POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI
Laboratorium Technologie i Maszyny Elektryczne Ćwiczenie nr 3 Wyznaczenie współczynnika przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych metodą rury.
Rok akademicki: Wydział Elektryczny Kierunek: Energetyka Nr grupy: 1
Uwagi:

1. Część teoretyczna.

Podstawowe sposoby wymiany ciepła

Przenikanie - to przenoszenie ciepła przez przegrodę. Zjawisko przenikania obejmuje przejmowanie ciepła z jednego ośrodka, przewodzenie przez przegrodę i przejmowanie ciepła przez drugi ośrodek. Ciepło przenika przez ścianę z ośrodka o temperaturze wyższej t_z1 do ośrodka o temperaturze niższej t_z2. Przenikanie polega na wymianie ciepła między płynami rozdzielonymi ścianką wykorzystywane są zjawiska przejmowania i przewodzenia ciepła. Jednym z mechanizmów zajmujących się transportem ciepła, który łączy wymienione sposoby ruchu ciepła jest przenikanie ciepła. Przepływ ciepła odbywa się w trzech etapach:

a) wnikanie ciepła od środka do ścianki płaskiej

b) przewodzenie ciepła przez ściankę

c) wnikanie ciepła od ścianki do ośrodka ogrzewanego

Przenikanie przez ściankę płaską jednowarstwową

T1>T2 i Tw1>Tw

Przenikanie przez ściankę cylindryczną jednowarstwową

Przejmowanie ciepła - to zjawisko polegające na wymianie ciepła między powierzchnią ciała stałego, a opływającym ją płynem. Gęstość wymienianego w ten sposób strumienia ciepła określana jest przy użyciu wzoru Newtona:

q=α(Tw-Tf)

gdzie:

α - współczynnik przejmowania ciepła

Tw - temperatura ścianki

Tf - temperatura płynu

Wartość współczynnika α zależy od gęstości, ciepła właściwego, lepkości i współczynnika przewodzenia ciepła w płynie, a także od charakteru przepływu płynu. Przy opływie ciała stałego przez płyn, w pobliżu jego ścianki, ujawnia się wpływ lepkości na jego przepływ,

co przejawia się zmianami prędkości przepływu w otoczeniu ścianki stałęj. Na powierzchni ścianki nie występuje poślizg tzn., że prędkość warstwy płynu stykajścego się bezpośrednio ze ścisnką jest równa zeru. W miarę oddalania się od ścianki prędkość rośnie aż do pewnej wartości charakteryzującej przepływ całej masy płynu. Warstwa płynu znajdująca

się w bezpośredniej bliskości ścianki, w której występują dość znaczne zmiany prędkości nazywamy warstwą przyścienną.

Przewodzenie - to sposób przekazywania energii, który zachodzi w nierównomiernie nagrzanym ośrodku materialnym, lub przy bezpośrednim zetknięciu się dwu lub więcej ośrodków o różnych temperaturach, przy czym procesowi temu nie towarzyszy ruch makroskopowych części układu. Przewodzenie ciepła w czystej postaci jest charakterystyczne dla ciał stałych. Natomiast w cieczach i gazach przewodzeniu ciepła towarzyszą zwykle inne sposoby wymiany ciepła (konwekcja i promieniowanie)

Z mikroskopowego punktu widzenia mechanizm przewodzenia ciepła zależy od stanu skupienia ośrodka przewodzącego ciepło. Cząsteczki gazów i cieczy nieustannie wykonują ruchy chaotyczne. Temperatura w danym elemencie ośrodka jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej ruchu postępowego cząsteczek w tym obszarze.

Przewodzenie polega na bezpośrednim przekazywaniu energii wewnętrznej drobinom

o niższej temperaturze przez stykające się z nimi drobiny tego samego lub innego ciała posiadające wyższą temperaturę. Odbywa się za pośrednictwem ruchu drgającego tych cząstek. Proces ten trawa dopóty, dopóki temperatura ciała nie zostanie wyrównana w całej rozpatrywanej objętości. Zachodzi głównie w ciałach stałych, rzadziej w cieczach i gazach.

Przewodzenie opisane jest prawem Fouriera.

Promieniowanie - dotyczy przekazywania ciepła przez kwanty promieniowania

o określonym zakresie długości fali, której natura jest taka sama jak energii świetlnej.

