Исследование теплопроводности материалов. Тема «Изучение явления теплопроводности. Интересные факты о теплопроводности

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Сегодня очень остро стоит вопрос рационального использования тепловых и энергетических ресурсов. Непрерывно прорабатываются пути экономии тепла и энергии с целью обеспечения энергетической безопасности развития экономики, как страны, так и каждой отдельной семьи.

Дом теряет тепло через ограждающие конструкции (стены, окна, крыша, фундамент), вентиляцию и канализацию. Основные потери тепла идут через ограждающие конструкции — 60-90% от всех теплопотерь.

Расчет теплопотерь дома нужен, как минимум, чтобы правильно подобрать котёл. Также можно прикинуть, сколько денег будет уходить на отопление в планируемом доме. Также можно благодаря расчётам провести анализ финансовой эффективности утепления, т.е. понять окупятся ли затраты на монтаж утепления экономией топлива за срок службы утеплителя.

Понятие теплопроводности материалов изучается в школе в 8 классе. Теплопроводность — это процесс переноса энергии от теплой части материала к холодной частицами этого материала (т.е. молекулами).

Мы решили исследовать теплопроводность различных веществ и материалов, а также определить какие современные утеплители являются наиболее эффективными.

Таким образом, мы определили тему нашей работы.

Тема: Исследование теплопроводности различных веществ.

Цель исследования:

Определить коэффициент температуропроводности разных веществ, и выявить из современных строительных утеплителей лучшие изоляторы тепла.

Методы исследования:

Объект исследования: Различные вещества и строительные теплоизолирующие материалы.

Предмет исследования: Теплопроводность веществ.

Гипотеза:

Если температура вещества за определённый промежуток времени меняется незначительно, то данное вещество обладает плохой теплопроводностью, т.е. хорошо удерживает тепло.

Эффективные изоляторы тепла имеют низкий коэффициент температуропроводности.

2.Основная часть.

В современных условиях повышения цен на топливо изменились и подходы к тепловой защите зданий, возросли требования к строительным материалам. Любой дом нуждается в утеплении и системе отопления. Поэтому при теплотехническом расчёте ограждающих конструкций важен расчёт показателя теплопроводности.

Теплопроводность - это такое физическое свойство материала, при которой тепловая энергия внутри тела переходит от самой горячей его части к более холодной. Значение показателя теплопроводности показывает степень потери тепла жилыми помещениями.

Коэффициент теплопроводности - является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов определяется экспериментально с помощью различных методов. Большинство из них основано на измерении теплового потока и изменения температур в исследуемом веществе.

В школьных условиях сложно определить энергию, проходящую через поверхность. Поэтому в своей работе мы решили определить не энергию, а изменение температуры за единицу времени. Этот коэффициент называется коэффициентом температуропроводности.

Коэффициент температуропроводности (а) - служит мерой скорости, с которой пористая среда передает изменение температуры с одной точки в другую за единицу времени.

Для определения коэффициента мы собрали простую установку, штатив, держатель и термометр, держатель для образцов, лампа накаливания на 100 Вт, как источник нагрева.

2.1. Исследование теплопроводности газов.

Цель : Определение коэффициента температуропроводности газов.

Как известно, газы - плохие проводники тепла. Из-за большого расстояния между молекулами, энергия долго переходит от молекулы к молекуле, т.е время изменения температуры будет большим.

Условия эксперимента : мы взяли пробирку, снизу нагревали воздух в пробирке лампой накаливания, а термометром измерили температуру в пробирке. Начальная t термометра 20°C.

Температура около лампы 65°C.

Вывод: Воздух плохо проводит тепло, это доказывает вычисленный коэффициент температуропроводности = 0,8 °C/ мин.

Если мы оставляем небольшие промежутки воздуха между отделочными материалами стен, пола и т.д., то мы уменьшаем потери энергии.

2. 2 .Исследование теплопроводности жидкости.

Цель: Исследование теплопроводности различных жидкостей и определение их коэффициента температуропроводности.

Условия эксперимента : мы наливали воду, подсолнечное масло и спирт в пробирку, снизу нагревали лампой накаливания, а термометром измерили температуру в пробирке.

Внешние факторы, влияющие на данные эксперимента: температура окружающей среды.

Начальная t термометра 16°C, t около лампы 65°C.

Жидкости	t-температура	Изменение температуры	t- время	коэффициент температуро проводности °C/ мин.
				Среднее 2,6
				Среднее 3,7
				Среднее 5,1

Вывод: Вода обладает самой большой теплоёмкостью из данных жидкостей, т.е. затрачивает большую энергию при нагревании. Это объясняет результаты опыта: вода нагревается медленнее масла и спирта, поэтому её средний коэффициент температуропроводности наименьший и равен 2,6°C/ мин, у масла 3,7°C/ мин, у спирта 5,1°C/ мин.

