Определение теплопроводности материалов при стационарном режиме. Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Металлургическая теплотехн

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 «Металлургиче-

ская теплотехника» [Текст] / сост. И.Г. Бянкин, А.Ю. Кривцов – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. – 20 с.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы по определению коэффициента эквивалентной теплопроводности теп-

лоизоляционных материалов при стационарном режиме методом неограничен-

ного плоского слоя (методом плиты). Приведены краткие теоретические сведе-

ния, описание лабораторного оборудования и методики выполнения работы.

Методические указания предназначены для студентов очной и очно-

заочной форм обучения квалификации «бакалавр».

Ил.1, Табл.1. Библиограф.: 3 назв.

ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014

Имеется и ряд других преимуществ нестационарных методов исследования теплофизических свойств веществ, в том числе относительно малое время про-

ведения опыта, а также возможность получения значений теплофизических па-

раметров 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 стацио-

нарного температурного поля, описываемого законом Фурье:

и дифференциальным уравнением теплопроводности, которое в случае стацио-

нарного теплообмена и независимости теплопроводности от температуры при-

нимает вид

i 1

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); t/ n – градиент температу-

ры 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 однозначно-

сти.

Так, применительно к одномерным температурным полям плоского, ци-

линдрического и шарового слоев при граничных условиях первого рода коэф-

фициент теплопроводности можно определить из соотношения

где Q – тепловой поток, Вт; tст1, tст2 – температура наружной и внутренней по-

верхности слоя, К; k – коэффициент формы исследуемого образца, м-1.

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

4

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 изотермиче-

ских поверхностей. Уравнение (3) описывает распределение температуры в твердых телах, а также в жидкостях и газах при отсутствии других (кроме теп-

лопроводности) 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-

5

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 боко-

вых поверхностей образца используют тепловую изоляцию или охранные элек-

трические нагреватели.

К недостаткам метода следует также отнести трудности, связанные с устранением термического сопротивления, возникающие в местах контакта об-

разца 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 увеличе-

нии теплопроводности исследуемого материала. С целью уменьшения контакт-

ного термического сопротивления поверхности образца и теплообменников подвергаются тщательной обработке, а для обеспечения хорошего контакта со-

здают 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 – при-

бор) предназначен для измерения теплопроводности и определения теплового сопротивления строительных материалов, а также материалов, предназначен-

ных для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов,

при стационарном тепловом режиме по ГОСТ 7076.

6

Область применения – строительная индустрия, научно-

исследовательские 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 тепло-

проводности ±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 испытания образцов 155х200х220 мм;

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

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.

Принцип работы прибора основан на создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направ-

ленного перпендикулярно к лицевым граням образца, измерении толщины об-

7

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 нагревате-

лем и холодильника, выполненных на элементах Пельтье, тепломера, платино-

вых датчиков температуры, устройства преобразования первичных сигналов датчиков, а также источника питания. Охлаждение элементов Пельтье осущест-

вляется вентилятором.

На боковых стенках установки расположены выключатель питания,

клемма заземления, предохранитель и гнёзда для подключения кабеля элек-

тронного 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 от-

счетным 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

На лицевой панели электронного блока размещен графический ЖК-

дисплей и клавиатура, состоящая из шести кнопок: BKЛ (окрашена в красный

цвет), РЕЖИМ, ВВОД,↑↓и ПУСК.

8

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

ного блока.

Микропроцессорное устройство электронного блока обеспечивает изме-

рение 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), производит-

ся 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 изме-

ряемого 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».

При включении прибора на дисплее электронного блока высвечивается

«Выбор режима» с индикацией всех четырех режимов и мигающим значением

«Измерение». Нажатием кнопки ВВОД активировать режим «Измерение».

Режим 2 – Режим «Архив».

9

В режиме «Архив» осуществляется просмотр результатов измерений, ра-

нее записанных в память.

Для перевода прибора в режим «Архив» необходимо из экрана «Выбор режима» кнопками ↓(↑) переместить мигание на «Архив» и кнопкой ВВОД ак-

тивировать режим.

Режим 3 – Режим «Установка часов».

В режиме «Установка часов» осуществляется установка даты и часов реального времени.

Для перевода прибора в Режим «Установка часов» необходимо из экра-

на «Выбор режима» кнопками ↓(↑) переместить мигание на «Установка ча-

сов» и кнопкой ВВОД активировать режим.

Режим 4 – Режим «ПК».

В режиме «ПК» производится передача данных, записанных в архив, на компьютер через СОМ-порт.

Для перевода прибора в режим «ПК» необходимо из экрана «Выбор ре-

жима» кнопками ↓(↑) переместить мигание на «ПК» и кнопкой ВВОД активи-

ровать режим.

Возврат прибора из режимов 1, 2, 3 и 4 к экрану «Выбор режима» произ-

водится нажатием кнопки РЕЖИМ.

2.5.Подготовка прибора к использованию

Подключить электронный блок к установке, обращая внимание на поло-

жение «ключа» на соединительных разъемах.

Убедиться в надежном заземлении корпуса стационарной установки че-

рез клемму защитного заземления « ┴ ».

Подключить сетевой шнур к установке и к сети переменного тока 220В,

50Гц.

Открыть установку (см. рис.), для чего:

- ослабить прижимной микрометрический винт;

10