Nie wymaga ona istnienia ośrodka materialnego, w którym się rozchodzi (może występować w próżni). Energia cieplna przekształca sie w energię promieniowania, przebywa określoną przestrzeń z prędkością światła, aby w innym miejscu przekształcić się całkowicie

lub częściowo w energię cieplną. Wpływ promieniowania roście wraz ze wzrostem temperatury ciała wymieniającego ciepło.Promieniowanie to wymiana ciepła z otoczeniem. Przekształcanie energii cieplnej na promienistą – promieniowanie cieplne, proces odwrotny

to pochłanianie (absorpcja ciepła). Promieniowanie cieplne ma tą samą naturę,

co promieniowanie świetlne, podlega tym samym prawom.

Promieniowanie widzialne mają długości od 0,4 - 0,8 μm

Promieniowanie cieplne ( podczerwone ) od 0,8 - 40 μm

Na powierzchni każdego ciała lub w jego wnętrzu zachodzi nieprzerwanie proces zamiany energii cieplnej na promienistą i odwrotnie. Promienie padające na ciało są częściowo pochłonięte, częściowo zaś odbite, a częściowo mogą przechodzić przez ciało bez zmian.

Ta część energii, która została odbita natrafia na inne ciała, gdzie w/w proces się powtarza. Także promieniowanie pochłonięte zostaje wyemitowane np. ciało doskonale czarne pochłania i emituje promieniowanie cieplne bardzo dobrze (a=ε=1).

Podstawowe zależności:

Q=Q_A+Q_R+Q_T /:Q

1=Q_A/Q+Q_R/Q+Q_T/Q czyli

1=a+r+t

a= współczynnik absorpcji (pochłanianie) = QQA

r= współczynnik refleksji (odbicie) = QQR

t= współczynnik transmisji (przepuszczanie) = QQT

Konwekcja - występuje, gdy cząstki ciała zmieniają swoje położenie (mieszają się).

Ruch cząstek wywołany jest różnicą gęstości (różnicą temperatur) mamy wtedy do czynienia z konwekcją swobodną, natomiast konwekcje wymuszoną mamy, gdy ruch jest wywołany czynnikami zewnętrznymi (pompy, wentylatory). Zjawisko to charakteryzuje ciecze i gazy.

Konwekcja to proces przenoszenia ciepła wynikający z ruchu materii w dowolnym płynie

lub gazie, na przykład powietrzu. W przypadku kominków zjawisko to polega na przekazaniu energii, której źródłem jest promieniowanie ściany kominka cząsteczkom powietrza

na zewnątrz paleniska. Jeśli piec ma tzw. komorę konwekcyjną ( blacha konwekcyjna umieszczona z boku pieca z otworami na górze i na dole ), to powietrze pomiędzy blachą,

a piecem ogrzewa się znacznie szybciej. Tak ogrzane powietrze będzie się wznosić

i przewodzić ciepło po całym pomieszczeniu lub układem kanałów do kilku pomieszczeń.

2. Wyniki pomiarów.

Pomiar I
Lp.
1
2
3
4
5

Pomiar II
Lp.
1
2
3
4
5

3. Obliczenia.

Współczynnik przewodzenia ciepła w ścianie cylindrycznej wyznaczamy z ostatniego (5) pomiaru, który jest najbardziej zbliżony do stanu ustalonego, w jakim to doświadczenie powinno być wykonane.

Przeliczenie napięcia, zmierzonego za pomocą termopary, na temperaturę dokonujemy

za pośrednictwem wzoru:

$$t_{x} = \frac{U_{x}}{5,37}*100 + t_{0}$$

t₀ - temperatura otoczenia [°C]

U_x - napięcie [mV]

Przykładowe wyliczenie temperatury wewnętrznej dla rury nieizolowanej:

$$t_{x} = \frac{1,2\ \ \text{mV}}{5,37}*100 + 20,4\ C = 42,74\ C$$

Tabela obliczeń:

	Rura nieizolowana	Rura izolowana
	tw  [C]	tz1  [C]
Pomiar I	tx	42,75
Pomiar II	tx	41,25

Obliczenie średniej temperatury zewnętrznej rury nieizolowanej:

$$t_{zsr} = \sum_{i = 1}^{3}t_{\text{zi}}$$

Przykładowe wyliczenie średniej temperatury zewnętrznej rury nieizolowanej:

$$t_{zsr} = \ \frac{33,44\ C + 35,3\ C + 33,44\ C}{3} = 34,06\ C$$

Tabela obliczeń:

	tzsr [C]
Pomiar I	34,06
Pomiar II	32,56

Ilość przewodzonego ciepła (moc cieplna) obliczamy przy pomocy wzoru:

P = U * I

P - ilość przewodzonego ciepła [W]

U - napięcie prądu zasilającego [V]

I - natężenie prądu zasilającego [A]

Przykładowe wyliczenie mocy cieplnej.