Самым хорошим проводником тепла является спирт, имеющий наибольший коэффициент температуропроводности.

Вода является самым хорошим изолятором тепла.

Воздух и вода плохо пропускают тепло, т.е. это хорошая теплозащита. Мы знаем примеры: озимые хлеба под снегом, шуба, многокамерные стеклопакеты окон и т.д. Но для теплоизоляции дома, квартиры используют твёрдые тела.

Именно твёрдые вещества - утеплители помогают сохранить тепло в доме.

2.3.1. Определение коэффициента температуропроводности различных видов стекла и других материалов.

Мы исследовали теплопроводность материалов, которые наиболее часто используются в строительстве.

Название	Изменение температуры	Коэффициент температуро- проводности E=∆ t/ t (°C / мин)
			Среднее значение
Простое стекло
Оргстекло
Оргстекло (зелёное)
Оцинкованное железо
Гипсокартон

Вывод: Самым низким коэффициентом температуропроводности из трёх видов стекла обладает, по нашим данным, простое стекло. Именно простое стекло используют в стеклопакетах для окон с целью теплоизоляции.

Популярные строительные материалы для отделки стен и пола - гипсокартон и ламинат имеют низкий коэффициент температуропроводности 1,4 °C/ мин и 1,2 °C/ мин, поэтому они неслучайно являются лидерами по теплоизоляции из всех исследуемых твёрдых материалов.

Оцинкованное железо, имеет коэффициентом температуропроводности = 1,0 , это говорит о том, что при покрытии крыш этим материалом мы значительно можем уменьшить потери тепла из дома.

2.3.2.Определение коэффициента температуропроводности различных строительных материалов.

Для выполнения этого исследования, мы отправились в магазин стройматериалов «Алекс-строй». Нам любезно предоставили образцы современных теплоизоляционных материалов: минеральная вата, стекловата, джутовое волокно, изолон, пеноплекс и джермафлекс.

Мы решили определить лучший изолятор тепла, соединяя эти образцы с гипсокартоном, который используют для выравнивания стен помещений. Соединяя гипсокартон с утеплителем можно получить эффективную теплозащиту своего дома.

Начальная t термометра=16°C, t около лампы =65°C.

Название	Изменение температуры	Коэффициент температуро- проводности E=∆ t/ t (°C / мин)
			Среднее значение
Гипсокартон
Гипсокартон + минеральная вата
Гипсокартон +стекловата
Гипсокартон +джутовое полотно
Гипсокартон + пеноплекс
Гипсокартон + изолон
Гипсокартон + джермафлекс

Вывод: Из данных таблицы видно, что строительные утеплители существенно уменьшают коэффициент температуропроводности. Самый малый коэффициент температуропроводности 1,0 °C/ мин имеет сочетание гипсокартона с минеральной ватой или пеноплексом 1,1°C/ мин. Таким образом, самая эффективная теплозащита стен помещений будет изоляция с помощью мин.ваты или пеноплекса.

2.3.3.Определение наиболее выгодного теплоизолятора по цене за 1 кв.м.

Вывод: Наиболее выгодным по цене является теплоизолятор - …., но с учётом эффективности теплоизоляции лучше выбирать …

3.Заключение.

Теплопроводность различных веществ - эта тема, которую мы изучаем в 8 классе, имеет важное практическое применение.

При огромных ценах на отопление каждый человек начинает задумываться о том, как сохранить тепло в доме.

Чтобы оценить уровень теплоизоляции материалов мы ввели новую величину - коэффициент температуропроводности, который вычисляли, измеряя время и температуру, секундомером и термометром.

Вычислив, коэффициент температуропроводности мы определили, что самые хорошие изоляторы тепла - это воздух и вода. Но для утепления домов используют твёрдые материалы. Современное производство предлагает многообразие утеплителей. Мы выбрали только частовстречающиеся теплоизоляторы в магазине стройматериалов «Алекс-строй». Из них мы определили, что самым лучшим изолятором тепла является гипсокартон и ламинат, и ещё лучше в сочетании с минеральной ватой, изолоном или пеноплексом.

Наша гипотеза о том, что лучшие теплоизоляторы имеют низкий коэффициент температуропроводности, подтвердилась.

Таким образом, актуальность темы сохранения тепла в доме привела нас к важным выводам, которые мы можем использовать в жизни. Мы убедились, что затраты на утеплители к строительным материалам окупаются в короткое время теплом и уютом в наших домах.

4.Список литературы.

https://ru.wikipedia.org/wiki/

www.rg.ru/2010 /12/31/deti-inform-dok.htm

Теплопроводность -- рабочая характеристика теплоизоляционных покрытий. Наряду с экономией основного металла эти покрытия дают возможность сократить теплопотери и предохраняют основной металл от воздействия теплового потока.

