков при определении коэффициента теплопроводности исследуемого материала. К ним относятся потенциометрический метод измерения с образцовым сопротивлением, сравнительный метод, метод калориметрирования, метод дополнительной стенки.

Потенциометрический метод измерения с образцовым сопротивлением применяют для точных измерений малых потоков. Он основан на последовательном включении образцового сопротивления в электрическую цепь основного нагревателя. Измерив потенциометром падение напряжения на образцовом сопротивлении и в нагревателе, можно рассчитать тепловой поток.

В сравнительных методах тепловой поток находят по эталону, выполненному из материала с известным коэффициентом теплопроводности. В этом случае тепловой поток последовательно пропускают через исследуемый образец и эталон.

Калориметрический метод заключается в том, что через исследуемый образец циркулирует калориметрическая жидкость с известной удельной теплоемкостью.

Метод измерения тепловых потоков с помощью дополнительной стенки заключается в том, что на поверхность, через которую проходит измеряемый тепловой поток, плотно накладывается дополнительная стенка с известной величиной термического сопротивления. Измеряя перепад температур в дополнительной стенке Dt , можно рассчитать тепловой поток (Вт/м²), проходящей через нее

(0.6)

где l – коэффициент теплопроводности дополнительной стенки, Вт/(м×К); d – толщина дополнительной стенки, м; - термическое сопротивление теплопроводности дополнительной стенки; - перепад температуры в дополнительной стенке, ⁰С.

Если термическое сопротивление дополнительной стенки мало по сравнению с термическим сопротивлением исследуемого материала, то при установившемся тепловом состоянии величина теплового потока через дополнительную стенку и исследуемый материал будет одинаковой.

Другие методы измерения тепловых потоков не рассматриваются, так как в приводимых ниже лабораторных работах они не используются.

Измерение температуры. Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Различаются следующие устройства для измерения температуры: жидкостные стеклянные термометры, манометрические термометры, электрические термометры сопротивления, полупроводниковые термометры сопротивления, термоэлектрические термометры, пирометры различных типов. В лабораторных работах, приведенных ниже, измерение температуры поверхности и среды производится с помощью термопар, то есть используется термоэлектрический метод измерения температуры. Он основан на возникновении электродвижущей силы (эдс) в цепи, составленной из разнородных термоэлектродных проводов. При этом величина термо – эдс зависит от разности температур в измеряемой точке и на свободных концах термопары. Чем больше разность, тем больше термо - эдс.

Выбор материала для термопар зависит от температурных условий их работы. Наибольшее распространение получили медь – константановые (до 350⁰С), медь – копелевые (до 350⁰С), хромель – копелевые (до 800⁰С) и хромель – алюмелевые (до 900 – 1000⁰С) термопары. Для измерения более высоких температур применяются платино – платинородиевые термопары. Один электрод этих термопар состоит из чистой платины, а другой из сплава платины и родия.

Необходимым условием правильного измерения температуры с помощью термопар является тесное соприкосновение термопары с исследуемой поверхностью в месте измерения температуры. Изготовленные термопары должны пройти тщательную проверку (градуировку) на однородность. Материал термопар должен иметь теплопроводность близкую к теплопроводности исследуемого материала. Термо – эдс, возникающая в термопарах, измеряется приборами – потенциометрами, гальванометрами, милливольтметрами. Для измерения и записи показаний в нескольких точках применяются электронные автоматические приборы типа ЭПП, КСП, КПП.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА

 

Правильность проведения опыта и достоверность полученных результатов во многом зависит от точного определения ошибок в измерениях. С этой целью предварительно производится анализ погрешностей измерений. К источникам возможных ошибок относятся следующие: применение измерительных приборов невысокого класса точности и неправильная их настройка, неточная градуировка термопар, отклонение от расчетного теплового режима работы лабораторной установки, недостаточно строгое выполнение граничных условий, с которыми связаны примененяемые расчетные уравнения, неполный учет тепловых потерь и т.д.

Ошибки, вызванные неправильной настройкой приборов, неправильной градуировкой, применением приборов низкого класса точности, носят систематический характер и устраняются тщательной проверкой приборов и всей измерительной системы или введением специальных поправок при обработке результатов опыта. Ошибки, носящие случайный характер, не устраняются и трудно поддаются оценке.