P = 50 V * 1, 5 A = 75 W

Zważając na fakt , iż jednocześnie otrzymaną moc wykorzystywaliśmy do ogrzania obu rur, do obliczeń jednej rury podstawiamy tylko 50% owej mocy tj. 37.5 W.

Tabela wyników:

	P [W]
Pomiar I	37,5
Pomiar II	37,5

Współczynnik przewodzenia ciepła w ścianie cylindrycznej wyznaczam ze wzoru:

$\lambda = \frac{P*ln\frac{d_{z}}{d_{w}}}{2\text{πl}(t_{w} - t_{z})}$[W/mK]

P- ilość przewodzonego ciepła (moc cieplna) [W]

t_w- temperatura wewnętrznej powierzchni ściany [°C]

t_z- temperatura zewnętrznej powierzchni ściany [°C]

d_w- średnica wewnętrzna izolacji [m]

d_z- średnica zewnętrzna [m]

l- długość ścianki cylindrycznej rury [m]

Przykładowe wyliczenie dla rury nieizolowanej ( dla pomiaru pierwszego):

$\lambda = \frac{37,5\ W*\ln\frac{0,113\ m}{0,083\ m}}{2*3,14*0,315\ m\ *(42,75\ C\ - 34,06\ C)} = 0,67$ W/mK

Tabela obliczeń:

λ [W/mK]	Rura nieizolowana	Rura izolowana bez izolacji	Izolacja	Rura izolowana (wzór)	Rura izolowana (suma)
Pomiar I	0,67	0,2	0,45	0,14	0,65
Pomiar II	0,67	0,16	0,34	0,13	0,5

5. Wnioski do przeprowadzonego doświadczenia.

Ćwiczenie wyznaczania współczynnika przewodności cieplnej materiałów izolacyjnych metodą rury zostało przeprowadzone prawidłowo. Wyniki pomiarów, które uzyskaliśmy

są podobne i zgodne z oczekiwanymi.

Występują jednak pewne uchybienia i różnice, co do wartości odczytanych spowodowane zakłóceniami, które były wynikiem dużej liczby osób w sali laboratoryjnej oraz tym,

iż pomiary były wykonywane innego dnia. Odrębna data, godzina, liczba osób w sali, zawilgocenie powietrza, temperatura otoczenia, znacznie wpływają na różnice pomiarów. Uzyskane przez nas wyniki współczynnika przewodzenia ciepła obliczone na podstawie wcześniej wykonanych pomiarów są prawidłowe. Wynoszą one odpowiednio: Pomiar pierwszy λ=0,67 W/mK i pomiar drugi λ=0,67 W/mK

(dla rury nieizolowanej) oraz Pomiar pierwszy λ=0,14 W/mK i pomiar drugi λ=0,13 W/mK (dla rury izolowanej). Otrzymane przez nas wartości mieszczą się w dopuszczalnej granicy. Na podstawie wykonanych obliczeń możemy stwierdzić, iż współczynnik przewodności cieplnej dla dury izolowanej jest mniejszy niż dla rury nieizolowanej.

Wynik przewodzenia ciepła dla izolacji nieco odbiega od wartości materiałów izolacyjnych

i osłonowych podanych w tabeli, jest to spowodowane czynnikami zewnętrznymi w postaci niedokładności wiekowej aparatury pomiarowej oraz warunkami otoczenia w hali laboratoryjnej, które ulegały ciągłej zmianie. Liczba przeprowadzonych pomiarów była zbyt mała, czyli nie zostały one wykonane w układzie doprowadzony

do stanu ustalonego.

Wykonane doświadczenie pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła pozwala nam stwierdzić, że metoda rury charakteryzuje się prostotą wykonania jak i przeprowadzenia pomiarów, co wpływa na częste wykorzystywanie tej metody pomiarowej w praktyce.

6. Wykresy.