Файл: Ведение Цели и задачи теплоэнергетики знакомство с историей теплоэнергетики понимание студентами объективного и полного представления о будущей профессиональной деятельности, её сферах и направлениях.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2023
Просмотров: 147
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Теплопроводность
Процесс теплопроводности неразрывно связан с непосредственным распределением температуры внутри тела. Поэтому основными, используемыми при изучении этого процесса, являются понятия температурного поля и градиент температуры.
Температурное поле – совокупность значений температур всех точек пространства в данный момент времени. Если температура меняется во времени, поле называется неустановившимся, в противном случае – стационарным.
При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой температурой. Геометрическое место таких точек образует изотермическую поверхность. Изменение температуры в теле наблюдается лишь в направлениях, пересекающих изотермические поверхности и наиболее резкое изменение температуры получается в направлении нормали к изотермической поверхности. Предел отношения изменения температуры к расстоянию между изотермами по нормали – температурный градиент. Таким образом, температурный градиент является вектором, направленным по нормали в сторону возрастания температуры. Самопроизвольно теплота переносится только в сторону убывания температуры. Количество теплоты, переносимое через изотермическую поверхность в единицу времени называется тепловым потоком. Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока. Плотность теплового потока является вектором, направление которого совпадает с направлением распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению вектора температурного градиента. Изучая явление теплопроводности в твердых телах, Фурье экспериментально установил, что количество переданной теплоты пропорционально падению температуры, времени и площади сечения, перпендикулярного направлению распространения теплоты:
где dQ – тепловой поток, Вт; gradt – температурный градиент, град. м; dF – площадь сечения, 2 м; d – промежуток времени, с. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности и характеризует способность вещества проводить теплоту, Вт м К:
Коэффициент теплопроводности зависит от многих факторов: от природы вещества, его структуры, температуры и др. Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают металл от 7 до 490 Вт м К наименьшим – пары и газы от 0,006 до 0,58 Вт м К
С увеличением температуры значение λ большинства металлов уменьшается, а газов возрастает.
Наличие примесей в металле также оказывает существенное влияние на коэффициент теплопроводности (табл. 1.2). Следует также отметить, что коэффициент теплопроводности смеси материалов не изменяется 6 пропорционально количеству входящих в нее компонентов. Кроме того, он зависит от вида термической и механической обработки металла. Все это затрудняет оценку коэффициентов теплопроводности сплавов. Поэтому надежным способом оценки коэффициентов теплопроводности металлов и их сплавов является непосредственный эксперимент.
Неметаллические материалы имеют значительно меньшие значительно значения коэффициента теплопроводности. Среди них наибольший интерес представляют теплоизоляционные, керамические и строительные материалы. Большинство этих материалов имеет пористое строение, поэтому их коэффициент теплопроводности учитывает не только способность вещества проводить теплоту соприкосновением структурных частиц, но и радиационно-конвективный теплообмен в порах. Структура вещества и вид газа или жидкости, заполняющих поры, существенно влияют на коэффициент теплопроводности, поэтому при его оценке необходимо учитывать плотность и влажность материала. С увеличением пористости вещества его коэффициент теплопроводности уменьшается. Легкие пористые материалы с низким коэффициентом теплопроводности называют теплоизоляторами. Некоторые из них используются в их естественном состоянии (асбест, слюда, дерево, пробка, опилки), другие получаются искусственно (минеральная вата, шевелин, стеклянная вата, зонолит).
Хорошие теплоизоляторы получаются при добавлении пенообразующих веществ к различным химикатам. Такие материалы называют пенопластами. Теплоизоляторы пористого происхождения используются при температурах, не превышающих 150 С. Для тепловой изоляции при более высоких температурах используются жароупорные материалы. У теплоизоляционных и строительных материалов коэффициент теплопроводности с ростом температуры увеличивается.
Некоторые материалы обладают различными свойствами в различных направлениях – анизотропные материалы. Так, дуб проводит теплоту вдоль волокон примерно в два раза лучше, чем поперек. Теплопроводность ориентированного пирографита вдоль пластины в сто раз больше, чем в перпендикулярном направлении.
Обнаружено также, что теплопроводность неметаллических материалов существенно изменяется под воздействием облучения нейтронами и γ-квантами. Жидкости, кроме расплавленных металлов, имеют небольшую величину коэффициента теплопроводности λ = 0,093÷0,7 Вт м К. За исключением воды и глицерина, у большинства из них коэффициент теплопроводности уменьшается с увеличением температуры.
Жидкие металлы и сплавы обладают значительно большей теплопроводностью, чем жидкости λ = 9÷380 Вт/м×К
Анализ зависимости коэффициента теплопроводности от температуры показывает, что для большинства твердых тел, жидкостей и газов при умеренных температурах эта зависимость приближенно может быть оценена линейной формулой:
0 bt,
где 0 – коэффициент теплопроводности материала при t = 0 С; b – экспериментальная константа.
В практических расчетах коэффициент теплопроводности обычно считают одинаковым для всего тела и определяют его по среднеарифметической из крайних значений температур тела [2].
Большинство экспериментальных методов определения коэффициента теплопроводности основывается на наблюдении за температурным полем, возбуждаемым тепловым потоком в исследуемом теле. Применительно к стационарным условиям используется закон Фурье и дифференциальное уравнение теплопроводности применительно к стационарным, одномерным температурным полям для тел простой геометрической формы.