Широкое распространение получили стационарные методы определения теплопроводности, при которых сохраняются хотя и различные, но неизменные в процессе исследований температуры в определенных точках покрытия при направлении его слоистости перпендикулярно проходящему тепловому потоку.

Эти методы делятся на абсолютные и относительные. В методах первой группы температура любой точки покрытия зависит только от ее положения, но не от времени. Зная распределение температур в покрытии и количество перенесенной теплоты, можно рассчитать теплопроводность.

В относительных методах сравнивают температурные поля в исследуемом покрытии и эталонном заранее изученном материале, например, кварцевом стекле марки КВ.

Теплопроводность не оценивают непосредственно, а определяют путем перерасчета, сопоставляя с эталоном.

Рис. 2.6.1. Установка для определения теплопроводности покрытий абсолютным методом:

1 - нагреватели; 2 - образец; 3 - электропечь; 4 - потенциометр КСП4; 5 - блок реле БР101;6 - блок задачи БЗ-02; 7 - контробразец; 8 - термос; 9 - внутренний стакан термоса

Установка для оценки теплопроводности стационарным абсолютным методом показана на рис. 2.6.1.

Для создания теплового потока в системе основной металл-покрытие-контр-образец применяется трубчатая электропечь, в которой нагреватели (спирали) расположены так, что образец нагревается только в верхней половине печи, где находятся спиральные нагреватели, тогда как в нижней -- асбестовая теплоизоляция и термопреобразователи для измерения температуры образца по его длине.

Термос, необходимый для охлаждения контробразца и определения теплового потока, прошедшего через покрытие, представляет собой два изолированных стакана.

Во внутренний стакан подается вода.

Температура воды на входе и выходе из термоса может быть измерена медь-константановыми термопреобразователями. Для обеспечения достаточного контакта рабочих торцевых поверхностей контробразца и образца к последнему прикладывается усилие Р не менее 500 Н.

Теплопроводность определяют не менее чем на трех образцах одинаковых размеров, с идентичной структурой и одинаковой толщиной покрытия, которое наносят при одном технологическом режиме на торцевую поверхность образца (рис. 2.6.2).

Рис. 2.6.2 Образец для испытания на теплопроводность

Для каждого образца в каждой точке определяют не менее трех температур через каждые 20 мин.

Одновременно фиксируют температуру воды на входе и выходе.

Обеспечив необходимый прогрев образца и стационарность теплового потока, можно снимать показания всех термопреобразователей.

Для каждого образца в каждой точке определяют не менее трех температур через каждые 20 мин. Одновременно фиксируют температуру воды на входе и выходе.

Рис. 2.6.3 Распределение температур в системе основной металл-покрытие-контробразец по длине :

1 - контробразец; 2 - места установки термопреобразователей; 3 - основной металл; 4 - покрытие

По результатам исследований строится график распределения температур в системе основной металл--покрытие--контробразец (рис. 2.6.3). По графику методом экстраполяции определяют температуры на внутренней и внешней поверхностях покрытия. Теплопроводность , Вт/(м-К) вычисляется по формуле:

где Q -- тепловой поток, проходящий через покрытие, Вт; c = 4,19- -- удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК); V -- массовый расход воды, проходящей через термос, кг/с; - повышение температуры воды в термосе, °С; -- температуры воды на входе и выходе из термоса, °С; S -- площадь покрытия, м2; -- температура на внутренней и внешней поверхностях покрытия, °С.

Известны и другие установки для оценки теплопроводности абсолютным методом. Так, В. М. Иванов с сотр. исследовали теплофизические свойства отделенных от основного металла плазменных покрытий из оксида алюминия и двуокиси циркония на установке, приведенной на рис. 2.6.4. Образец в виде цилиндра длиной 100 мм с толщиной стенок 1 мм устанавливали так, чтобы один его конец нагревался от верхних электрических нагревателей, а другой находился в эвтектическом расплаве. Охранное приспособление, экраны, изоляция из кремнеземистого волокна, возможность измерения теплового потока на сравнительно большой длине -- все это исключало неточность выполнения условий стационарности. Градиент температур определяли термопреобразователями.

Рис. 2.6.4 Установка для измерения теплопроводности покрытий абсолютным методом на цилиндрических образцах:

1 - исследуемый образец; 2 - охранное приспособление; 3 - экраны; 4- нагреватели; 5- эвтектический расплав; 6- теплоизоляция; 7-термопары

В работе Т. Б. Бузовкина с сотр. теплопроводность покрытий определена с помощью относительных методов измерения. При этом упрощение достигнуто за счет сравнения температурных полей в исследуемом и эталонном покрытиях. В качестве эталона выбирали заранее изученный материал. По эталонному образцу измеряли полный тепловой поток. При оценке теплопроводности покрытий эталоном служил плавленый кварц с многократно определенной теплопроводностью. Он обладает высокой стабильностью и может работать в интервале температур от 100 до 1700 К.