Все измерительные приборы, с точки зрения точности измерения, делятся на две категории. К первой категории относятся образцовые приборы, предназначенные для воспроизведения и хранения единиц измерения (эталоны) для проверки и градуировки других измерительных приборов. Класс точности таких приборов не выше 0,5. Ко второй относятся рабочие приборы, предназначенные для практических измерений. В свою очередь рабочие приборы делятся на две подгруппы:

а) лабораторные, в которых предусматривается внесение поправок к показаниям в процессе измерения; класс точности не выше 0,5;

б) технические приборы, поправки к показаниям которых не вносятся; класс их от 1 до 3.

Количественной оценкой точности результатов измерений является относительная ошибка измерений, которая равна частному от деления абсолютной погрешности измерений Du на истинное значение измеряемой величины u. В первом приближении можно принять, что Du / u = du / u, а du / u = d (lnu). Поэтому погрешность измерений одного опыта определяется полным дифференциалом от натурального логарифма измеряемой переменной величины u. Если исследуемая величина u является функцией нескольких независимых переменных, которые определяются опытом, то относительная ошибка измерения будет равна сумме относительных ошибок этих переменных.

Например, коэффициент теплопроводности для плоской стенки неограниченных размеров определяется по формуле

(0.7)

где d_с - толщина стенки, м.; - температура соответственно на внутренней и наружной поверхностях стенки, ⁰С; F – поверхность теплообмена стенки, м².

Логарифм функции (0.7) имеет вид

(0.8)

а полный дифференциал функции (0.8) выглядит следующим образом

(0.9)

Таким образом, с учётом (0.9), относительная ошибка измерений коэффициента теплопроводности определяется по формуле

(0.10)

В формуле (0.10) через D обозначены абсолютные ошибки при измерении отдельных величин с помощью приборов. Относительную ошибку измерений потока теплоты можно рассчитать по формуле

Относительную ошибку Dl_с / l_с можно выразить в процентах, умножив обе части выражения (0.10) на 100.

 

Лабораторная работа 1

 

Лабораторная работа 2

Лабораторная работа 3

 

МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ

 

Цель работы: исследовать материал стержня (чистый металл или сплав металлов), для которого по данным проведенного опыта должны быть построены зависимости распределения температуры по длине стержня и зависимость коэффициента теплопроводности от температуры.

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Согласно гипотезе Фурье, количество теплоты, проходящей через твердое тело в единицу времени, пропорционально падению температуры и площади поперечного сечения этого тела, перпендикулярного направлению распространения теплоты. Математическое выражение этой зависимости носит название закона Фурье и имеет следующий вид:

(3.1)

Величина Q представляет собой количество теплоты, переданной в единицу времени через сечение площадью F, расположенное перпендикулярно направлению распространения теплоты, Вт; - температурный градиент, К/м; l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м × К).

Уравнение (3.1) может быть использовано для экспериментального определения коэффициента теплопроводности различных твёрдых материалов при стационарном тепловом режиме.

В данной работе исследуется металлический образец, имеющий форму стержня. Стержень одним из торцов помещен в электрическую печь. Через этот торец к стержню непрерывно подводится тепловой поток Q. Путём физического процесса теплопроводности этот тепловой поток распространяется вдоль стержня и затем рассеивается с его поверхности в окружающую среду.

В общем случае, количество теплоты, переданной в единицу времени окружающей среде с поверхности стержня, можно определить по формуле Ньютона-Рихмана

Q = a u (t_с – t_ж), (3.2)

где u – периметр стержня, м; – длина стержня, м; t_с,t_ж – соответственно температуры поверхности стержня и окружающей среды, ⁰С; a – коэффициент теплоотдачи с поверхности стержня в окружающую среду, Вт/(м²× К).

Длина стержня подбирается таким образом, чтобы температура его холодного торца не превышала температуры окружающей среды. Такой стержень может быть условно принят за стержень бесконечной длины.

Для вывода расчетного уравнения, по которому можно определить значение коэффициента теплопроводности материала стержня, составляется тепловой баланс для элемента стержня длиной dx, расположенного на расстоянии х от горячего торца при установившемся тепловом режиме (рис. 3.1.). Исходное уравнение имеет следующий вид

Q_x = Q_(x+dx) + dQ, (3.3)

где Q_x – количество теплоты, проходящей в единицу времени через поперечное сечение стержня, расположенное на расстоянии х от горячего торца; Q_(x+dx) – количество теплоты, проходящей в единицу времени через поперечное сечение стержня, расположенное на расстоянии х+dx от торца; dQ – количество теплоты, переданной в единицу времени окружающей среде с боковой поверхности выделенного элемента стержня.

