Теоретическое введение

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЗОНДА

 

выполнил:

студент гр. 5СКб-31

Тихомиров А.О.

Проверил:ст. препод.

Бубнова О.Н.

 

Череповец, 2011/12 учебный Год

 

Контрольные вопросы

 

1. Объясните физический смысл коэффициентов теплопроводности и температуропроводности . Запишите размерности - и .

(При нестационарном тепловом процессе температура каждой точки среды, по которой распространяется тепловой поток, изменяется по тому или иному закону в зависимости от времени. Поэтому в опытах со стационарными тепловыми процессами обычно измеряется коэффициент теплопроводности , а в опытах с нестационарными тепловыми процессами измеряется коэффициент температуропроводности . измеряется в Вт/(м·K))

 

2. Приведите границы для интервала значений коэффициентов теплопроводности основных строительных материалов / см. Приложения. Таблица 1/.

	Раствор цементно-песчаный	0,58		Пемзобетон	0,19-0,52
	Раствор известкого-песчаный	0,47		Бетоны ячеистые	0,08-0,29
	Раствор сложный	0,52		Кирпичная кладка:	0,35-0,47
	Железобетон	1,69		Ель, сосна, дуб	0,09-0,23
	Бетон на гравии, щебне	1,51		Засыпки:	0,064-0,35
	Туфобетон	0,29-0,64		Стекло	0,76
	Керамзитобетон	0,14-0,58		Естественный камень (известняк)	0,49-0,93

 

3. Объясните суть методов измерения коэффициентов теплопроводности при стационарном тепловом процессе? (В настоящее время для измерения тепловых характеристик строительных материалов широкое распространение получил метод цилиндрического зонда. Суть: Используя линейный участок для значений , и соответствующих им величин и можно получить из уравнения (4.3) выражение коэффициента теплопроводности: )

 

4. В чем заключается математическое обоснование теплопроводности при стационарном тепловом процессе? (Передача теплоты твердыми строительными материалами осуществляется, в основном, за счет теплопроводности в соответствии с законом Фурье- Кирхгофа: , (4.1))

 

5. В чем заключается физический смысл величин и ? (Временное - и пространственное - изменение температуры)

6. Объясните суть методов измерения коэффициентов теплопроводности при нестационарном тепловом процессе?

(Нестационарный тепловой процесс позволяет определять коэффициент теплопроводности для целого ряда строительных материалов, мало отличающихся друг от друга по теплоемкости и объемному весу. Теоретической основой для осуществления этого метода, как и всех нестационарных методов, являются частные решения дифференциального уравнения (4.1))

Цель работы: ознакомиться с методом цилиндрического зонда при измерении коэффициента теплопроводности строительных материалов и получить навыки экспериментирования по его применению.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

1. Передача теплоты твердыми строительными материалами осуществляется, в основном, за счет теплопроводности в соответствии с законом Фурье- Кирхгофа:

, (4.1)

Где , - температура, - время, - коэффициент температуропроводности, - оператор Лапласа, - объемная мощность внутренних источников тепла, - плотность среды, - удельная теплоемкость среды, - коэффициент теплопроводности.

При нестационарном тепловом процессе температура каждой точки среды, по которой распространяется тепловой поток, изменяется по тому или иному закону в зависимости от времени. Поэтому в опытах со стационарными тепловыми процессами обычно измеряется коэффициент теплопроводности , а в опытах с нестационарными тепловыми процессами измеряется коэффициент температуропроводности .

2. Данные о некоторых строительных материалах для расчетов

по строительной физике

№ п/п	Строительные материалы	ρ,	λ,
	Железобетон		1,69		4250-5250
	Кирпичная кладка: - керамического пустотного - силикатного пустотного - сплошного шлакового - сплошного силикатного - сплошного глиняного	1200-1600 1400-1500 1600-1800	0,35-0,47 0,52-0,64 0,52 0,7 0,47-0,56		- - - - -
	Ель, сосна, дуб	500-700	0,09-0,23		3300-4300
	Стекло		0,76		5000-6000
	Сталь				4900-5100

3. Рассмотрим стационарный процесс распространения теплоты через однородную плоскую однослойную стенку (рис. 1, а).

Рисунок 1. Передача теплоты через плоскую стенку

Из закона распространения теплоты путем теплопроводности (закона Фурье) следует:

(3)

где W - количество переданной теплоты, Дж; λ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(м·К); t_с^l - температура одной поверхности стенки, К; t_с^ll - температура другой поверхности стенки, К; δ - толщина стенки, м; F - площадь поверхности стенки, м²; τ - время, с. Отсюда

(4)

т.е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени (1с) в теле через единицу поверхности (1 м²) при падении температуры на 1 К на 1 м пути теплового потока.

Коэффициент теплопроводности λ у различных материалов неодинаков и зависит от их свойств, а у газообразных и жидких веществ - от плотности, влажности, давления и температуры этих веществ. При технических расчетах значения λ выбирают по соответствующим справочным таблицам.

5. Теоретической основой для осуществления этого метода, как и всех нестационарных методов, являются частные решения дифференциального уравнения (4.1). Это уравнение устанавливает связь между временными и пространственными изменениями температуры. Для решения уравнения (4.1) должны быть заданы начальные и граничные условия. В случае зонда постоянной мощности решение уравнения (4.1) проводится для бесконечно протяженной среды, внутренне ограниченной металлическим круговым цилиндром, к которому в единицу времени подводится постоянное количество тепла.

6. Нестационарный тепловой процесс позволяет определять коэффициент теплопроводности для целого ряда строительных материалов, мало отличающихся друг от друга по теплоемкости и объемному весу.

7. -постоянная прибора, определяемая с помощью образца с известным коэффициентом теплопроводности. Для данного прибора . Значение находится студентами в опыте с песком.

Блок–схема измерительной установки: зонд

В экспериментальной установке предусмотрено два способа измерения величины термосопротивления. Вариант 1 - цифровой осциллограф- мультиметр. Вариант 2 - классическая мостовая схема

Для увеличения чувствительности моста (рис 4.3) гальванометр Г включен через усилитель тока У. Мощность, подводимая из сети, контролируется вольтметром V, включенным на диапазон измерений 0-30В, и миллиамперметром А, имеющим диапазон 0-300мА. Стабилизированные блоки питания БП₁,БП₂,БП₃ служат для питания соответственно моста и нагревателя зонда.

Цилиндрический зонд (рис.4.1) состоит из латунной трубки внешним диаметром 4мм и длиной 180мм, внутри которой смонтирован нагреватель в виде спирали из нихромовой проволоки, намотанной на стеклянный капилляр. В качестве термодатчика служит термосопротивление марки М-172, которое вставлено внутрь капилляра. Для обеспечивания жесткости и теплового контакта между отдельными элементами зонда и его корпуса все свободное пространство конструкции зонда заполнено мелким кварцевым песком. Один конец трубки запаян, а на другой конец надета рукоять, сквозь которую выведены соединительные электрические провода от нагревательной спирали и от термодатчика.

Расчетная таблица для граншлака и речного песка.