Теплоизоляционных материалов методом трубы

Интенсивность переноса теплоты определяется температурным градиентом и величиной коэффициента теплопроводности, характеризующей способность вещества проводить теплоту. Коэффициент теплопроводности – физический параметр, который зависит от природы вещества, его структуры и состояния, давления и температуры.

Значение коэффициента теплопроводности определяется экспериментальными методами, одним из которых является метод цилиндра.

Метод цилиндра основан на наблюдении за температурным полем, возбуждаемым тепловым потоком в исследуемом материале.

Образцу исследуемого материала придается форма полого цилиндра, который помещают на наружную поверхность металлической круглой трубы, обогреваемой с внутренней стороны электрическим нагревателем. Нагреватель создает тепловой поток, равномерно распределенный по длине трубы.

При установившемся тепловом состоянии системы тепловой поток, проходящий через опытный образец, определяется из следующего уравнения теплопроводности

, (2.1)

где Q – тепловой поток, Вт;

l – коэффициент теплопроводности, ;

L – длина трубы, м;

d₁ – внутренний диметр трубы, м;

d₂ – наружный диметр трубы, м;

- среднеарифметическое значение температуры внутренней поверхности цилиндрического слоя материала, ^оС;

- среднеарифметическое значение температуры внешней поверхности цилиндрического слоя материала, ^оС;

При известных значениях Q, L, d₁, d₂, , из уравнения (2.1) определяется значение коэффициента теплопроводности l.

Если цилиндр покрыт не одним, а несколькими слоями изоляции, имеющие различные значения коэффициента теплопроводности, то уравнение (2.1) позволит определить l_экв – эквивалентный коэффициент теплопроводности, характеризующий состав многослойной цилиндрической стенки.

2.1.1 Цель работы

Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности изоляционных материалов при различных температурных режимах, установление характера зависимости этого коэффициента от температуры.

2.1.2 Экспериментальная установка

Установка для определения коэффициента теплопроводности изоляционных материалов (рисунок 2.1) состоит из трубы 1 длинной L=1500 мм, покрытой исследуемым материалом 2. Внутренний диаметр изоляционного слоя d₁=40 мм, наружный диаметр d₂=100 мм.

1 – труба; 2 - исследуемый материал; 3 - электрический нагреватель;

4 – резистор; 5 – амперметр; 6 – вольтметр; 7 – 12 - медь-константановые термопары; 13 - терморегулятор ТРМ138

Рисунок 2.1 – Схема экспериментальной установки

Торцы трубы защищены тепловой изоляцией. Внутри трубы вмонтирован электрический нагреватель 3. Мощность нагревателя изменяется резистором 4. Для определения тепловой мощности нагревателя в его цепь включены амперметр 5 и вольтметр 6. Для измерения температур используются медь-константановые термопары, горячии спаи которых заложены на внутренней 7, 8, 9 и наружной 10, 11, 12 поверхностях изоляционного слоя трубы. Электроды термопар подключены к восьмиканальному терморегулятору ТРМ138 (13), позволяющему поочередно регистрировать и показывать значения температуры поочередно каждой термопары.

2.1.3 Порядок выполнения работы

1 Изучив установку на рабочем месте, только с разрешения преподавателя следует приступить к выполнению работы. Для этого нужно повернуть ключ терморегулятора ТРМ138 в положение “вкл” и рукояткой резистора 4 установить мощность нагревателя, заданную преподавателем (режим № 1).

2 При достижении стационарного теплового потока, при котором показания всех термопар будут неизменными во времени, следует записать трижды с интервалом в 2 минуты показания всех термопар и приборов в таблицу 2.1.

3 Чтобы осуществить опыт на втором и третьем температурном режимах, с помощью резистора повысить мощность до заданного значения. Дождавшись стационарности, проделать все измерения. Результаты измерений заносятся в протокол записи наблюдений (таблица 2.1).

4 После выполнения работы отключить установку.

Таблица 2.1 - Протокол записи наблюдений

2.1.4 Обработка результатов намерений

При установившемся тепловом состоянии системы коэффициент теплопроводности определяется из следующего уравнения

, (2.2)

где Q - тепловой поток, Вт;

l - коэффициент теплопроводности, Вт/(мÄК);

L - длина трубы, м;

d₁, d₂ – соответственно, внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя материала, м;

t_вн, t_н - температуры, соответственно, внутренней и наружной поверхностей цилиндрического слоя материала, ÅС;

Количество тепла Q, Вт, выделяемое электронагревателем

, Вт, (2.3)

где N - мощность нагревателя, Вт;

I - сила тока протекающего черев нагреватель, А;

U - напряжение на нагревателе, В.

Результаты расчетов внести в протокол обработки результатов измерений (таблица 2.2).

Таблица 2.2 - Протокол обработки результатов измерений

После определения коэффициента теплопроводности при различных температурных режимах строят график зависимости l=f(t_ср).

Температура исследуемого материала определяется как среднеарифметическое температур наружного и внутреннего слоев.

2.1.5 Определенна погрешности

Относительная ошибка измерений коэффициента теплопроводности методом трубы определяется из следующего уравнения

, (2.4)

где D - абсолютные ошибки при измерении отдельных величин, входящих в расчетное уравнение 2.2.

Расчетную ошибку, найденную по формуле 2.3, следует сопоставить с действительной ошибкой опыта (по разбросу точек).

2.1.6 Отчет о работе

Отчет должен содержать:

1 Краткое описание работы.

2 Принципиальную схему установки.

3 Протоколы измерений и обработки результатов.

4 Обработку результатов опыта и график зависимости l=f(t_ср).

5 Сравнение полученных результатов с литературными данными.

2.1.7 Контрольные вопросы

1 Как проводится измерение температуры термопарами?

2 Перечислить особенности теплопроводности различиях веществ.

3 Дать определение температурного поля.

4 Что такое градиент температуры?

5 Закон Фурье.

6 Механизм переноса теплоты теплопроводностью.

7 Физический смысл коэффициента теплопроводности.

8 Дифференциальное уравнение Фурье.

9 Теплопроводность цилиндрической стенки.