В экспериментальной установке (рис. 2.6.5) дисковый образец толщиной 3--4 мм и диаметром 23--25 мм устанавливали между эталонами из плавленого кварца.

Рис. 2.6.5 Установка для измерения теплопроводности относительным методом:

1 - образец; 2 - эталоны (плавленый кварц); 3 - термопреобразователи; 4 - силитовые стержни; 5- холодильник; 6- крышка; 7- груз; 8- кольца

Образец изготавливали из отделенного от основного металла покрытия, шлифуя с обеих сторон. Теплопроводность измеряли в условиях лучистого нагрева от силитовых стержней. Для уменьшения радиального отвода тепла систему из образца и кварцевых дисков окружали тремя защитными концентрическими кольцами из асбоцемента и засыпкой из кварцевого песка. Температурные перепады в установившемся режиме фиксировали четырьмя платина-платинородиевыми термопарами. Систему из образца и термопар располагали на медном холодильнике и прижимали к нему грузом для уменьшения переходного контактного сопротивления между образцом, эталонами и термопарами. Тепловая изоляция обеспечивала расхождение значений тепловых потоков через первый и второй эталонные образцы не более 4%. Для интервала 200--900 °С строили кривую зависимости теплопроводности от температуры и с помощью ЭВМ анализировали влияние микротрещин, пятен контакта между частицами, размеров частиц и других структурных параметров на теплопроводность.

роквелл твердость покрытие

В статье проведены результаты исследования теплозащитных свойств неразрезной основоворсовой ткани с помощью тепловизионной установки. В качестве теплоизолятора предлагается использовать конструкционный материал, обладающий необходимыми свойствами – неразрезная двухполотенная основоворсовая ткань, с использованием в утке хлопчатобумажной и капроновой нити. В результате проведенных исследований с помощью тепловизионной установки, на базе инфракрасной камеры TermaCamTM SC 3000, определены основные теплофизические характеристики ткани, получены термограммы процесса охлаждения образцов ткани и по данным результатов измерений построены полулогарифмические графики их охлаждения. В результате анализа экспериментальных данных следует, что тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани зависит от их толщины. С увеличением толщины данной ткани увеличивается ее тепловое сопротивление, то есть улучшаются теплозащитные свойства, независимо от волокнистого состава ткани по утку.

основоворсовая ткань

теплоизолятор

тепловизор

тепловое сопротивление

1. Бойко С.Ю. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани для защиты человека от внешних воздействий: Автореф. дис. канд. техн. наук. – М., 2004. – 16 с.

2. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. – М.: «Интел универсал», 2002 – 88 с.

3. Колесников П.А. Основы проектирования теплозащитной одежды. Л.: «Легкая индустрия», 1971. – 112 с.

4. Назарова М.В., Бойко С.Ю. Разработка метода проектирования ткани для защиты человека от внешних воздействий // Международный журнал экспериментального образования. – 2010. – № 6. – С. 75-79.

5. Назарова М.В., Бойко С.Ю., Завьялов А.А. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани, обладающей высокими прочностными свойствами // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – № 10 (часть 2). – С. 385-390.

6. Назарова М.В., Бойко С.Ю., Романов В.Ю. Разработка оптимальных технологических параметров выработки ткани обладающей теплозащитными свойствами // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – № 10 (часть 2). – С. 391-396.

Проектирование рациональной теплозащитной одежды для различных климатических и производственных условий является большой и весьма сложной научной проблемой, успешно решить которую можно только на базе комплексного использования данных физиологии, гигиены одежды, климатологии, теплофизики, текстильного материаловедения и конструирования одежды .

Теплопроводность текстильных полотен связана с переносом энергии теплового движения микрочастиц от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящим к выравниванию температуры и оценивается коэффициентом теплопроводности; коэффициентом теплопередачи; тепловым сопротивлением, удельным тепловым сопротивлением.

Анализ работ по изучению теплофизических свойств материала показал, что при оценке теплозащитных свойств материалов одежды более простой и наглядной величиной следует считать не коэффициент теплопроводности, а обратную ему величину, называемую тепловым сопротивлением. К факторам, влияющим на тепловое сопротивление материала, относятся: объемный вес, толщина, влажность, вид волокнистого материала, воздухопроницаемость .

Поэтому целью данной работы является оценка величины теплофизических характеристик основоворсовой ткани, предназначенной для пошива спецодежды, используемой в экстремальных климатических условиях.

В данной работе при исследовании теплофизических свойств неразрезной основоворсовой ткани предлагается использовать принцип тепловой диагностики, который состоит в сравнении эталонного и анализируемого полей температуры в исследуемой ткани. Аномалии температуры служат индикаторами дефектов, а величина температурных сигналов и их поведение во времени лежат в основе количественных оценок тех или иных параметров ткани.

