Определение коэффициента теплопроводности изоляционного материала методом трубы

1. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
(МИИТ)
2014
1

2.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
(МИИТ)
КАФЕДРА «ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ВОДОСНАБЖЕНИЕ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ»
кандидат технических наук, с.н.с. Сокольский А.К.
«Термодинамика и теплотехника»
для студентов 3 курса специальности
190300.65 «Подвижной состав железных дорог»
Профили: Локомотивы, Вагоны, Технология производства и ремонта подвижного
состава, Электрический транспорт железных дорог
Методические материалы к лабораторным работам
2014
Москва - 2014
2

3. Лабораторная работа №1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ТРУБЫ

2014
3

4.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ называется явление передачи теплоты более нагретых
частиц тела к менее нагретым путем непосредственного их соприкосновения,
обусловленное тепловым движением молекул или атомов вещества, а в металлах –
свободных электронов.
Теплопроводностью называется также количественная характеристика способности
тела проводить тепло. В сравнении тепловых цепей с электрическими это аналог
проводимости.
Способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом
теплопроводности (удельной теплопроводностью). Коэффициент теплопроводности
равен количеству теплоты, которое проходит через стенку площадью 1 м2 в единицу
времени при разности температур на поверхностях стенки в один градус при толщине
стенки 1 м. Значение коэффициента теплопроводности различных материалов находят
обычно опытным путем.
Для определения коэффициента теплопроводности на стационарном режиме
пользуются методами плиты, трубы и шара. В данной лабораторной работе использован
метод трубы.
l
d2
2014
d1
1'
2'
3'
4'
1
2
3
4
4

5.

d2
Q ln
d1
Вт /( м K )
2 l (t1 t2 )
где Q – тепловой поток, Вт
t1, d1, t2, d2 – соответственно температура и диаметр внутренней и наружной
поверхностей трубы, м
l – длина трубы в м.
Исходные данные ln d2/d1=0.69
l = 0.63 м
Q=W=I·U

6.

№ п/п
1
2
3
2014
U,В
35
65
110
I,А
1,5
2,5
4
W,Вт
tвн,oC
tнар,oC
75
74
74
76
41
42
43
42
120
125
125
130
56
60
66
60
215
220
220
225
75
80
85
80
tвн.ср,oC
tнар.
ср,oC
λ,Вт/м·К

7. Лабораторная работа №2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРИ СВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ ВОЗДУХА

2014
7

8.

Естественной конвекцией называется перемещение частиц жидкости и газа,
обусловленное разностью их плотностей.
При естественной конвекции нагретые объемы теплоносителя поднимаются,
охладившиеся - опускаются. Величина, характеризующая интенсивность
теплообмена между средой и поверхностью называется коэффициентом
теплоотдачи.
Коэффициент теплоотдачи αк показывает, какое количество теплоты передается
от жидкости (греющего тела) к стенке или наоборот в единицу времени через
единицу поверхности при разности температур между поверхностью стенки и
жидкостью в 1 К.
От коэффициента теплоотдачи зависят потери тепла или тепловосприятие
поверхностей, имеющих температуру, отличную от температуры окружающей
среды, а также размеры поверхностей нагрева (охлаждения) теплообменных
аппаратов.
Количество тепла, которое отдает боковая поверхности цилиндра (трубы)
конвекцией в единицу времени, определяется по формуле:

9.

Qк к (tст tвозд) d l
где αк - коэффициент теплоотдачи конвекцией Вт/(м2·К);
tст - средняя температура поверхности стенки, °С;
tвоз – температура окружающего воздуха, °С;
d - наружный диаметр трубы, м;
l - длина трубы, м.
Помимо теплоотдачи конвекцией всякое нагретое тело отдает тепло лучеиспусканием:
Tст 4 Tв озд 4
Qл Спр (
) (
) d l
100
100
где Тст - температура стенки, К;
Твозд – температура среды, К;
d - наружный диаметр трубы, м;
l - длина трубы, м;
Спр - приведенный коэффициент лучеиспускания системы, Вт/м2·К4.
В данном случае излучает цилиндр, поверхность которого значительно меньше
поверхности окружающих тел, и Спр можно рассчитать по формуле:

10.

В данном случае излучает цилиндр, поверхность которого значительно меньше
поверхности окружающих тел, и Спр можно рассчитать по формуле:
вт
Спр Со
С 0 5,75 2 4
м К
где ε - степень черноты цилиндра (трубы);
Со - постоянная Стефана - Больцмана.
Полное количество тепла, отдаваемое цилиндром, будет:
Откуда
Qп Qк Qл
Qк Qп Qл
l
d
t1
t2
t3
t4

11.

Исходные данные для проведения лабораторной работы:
t воздуха – 20 0С
d = 12,5 мм =12,5·10-3=0,0125 м
l =470 мм=470·10-3=0,47 м
ε = 0,15 – степень черноты цилиндра

12.

