1307
.pdfе р и я в н у т р и в у з о в с к и х СибАДИм е т о д и ч е с к и х у к а з а н и й С и б А Д И
Министерство науки высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
« ибирский государственный автомо ильно-дорожный университет (СибАДИ)» Кафедра «Городское стро тельство, хозяйство и экспертиза объектов недвижимости»
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ
Методические указания к лабораторным работам Составитель В. . Галдин
Омск ▪ 2018
УДК 697.34 ББК 31.38 Ц38
Согласно 436-ФЗ от 29.12.2010 «О защите детей от информации, причиняющей вред их здоровью и развитию» данная продукция маркировке не подлежит.
СибАДИРецензент
канд. техн. наук, доц. А.Л. Иванов (СибАДИ)
Работа утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ в качестве методическ х указан й.
Ц38 Централ зованное теплосна жение [Электронный ресурс] : методические указания к лабораторным ра отам / сост. В.Д. Галдин. – (Серия внутривузовских методическ х указан й С АДИ). – Электрон. дан. – Омск : СибАДИ, 2018. –
URL: http://bek.sibadi.org/cgi-bin/irbis64r plus/cgiirbis 64 ft.exe. - Режим доступа:
для автор зованных пользователей.
Содержат нео ходимые справочные данные при выполнении лабораторных работ, а также контрольные вопросы для закрепления изучаемого материала.
Имеют интерактивное оглавление в виде закладок.
Предназначены для о учающихся направления подготовки «Строительство» профиля «Теплогазоснабжение и вентиляция» при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Централизованное теплоснабжение».
Подготовлены на кафедре «Городское строительство, хозяйство и экспертиза объектов недвижимости».
Текстовое (символьное) издание (660 КБ)
Системные требования: Intel, 3,4 GHz; 150 Мб; Windows XP/Vista/7; DVD-ROM; 1 Гб свободного места на жестком диске; программа для чтения pdf-файлов:
Adobe Acrobat Reader; Foxit Reader
Техническая подготовка В. . Черкашина
Издание первое. Дата подписания к использованию 06.12.2018 Издательско-полиграфический комплекс СибАДИ. 644080, г. Омск, пр. Мира, 5
РИО ИПК СибАДИ. 644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1
ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2018
ВВЕДЕНИЕ
Современные системы централизованного теплоснабжения требуют от специалиста глубокого понимания законов и принципов действия теплового оборудования, встроенного в эти системы [1, 5–7]. Только достаточно высокий уровень теплотехнической подготовки
СибАДИпозволит специалисту решать задачи по созданию современных экономически выгодных с стем теплоснабжения и находить пути повышения х энергет ческой эффективности.
Лабораторные сследования дают возможность более глубоко понимать основные законы систем централизованного теплоснабжения. Обработка опытных данных может осуществляться с помощью диаграмм справочных та лиц, умение пользоваться которыми необходимо спец ал сту.
Применен е компьютерных технологий при выполнении лабораторных работ помогает значительно расширить диапазон как качественных, так кол чественных характеристик исследуемых процессов. Использован е в ртуальных лабораторных работ позволяет руководителю занятий ставить перед обучаемыми индивидуальные задания по исследованию теплотехнических процессов.
Виртуальные ла ораторные ра оты разработаны Б.Ф. Кузнецовым Г. . Тарановой на кафедре «Гидравлика, теплотехника и гидропри-
вод» Тверского государственного технического университета.
Лабораторная работа 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕР АЛА
(метод цилиндрического слоя)
1. Цели работы. Освоение одного из методов определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов (метод цилиндрического слоя) для систем теплоснабжения и закрепление знаний по теории теплопроводности.
2. Основные положения. Теплота является наиболее универсальной формой передачи энергии, возникающей в результате молекуляр- но-кинетического (теплового) движения микрочастиц – молекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой энергии состоит в том,
3
что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т.п.) трансформируется либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики.
Теплообмен − это самопроизвольный процесс переноса теплоты в СибАДИпространстве с неоднородным температурным полем [2–4].
Температурным полем называют совокупность мгновенных значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства. Поскольку температура − скалярная величина, то температурное поле − скалярное поле.
В общем случае перенос теплоты может вызываться неоднородностью полей друг х ф з ческих величин (например, диффузионный перенос теплоты за счет разности концентраций др.). В зависимости от характера теплового дв жения различают следующие виды теплообмена.
Теплопроводность − молекулярный перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры посредством теплового движен я м крочаст ц.
Конвекция − перенос теплоты в среде с неоднородным распределением температуры при движении среды.
Теплообмен излучением − теплообмен, включающий переход внутренней энергии тела (вещества) в энергию излучения, перенос излучения, преобразование энергии излучения во внутреннюю энергию другого тела (вещества).
В зависимости от времени теплообмен может быть:
– стационарным, если температурное поле не зависит от времени;
– нестационарным, если температурное поле меняется во времени. Для количественного описания процесса теплообмена используют
следующие величины:
Температура Т в данной точке тела, осредненная: по поверхности, по объему, по массе тела. Если соединить точки температурного поля с одинаковой температурой, то получим изотермическую поверхность. При пересечении изотермической поверхности плоскостью получим на этой плоскости семейство изотерм − линий постоянной температуры.
