ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Р.Е. АЛЕКСЕЕВА ДЗЕРЖИНСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) Кафедра «Процессы и аппараты химической и пищевой технологии» ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ТРУБЫ Методические указания к лабораторной работе по курсам «Техническая термодинамика и теплотехника», «Теплотехника» для студентов специальностей 220301.65, 240801.65, 260601.65, 260602.65 всех форм обучения Нижний Новгород 2007 Составители: Р. П. Шпаковский, А. С. Ригин, А. М. Петровский УДК 536.2 Определение коэффициента теплопроводности сыпучих материалов методом трубы: метод. указания к лаб. работе по курсам «Теплотехника и техническая термодинамика», «Теплотехника» для студентов специальностей 260601, 260602, 240301, 240401, 240801 всех форм обучения /НГТУ; Сост.: Р. П. Шпаковский, А.С. Ригин, А.М. Петровский. - Н. Новгород, 2007.-14 с. Приведены общие сведения из основ теории теплопроводности. Изложена методика проведения работы и обработки опытных данных. Редактор В. И. Бондарь Подп. в печ.__.__.07. Формат 60x80 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,8. Уч.-изд. л. 0,6. Тираж 100 экз. Заказ ___. Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Н. Новгород, ул. Минина, 24. ©Нижегородский государственный технический университет, 2007 2 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Целью работы является: - экспериментальное определение численных значений коэффициента теплопроводности сыпучего материала; - исследование зависимости коэффициента теплопроводности от температуры. 2. КРАТКИЕ ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Под процессом т е п л о п р о в о д н о с т и понимают термодинамически необратимый процесс переноса теплоты в сплошной среде либо между некоторыми средами, находящимися в непосредственном контакте. В отличие от теплового излучения теплопроводность не связана со свободным потоком квантов энергии (фотонов) в пространстве. При теплопроводности энергия в виде тех же квантов предается от одной микроструктуры (например, молекулы, атома, находящегося в кристаллической решетке) к другой, соседней (например, соседнему атому). В этом смысле часто говорят, что при теплопроводности перенос тепла происходит при непосредственном соприкосновении частей тела (тел). С феноменологической точки зрения необратимый процесс переноса теплоты требует наличия разности температур. Наиболее надежно значение коэффициентов теплопроводности определяется экспериментально. Имеющиеся расчетные физические модели дают менее точные, либо просто приближенные, оценочные значения. Физическая модель теплопроводности в газах связывает этот процесс со столкновением молекул и тем самым с их беспорядочным движением, поскольку именно в результате сближения молекул газа на весьма близкое расстояние станет возможной передача кванта энергии. Для жидкостей и твердых тел (диэлектриков) используют фононную модель теплопроводности. В металлах теплопроводность в основном осуществляется благодаря хаотическому движению («диффузии») свободных электронов. Основы феноменологической теории теплопроводности были заложены Фурье. В ней использованы представления векторного анализа. Совокупность значений температур во всех точках тела для каждого момента времени называется т е м п е р а т у р н ы м п о л е м . В общем случае температура t является функцией координат и времени τ и уравнение температурного поля имеет вид t = f ( x , y , z , τ) . Здесь взята система прямоугольных координат х, у, z. Если температура зависит от времени, то поле называется н е с т а ц и о н а р н ы м . Если же температура во времени не меняется, то температурное поле называется с т а ц и о н а р н ы м и отвечает установившемуся тепловому режиму. 3 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 и з о т е р м и ч е с к о й . Пересечение изотермических поверхностей плоскостью дает на ней семейство изотерм (рис. 1.). Изменение температуры в теле происходит лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности, и наибольший перепад температуры на единицу длины имеет место в направлении нормали n к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры ∆t к расстоянию между изотермами по нормали ∆п называется градиентом температуры: lim(∆t / ∆n) ∆n→0 = ∂t / ∂n , К/м. Градиент температуры характеризует перепад температуры на единицу длины нормали в данной точке изотермической поверхности. Он является вектором, направленным по нормали в сторону