Міністерство освіти та науки України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

кафедра енергозбереження та енергетичного менеджменту

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторної роботи №__

„Вимірювання коефіцієнта теплопровідності для надтонкого теплового ізолятора”

з курсу:

„Технічна термодинаміка”

Тернопіль – 2007

Укладачі:	Лучейко І.Д., Підгайний Ю.Б.
Рецензент:	к.т.н., доц. кафедри ЕМ Зінь М. М.
Відповідальний за випуск:	Гетманюк В.І., Хомишин В.Г.
Методичні вказівки розглянуті і затверджені на засіданні кафедри “Енергозбереження та енергетичного менеджменту”. Протокол № ___ від “___”______________200__ р.
Методичні вказівки схвалено і рекомендовано до друку методичною радою електромеханічного факультету Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. Протокол № ___ від “___”______________200__ р.

Мета роботи: навчитися визначати коефіцієнт теплопровідності ізоляційних матеріалів при стаціонарному режимі.

1. Теоретичні відомості.

Для зручності процес теплообміну можна поділити на три види:

1. Теполообмін теплопровідністю. Це поширення теплової енергії в тілах безпосереднім дотиканням структурних мікрочасток — молекул, атомів, вільних електронів, якщо тіла перебу­вають у відносно нерухомому стані. В чистому вигляді тепло­провідність трапляється в непрозорих твердих тілах. Здатність тіл і середовищ (рідин і газів) проводити тепло визначає коефіцієнт теплопровідності .

2. Конвективний теплообмін. Тепло переноситься разом з потоком середовища (рідини, газу, пару). При цьому теплообмін між потоком середовища та поверхнею тіла, яка ним омивається, називають тепловіддачею. Інтенсивність тепловіддачі визначає коефіцієнт тепловіддачі .

3. Променистий теплообмін. Теплові промені – це електромагнітні хвилі довжиною 40 – 400 мкм, які, падаючи на поверхні тіл, переважно поглинаються. Теплове випромінювання, або радіація, — це процес поширення теплової енергії за допомогою електромагнітних хвиль крізь про­зоре для теплового проміння середовище. При цьому частина внутрішньої енергії нагрітого тіла перетворюється в променисту енергію, яка, попадаючи на непрозоре тіло, частково знов пере­творюється в теплову енергію.

Якщо теплота передається від одного рідинного чи газового середовища до другого крізь роздільну перегородку, то тут беруть участь усі елементарні способи теплообміну; такий процес називається складним теплообміном, або теплопередачею. Іноді теплообмін розглядають тільки між перегородкою та дотичним до неї середовищем. У даному разі діятимуть в основному кон­векція і радіація, і такий процес називається тепловіддачею. Для зручності розрахунків виділяють основні процеси, а вплив дру­горядних відзначають у кількісній характеристиці основних процесів.

'Теплообмін в апаратах і конструкціях може бути як при усталеному тепловому режимі, так і при неусталеному. Устале­ний, або стаціонарний режим характеризується тим, що темпе­ратура в кожній точці тіла з часом залишається постійною. Неусталений, або нестаціонарний, режим відзначається зміною температури точок тіла з часом.

Неусталений режим може бути однозначним, якщо тіло весь час або нагрівається, або охолоджується. Коли періоди нагрі­вання і охолодження чергуються, тепловий режим буде коливним. Здебільшого теплообмін у технічних розрахунках розглядають при усталеному тепловому режимі, крім випадків, коли спеціально вивчають процеси нагрівання або охолодження тіл.

Деякі процеси переносу теплової енергії супроводяться пере­носом речовини. Наприклад, під час випаровування води в по­вітря, крім теплообміну, має місце і перенесення утворюваної пари в пароповітряній суміші. В цьому випадку відбувається сумісне молекулярне і конвективне перенесення пари, що нази­вається конвективним масообміном. При цьому процес теплооб­міну ускладнюється, і для вивчення його застосовують теорію сумісного тепломасообміну.

Теплопровідність одношарової плоскої стінки

- товщина стіни;

- коефіцієнт теплопровідності стінки;

- температура лівої поверхні стінки;

- температура правої поверхні стінки;

- площа поверхні;

- кількість проведеного тепла.

Рисунок 1. Теплопровідність стінки

На рисунку 1 приведено переріз стінки в координатах . Ліва поверхня має температуру , більшу від температури правої поверхні Т₂. При цьому тепло передається через товщину стінки шляхом безпосередньго контакту між частинами матеріалу, а температура від Т1 до Т2 падає по прямій лінії.

Кількість проведеного тепла , Дж, є пропорційною коефіцієнту теплопровідності матеріалу, різниці температур , площі поверхні стінки , часу та оберненопропорційною товщині стінки .

, (1)

звідки

. (2)

З цього випливає, що коефіцієнт теплопровідності має розмірність Дж·м/(м²·с·К) = Дж/(м·с·К) = Вт/м·К. Прийнявши м², с, К, м з формули (2) отримаємо, що .

Це означає, що коефіцієнт теплопровідності показує кількість тепла, яке проводиться через стінку, товщиною 1 м, між її поверхнями з площами по 1 м², при різниці температур на поверхнях по 1 К. Погано проводять тепло гази та пористі, насичені газом матеріали (таблиця 1).

Таблиця 1. Коефіцієнт теплопровідності

Матеріал	, К	, Вт/м·К
Повітря	173	0,024
Повітря	573	0,046
Димові гази	1273	0,046
Сажа	313	0,066
Накип	373	0,023…2,32
Вода	293	0,6
Скловата	363	0,059
Сталь	373	54,3
Алюміній	373	205
Мідь	373	384

Для стінки, яка має шарів проведене тепло буде дорівнювати:

. (3)

Теплопередачею називають теплообмін між двома середовищами через розділяючу тверду стінку (рисунок 2). Тут одночасно приймають участь два види теплообміну: теплопровідність та двічі тепловіддача. Середовище 1, маючи високу температуру , віддає тепло з інтенсивністю лівої поверхні стінки, яка має температуру . Далі тепло проводиться через стінку з теплопровідністю з пониженням температури до . Від правої поверхні стінки тепло віддається правому середовищу, яке має низьку температуру з інтенсивністю .

Рисунок 2. Теплопередача через плоску стінку

Через 1 м² поверхні стінки за 1 с передається от середовища 1 до середовища 2 , Дж, тепла. Запишемо рівняння цього тепла по елементах схеми:

; ; .

Різниця температур

; ; .

Просумувавши праві та ліві частини попередніх виразів, отримаємо:

, (4)

звідки

, (5)

або

,

де - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м² К).

,

звідки

. (6)

При м² , с, К маємо, що . Це означає, що коефіцієнт теплопередачі показує кількість теплоти, Дж, яка передається через 1 м² поверхні стінки за 1 с від одного середовища до іншого при різниці температур 1 К.

Для стінки, яка має шарів, коефіцієнт теплопередачі розраховується за наступною формулою:

. (7)