Лабораторная работа: Освоение одного из методов определения теплопроводности теплоизоляционных материалов (стр. 3 )

5. , , С. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 19с.

6. , М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 19с.

7. , Термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 19с.

8. Техническая термодинамика и теплопередача. - М.: Высшая школа, 19с.

9. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - М.: Энергия, 19с

10. Задачник по технической термодинамике и теории тепломасообмена / Под ред. В. Крутова, Г. Петражицкого. М.: Высшая школа, 19с.

11. В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 19с.

12. , С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 19с

13. , , И. Задачник по тепломассообмену. Учебное пособие для теплоэнергетических специальностей вузов. - М.: МЭИ. 19с.

14. Л. Термодинамические свойства газов. - М.: Энергоатомиздат, 19с.

6. Сформулируйте понятия: температурное поле, изотермная поверхность, градиент температуры, тепловой поток, удельный тепловой поток, линейная плотность теплового потока.

7. Поясните, какое температурное поле называют стационарным (или установившемся) и нестационарным (или неустановившемся)?

8. Какой величиной характеризуется интенсивность температурного поля?

9. Покажите на схеме установки, как направлен вектор теплового потока и градиента температуры?

10. Каков физический смысл теплопроводности (коэффициента теплопроводности), и от каких факторов она зависит?

11. Каков характер изменения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок при стационарном режиме?

12. Какова взаимосвязь между теплопроводностью и наклоном температурной кривой плоской и цилиндрической стенок при стационарном режиме по толщине тепловой изоляции?

13. Дайте определение понятию термического сопротивления плоской стенки и линейного термического сопротивления цилиндрической стенки?

14. Как зависит теплопроводность различных веществ (металлов, неметаллов, жидкостей и газов) от температуры? Ответ обосновать.

15. Сформулируйте основной закон теплопроводности – закон Фурье в векторной форме и дайте определения всем входящим в него величинам. Поясните, что означает знак « - » в формулировке закона.

16. Каковы основные трудности тепловых расчетов при переносе теплоты теплопроводностью?

17. Что такое термопара и как замерить температуру поверхности стенки с её помощью?

18. Как влияет форма стенки на величину её термического сопротивления?

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет о работе должен содержать.

1. Формулировку цели работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Принципиальную схему экспериментальной установки и ее описание.

4. Схему цилиндрической стенки и график распределения в ней температуры при установившемся режиме.

5. Порядок проведения опыта.

Рис. 2. Температурное поле и тепловой поток в цилиндрической стенке:

а) - цилиндрическая стенка; б) – температурное поле

Одномерное дифференциальное уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат при постоянной теплопроводности и отсутствии внутреннего источника теплоты () для цилиндрической стенки имеет вид

при заданных граничных условиях

; ,

; ,

дают математическую формулировку задачи.

Решение данной задачи известно (5) и в виде безразмерной температуры имеет вид

.

Как видно из полученного решения температура в цилиндрической стенке меняется по логарифмической зависимости (рис. 2).

Удельный тепловой поток (поверхностная плотность теплового потока) q через единицу площади цилиндрической поверхности

.

является величиной переменной, т. к. с увеличением радиуса теплоизоляции поверхность, соответствующая этому радиусу, увеличивается.

Тепловой поток через цилиндрическую поверхность площадью ( - длина цилиндрической стенки) есть постоянная величина, равная

.

Полученную формулу можно записать, используя понятие линейного термического сопротивления (термическое сопротивление одного метра цилиндрической стенки)

,

где - линейное термическое сопротивление цилиндрической стенки.

Удельный тепловой поток на единицу длины цилиндрической стенки называется линейной плотностью теплового потока

, Вт/м.

Таким образом, предлагаемый экспериментальный метод определения теплопроводности теплоизоляционного материала основан на измерении

• теплового потока, проходящего через цилиндрический слой теплоизоляции;

• перепада температур между внутренней и наружной поверхностями слоя тепловой изоляции;

• геометрических характеристик слоя тепловой изоляции (внутренний и наружный диаметры теплоизоляции и длина цилиндра теплоизоляции)

Работающая виртуальная установка при выбранном исследуемом материале, определенной нагрузке трансформатора, стационарном режиме и записанными показаниями всех приборов в таблице записи показаний в протоколе для данного режима имеет вид аналогичный рис. 4. Добавляется только указание теплового режима цилиндра.

Тепловой режим цилиндра обозначается надписью кранными буквами непосредственно под цилиндром: нестационарный режим - в мигающем режиме, стационарный в постоянном режиме.

Повторить п. пчетыре - пять раз при различных напряжениях (по указанию преподавателя). По расчетным формулам (1) – (3) вычислить тепловой поток, теплопроводность материала и среднюю температуру материала. Записать вычисленные значения величин в сводную таблицу (табл. 2). Используя измеренные и рассчитанные величины построить график зависимости теплопроводности материала от средней его температуры. Используя график и аналитическую зависимость теплопроводности от температуры в виде уравнения (4), вычислить коэффициент β и значение теплопроводности λо. Записать аналитическую зависимость теплопроводности материала от средней температуры, используя численные значения β и λо, вычисленные из экспериментов. Сравнить вычисленные значения теплопроводности со справочными значениями.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните как достигается поставленная цель?

2. Что означает метод цилиндрического слоя и чем он удобен при определении теплопроводности теплоизоляционных материалов?

3. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

4. Дайте определение теплопроводности, как одного из видов теплообмена. Какова физическая сущность передачи энергии теплопроводностью?

5. Какие величины следует измерять в данной работе, чтобы вычислить теплопроводность?

овку», изображенную на экране, перемещая мышкой знак «?» и устанавливая его последовательно на элементах установки (будет высвечиваться на экране название и назначение данного элемента установки).

 

Рис. 4. Внешний вид виртуальной экспериментальной лабораторной «установки»

в варианте «Изучение установки».

Перейти к «рабочей установке», нажав последовательно табло «Работа» - «Выполнение работы». Выбрать материал для исследования из списка в таблице «Выбор материала». Включить «установку» нажатием красной кнопки трансформатора и дождаться установившегося режима. Ползунком автотрансформатора установить напряжение на установке по указанию преподавателя. Дождаться стационарного режима и измерить по соответствующим приборам и записать в протокол: силу тока, напряжение, температуры наружной и внутренней поверхностей трубы, температуру и давление окружающей среды - воздуха. Запись показаний приборов производится наведением изображения кисти руки с карандашом на соответствующие показания приборов и нажатием левой клавиши мышки.

и вычислении линейной плотности теплового потока а затем и теплопроводности из последнего выражения.

Схема и описание установки

Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.

 

Рис. 3. Схема лабораторной установки.

Рис. 3. Схема лабораторной установки.

Исследуемый теплоизоляционный материал 1 нанесен в виде цилиндрического слоя ( и ) на наружную поверхность металлической трубы 2. Длина цилиндра слоя тепловой изоляции в установке составляет 1 м, что значительно больше наружного диаметра.

Источником теплового потока служит электронагреватель 3, который включен в электрическую цепь через автотрансформатор 4, которым можно регулировать мощность электронагревателя и, соответственно, величину теплового потока. Для определения мощности тепловыделения служат вольтметр 5 и амперметр 6.

Для измерения температур на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции применяются хромель-копелевые термопары 7 и 8 в комплекте с вторичными приборами – потенциометрами 9 и 10.

После достижения на установке стационарного режима производят все измерения, которые заносятся в протокол наблюдений (табл. 1).

Стационарность режима оценивается по неизменности температур и во времени.

Исследуемый материал..................................................

Таблица 1. Сводная таблица замеренных величин.

Таблица 1

№ п/п	Измеряемая величина	Обозна-чение	Единицы измерен.	Номера опыта
1	2	3	4	5
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Сила тока	I	А
2	Напряжение	U	В
3	Температура внутренней поверхности слоя изоляции		оС
4	Температура наружной поверхности слоя изоляции		оС

Расчетные формулы и расчеты

1. Расчеты сводятся к вычислениям теплопроводности по формуле

. (1)

2. Тепловой поток вычисляется по формуле

. (2)

3. Средняя температура тепловой изоляции

. (3)

4. Результаты расчетов должны быть сведены в форме табл. 2.

Исследуемый материал...................................................

Сводная таблица вычисленных величин

Таблица 2

№ п/п	Измеряемая величина	Обозна-чение	Единицы измерения	Номера опыта
1	2	3	4	5
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Тепловой поток
2	Средняя температура исследуемого материала
3	Теплопроводность исследуемого материала
4	Температурный коэффициент

5. По результатам измерений и рассчитанным данным построить в соответствующем масштабе график зависимости теплопроводности теплоизоляционного материала от средней температуры тепловой изоляции.

Пользуясь графиком, определить коэффициент , характеризующий влияние температуры на теплопроводность материала. При обработке графического материала характер зависимости теплопроводности от температуры представить в виде линейного уравнения

. (4)

Порядок выполнения работы

Включить на экране виртуальную демонстрационную экспериментальную лабораторную «установку», которая на экране изображается в виде, показанном на рис. 4 Последовательным нажатием табло «Работа» - «Изучение установки» - «Текстовое сопровождение» ввести вариант установки для изучения. Изучить виртуальную демонстрационную «уста-

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО СЛОЯ

Методические указания к компьютерной

лабораторной работе № 16ТП

Самара

Самарский государственный технический университет

2008

Печатается по решению Редакционно-издательского совета СамГТУ

УДК 621.1.

Определение теплопроводности теплоизоляционного материала методом цилиндрического слоя: Метод. указ/ Сост. . Самара; Самар. гос. тех. Ун-т, 20с.: ил.

Методические указания предназначены для студентов теплоэнергетических специальностей 140106 и других специальностей при выполнении ими экспериментальных исследований на имитационных компьютерных моделях лабораторных установок по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники», «Тепломассообмен», «Теоретические основы тепломассопереноса», «Теплотехника» и другим дисциплинам, в которых изучается теплообмен.

УДК 621.1.

Составитель:

Рецензент докт. тех. наук, проф.

©

составление, 2008

© Самарский государственный технический университет, 2008

Определение теплопроводности теплоизоляционного материала методом цилиндрического слоя

Составитель:

Е л и с е е в а

Технический редактор В. Ф. Е л и с е е в а

Подп. в печать 07.06.08. Формат 60х84 1/16. Бум. офсетная. Печать офсетная.

Усл. п. л. 0,98. Усл. кр.-отт. Уч-изд. л. 0,97. Тираж 50. Рег № 000.

Самарский государственный технический университет

443100. Самара, . Главный корпус

Отпечатано в типографии

Самарского государственного технического университета

443100. Самара, . Корпус № 8