новая папка 1 / 336119

1405

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГ О ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра теплофизики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

по дисциплине

«Металлургическая теплотехника»

Составители: И.Г. Бянкин

А.Ю. Кривцов

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

УДК 536.2(07)

Б994

Рецензент – д-р техн. наук, проф. В.Д. Коршиков

Бянкин, И.Г.

Б994 Определение теплопроводности материалов при стационарном режиме: методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Металлургическая теплотехника» [Текст] / сост. И.Г. Бянкин, А.Ю. Кривцов – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014.– 19 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по определению коэффициента эквивалентной теплопроводности теплоизоляционных материалов при стационарном режиме методом неограниченного плоского слоя (методом плиты). Приведены краткие теоретические сведе-

ния, описание лабораторного оборудования и методики выполнения работы.

Методические указания предназначены для студентов очной и очнозаочной форм обучения квалификации «бакалавр».

Ил.1, Табл.1. Библиограф.: 3 назв.

ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014

Цель работы – углубление знаний по стационарной теплопроводности, знакомство с экспериментальным методом определения коэффициента теплопроводности материалов и приобретение навыков работы со стандартным измерительным прибором.

1.Краткие теоретические сведения

Втеории теплообмена тела рассматриваются как сплошные среды, наделенные макроскопическими теплофизическими свойствами. К ним относятся теплопроводность, температуропроводность и удельная теплоемкость. Теплофизические характеристики, входящие в условия однозначности, должны быть заранее известны как при аналитическом решении задач теплообмена, так и при обобщении результатов экспериментальных исследований.

Теплофизические свойства изменяются в широких пределах в зависимости от природы тела и его термодинамических параметров, поэтому экспериментальные методы являются практически единственным способом их получения.

Экспериментальные методы определения теплофизических свойств принято разделять на стационарные и нестационарные.

Стационарные методы позволяют экспериментально определять только теплопроводность. Несмотря на свою методическую простоту, практическое осуществление методов стационарной теплопроводности сталкивается с труд-

ностями создания одномерного температурного поля в исследуемых образцах и учета тепловых потерь.

Кроме того, стационарные методы связаны со значительным временем, затрачиваемым на проведение опыта в связи с длительностью процесса выхода установки на стационарный тепловой режим.

В отличие от стационарных, нестационарные методы позволяют ограничиться лишь измерением температуры в нескольких точках и избежать измерения тепловых потоков, что весьма затруднительно при высоких температурах.

3

Имеется и ряд других преимуществ нестационарных методов исследования теплофизических свойств веществ, в том числе относительно малое время проведения опыта, а также возможность получения значений теплофизических параметров в широком интервале изменения температур.

К недостаткам нестационарных методов следует отнести трудность реа-

лизации граничных условий, принятых в теории.

Методы стационарной теплопроводности основаны на свойствах стационарного температурного поля, описываемого законом Фурье:

и дифференциальным уравнением теплопроводности, которое в случае стационарного теплообмена и независимости теплопроводности от температуры пр и- нимает вид

i 1

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); t/ n – градиент температуры в направлении нормали к изотермической поверхности, К/м; F – поверх-

ность теплообмена, м2; xi – координата точки в декартовом пространстве, м. Существующие методы стационарной теплопроводности основываются

на частных решениях уравнения (2) при определенных условиях однозначности.

Так, применительно к одномерным температурным полям плоского, ци-

линдрического и шарового слоев при граничных условиях первого род а коэффициент теплопроводности можно определить из соотношения

где Q – тепловой поток, Вт; tст1, tст2 – температура наружной и внутренней поверхности слоя, К; k – коэффициент формы исследуемого образца, м-1.

4

Коэффициент формы для неограниченного плоского, цилиндрического и шарового слоя определяется по формулам:

где – толщина плоского слоя, м; F – поверхность плоского слоя, нормальная к направлению теплового потока, м2; d1, d2 – внутренний и наружный диаметры цилиндрического и шарового слоя, м;l – длина цилиндрического слоя, м.

Таким образом, для того, чтобы определить теплопроводность исследуе-

мого материала , необходимо измерить в стационарном режиме тепловой по-

ток Q, проходящий через исследуемый образец, и температуры его изотермических поверхностей. Уравнение (3) описывает распределение температуры в твердых телах, а также в жидкостях и газах при отсутствии других (кроме теплопроводности) способов переноса теплоты. В случае зависимости теплопро-

водности от температуры уравнением (3) можно пользоваться при условии, что в исследуемом образце будет иметь место небольшой перепад температур. В этом случае полученные средние значения теплопроводности будут близки к его истинным значениям.

Кроме того, если исследуемый образец является многослойным в направ-

лении теплового потока, то эффективная теплопроводность такого образца определяется из соотношения

i 1

где N – количество слоев; R = k / – тепловое сопротивление слоя, К/Вт.

В частности, для двухслойного плоского образца, в котором материалы имеют толщины 1 и 2 с коэффициентами теплопроводности 1 и 2 из соот-

ношения (5), следует формула для определения эффективной теплопроводности

При исследовании теплоизоляционных материалов, обладающих низкой теплопроводностью ( ≤ 2,3Вт/(м·К)), широкое распространение получил

метод неограниченного плоского слоя (метод плиты), когда образцу исследуе-

мого материала придается форма тонкой круглой или квадратной пластинки. Для создания перепада температур одна поверхность пластинки нагревается, а

другая охлаждается с помощью устройств, имеющих плоские поверхности, между которыми зажимается исследуемый образец.