№ п/п
U,В
I,А
W,Вт
tст,oC
tст ср,oC
Qл, Вт
Qк, Вт
α к,
Вт/м2·К
1
2
3
2014
0,6
0,8
1,12
13,7
18,1
24,7
73
75
74
74
100
101
103
100
137
138
139
135

13. Лабораторная работа № 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЛУЧЕИСПУСКАНИЯ ТВЕРДОГО СЕРОГО ТЕЛА И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ

2014
2012
13

14.

Тепловым излучением (лучеиспусканием) называется явление переноса тепловой
энергии в виде электромагнитных волн.
Лучеиспускание свойственно всем телам. Во время нагревания часть их тепловой энергии
неизбежно превращается в лучистую, количество которой зависит от температуры тела.
Для теплового излучения существует ряд основных законов, одним из которых является
закон Стефана - Больцмана. Согласно этому закону количество энергии, излучаемое
абсолютно черным телом, пропорционально четвертой степени его
абсолютной
температуры:
T
Eo σ o T 4 Co
100
4
где σ0 - константа излучения, Вт/(м2·К4)
С0 - коэффициент лучеиспускания, Вт/(м2·К4)
Для абсолютно черного тела коэффициент лучеиспускания
Со = 5,67 Вт/(м2·К4)
2014

15.

Для серых тел он меньше коэффициента лучеиспускания абсолютно черного тела: С<С0.
Кроме того, он зависит от температуры.
Для оценки излучательной способности серых тел вводят понятие степени черноты
поверхности тела ε, представляющей собой отношение излучательной способности серого
тела Е к излучательной способности абсолютно черного тела Е0. При одинаковой
температуре поверхностей тел величину ε находят по отношению коэффициентов лучеиспускания:
C
Co
Поэтому, степень черноты характеризует собой излучательную способность серого тела
по отношению к излучению абсолютно черного тела при той же температуре.
Одним из самых простых методов определения коэффициента лучеиспускания является
метод сравнения теплоотдачи испытуемого тела с теплоотдачей абсолютно черного или
серого тела с известной степенью черноты поверхнос-ти. Этот метод и использован в
данной работе.

16.

В опытной установке взяты два одинаковых по форме, чистоте обработки и размерам тела
(диска) D1= D2 =0,15 м из разного материала, имеющих температуры выше температуры
окружающей среды. Они отдают теплоту, как путем конвекции, так и путем излучения. В
этом случае полное количество энергии, отдаваемое каждым телом окружающей среде,
равное сумме количеств теплоты, отдаваемых конвекцией и лучеиспусканием, т. е.
Q1 Qл1 Qк1
Q2 Qл 2 Qк 2
При одинаковых условиях теплообмена и равных температурах поверхностей тел
количество теплоты, отдаваемое каждым из тел конвекцией, одинаково: Q1к=Q2к.
Тогда
Tв 4
Tпов 4
Q1 Q2 Qл1 Qл 2 (С1 С2 ) (
) (
) F
100
100
где С1 - коэффициент лучеиспускания твердого тела, степень черноты ε1 которого
известна (С1=ε1С0);
Тпов и Тв - соответственно абсолютная температура поверхности тела и окружающего
воздуха, К;
F – площадь излучающей поверхности тела, м2.
Откуда
Q Q
C2 C1
2014
1
2
Tв 4
Tпов 4
(
)
(
) F
100
100
Исходные данные: tв=20oC; ε1= 0,95 Со=5,67 Вт/(м2·К4)

17.

t пов,
оС
t в,
оС
Q1, Вт
Q2, Вт
99
20
156
150
T пов,
К
372
T в,
К
F, м2
ε1
293
С1
С2
0,95
Так как тело представляет собой круглый диск, площадь излучающей поверхности
определяется по формуле:
D2
F
4
Коэффициент лучеиспускания черного тела (диска) определяется по формуле:
С1 1 С0
Степень черноты серого тела можно определить по формуле:
С2
2
С1
2014
ε2

18. Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

2014
18

19.

Влажный воздух – это смесь чистого сухого воздуха с водяным паром.
По закону Дальтона давление влажного воздуха р равно сумме парциальных
давлений сухого воздуха рсв и пара рп, находящегося в объеме влажного
воздуха.
Абсолютной влажностью воздуха называют массу-m, кг водяного пара в 1
куб.м влажного воздуха.
Влагосодержанием d влажного воздуха называется количество водяного
пара в граммах на 1 кг сухого воздуха.
Относительной влажностью воздуха φ называется отношение имеющегося
влагосодержания dим к максимально возможному dmaxвозм при той же
температуре:
dим
d max в оз
100 0 0
Технические расчеты процессов с влажным воздухом производятся обычно
по диаграмме id-диаграмме влажного воздуха, которая строится для
определенного давления.
2014
19

20.