Перепад температур Τ − разность температур между двумя точками одного тела, двумя изотермическими поверхностями, поверхностью и окружающей средой, двумя телами. Перепад температуры вдоль изотермы равен нулю. Наибольший перепад температуры про-
4
исходит по направлению нормали к изотермической поверхности. Возрастание температуры по нормали к изотермической поверхности характеризуется градиентом температуры.
редний градиент температуры Т/ n − отношение перепада |
|||
температур между двумя изотермическими поверхностями Τ к рас- |
|||
стоянию между ними n, измеренному по нормали n к этим поверх- |
|||
СибАДИУдельный тепловой поток , Вт/м , – количество тепло- |
|||
ностям (рис. 1.1). |
|
|
|
|
|
n |
grad T |
|
|
T + T |
|
Рис. 1.1. Изотермы температурного по- |
|
|
n |
ля, град ент температуры, тепловой |
|
T |
|
поток |
|
T - T |
|
|
|
|
q |
Истинный градиент температуры |
T |
− средний градиент темпе- |
|
n |
ратуры при n 0 или это есть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, численно равный первой производной температуры по этой нормали:
T |
lim |
T |
gradT T. |
|||
n |
n 0 |
n |
|
|
|
|
Количество теплоты Q, Дж. |
|
|
|
|||
Мощность теплового потока |
Q |
, Вт, − количество теплоты, про- |
||||
|
||||||
ходящее в единицу времени. |
|
|
Q |
|
||
|
|
q |
2 |
|||
|
|
· F |
|
|||
|
|
|
|
|
ты, проходящее в единицу времени через единицу площади изотермической поверхности.
Перенос теплоты теплопроводностью выражается эмпирическим законом Био–Фурье, согласно которому вектор удельного теплового потока прямо пропорционален градиенту температуры:
5
q ·gradT .
Знак «минус» в уравнении показывает, что направление теплового потока противоположно направлению градиента температуры.
Коэффициент пропорциональности в уравнении характеризует способность тела проводить теплоту и называется коэффициентом
СибАДИтеплопроводности. Количественно коэффициент теплопроводности
– тепловой поток (Вт), проходящий через единицу поверхности (м2) при ед н чном град енте температур (ОС/м), и имеет размерность Вт/(м· О ).
Коэфф ц ент теплопроводности – физическая характеристика, зависящая от х м ческого состава и физического строения вещества, его температуры, влажности и ряда других факторов. Коэффициент теплопроводности меет максимальные значения для чистых металлов и м н мальные для газов.
Тепло золяц онные материалы. К числу теплоизоляционных материалов могут быть отнесены все материалы, обладающие низким коэффиц ентом теплопроводности (менее 5 Вт/(м· ОС) при t = 0 ОС).
Теплоизоляционные материалы могут быть неорганического происхождения (асбест, шлаки, глины, пески, минералы и т.д.), органического (шерсть, хлопок, дерево, кожа, резина, текстолит и т.д.) и смешанными, т.е. состоящими одновременно из органических и неорганических веществ [2–4]. Материалы органического происхождения используют в области температур, не превышающих +150 ОС. Для более высоких температур применяются материалы неорганического происхождения.
Теплопроводность твердых теплоизоляционных материалов, как правило, определяется их пористостью (т.е. общим объемом газовых включений, отнесенным к единице объема изоляционного материала), размером пор влажностью. С ростом влажности теплопроводность увеличивается. Теплопроводность пористых тел сильно возрастает с температурой; при температурах более 1300 ОС тепловые изоляторы становятся проводниками теплоты. Сплошные диэлектрические материалы, например стекло, имеют более высокую теплопроводность по сравнению с пористыми материалами.
Установлено также, что чем выше плотность материала, тем больше его теплопроводность.
6
Однослойная стенка (трубка) при = const. Рассмотрим цилиндрическую стенку (трубку) длиной l с внутренним r1 и внешним r2 радиусами (рис. 1.2, а).