При выборе геометрических размеров исследуемых образцов материалов с низкой теплопроводностью необходимо выполнять условие ≤ (1/7…1/10)D,

где D – диаметр круглой пластины (или сторона квадрата), обеспечивающий одномерность температурного поля. Для устранения тепловых потерь с боковых поверхностей образца используют тепловую изоляцию или охранные электрические нагреватели.

К недостаткам метода следует также отнести трудности, связанные с устранением термического сопротивления, возникающие в местах контакта образца с поверхностями нагревателя и холодильника. Ошибка в определении теплопроводности за счет контактного сопротивления может достигать 10-20% при толщине образца 1,5-3,0 мм и может становиться еще больше при увеличении теплопроводности исследуемого материала. С целью уменьшения контакт-

ного термического сопротивления поверхности образца и теплообменников подвергаются тщательной обработке, а для обеспечения хорошего контакта создают значительные сжимающие усилия.

2.Описание лабораторной установки

2.1.Назначение и состав установки

Лабораторная установка состоит из прибора измерителя теплопроводно-

сти и исследуемых образцов.

Измеритель теплопроводности ИТП-МГ4«100» (далее по тексту – прибор) предназначен для измерения теплопроводности и определения теплового

6

сопротивления строительных материалов, а также материалов, предназначенных для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов, при стационарном тепловом режиме по ГОСТ 7076.

Область применения – строительная индустрия, научноисследовательские и строительные лаборатории.

Условия эксплуатации прибора при стационарном тепловом режиме: температура окружающего воздуха от 15 до 25°С, относительная влажность воздуха от 30до 80%.

Технические характеристики прибора:

-диапазон измерений теплопроводности 0,02...1,5Вт/(м·К);

-диапазон определения теплового сопротивления 0,01...1,5м2·К/Вт;

-пределы допускаемой относительной погрешности измерения теплопроводности ±5,0%;

-диапазон регулирования температур: холодильника 5-25°С, нагревателя

25-60°С;

-напряжение питания переменного тока230(115)В, частота 50 Гц;

-потребляемый ток при стационарном тепловом режиме 250 мА;

-время единичного измерения не более 120 мин;

-масса: электронного блока 0,27 кг, установки для испытания образцов 3,8 кг;

-габаритные размеры: электронного блока 175х90х30 мм, установки для ис-

пытания образцов 155х200х220 мм;

-средняя наработка на отказ не менее 10 000 ч, средний срок службы не менее

10лет.

2.2.Устройство и принцип работы прибора

Конструктивно прибор ИТП-МГ4 «100» стоит из двух блоков:

-электронного блока;

-нагревателя-преобразователя, выполненного в виде стационарной уста-

новки.

7

Принцип работы прибора основан на создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым граням образца, измерении толщины о б- разца, плотности теплового потока и температуры противоположных лицевых граней.

Стационарная установка собрана по асимметричной схеме в соответствии с приложением А ГОСТ 7076.

Стационарная установка прибора состоит из блока управления нагревателем и холодильника, выполненных на элементах Пельтье, тепломера, платиновых датчиков температуры, устройства преобразования первичных сигналов датчиков, а также источника питания. Охлаждение элементов Пельтье осуществляется вентилятором.

На боковых стенках установки расположены выключатель питания, клемма заземления, предохранитель и гнёзда для подключения кабеля электронного блока и шнура сетевого питания, а также эксцентриковый замок.

Питание на электронный блок подается от установки по соединительному кабелю.

В верхней части установки находится прижимной винт, снабженный отсчетным устройством для измерения толщины образца и динамометрическим устройством с трещоткой для создания постоянного усилия прижатия испыты-

ваемого образца.

Включение прибора производится в следующей последовательности:

-заземлить установку посредством клеммы «1»;

-подключить электронный блок к установке;

-подключить установку к сети 220В, 50Гц;

-включить питание установки выключателем «Сеть»;

-включить питание электронного блока кратковременным нажатием кнопки

BKЛ.

2.3. Устройство и принцип работы электронного блока

8

На лицевой панели электронного блока размещен графический ЖКдисплей и клавиатура, состоящая из шести кнопок: BKЛ (окрашена в красный цвет), РЕЖИМ, ВВОД,↑↓и ПУСК.

Гнездо для подключения кабеля, соединяющего электронный блок со стационарной установкой, размещено на левой боковой поверхности электрон-

ного блока.

Микропроцессорное устройство электронного блока обеспечивает измерение сигналов датчиков, управление стационарной установкой и тепловым зондом, индикацию и сохранение результатов измерений.

Электронный блок оснащен режимом самоотключения через 10 минут после окончания работы.

Вычисление теплопроводности (эффективной теплопроводности) и теплового сопротивления R (при стационарном тепловом режиме), производится вычислительным устройством по формулам:

где λ – эффективная теплопроводность, Вт/(м·К); Rн – тепловое сопротивление измеряемого образца, м2·К/Вт; Rк – тепловое сопротивление между лицевой гранью образца и рабочей поверхностью плиты прибора, м2·К/Вт; Η – толщина измеряемого образца, м; q – плотность стационарного теплового потока, прохо-

дящего через измеряемый образец, Вт/м2;Тн – температура горячей грани измеряемого образца, К; Тх – температура холодной грани измеряемого образца, К.

Примечание: значение Rк учитывается при калибровке приборов по об-

разцам соответствующей теплопроводности.

2.4.Режимы работы прибора

Прибор может находиться в четырех различных режимах.

Режим 1 – Режим «Измерение».

9