-d диаграмма влажного воздуха для данного барометрического давления строится в косоугольной системе координат
с углом между осями I и d, равным 135º. Такой выбор системы координат позволят наглядно разместить на
диаграмме все необходимые линии:
d = const –линии постоянных влагосодержаний, характеризующие процессы изменения состояния влажного воздуха
без изменения количества влаги в воздухе;
I = const – линии постоянных теплосодержаний (энтальпий), или адиабаты, характеризующие процессы изменения
состояния влажного воздуха без подвода тепла;
t = const - линии постоянных температур, или изотермы, характеризующие процессы изменения состояния влажного
воздуха при постоянной температуре;
φ = const – линии постоянных относительных влажностей.Линия φ = 100% называется линией насыщения и делит
диаграмму на две зоны. Зона, лежащая выше кривой насыщения, соответствует ненасыщенному состоянию воздуха
(φ < 100%). Зона, лежащая ниже кривой, называется зоной тумана, так как в воздух в этой зоне не только насыщен,
но и содержит туман (мельчайшие капельки сконденсированной влаги). Любая точка на диаграмме определяет
состояние влажного воздуха и позволяет определить все его параметры. Точки, лежащие на линии насыщения,
называются точками росы.

21.

Задание:
1. t=500C
φ=30%
d=
p=
i=
2. t=300C
d=16
p=
φ=
i=
3. d=24
φ=80%
p=
t=
i=

22. Лабораторная работа № 5 ИЗМЕРЕНИЕ СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ПОМЕЩЕНИЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

2014
2012
22

23.

Кср
Q
Вт
, 2
Fср t м К
где Q – мощность источника нагрева, Вт;
Fср- средняя площадь поверхности ограждения, м2;
Fср ( Fнар Fв н ) / 2
где Fнар и Fвн – соответственно наружная и внутренняя площади помещения , м2;
Δt – перепад между температурой внутри помещения tвн и снаружи tнар, 0С
t tвн tнар ,о С
1 n
tв н ti
n 1
2,7
Исходные данные:
tнар=15 оС
tвн=25 оС
2,7
3
3

24. Лабораторная работа № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ

2014
2012
24

25.

Воздушное отопление проектируют для обеспечения допустимых параметров воздуха
в обслуживаемой (рабочей) зоне помещений различного назначения. В качестве
теплоносителя для обогрева помещений используется наружный воздух. Для его
обогрева применяют калорифер, а для перемещения - электровентилятор.
Количество тепла, получаемое от электровентилятора, вычисляется по формуле:
Qот 0,278 Lв св в (tвых tвх ), Вт
где Qот- тепло, получаемое от электровентилятора, Вт;
Lв- расход воздуха через электровентилятор, м3/час;
св- средняя теплоемкость воздуха, св = 1,005 кДж/кг·оС=1 кДж/кг·оС;
ρв- плотность воздуха, кг/м3; ρв=1,16 кг/м3;
tвых, tвх- соответственно температура на выходе из электровентилятора и на входе (в
помещении);
Расход воздуха определяется по формуле:
Lв 3600 Vв Fв , м3 / ч
где Vв- скорость воздуха в вентиляторе, м/с;
Fв- площадь сечения, в котором производилось измерение скорости вентилятора, м2:
Fв d 2 / 4
d - диаметр выходного отверстия: d =0,1 м

26.

Результаты измерений и вычислений записываются в таблицу
Режим
св,
кДж/кг·оС
ρв,
кг/м3
Скорость
Vв, м/с
I
1
1,16
II
1
1,16
Fв,м2
Расход
Lв, м3/ч
t на
входе
t на
выходе
0,5
20
33
1,0
20
35
Q, Вт

27. Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХОЛОДИЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

2014
2012
27

28.

Схема установки приведена на рисунке. Установка содержит компрессор,
конденсатор, дроссель и испаритель. Рабочим телом является фреон.
Конденсатор
2
3
Дроссель
Компрессор
4
1
Испаритель
Пары фреона сжимаются компрессором до давления р2 и температуры t2. В состоянии т.2 на
входе в конденсатор температура паров оказывается выше температуры окружающего воздуха,
поэтому пары отдают тепло через конденсатор в окружающую среду, а сами охлаждаются до
состояния т.3. В дроссельном вентиле давление паров насыщенного фреона снижается до р 4, а
температура до t4. В этом состоянии пар поступает в испаритель, где испаряется, отнимая тепло
от окружающего воздуха. Термодинамический цикл установки состоит, таким образом, из
адиабатного процесса сжатия пара фреона в компрессоре 1-2, изобарного охлаждения пара (в
том числе конденсации) в процессе 2-3, протекающем в конденсаторе, процесса дросселирования 3-4 и изобарного процесса подвода тепла (парообразования) 4-1 в испарителе.

29.

Холодильный коэффициент установки вычисляется по формуле:
i1 i4
i2 i1
где i1, i2- энтальпии пара, соответственно, в начале и в конце адиабатического
сжатия в компрессоре, кДж/кг;
где i3, i4- энтальпии, соответственно, до и после дроссельного вентиля, кДж/кг;
Коэффициент полезного действия установки вычисляется по формуле:
i1 i4
т
(i2 i1 ) (i3 i2 )
Значения в скобках берутся по модулю.
точка 1
точка 2
точка 3
точка 4
Температура, t, оС
-24
51
26
-26
Давление, р, атм
1,2
12
12
1,2
Энтальпия, i, кДж/кг
115
123
85
85