С помощью уравнения Фурье Q_х и Q_(x+dx) можно представить следующими соотношениями

Q_x = – l ; (3.4)

(3.5)

где – превышение температуры стержня t_сх над температурой окружающей среды t_ж; F – площадь поперечного сечения стержня, м².

Величина dQ в данном случае может быть представлена формулой Ньютона – Рихмана в следующем виде

 

dQ = a× ×u×dx. (3.6)

 

Подставляя из уравнений (3.4), (3.5) и (3.6) выражения Q_x, Q_x+dx и dQ в уравнение (3.3), получим

(3.7)

Для решения этого уравнения используются граничные условия

при x = 0,

при x ¥,

где t_со – максимальная температура стержня на его горячем торце, ⁰С; t_ж – температура окружающей среды, ⁰С.

Математическое преобразование уравнения (3.7) с учетом граничных условий даёт следующее выражение для определения коэффициента теплопроводности

(3.8)

Таким образом, значение l_х может быть вычислено, если известны количество теплоты Q, переданной в единицу времени с поверхности стержня в окружающую среду, площадь поперечного сечения стержня F, температура стержня в поперечном сечении на расстоянии х от его горячего торца t_сх, максимальная температура стержня при х=0 t_со и температура окружающей стержень среды t_ж. Значения этих величин должны быть установлены по данным проведенного опыта.

 

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

 

Экспериментальная установка, изображённая на рис.3.2, состоит из металлического стержня 1 (длиной = 590 мм и диаметром = 10 мм) и электропечи 4. Один из торцов стержня плотно вставляется в специальное отверстие в электропечи.

Для уменьшения тепловых потерь электропечь теплоизолирована. Электрическая мощность печи регулируется лабораторным трансформатором 6. Напряжение и сила тока, потребляемые электропечью, измеряются амперметром А и вольтметром V.

По длине стержня установлено девять термопар I-IX марки «хромель - копель», присоединенных через переключатель 10 к милливольтметру 9 типа М-64. Температура в электропечи, в том месте, где находится торец стержня, измеряется термопарой Х, которая присоединена к этому же прибору. Температура горячего торца стержня принимается равной температуре в электропечи.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

 

1. Проверить готовность лабораторной экспериментальной установки к работе: включение установки по контрольной лампочке, работу лабораторного трансформатора и переключателя термопар, показания приборов.

2. Заготовить протокол измерений.

3. Поместить стержень в электропечь путём перемещения её в сторону стержня (см. рис. 3.2а).

4. Установить с помощью трансформатора заданную преподавателем силу тока. Показания амперметра и вольтметра занести в протокол измерений. Форма протокола приводится ниже.

5. Через 15 – 20 минут начать измерение температуры в электропечи и в сечениях стержня по его длине. При измерении температур милливольтметром М-64 необходимо вносить поправку на температуру холодных спаев, равную температуре окружающей среды t_ж.

6. После достижения стационарного режима, когда показания температур на протяжении последних 3-х замеров остаются неизменными, измерения и записи результатов при заданной силе тока приостановить.

 

 

а)

 

 

б)

 

Рис.3.2. Схема экспериментальной установки и измерений для определения теплопроводности металлов и их сплавов методом стержня: а) стержень находится в печи;

б) стержень находиться вне печи: 1 – стержень; 2 – тепловая изоляция стержня;

3 – печь; 4 – электронагреватель; 5 – тепловая изоляция печи; 6 – лабораторный трансформатор; 7 – контрольная лампочка; 8 – выключатель; 9 – милливольтметр;

10 – переключатель термопар (I – IX – термопары, установленные по длине стержня; Х - термопара, установленная в печи).

 

7. Отодвинуть электропечь от стержня (см. рис. 3.2б).

8. Уменьшить силу тока с помощью лабораторного трансформатора и следить за температурой в электропечи. Через каждые 5 минут значения силы тока, напряжения и температуры в электропечи заносить в протокол измерений.

9. Закончить лабораторную работу, когда температура в печи без стержня на протяжении 3-х последних измерений будет равна показаниям температуры в электропечи с находившимся в ней стержнем.

Внимание! Включение и выключение тока, как и изменение его величины, выполняется в присутствии и под наблюдением преподавателя.

 

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

Для обработки результатов используются только такие опытные данные, которые получены при установившемся тепловом состоянии экспериментальной установки.

