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)