Термин «тепловидение» относится, главным образом, к регистрации теплового излучения твердых тел, которое складывается из собственного излучения тела, обусловленного его температурой, а также отраженного и прошедшего излучения других тел. Для оптически непрозрачных объектов, тепловизионные устройства фиксируют исключительно поверхностные эффекты: температуру поверхности и величину коэффициентов излучения (поглощения) и отражения .

При исследовании объектов с помощью тепловизоров чаще применяются два наиболее распространенных диапазона длин волн: 3-5,5 мкм и 8-12 мкм; и обычно они обозначаются как коротковолновые и длинноволновые диапазоны.

Общая схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела изображена на рис. 1. Объект контроля (1) окружен средой (2) и другими объектами (3), соответственно с температурами Тср и Твнеш. Для регистрации теплового излучения используется тепловизор (4). Объект контроля характеризуется следующими оптическими параметрами: коэффициент излучения ε; коэффициент поглощения α; коэффициент отражения r; коэффициент пропускания τ.

Рис. 1. Принципиальная схема измерения теплового излучения произвольного твердого тела

Основное преимущество тепловизора перед другими приборами при исследовании теплозащитных свойств материалов является:

высокая термочувствительность;
более точные значения температур;
высокая скорость получения результатов эксперимента и их обработка;
неограниченный температурный диапазон.

При определении теплофизических характеристик неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани, с помощью тепловизионной системы, была применена методика, разработанная на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» МГТУ им. А.Н. Косыгина. Методика определения теплофизических характеристик основана на методах нестационарного теплового режима для экспериментальной оценки теплозащитных свойств материалов одежды методом регулярного теплового режима, основанного на явлении свободного охлаждения нагретого образца в газообразной среде (воздухе) .

Исследования теплофизических характеристик неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани с помощью тепловизионной системы проводились в лаборатории кафедры «Промышленной теплоэнергетики» МГТУ им. А.Н. Косыгина.

При использовании тепловизионной системы были поставлены следующие задачи:

определение температурных полей на поверхности исследуемых образцов ткани при охлаждении;
определение теплопроводности неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани.

Лабораторная установка для проведения эксперимента представлена на рис. 2.

Рис. 2. Тепловизионная система для исследования теплопроводности основоворсовой ткани: 1 - тепловизионная камера termocamtmsc 3000; 2 - компьютер для обработки данных; 3 -теплоизолированный шкаф; 4 - защитный экран; 5 - термометр, для контроля температуры внутри шкафа; 6 - образец ткани

Как известно из исследований А.П. Колесникова , теплоизоляционная способность ткани зависит от ее толщины. Толщина имеет наибольшее значение в теплоизоляционных свойствах ткани. Для проведения эксперимента использовались образцы неразрезной основоворсовой ткани с хлопчатобумажной пряжей в коренной и ворсовой основах. В утке использовалась хлопчатобумажная пряжа линейной плотностью 15,4*2 текс (I-вариант) и нить капроновая Т=15,6 текс (II-вариант). В каждом из вариантов менялась толщина ткани. Для проведения эксперимента были использованы образцы ткани различной толщины: I - вариант образец с хлопчатобумажной пряжей в утке, и II - вариант образец с капроновой нитью в утке. Толщина образцов ткани в обоих вариантах составляла b1=7.57 мм, b2=7.62 мм.

Алгоритм исследования теплозащитных свойств неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани выглядит следующим образом:

Нагрев образца в теплоизолированном шкафу до фиксированной температуры t=100 °C (меньшей температуры деформации волокон);

Контроль равномерности прогрева исследуемого образца при помощи инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000;

При достижении равномерного температурного поля на поверхности образца отключение питания электронагревателя;

При помощи инфракрасной камеры ThermaCAM SC 3000 фиксирование остывания образца до исходной комнатной температуры при соблюдении условий , ;

Замена исследуемого образеца (вариант 1) на другой образец (вариант 2) и проведение всего комплекса измерений заново;

После получения термограмм процесса охлаждения образцов производится обработка экспериментальных данных при помощи ЭВМ;

По известным формулам определяем теплопроводность и тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани.

Условия проведения эксперимента:

излучательная способность объекта (степень черноты) - 0,95;
температура окружающей среды - 23 °С;
расстояние между объектом и тепловизором - 30 см;
относительная влажность воздуха - 55 %.

С помощью тепловизионной системы производится запись термограмм процесса охлаждения образца ткани с частотой 1 кадр в секунду.

По данным измерений построен полулогарифмический график охлаждения, представленный на рис.3 и 4, прямолинейный участок кривой соответствует регулярному режиму. Уравнение этой прямой, согласно основному закону регулярного режима (первого рода) имеет следующий вид:

ln υ=-m·τ+g(x,z,z), (1)

На прямой отмечается шесть точек с соответствующими координатами, в соответствии с которыми определяется темп охлаждения.