Приступая к обработке результатов эксперимента необходимо помнить, что при положении стержня в электропечи тепловой поток, создаваемый электропечью, разделяется на две части. Одна часть передаётся в окружающую среду через тепловую изоляцию печи, а другая часть, пройдя сначала по стержню, полностью рассеивается в окружающую среду с поверхности его тепловой изоляции. При этом уравнение теплового баланса имеет следующий вид

Q = Q₁ - Q₂, (3.9)

где Q – количество теплоты, передаваемой в единицу времени в окружающую среду через тепловую изоляцию боковыми поверхностями стержня; Q₁ – количество теплоты, выделяемой в единицу времени электропечью при установившемся тепловом состоянии; Q₂ – количество теплоты, передаваемой в единицу времени через тепловую изоляцию электропечи.

В данном случае величина Q₁ и Q₂ определяется следующим образом

Q₁ = J₁·V₁; Q₂ = J₂·V₂ (3.10)

где J₁ и V₁ – показания амперметра и вольтметра при положении стержня вне печи; J₂ и V₂ – показания амперметра и вольтметра при положении стержня вне печи.

После вычисления величины Q по уравнению (3.9) рассчитывается коэффициент теплопроводности материала стержня в трёх его поперечных сечениях – при х = 50, 100 и 150 мм. Для этого используется уравнение (3.8).

Все результаты расчётов заносятся в таблицу 3.1 по приведённой форме. В эту же таблицу заносятся измеренные значения температуры стержня t_сх в сечениях при х = 50, 100 и 150 мм и окружающей среды t_ж, а также величина поперечного сечения стержня F.

По данным таблицы строятся зависимости изменения полученных температур по длине стержня t_cx = f(x) и изменения коэффициента теплопроводности от температуры стержня l_х = f(t_cx).

 

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

 

Отчет о выполненной работе должен содержать следующее:

1) название лабораторной работы;

2) цель работы;

3) основные понятия и расчётные формулы;

4) схему экспериментальной установки и измерений;

5) протокол измерений и таблицу с результатами эксперимента;

6) зависимость изменения температур по длине стержня t_cx = f(x);

7) зависимость изменения коэффициента теплопроводности от температуры l_х = f(t_cx).

 

 

Протокол измерений к лабораторной работе 3.

 

Опыт№________Время начала________Время окончания___________Дата___________

 

Поло- жение стержня (см рис. 3.2)

№ за-меров

Сила тока, J, A

На- пря- же- ние V,В

Тем- пера- тура окр. среды tж,^0C

Темпера- тура в печи, t10 = tс0, ^0С

Температуры в отдельных сечениях

tс1

tс2

tс3

tс4

tс5

tс6

tс7

tс8

tс9

а) стержень в печи

…..

б) стержень вне печи

......

 

Таблица 3.1

 

Основные измерения и результаты эксперимента

 

№ опыта	Количество теплоты, Вт	Темпера-тура окруж. среды tж, ^0С	Температура в различных сечениях стержня, ^0С	Площадь попереч- ного сечения F, м^2	Коэфф. теплопроводности металла стержня, Вт/(м × К)
Q	Q1	Q2	tс(x = 50)	tс(x = 100)	tс(x = 150)	lх = 50	lх = 100	lх = 150
…

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

 

1. Какой физический процесс теплообмена называется теплопроводностью?

2. Что называется температурным полем и изотермической поверхностью?

3. Что называется температурным градиентом?

4. Что называется коэффициентом теплопроводности и какова его размерность?

5. Назовите примерное значение коэффициента теплопроводности металлов.

6. Какой физический процесс теплообмена называется теплоотдачей?

7. Напишите уравнение теплоотдачи Ньютона - Рихмана.

8. Каков физический смысл коэффициента теплоотдачи и его размерность?

9. Как в лабораторной работе определяются тепловые потери через изоляцию электропечи?

10. Как в лабораторной работе определяется тепловой поток, подводимый в электропечи к стержню?

 

Для подготовки к выполнению лабораторной работы 3 и отчёту рекомендуются следующие разделы из приведённого в методических указаниях списка литературы: [2] – с.7 – 38; [3] – с.5 – 33; [4] – с.166 – 189.

 

Лабораторная работа 4

 

С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОМЕРА

 

Цель работы: ознакомление с методом теплового контроля эффективности изоляции трубопроводов в промышленных условиях, определение тепловых потерь с 1 м² наружной поверхности и 1 погонного метра длины изолированного трубопровода, а также коэффициента теплопроводности и критического диаметра изоляции с помощью тепломера.

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Для проверки эффективности тепловой изоляции трубопроводов в промышленных условиях служит тепломер. В основу работы тепломера положен метод дополнительной стенки. Он заключается в том, что на поверхность изоляции, тепловые потери с которой необходимо определить, плотно крепится дополнительная стенка известной толщины d_с^доп с известным коэффициентом теплопроводности l_с^доп (рис. 4.1.).