возрастания температуры. В общем случае grad(t) может изменяться по изотермической поверхности. Основной закон теплопроводности — з а к о н Фурье — d Qτ , передаваемой устанавливает, что количество теплоты теплопроводностью через элементарную площадку изотермической поверхности dF за время dτ , пропорционально градиенту температуры, времени и площади поверхности. d Qτ = −λgrad(t ) dFdτ . (1) В Международной системе единиц (СИ) количество теплоты измеряется в джоулях (Дж), раньше для этой цели использовали килокалорию (ккал): 1 ккал = 4186,8 Дж. Количество теплоты d Qτ , отнесенное к величине площадки dF и промежутку времени dτ , называют п л о т н о с т ь ю п о т о к а т е п л а в данной точке: q= d Qτ , dFdτ (2) Закон Фурье может быть записан в виде q = −λgrad(t ) = −λ∇t . (3) Вместо символа grad может быть использован символический вектор ∇ (набла, или оператор Гамильтона): Рис. 1. Изотермические поверхности и расположение векторов grad(t) и q ∇= ∂ r ∂ r ∂ r i+ j+ k. ∂x ∂y ∂z 4 Знак «минус» в уравнениях теплопроводности (1), (3) объясняется тем, что теплота передается в направлении уменьшения температуры, т. е. векторы d Qτ и q направлены противоположно температурному градиенту (рис. 1). Уравнение Фурье часто пишут в проекциях на какое-либо направление. Наиболее часто используют проекции на направление нормали n к изотермической поверхности в данной точке. В последнем случае вместо уравнения (3) имеем q = −λ dt . dn (4) Коэффициент пропорциональности λ в уравнении (4) называется коэффициентом т е п л о п р о в о д н о с т и . Этот коэффициент является физическим свойством вещества, характеризующим способность вещества проводить теплоту. Его размерность и содержание вытекают непосредственно из закона Фурье: λ=− Q , Вт/(м⋅К) F ∂t ∂n 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. Численные значения коэффициента теплопроводности определяются, как правило, опытным путем при помощи специальных приборов и даются в виде справочных таблиц или графиков, которые используются при расчетах. Чтобы судить о способности тел проводить теплоту, полезно знать пределы изменения коэффициента теплопроводности λ. 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 составляют вода и глицерин. Для строительных и теплоизоляционных материалов (материалы с λ<0,25 Вт/(м⋅К), применяемые для тепловой изоляции) коэффициент теплопроводности лежит в пределах от 0,02 до 3,0 Вт/(м⋅К). С повышением температуры он возрастает и, кроме того, значительно зависит от структуры, пористости (объемной плотности) и влажности. Коэффициент теплопроводности пористых и порошкообразных тел уменьшается с увеличением пористости (уменьшением объемной плотности), так как λ 5 заполняющего поры воздуха значительно меньше, чем λ твердых компонентов пористого материала. Поэтому для понижения λ теплоизоляционные материалы изготавливаются пористыми (шлаковата, стекловата и др.). Теплопроводность пористых материалов значительно возрастает с увеличением их влажности, т. е. при заполнении воздушных пор водой, которая в 20-25 раз лучше проводит теплоту, чем воздух. Наибольшей теплопроводностью обладают металлы: для них λ имеет значения от 10 до 418 Вт/(м⋅К). При наличии примесей коэффициент теплопроводности металлов уменьшается. С повышением температуры он уменьшается для большинства чистых металлов и увеличивается для большинства сплавов. Значения коэффициентов теплопроводности некоторых материалов приведены в приложении. 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: λ = λ 0 (1 + bt ) , где λ 0 — коэффициент теплопроводности при 0°С; b — постоянная, определяемая опытом. Экспериментальные методы определения коэффициента теплопроводности весьма разнообразны и делятся на две группы: стационарного режима и нестационарного режима. В методах стационарного режима для тел простой формы (пластины, цилиндрического слоя, шара) реализуют постоянство теплового потока Q во времени и по направлению ( Q = d Qτ dτ ). При этом используют симметрию этих тел, сводя задачу распространения тепла к наиболее простому случаю – к одномерности. Температура при этом изменяется лишь в направлении одной координаты. Для пластины это координата, направленная поперек пластины по ее толщине, для шара или цилиндрического слоя – радиальные координаты. Стационарные способы просты по используемому методу и в обработке и не сложны в практическом осуществлении. Их главные недостаток – большая затрата времени при выходе на асимптотический установившийся режим. Этот