Темп охлаждения на каждом участке определяется по формулам (2), с -1:

где υ 1 - разность между температурой в данной точке и во внешней среде в момент времени τ 1 ; υ 2 - разность между температурой в данной точке и во внешней среде в момент времени τ 2 ;

Средний темп охлаждения определяется по формуле3, с -1:

, (3)

Определяем коэффициент форм для образцов ткани по формуле (4):

Если принять, что образец ткани условно принимает форму параллелепипеда, то для прямоугольного параллелепипеда с ребрами L 1 , L 2 , L 3 , мм:

, (4)

где L 1 - ширина образца, мм; L 2 - длина образца, мм; L 3 - высота образца, равной b 1 , b 2 , мм.

Коэффициент температуропроводности определяется по формуле (5), м2/с:

Объемная плотность образцов определяется по формуле (6), кг/м3:

где М - поверхностная плотность образца, г/м2; b - толщина образца, мм.

Рис. 3. Экспериментальная кривая темпа охлаждения образца основоворсовой ткани с хлопчатобумажной пряжей в утке (I-вариант)

Рис. 4. Экспериментальная кривая темпа охлаждения основоворсовой ткани с капроновой нитью в утке (II-вариант)

Удельная теплоемкость образцов берется из экспериментальных данных определенных П.А Колесниковым :

для I - варианта (хлопок) с1=1.38 кДж/кг·град;
для II - варианта (хлопок-капрон) с 2 =1.66 кДж/кг·град;

Теплопроводность материала определяется по формуле (7), Вт/м⋅град:

Тепловое сопротивление образцов ткани определяется по формуле (7), м2·град/Вт:

где δ - толщина слоя, м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/м·град.

Расчет параметров теплового сопротивления образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани двух вариантов проведен на ЭВМ и представлен в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчета параметров теплового сопротивления образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани

№ Образца	I - вариант	II - вариант
№ Образца			Тепловое сопротивление, м2·град/Вт

В результате проведенного анализа данных таблицы следует, что тепловое сопротивление образцов неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани зависит от их толщины. С увеличением толщины данной ткани увеличивается ее тепловое сопротивление, то есть улучшаются теплозащитные свойства, независимо от волокнистого состава ткани по утку.

Наилучшими теплозащитными свойствами обладают: - образец ткани с содержанием в утке хлопчатобумажной пряжи и толщиной bТ=7,62 мм; образец ткани с содержанием в утке капроновой нити и толщиной bТ=7,57.

Таблица 3

Теплофизические характеристики образцов основоворсовой ткани

Выводы

С помощью тепловизионной установки, на базе инфракрасной камеры TermaCamTM SC 3000, проведено исследование теплозащитных свойств ткани, определены основные ее теплофизические характеристики, получены термограммы процесса охлаждения образцов ткани и по данным результатов измерений построены полулогарифмические графики их охлаждения.
Разработан алгоритм расчета теплозащитных свойств неразрезной двухполотенной основоворсовой ткани, на основе которого определены основные теплофизические характеристики ткани.

Библиографическая ссылка

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу теплопередачи "Теплопроводность", овладение методом экспериментального определения коэффициента теплопроводности; получение навыков измерений, анализ полученных результатов.

Экспериментальным путем определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.

Записать табличное значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

Вычислить погрешность найденного в опыте значения коэффициента теплопроводности по отношению к табличному.

Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

При проведении технических расчетов необходимо располагать значениями коэффициентов теплопроводности различных материалов.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность материала проводить теплоту. Численная величина l твердых материалов, особенно теплоизоляторов, как правило, определяется опытным путем.

Физический смысл коэффициента теплопроводности определяется из уравнения Фурье, записанного для удельного теплового потока

g = –l grad t . (1)

Существует несколько методов экспериментального определения величины l, основанных на теории стационарного или нестационарного теплового режима.

Дифференциальное уравнение теплового потока Q, Вт, при стационарной теплопроводимости можно записать в виде

Q = – lF grad t . (2)

Если рассматривать тонкостенный цилиндр, когда l / d > 8, температурный градиент температурного поля в цилиндрической системе координат будет записан в виде

grad t = dt / dr ,

а уравнение (2) данного случая

где d 1 , d 2 – соответственно внутренний и нижний диаметры цилиндра, м;

l - длина цилиндра, м;

(t 2 - t 1) = Dt - перепад температур между температурами на внутренней и внешней поверхности цилиндра, 0 С;

l - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр, Вт/(м 0 С);

grad t - градиент температуры по нормали к поверхности теплообмена, 0 С/м.

Если уравнение (3) решить относительно коэффициента теплопроводности l, Вт/(м 0 С), то будем иметь

l = Q ln(d 2 /d 1) / (2plDt). (4)

Уравнение (4) может быть использовано для экспериментального нахождения величины коэффициента теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр.