Измерив температуры t_с2 и t_с3 на поверхности дополнительной стенки или их разность , можно определить удельный тепловой поток, проходящий через нее, по формуле

(4.1)

Если термическое сопротивление теплопроводности дополнительной стенки мало по сравнению с термическим сопротивлением теплопроводности основной стенки (тепловой изоляции), то при установившемся тепловом состоянии этот же удельный тепловой поток q_F пройдет и через исследуемую стенку. Для уменьшения термического сопротивления дополнительной стенки, ее выполняют небольшой толщины и из материала с большим коэффициентом теплопроводности. Это приводит к значительному уменьшению температурного перепада в дополнительной стенке и соответственно к проблеме точности его измерения.

Повысить точность измерения перепада температур в дополнительной стенке позволяет многоспайная дифференциальная термопара. Она представляет собой большое количество термопар, соединённых между собой в специальной последовательности. В этом случае даже небольшому перепаду температур соответствует значительная электродвижущая сила, которая достаточно точно измеряется простым гальваметром.

 

ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

 

Экспериментальная лабораторная установка, представленная на рис. 4.2, состоит из металлической трубы 1 с нанесённой на неё тепловой изоляцией 2. Торцы этой изолированной трубы 6 также теплоизолированы.

Внутри трубы расположен электронагреватель 5. Тепловая мощность, выделяемая электрическим нагревателем, регулируется лабораторным трансформатором 12. Величина этой мощности определяется по показаниям амперметра А и вольтметра V.

 

 

 

Рис.4.2. Схема экспериментальной установки и измерений для определения тепловых потерь с поверхности изолированного трубопровода с помощью тепломера: 1 - труба;

2 - тепловая изоляция трубы; 3 - охранные пояса дополнительной стенки;

4 - измерительный пояс (тепломер) дополнительной стенки; 5 - электронагреватель;

6 - тепловая изоляция торцов; 7 – переключатель термопар (тумблер);

8 - милливольтметр; 9 – термопары; 10 - контрольная лампочка; 11 - выключатель;

12 - лабораторный трансформатор; 13 – многоспайная дифференциальная термопара; 14 – потенциометр.

 

К внешней поверхности слоя изоляции плотно прикреплён, в виде дополнительной стенки, измерительный пояс 4 (тепломер). Он представляет собой резиновый пояс толщиной 3 мм, шириной 60мм и длиной окружности 425мм. С целью устранения неучтённых потерь теплоты с торцов измерительного пояса, с обоих сторон, вплотную к этим торцам, установлены охранные пояса 3. Они отличаются от измерительного пояса только меньшей шириной.

Для измерения перепада температуры по толщине тепломера в него вмонтировано 100 термоэлементов (термопар), соединённых между собой последовательно по схеме дифференциальной термопары 13. При этом чётные спаи термоэлементов расположены на одной стороне тепломера, а нечётные – на другой стороне. Термическое сопротивление теплопроводности тепломера можно считать постоянным. С учётом этого, согласно уравнению (4.1), величина определяемого удельного теплового потока q_F имеет прямо пропорциональную зависимость от измеряемого перепада температуры . Если тепломер изготовлен в заводских условиях, то шкала его вторичного прибора тарируется непосредственно в единицах измерения q_F, т.е. в Вт/м². В рассматриваемой лабораторной установке температурный перепад измеряется потенциометром ПП-63 в милливольтах. Для перехода к q_F служит график зависимости q_F = ƒ(Δt_c^доп), расположенный на стенде.

Измерение температуры на внутренней и наружной поверхности слоя тепловой изоляции служат термопары 9, подключённые через переключатель 7 к милливольтметру 8.

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Проверить готовность установки к работе: включение установки по контрольной лампочке, подключение тепломера к потенциометру, работу лабораторного трансформатора и переключателя термопар, показания приборов.

2. Приготовить протокол измерений. Форма протокола приводится ниже.

3. Установить с помощью трансформатора заданную преподавателем силу тока, питающего электронагреватель. Показания амперметра и вольтметра занести в протокол измерений.

4. Через 15 – 20 минут начать измерения разности температур в тепломере (измерительном поясе) с помощью потенциометра ПП – 63, а также температуры на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции с помощью милливольтметра. Для измерения температуры окружающей среды использовать соответствующий стеклянный термометр. Измерения повторять через каждые 5 минут.