недостаток особенно заметен при снятии температурной зависимости коэффициента теплопроводности. В нестационарных способах, использующих метод регулярного режима, тоже, как правило, используют тела простой геометрической формы. Теплофизические характеристики тела, а также коэффициент теплоотдачи от его поверхности к внешней среде предполагаются постоянными. В процессе эксперимента фиксируют непрерывное изменение температуры во времени в процессе охлаждения либо нагревания тела. 6 М е т о д т р у б ы (неограниченного цилиндрического слоя) основан на законе теплопроводности цилиндрической стенки при стационарном режиме. В этом случае исследуемому материалу придают форму цилиндрического слоя – трубы (рис. 2). Внутренняя и наружная поверхности поддерживаются при постоянных температурах t1 и t2, причем t 1> t2. В этом случае температура изменяется только в направлении радиуса r и температурное поле будет одномерным t = f (r ) , а изотермические поверхности – цилиндрическими, имеющими общую ось. При стационарном режиме тепловой поток Q, Вт, проходящий через цилиндрический слой (стенку) однородного материала с постоянным коэффициентом теплопроводности, определяется по следующей формуле, Рис. 2. Теплопроводность которая выводится (см. в рекомендуемой литературе) на цилиндрической основе закона Фурье из уравнения (2): стенки Q=− π(t1 − t 2 )l 1 d , ln 2 2λ d1 (5) где λ — коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м⋅К); l — длина цилиндрического слоя, м; d1, d2 — внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя, м; t1, t2 — температуры внутренней и наружной поверхностей цилиндрического слоя, °С. Выражение 1 d ln 2 2λ d1 называется термическим сопротивлением цилиндрической стенки (слоя). Как видно из формулы (5), изменение температуры по толщине однородной цилиндрической стенки при постоянной величине выражается логарифмической кривой (рис. 2). В случае линейной зависимости коэффициента теплопроводности λ от температуры t значение λ в формуле (5) соответствует средней температуре из граничных температур слоя t = 0,5(t1 + t 2 ) . Если измерить при опыте тепловой поток Q и температуры t1 и t2, то, зная длину l и диаметры d1 и d2 цилиндрического слоя исследуемого материала, из формулы (5) можно определить значение коэффициента теплопроводности d2 d1 λ= . 2πl (t1 − t 2 ) Q ln 7 3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Принципиальная схема установки для определения коэффициента теплопроводности сыпучих материалов методом трубы изображена на рис. 3. Исследуемый материал 7 засыпается в пространство между двумя соосно расположенными трубами и образует цилиндрический слой. Наружная труба 8 установлена на двух кернах, а внутренняя 9 центрирована в ней с помощью сегментов из асбоцемента. Торцы труб закрыты пробками 10 из теплоизоляционного материала. Рис. 3. Схема опытной установки для определения коэффициента теплопроводности методом трубы Цилиндрический слой исследуемого материала имеет следующие размеры∗: – внутренний диаметр d1 = 22 мм; – наружный d2 = 52 мм; – длина l = 1000 мм. ---------------------------∗ Указанные размеры приводятся для установки, находящейся в лаборатории 3105 кафедры ПАХПТ. Для опытной установки в лаборатории 1344 размеры указаны на лабораторном стенде, при этом смотри также описание, схему и форму журнала наблюдений в рекомендуемой литературе [6]. 8 Во внутренней трубе равномерно по длине размещен электрический нагреватель 11 в виде спирали из нихромовой проволоки, создающий равномерный обогрев материала. При стационарном тепловом режиме вся теплота, выделяемая нагревателем, проходит через слой исследуемого материала и отдается окружающей среде через поверхность внешней трубы. Поэтому количество проходящей теплоты через слой материала соответствует мощности электронагревателя, которая определяется по показаниям ваттметра 12. Изменение мощности нагревателя производится с помощью лабораторного автотрансформатора 13. Температуру исследуемого материала измеряют шестью термоэлектрическими преобразователями 1 – 6, в качестве которых служат хромель-копелевые термопары. Значения температур регистрируют прибором (А-565) 14, имеющим компенсацию температуры свободных концов термоэлектрических преобразователей. При плотной засыпке исследуемого материала можно считать, что температура его слоя, непосредственно прилегающего к поверхности стенки трубы, равна температуре этой стенки. Потому спаи термопар заделываются на поверхностях труб. Способ закладки одного из спаев термопар показан на рис. 4. В стенке трубы фрезеруется канавка шириной 1...1,5 мм, глубиной 0,6…0,8 мм и длиной 40...50 мм. Термопары на некотором протяжении должны быть проложены вдоль изотермических поверхностей, чтобы уменьшить отвод теплоты от точек измерения. Поэтому канавки в данном случае расположены параллельно оси трубы. Электроды термопар 2 предварительно изолируются с помощью двухканальной Рис. 4. Схема закладки спаев термопар фарфоровой соломки 3 и укладываются в канавку. Спай термопары 1 зачеканивается в стенке трубы как можно ближе к самой поверхности трубы, а затем вся термопара закрепляется в канавке с помощью специальной замазки 4. Температура поверхностей определяется по среднему значению соответствующих температур. 4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ Все измерения производятся при строго установившемся тепловом режиме, характеризующемся неизменностью показаний приборов во времени. Для достижения стационарного теплового режима на данной установке требуется значительный промежуток времени (2,0...2,5 ч), поэтому установка включается лаборантом заблаговременно. При включении установки лаборант проверяет правильность включения и настройки измерительных приборов и устанавливает указанную преподавателем мощность электронагревателя для первого температурного режима. 9 При наступлении стационарного теплового режима производят замеры температуры внутренней и наружной поверхностей слоя сыпучего материала с интервалами во времени 4-5 минут. Опыт для данного режима считается законченным после того, как показания температур соответствующей поверхности на протяжении трех замеров остаются неизменными. Если преподавателем задается установление зависимости коэффициента теплопроводности от температуры λ = f (t ) , то необходимо проведение опытов при трех-четырех значениях мощности нагревателя. Результаты заносят в табл. 1 2 3 4 5 6 Коэффициент Теплопроводности λ, Вт/(м⋅К). 1 № термопары Мощность нагревателя W, Вт № термопары Температура внутренней поверхности слоя, ºС. Расчетная температура t, ºС № замера № опыта Температура наружной поверхности слоя, ºС. Расчетная температура t, ºС Т а б л и ц а 1.Экспериментальные и расчетные величины Мощность электронагревателя рекомендуется изменять в пределах от 20 до 100 Вт. 5. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ НА УСТАНОВКЕ При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать правила, изложенные в инструкции по охране труда в лаборатории. Включение и выключение электропитания установки, а также изменение величины мощности электронагревателя проводится только преподавателем или лаборантом. 6. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Используя опытные данные, вычисляют значения следующих величин. 10 Коэффициент теплопроводности d2 d1 λ= , 2πl (t1 − t 2 ) Q ln где t1 и t2 — температуры на внутренней и наружной поверхностях цилиндрического слоя исследуемого материала, °С; l — длина расчетного участка цилиндрического слоя, м; dl и d2 — его внутренний и наружный диаметры, м Средняя температура исследуемого материала t= t1 + t 2 2 Если по заданию преподавателя эксперимент проводится при различных значениях мощности нагревателя, то по данным табл. 1 строят графическую зависимость λ = f (t ) . Полученные значения λ сопоставляют с литературными данными, приведенными в приложении. 7. ВЫВОДЫ В выводах необходимо пояснить вид экспериментальных графических зависимостей и причины отклонения опытных значений от полученных по справочным данными. 8. ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ Содержание отчета по работе должно включать: титульный лист, наименование и цель работы, схему установки с обозначением оборудования и приборов, расчетные уравнения, таблицу опытных и расчетных величин, пример расчета, графические зависимости, выводы. 9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое теплопроводность? Физические модели теплопроводности в телах различного агрегатного состояния. 2. Что называется температурным полем? Написать его уравнение в общем виде. 3. Уравнение одномерного стационарного температурного поля. 4. Что такое изотермическая поверхность? 5. Что называется градиентом температуры и что он характеризует? 6. Формулировка и математическое выражение закона Фурье. 7. Что называется плотностью теплового потока? 8. Размерность и физическая сущность коэффициента теплопроводности. 11 9. От каких факторов зависит величина коэффициента теплопроводности? 