При проведении эксперимента необходимо определить величину теплового потока Q, Вт, и значения (t 2 - t 1) = Dt 0 С, при наступлении стационарного теплового режима.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из цилиндра 1, во внутренней полости которого помещен электронагреватель 2, его мощность регулируется автотрансформатором (тумблером)3 и определяется по показаниям амперметра 4 и вольтметра 5. Температура внутренней и наружной поверхностей цилиндра измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 7, подключенных к микропроцессорному измерителю температур 6. По разности этих температур в стационарном тепловом режиме определяется коэффициент теплопроводности исследуемого материала из которого изготовлен цилиндр.

Рисунок. Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности материала цилиндра.

ПОРЯДОК проведения ОПЫТА

Включить аппаратуру поворотом ручки на щите в положение 1.

Поворотом ручки автотрансформатора (тумблера) установить заданную преподавателем мощность нагревателя.

Наблюдая за показаниями измерителя температур, дождаться установления стационарного теплового режима.

Результаты измерений представить в таблицу:

Т а б л и ц а

Номер опыта

где U, I - напряжение и сила тока в нагревателе;

t 2 , t 1 - температура внутренней и наружной поверхности цилиндра.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

Вычислить коэффициент теплопроводности исследуемого материала, l, Вт/(м 0 С)

l эк = Q ln (d 2 /d 1) / (2plDt),

где Q = UI – мощность нагревателя, Вт;

d 1 = 0.041 м, d 2 = 0.0565 м – внутренний и наружный диаметры цилиндра;

l = 0.55 м – длина цилиндра.

Записать табличное значение l, Вт/(м 0 С).

3. Определить погрешность l эк по отношению к справочному значению l, %.

D = (l эк – l)100/l.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

Установившийся и неустановившийся тепловой режимы.

Температурное поле, стационарное и нестационарное, стационарное поле трехмерное, двухмерное и одномерное.

Температурный градиент.

Физическая сущность процесса теплопроводности.

Уравнение Фурье, его анализ.

Коэффициент теплопроводности, факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности.

Привести численно значение коэффициента теплопроводности для некоторых материалов.

Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

Записать величину температурного градиента для одномерного температурного поля в декартовой и цилиндрической системах координат.

Записать формулы для определения теплового потока Q, Вт, плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

Записать формулы для определения удельных тепловых потоков g 1 , Вт/м 2 , g 2 , Вт/м для плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- М.: Энергия, 1977.

Баскаков А.П. и др. Теплотехника.- М.: Энергоиздат, 1991.

Нащокин В.Б. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1980.

Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1981.

РАБОТА № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ ТВЕРДОГО ТЕЛА

цель работы

Усвоение и закрепление теоретического материала по разделу основы теории теплообмена "Лучистый теплообмен", а также овладение методом экспериментального определение коэффициента излучения и степени черноты твердого тела.

1. Экспериментальным путем определить коэффициент излучения и степень черноты твердого тела.

2. Найти погрешность полученного значения степени черноты по отношению к справочному значению (в процентах).

3. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Все тела непрерывно излучают и поглощают тепловую энергию. Носителем лучистой тепловой энергии является электромагнитные колебания с длиной волны от 0.8 до 800 мкм. Процесс лучистого теплообмена происходит между телами, имеющими разное значение температур и разделенных газообразной средой.

Лучистый тепловой поток от тела, попав на другое тело, частично поглощается, частично отражается, а частично проходит через тело. Часть лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую энергию. Та часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений излучаемая телом энергия полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую энергию.

Для определения лучистого потока излучаемого телом, (Вт) используется формула

, (1)

где С - коэффициент излучения серого тела, Вт/(м 2 К 4),

С = С о ;

Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м 2 К 4),

 - степень черноты испытуемого тела;

F - площадь поверхности испытуемой трубки, м 2 ;

Т 1 - абсолютная температура поверхности испытуемой трубки, К;

Т в - абсолютная температура воздуха в помещении, К.

Из формулы (1) определяется величина коэффициента излучения испытуемого тела, Вт/(м 2 К 4),

. (2)

При рассмотрении лучистого теплообмена часть величин, входящих в расчетные формулы, определяется опытным путем; например степень черноты тела. Для определения опытным путем численной величины степени черноты тела, можно воспользоваться экспериментальной установкой.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рисунок) состоит из испытуемого 1 и эталонного 2 тел, выполненных в виде трубок длиною l , установленных вертикально. Наружные диаметры трубок одинаковы: d = 0.025 м.

