Определение коэффициента теплопроводности сыпучих материалов методом трубы

Нижегородский Государственный Технический Университет Им. Р.Е. Алексеева.

Кафедра: «Процессы и аппараты химической и пищевой промышленности»

Отчет по лабораторной работе№1

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ТРУБЫ»

Выполнил: Борисов С. Г.

Студент группы 08-А1

                                                                Проверила:  Зимина Т.М.

Нижний Новгород 2010 год.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.   Изучение процесса теплопроводности.

2.   Усвоение методики экспериментального определения коэффициента теплопроводности твердых тел.

3.   Получение навыков в проведении эксперимента.

    При    выполнении    настоящей    работы должны быть усвоены: физическая сущность процесса теплопроводности; понятия температурного поля и градиента температуры; содержание основного закона теплопроводности — закона Фурье и его приме­нение к цилиндрическим и плоским (см. лаб. работу № 2) стенкам; понятия плотности теплового потока, термического сопротивления стенки, коэффициента теп­лопроводности и методы его определения.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Теплопроводность—это процесс переноса теп­лоты при непосредственном соприкосновении частей те­ла или отдельных тел с различной температурой, обус­ловленный тепловым движением микрочастиц вещества. При этом в газах перенос теплоты происходит путем диффузии молекул и атомов, в жидкостях и твердых телах-диэлектриках - путем упругих волн. В металлах теплопроводность в основном осуществляется путем диффузии свободных электронов; роль упругих колеба­нии кристаллической решетки здесь имеет второстепен­ное значение.

Процесс теплопроводности может иметь место толь­ко при условии, что в различных точках тела темпера­тура неодинакова. Для характеристики распределения и изменения температуры внутри тела используются по­нятия температурного поля и градиента температуры.

Совокупность значений температур во всех точках тела для каждого момента времени называется темпе­ратурным полем. В общем случае температура t является функцией координат х, у, z и времени х и уравнение температурного поля имеет вид

t =f(x, у, z, х).

При этом, если температура зависит от времени, то по­ле называется нестационарным. Если же тем­пература во времени не меняется, то температурное по­ле называется стационарным и отвечает устано­вившемуся тепловому режиму.

Температурное поле может быть одно-, двух- и трех­мерным. Наиболее простой вид имеет уравнение одно­мерного стационарного поля:

t=f(x)

Если соединить все точки тела с одинаковой температурой то, получим поверхность равных температур, называемую изотермической.

Градиент температуры характеризует перепад температуры на единицу длины нормали в данной точке изотермической поверхности и является вектором, направленным по нормали в сторону возрастания температуры.

Основной закон теплопроводности - закон Фурье - устанавливает, что количество теплоты, передаваемой теплопроводностью через изо­термическую поверхность, пропорционально градиенту температуры, времени и площади поверхности.

    Математическое выражение закона Фурье, называе­мое уравнением теплопроводности, можно записать в таком виде:

Q=

Здесь Q —количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность F, называется тепловым потоком, Вт (1Вт=1Дж/с);

dF— элемент изотермической поверхности, м2;

-величина градиента температуры, K/м.

Тепловой поток, отнесённый к единице площади изотермической поверхности, q, Вт/м2, называется плотностью теплового потока:

q=dQ/dF=-λdt/dn

Соответственно этому выражению основной закон теплопроводности формулируется следующим образом: плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры.

Множитель пропорциональности λ в уравнении называется коэффициентом теплопроводности, который является физическим свойством вещества, характеризующим способность вещества проводить теплоту. Его размерность и содержание вытекают непосредственно из закона Фурье:

Следовательно, коэффициент теплопроводности чис­ленно равен тепловому потоку, проходящему через еди­ницу изотермической поверхности при градиенте темпе­ратуры, равном единице.

Для разных веществ коэффициент теплопроводности различен и зависит от рода вещества, структуры, плот­ности, давления и температуры.

Низкой теплопроводностью характеризуются газы и жидкости. Коэффициент теплопроводности газов и па­ров лежит в пределах от 0,01 до 0,6 Вт/м.К. У газов он увеличивается с повышением температуры, а от давле­ния практически не зависит. С уменьшением молекуляр­ной массы газа коэффициент теплопроводности увели­чивается. Для паров λ возрастает с увеличением температуры и давления. Коэффициент теплопроводности жидкостей находится в пределах от 0,07 до 0,7 Вт/м.К. С повышением температуры λ жидкостей убывает; исключение состовляют вода и глицерин.

Поскольку при распространении теплоты температу­ра вещества меняется, то, выбирая коэффициент тепло­проводности, прежде всего нужно учитывать его зави­симость от температуры t. Опыт показывает, что эту зависимость для большинства веществ можно принять линейной:

,

   где λ0 — коэффициент теплопроводности при 0°С;

   b- постоянная, определяемая опытом.

В данной работе рассматриваетсяметод трубы применительно к сыпучим теплоизоляционным материалам.

ЗАДАНИЕ

Определить коэффициент теплопроводности исседуемого материала.

По опытным данным установить зависимость коэффициента теплопроводности от температуры материала.

Сравнить полученные результаты опыта с литературными данными.

Составить отчёт по выполненой работе.

ОПЫТНАЯ УСТАНОВКА

Принципиальная схема установки для определения коэффициента теплопроводности сыпучих теплоизоляционных и строительных материалов методом трубы изображена на рис.1.

1,2.3-внутренние термопары;

4,5,6-наружние термопары;

7-исследуем ый материал;

8-наружняя труба;

9-внутренняя труба;

10-пробка;

11-электрический нагреватель;

12-вольтметр;

13-амперметр;

14-лабораторный автотрансформатор;

15-потенциометр;

16-двухполюсный переключатель;

17-сосуд с тающим льдом;

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

После изучения методики и ознакомления с опытной установкой необходимо:

1.       Заготовить форму журнала для записи наблюдений (таблица 1,  2).

2.       Проверить наличие льда в сосуде для свободного конца термопар.

3.       Приступить к проведению измерений.

Таблица 1

Форма журнала наблюдений

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА 1

I=94·0,025A=2,35A;

W=I·ΔU=110,45Bm

ΔU=47B

t=(t1+t2)/2=154

𝜆=0,331+0,29··t=0,331+0,29.10-3.154=0,375

=22мм; =57.6мм; Q=W=110.45 Вт; l=500мм

𝜆=  =    = 

Таблица 2

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА 2

I=50·0,025A=1,25A;

W=I·ΔU=30,625Bm

ΔU=24,5B

t=(t1+t2)/2=61

𝜆=0,331+0.29··61=0,349

=22мм; =57,6мм; Q=W=30,6 Вт; l=500мм

𝜆=  =    = 

Вывод: в ходе этой лабораторной работы мы изучили процесс теплопроводности, усвоили методику экспериментального определения коэффициента теплопроводности твердых тел. приобрели навыки в проведении экспериментальных работ.

Построив график зависимости коэффициента теплопроводности от средней температуры исследуемого материала, убедились, что эта зависимость имеет линейный характер. Так же из графика видно, что полученные в опытах значения 𝜆 исследуемого материала близки к имеющимся данным в литературе (см. прил. 2).