Исследование коэффициента теплоизоляционного материала (стр. 1 из 2)

1. ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

2.1 Цель работы.

Целью лабораторной работы является экспериментальное определение коэффициента теплопроводности шнурового асбеста и установление зависимости указанного коэффициента от температуры.

2.2 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.

2.3 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.

1.4. Порядок выполнения работы

Лабораторную работу необходимо выполнить в следующей последовательности:

1) выключатель 11 (см. рис. 1.1) перевести в положение “включено”;

2) небольшим поворотом ручки автотрансформатора 4 установить величину тока в цепи нагревателя в пределах 0,4…0,5 А;

3) 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).

4) 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;

5) 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

Режим	Ток и напряжение в цепи нагревателя		Показания милливольтметра		Размеры теплоизоляционной цилиндрической трубы			Комнатная температура
	J, А	U, B			, м	, м	, м	t0,0С
1	0,74	91	21	14	0,026	0,034	0,7	20

1.5. Обработка результатов измерений