Таким образом, испытуемое (серое) и эталонное (черное) тела имеют одинаковую величину поверхностей теплообмена F. Эталонная трубка покрыта:черным лаком с известной степенью черноты ( эт = 0.97). Внутри трубок смонтированы электрические нагреватели 3, обеспечивающие равномерное выделение тепла по длине труб. Нагреватели питаются от сети переменного тока, их мощности регулируются лабораторными автотрансформаторами 4 и измеряются ваттметрами 5. Тепловой поток, создаваемый электронагревателем и проходящий через стенку трубы в окружающий воздух, определяется по мощности электронагревателя. Предотвращение утечек тепла в окружающий воздух торцы трубок достигается установкой теплоизоляционных заглушек.

Температура на поверхности трубок измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 6 и микропроцессорного измерителя температур 7.

Температура воздуха в лаборатории определяется термометром, установленным вдали от установки. Предполагается, что температура тел в помещении (кроме тел 1 и 2) равна температуре воздуха в нем.

Тепловой поток с поверхности трубки к воздуху, определяемый в опыте, представляет собой сумму конвективного и лучистого тепловых потоков (Вт)

Q = Q к + Q л, (3)

Q л = Q - Q к. (4)

Значение Q к можно рассчитать по формулам конвективного теплообмена, но удобнее эту величину исключить из рассмотрения за счет использования эталонного тела с известной степенью черноты. Для данной экспериментальной установки эт 0,97.

Рисунок. Схема экспериментальной установки

Излучение эталонного тела будет определяться по формуле

. (5)

Если форма, размер и температуры испытуемого и эталонного тел одинаковы, конвективные составляющие можно приравнять, т.е.

Q л = Q –
+
. = (Q –
) +F[(/100) 4 – (T в /100) 4 ] . (6)

Подставив (6) в (2), получим расчетную формулу

. (7)

цель работы

1. Экспериментальным путем определить коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала.

2. Записать табличное значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

3. Вычислить погрешность найденного в опыте значения коэффициента теплопроводности по отношению к табличному.

4. Сделать вывод по работе.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

g = –l grad t . (1)

Дифференциальное уравнение теплового потока Q, Вт, при стационарной теплопроводимости можно записать в виде

Q = – lF grad t . (2)

grad t = dt / dr ,

а уравнение (2) данного случая

где d 1 , d 2 – соответственно внутренний и нижний диаметры цилиндра, м;

l - длина цилиндра, м;

(t 2 - t 1) = Dt - перепад температур между температурами на внутренней и внешней поверхности цилиндра, 0 С;

l - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен цилиндр, Вт/(м× 0 С);

grad t - градиент температуры по нормали к поверхности теплообмена, 0 С/м.

Если уравнение (3) решить относительно коэффициента теплопроводности l, Вт/(м× 0 С), то будем иметь

l = Q ln(d 2 /d 1) / (2plDt). (4)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ПОРЯДОК проведения ОПЫТА

1. Включить аппаратуру поворотом ручки на щите в положение 1.

2. Поворотом ручки автотрансформатора (тумблера) установить заданную преподавателем мощность нагревателя.

3. Наблюдая за показаниями измерителя температур, дождаться установления стационарного теплового режима.

4. Результаты измерений представить в таблицу:

Т а б л и ц а

Номер опыта	U, В	I, А	t 1, 0 С	t 2 , 0 С

где U, I - напряжение и сила тока в нагревателе;

t 2 , t 1 - температура внутренней и наружной поверхности цилиндра.

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ

1. Вычислить коэффициент теплопроводности исследуемого материала, l, Вт/(м× 0 С)

l эк = Q ln (d 2 /d 1) / (2plDt),

где Q = U×I – мощность нагревателя, Вт;

d 1 = 0.041 м, d 2 = 0.0565 м – внутренний и наружный диаметры цилиндра;

l = 0.55 м – длина цилиндра.

2. Записать табличное значение l, Вт/(м× 0 С).

3. Определить погрешность l эк по отношению к справочному значению l, %.

D = (l эк – l)100/l.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ

1. Установившийся и неустановившийся тепловой режимы.

2. Температурное поле, стационарное и нестационарное, стационарное поле трехмерное, двухмерное и одномерное.

3. Температурный градиент.

4. Физическая сущность процесса теплопроводности.

5. Уравнение Фурье, его анализ.

6. Коэффициент теплопроводности, факторы, влияющие на величину коэффициента теплопроводности.

7. Привести численно значение коэффициента теплопроводности для некоторых материалов.

8. Какие материалы относятся к теплоизоляционным?

9. Записать величину температурного градиента для одномерного температурного поля в декартовой и цилиндрической системах координат.

10.Записать формулы для определения теплового потока Q, Вт, плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

11.Записать формулы для определения удельных тепловых потоков g 1 , Вт/м 2 , g 2 , Вт/м для плоской и цилиндрической однослойных и многослойных стенок.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- М.: Энергия, 1977.

2. Баскаков А.П. и др. Теплотехника.- М.: Энергоиздат, 1991.

3. Нащокин В.Б. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.: Высшая школа, 1980.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача.- М.: Энергия, 1981.