Рис. 1.2. Температурное |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
Q |
T |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
поле и тепловой поток в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 |
|
|
|
||
цилиндр ческой стенке: |
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
а |
– ц л ндр ческая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
стенка; б – температур- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r1 |
|
|
r2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ное поле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r1 r2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
a) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Заданы температуры T1 внутренней и T2 наружной поверхностей |
|||||||||||||||||||||||||||||
стенки. Услов ем одномерности теплового потока будет условие l >> |
||||||||||||||||||||||||||||||
r2, |
откуда следует q 0. |
|
Дифференциальное уравнение теплопро- |
|||||||||||||||||||||||||||
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
водности в полярных координатах при = const и отсутствии внут- |
||||||||||||||||||||||||||||||
реннего источника теплоты (Qv = 0) имеет вид |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
2T |
1 |
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
r 2 |
r · r |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
При заданных граничных условиях: |
|
|
r = r1; |
T = T1; r = r2; T = T2 |
|||||||||||||||||||||||||
получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
T T1 |
|
|
|
|
|
r1 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
T2 |
T1 |
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Температура цилиндрической стенки меняется по логарифмиче- |
|||||||||||||||||||||||||||||
Сибской зависимости (рис. 1.2,А). ДИ |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
Удельный тепловой поток q через единицу площади цилиндриче- |
|||||||||||||||||||||||||||||
ской поверхности будет величиной переменной: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
q ·T2 T1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ln r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7
Мощность теплового потока Q = q·F через цилиндрическую поверхность площадью F = 2π r l (l – длина цилиндрической стенки) есть постоянная величина, равная:
|
|
|
|
|
Q 2 · ·l·T2 T1 . |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
r2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
СибАДИ |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
ln r |
|
||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
||
Полученную формулу можно записать, используя понятие терми- |
|||||||||
ческого сопрот влен я: |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Q 2 ·l· |
(T2 T1 ) |
, |
||
|
|
|
|
|
|
Rl |
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
где Rl λ |
|
|
|
− термическое сопротивление цилиндрической стен- |
|||||
·ln r |
|
||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
ки.
Удельный тепловой поток на единицу длины стенки ql = Q / l:
ql |
Q |
2 · ·(T2 T1 ) . |
||
|
l |
|
|
|
|
|
|
r2 |
|
|
|
|
||
|
|
ln r |
|
|
|
|
1 |
|
Таким образом, предлагаемый экспериментальный метод определения коэффициента теплопроводности основан на измерении:
– мощности теплового потока, проходящего через цилиндрический слой;
– перепада температур между внутренней и наружной поверхностями слоя тепловой изоляции;
– геометрических характеристик слоя тепловой изоляции.
3. Схема описание установки. Исследуемый материал 1 (рис. 1.3) нанесен в виде цилиндрического слоя (d1 = 0,05 м; d2 = 0,02 м) на наружную поверхность металлической трубы 2. лина цилиндра тепловой изоляции составляет 1 м, что значительно больше наружного диаметра.
Источником теплового потока служит электронагреватель 3, который включен в электрическую цепь через автотрансформатор 4. Для определения мощности теплового потока используются вольтметр 5 и амперметр 6. Для измерения температур на внутренней и наружной поверхностях тепловой изоляции применяются хромель-копелевые термопары 7 и 8 в комплекте с вторичными приборами 9 и 10.
8
1 |
2 |
3 |
8 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
d1 |
d2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
t2 |
|
t1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
9 |
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.3. Схема ла ораторной установки |
|
|
|
|
|||||
Результаты измерений при достижении стационарного режима за- |
||||||||||
носятся в протокол на людений (табл. 1.1). Стационарность режима |
||||||||||
оценивается по неизменности температур t1 и t2 во времени. |
|
|
||||||||
Исследуемый материал ................................ |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Протокол наблюдений |
|
|
Таблица 1.1 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Измеряемая величина |
Обозна- |
Единица |
Номера опытов |
|||||||
|
чение |
измерен. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|||
|
|
|
|
|||||||
Сила тока |
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
Напряжение |
|
|
U |
В |
|
|
|
|
|
|
Температура внутренней по- |
|
t2 |
О |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
СибАДИ |
||||||||||
верхности слоя изоляции |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Температура наружной по- |
|
t1 |
ОС |
|
|
|
|
|
||
верхности слоя изоляции |
|
|
|
|
|
|
|
|
4.Расчетные формулы и расчеты.
1.Все расчеты сводятся к вычислениям коэффициента теплопроводности, Вт/(м· ОС), по формуле
9
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
d1 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||||
|
Q·ln |
|
|
|
|
|||
|
d2 |
|
|
. |
||||
2 ·l·(t |
2 |
t |
) |
|||||
|
|
|||||||
|
|
|
1 |
|
|
2. Мощность теплового потока, Вт,
СибАДИ |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Q I·U. |
|
|
|
|
|
||||
3. |
редняя температура тепловой изоляции, ОС, |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
tср |
(t1 t2 ) |
. |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
4. Результаты расчетов должны быть продублированы в |
||||||||||||
|
форме сводной та л цы (та л. 1.2). |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Исследуемый матер ал ................................ |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
Результаты расчета |
|
|
Таблица 1.2 |
||||||||
|
|
|
|
О оз- |
|
Единица |
|
|
|
Номера опытов |
|
|
|||
|
Измеряемая величина |
на- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
измерения |
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
|
||||||
|
|
|
|
чение |
|
|
|
||||||||
|
Тепловой поток |
Q |
|
Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Средняя |
темпера- |
tСР |
|
ОС |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
тура |
исследуемого |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
материала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент теп- |
|
|
Вт/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
лопроводности ис- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
(м· О ) |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
следуемого материала |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Температурный ко- |
|
|
1/ О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
эффициент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
По |
результатам расчетов построить в соответствующем мас- |
штабе график зависимости коэффициента теплопроводности от средней температуры тепловой изоляции. Пользуясь графиком, определить коэффициент β, характеризующий влияние температуры на теплопроводность материала. При обработке графического материала характер зависимости представить в виде уравнения прямой линии:
t 0 ·(1 ·tср ) .
10