Общий принцип измерения коэффициента теплопроводности состоит в определении теплового потока, проходящего через опытный образец заданных размеров, и перепада температур на его изотермических поверхностях в направлении движения теплового потока. При коэффициенте теплопроводности, изменяющимся с температурой, формулами можно пользоваться, если температурный перепад в слое исследуемого вещества незначителен и истинные значения можно заменить с достаточной точностью средними в заданном интервале температур. К предпосылкам метода относится постоянство теплового потока. Отклонения от теоретического распределения теплового потока могут возникать из-за неравномерного температурного поля, создаваемого нагревателем. Во избежание этого применяются специальные обмотки нагревателя, массивные металлические оболочки для него, способствующие выравниванию температуры.
Исследуемый образец должен иметь изотропную теплопроводность, поскольку предполагается, что изотермы параллельны изотермическим поверхностям образца. Стационарные методы, как правило, позволяют найти из опыта только величину коэффициентов для каких-то отдельных фиксированных значений температуры. Полная температурная зависимость строится по данным этих фиксированных значений. Поэтому стационарные методы удобны, когда температурные интервалы исследования невелики.
К недостаткам стационарных методов исследования тепловых свойств относятся сложность схем электрического контроля и регулировки опытных установок и необходимость применения значительного количества термопар для надежного осреднения температуры поверхности опытных образцов. Стационарные методы связаны со значительными затратами времени на подготовку необходимого теплового режима и на проведение самого опыта. Длительность единичного опыта может исчисляться несколькими часами, а иногда и сутками ввиду малой скорости установления стационарного теплового режима, являющегося предпосылкой метода. Большие трудности связаны с применением стационарного метода для исследования влажных материалов, когда может иметь место перераспределение влаги в образце в соответствии с температурным полем, что приводит к искаженным результатам по теплопроводности.
Образцы должны иметь определенную геометрическую форму (неограниченной пластины, цилиндра или шара).
Несмотря на указанные недостатки, стационарные методы получили весьма большое распространение, так как они позволяют использовать достаточно простые и надежные расчетные уравнения.
Метод неограниченного плоского слоя. Исследуемому материалу придается форма относительно тонкой круглой или квадратной пластинки. Для создания температурного перепада по толщине пластины одна поверхность ее нагревается, а другая охлаждается с помощью устройств, имеющих, как и исследуемый образец, плоскую форму.
Учитывая необходимость получения надежных опытных данных и наложения определенных ограничений на продолжительность самого опыта, толщину пластины обычно выбирают в пределах от 5 до 50 мм. При этом принимаются меры к защите боковой поверхности опытного образца и нагревателя от потерь тепла в окружающую среду, особенно при высоких температурах. С этой целью применяется охранная тепловая изоляция или охранные электрические нагреватели, устраняющие неучитываемые потери тепла. Охранные нагреватели работают наиболее надежно, если используются устройства для автоматического выравнивания температуры.
В современных приборах применяются преимущественно электрические нагреватели, выполненные из нихрома, селита, молибдена, тантала, нержавеющей стали и других материалов. Существенным условием правильности определения коэффициента теплопроводности является отсутствие воздушных зазоров между поверхностью образца и плоскими поверхностями нагревателя и холодильника. Ошибка за счет этого контактного сопротивления может достигать 15–30 % при толщине пластины 0,3–1,5 мм и 10–20 % при толщине 1,5–3 мм. С увеличением теплопроводности исследуемого материала влияние контактного теплообмена увеличивается. С увеличением температуры роль его уменьшается из-за значительного возрастания теплообмена путем теплового излучения. С целью уменьшения теплового сопротивления в приборах применяются сжимающие усилия хорошая обработка поверхностей, как прибора, так и образцов, а также промежуточные материалы с хорошей проводимостью.
Метод неограниченного плоского слоя применяется для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов. Его можно использовать также для измерения теплопроводности металлов и других проводников тепла [3].
Метод неограниченного цилиндрического слоя. В этом случае исследуемому материалу придается форма цилиндрической полой трубы. Она может быть цельной или набранной из нескольких коротких колец (или дисков), плотно соединенных между собой. Для создания температурного перепада в цилиндрическом слое материала исследуемый образец может обогреваться с внутренней или наружной стороны. В первом случае радиальный тепловой поток проходит от центра образца к периферии, во втором – наоборот, от периферии к центру. В обоих случаях нагреватель должен создавать тепловой поток, равномерно распределенный по длине образца. При использовании внешнего образца внешнего обогрева тепловой поток, проходящий через образец, обычно измеряется калориметрическим методом по расходу и изменению температуры охлаждающей жидкости, которая течет по трубке, помещенной внутри образца, а при внутреннем обогреве по мощности электронагревателя. Внешний обогрев позволяет получить более высокие температуры опыта, чем внутренний, вследствие ограниченности размеров электрического нагревателя. Однако при внешнем обогреве требуются большие затраты энергии, так как значительная доля электроэнергии, потребляемой нагревателем, теряется в окружающее пространство. Опытные образцы могут нагреваться одновременно как с внутренней, так и с внешней стороны.