10.В каких пределах изменяется величина коэффициента теплопроводности для твердых тел, жидкостей и газов? 11.Почему пористые материалы имеют низкий коэффициент теплопроводности? 12.Записать формулу для определения плотности теплового потока через плоскую одномерную стенку. 13.Дать выражения термического сопротивления для плоской и цилиндрической стенок. 14.Как изменяется температура по координате в случае однородной плоской стенки при λ =const? 15.Что представляют собой изотермические поверхности в неограниченной плоской стенке? 16.Какой характер имеют изотермические поверхности в неограниченной цилиндрической стенке? 17.Как изменяется температура в однородной цилиндрической стенке при постоянной величине λ? 18.3аписать формулу для определения теплового потока, передаваемого через однородную цилиндрическую стенку при стационарном режиме. 19.От каких величин зависит тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через однородную плоскую стенку при стационарном режиме? 20.В чем состоит метод трубы для определения коэффициента теплопроводности? 21.Какие величины необходимо измерять для определения коэффициента теплопроводности методом пластины (плоской стенки)? 22.Дифференциальное уравнение энергии (теплопроводности) в твердых телах (уравнение Фурье-Кирхгофа-Остроградского), его запись, физический смысл. Коэффициент температуропроводности, его смысл, единица измерения. 23.Математическая постановка задач теплопроводности. Краевые условия. Условия однозначности. Способы заданий граничных условий. 24.Стационарный процесс теплопроводности через «неограниченную» плоскую стенку (пластину) при граничных условиях первого рода. Постановка задачи, вывод расчетного уравнения для количества передаваемой теплоты (рассмотреть случаи λ = const и λ зависит линейно от температуры), его анализ. Теплопроводность через многослойную стенку. 25.Стационарный процесс теплопроводности через «неограниченную» цилиндрическую стенку при граничных условиях первого рода. 26.Стационарный процесс теплопроводности через многослойную плоскую стенку. 12 27.Стационарный процесс цилиндрическую стенку. теплопроводности через многослойную СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Чечеткин, А. В. Теплотехника/ А.В. Чечеткин, Н.А. Занемонец. – М.: Высш. шк., 1986. – 344 с. 2. Исаченко, В. П. Теплопередача/ В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сухомел. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с. 3. Михеев, М. А. Основы теплопередачи/ М.А. Михеев, И.М. Михеева. – М.: Энергия, 1973. – 320 с. 4. Недужий, И. А. Техническая термодинамика и теплопередача/ И.А. Недужий, А.Н. Алабовский. – Киев: Вища шк., 1981. – 248 с. 5. Нащокин, В. В. Техническая термодинамика и теплопередача/ В.В. Нащокин. – М.: Высш. шк., 1980. – 469 с. 6. Шишкин, В. И. Экспериментальное изучение процессов теплообмена.: учеб. Пособие/ В.И. Шишкин. – Горький: ГПИ, 1983 – 118 с. 13 Приложение Таблица П. Объемная плотность ρ , коэффициент теплопроводности λ и удельная теплоемкость c различных веществ Наименование вещества Серебро…………………. Медь (99.9%)…………… Латунь (90% Cu, 10% Zn) Алюминий……………… Дюралюминий…………. Сталь углеродистая……. Сталь нержавеющая…… Чугун…………………… Асбест распушенный….. Асбестовый картон…….. Асбошифер……………... Бетон……………………. Бумага, картон…………. Кирпич………………….. Песок речной (сухой)….. Железная окалина (порошок – 74% Fe2O3, 25% FeO)……………….. Железный концентрат (порошок 50–70 мкм)*…. Резина…………………… Стеклянная вата………… Текстолит……………….. Войлок строительный…. Древесноволокнистые плиты…………………… Заполнитель с крошкой карбида бора…………… Заполнитель с крошкой гидрида титана…………. Пластмасса полиэтилендвуокись титана………... ρ , кг/м3 t , ºC λ , Вт/(м⋅К) 10500 8800 8600 2670 – 7900 – 7220 340 900 1800 2000 – 1700–1800 1520 0 0–600 0–600 0–600 0–200 0–600 100–600 20 – – 20 0 20 0 0–160 418 393–354 102–195 202–423 159–194 63–31 23–29 63 0,087+2,4⋅10-4t 0,163–1,7⋅10-4t 0,17–0,35 1,28 0,14 0,7–0,81 0,3–0,38 c, кДж/(кг⋅К) 0,234 0.381 0,377 0,980 – 0,46 – 0,502 0,817 0,817 – 1,13 1,51 0,88 0,795 3150 0–300 0,436+4,2⋅10-4t – 2700 0–300 0,273+1,4⋅10-4t – 1200 154–206 1300–1400 300 0–100 90 20 0 0,157–0,160 0,051–0,059 0,23–0,34 0,04 0,38 0,67 1,46 – 230–290 20–30 0,055–0,060 – 1640 0–200 1,02+3,7⋅10-4t – 2600 0–200 1,19+8,0⋅10-4t – 2200–2580 40–45 1,42–1,57 – * Состав концентрата: 63% Fe2O3; 25,5% FeO; 8,9% SiO2; 1,1% MgO; 1,5% примесей. * Состав концентрата: 63% Fe2O3; 25,5% FeO; 8,9% SiO2; 1,1% MgO; 1,5% примесей. 14