Миннстерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Металлургические технологии^ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ многослойной плоской СТЕНКИ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ Методические указания . к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика» М и н с к 2006 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ _________________УНИВЕРСИТЕТ_________________ Кафедра «Металлургические технологии» ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МНОГОСЛОЙНОЙ ПЛОСКОЙ СТЕНКИ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика» для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки материалов давлением», 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства», 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка», 1-42 01 02 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» М и н с к 2 0 0 6 УДК 669.045(076.5) ББК 34.3я7 Т34 Составители; В.И. Тимошпольский, И.А. Трусова, С.М. Кабишов, Г.А. Климович, П.Э. Ратников Рецензенты: Д.М. Кукуй, И.М. Шиманович Лабораторная работа предназначена для закрепления и уг­ лубления теоретических знаний, полученных при изучении лекционного материала по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика», а также для приобретения практических навьшов вьтолнения теплотехнических измере­ ний и расчетов. © БИТУ, 2006 Целью лабораторной работы является закрепление теоре­ тического материала курса, а также ознакомление студентов с методиками измерений и исследований теплофизических про­ цессов, протекающих в агрегатах металлургического произ­ водства. Большое внимание при вьшолнении лабораторной работы уделяется приобретению студентами навыков ведения самостоятельной научно-исследовательской работы, анализа и обобщения полученных результатов. Для осмысленного выполнения работы студенты должны предварительно изучить теоретические положения по изучае­ мому вопросу, методику исследования, принцип работы при­ боров и оборудования. Перед началом работы студенты обязаны пройти инструк­ таж по технике безопасности и расписаться в соответствую­ щем журнале. Лабораторная работа проводится под руководством препо­ давателя и инженера. Студенты, пропустившие лабораторную работу, вьшолня- ют ее в конце семестра в дополнительное время по расписа­ нию кафедры. Студенты, не защитившие лабораторную рабо­ ту в установленный срок, не получают зачет и не допускаются к экзаменам. ПРАВИЛА ОХРАНЫ ТРУДА И ПРОТИВОПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Введение При вьшолнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать следующие требования: 1. Лабораторные работы проводятся по подгруппам, не пре- вьппающим 12-15 человек. 2. Перед вьтолнением лабораторных работ студенты обяза­ ны ознакомиться с правилами охраны труда и противопожар­ ной безопасности в лаборатории и на рабочих местах, распи­ саться в журнале регистрации инструктажа по охране труда. 3. Преподаватель, ведущий занятия, обязан перед началом каждой лабораторной работы напомнить студентам о прави­ лах охраны труда и безопасных приемах работы на лабора­ торном оборудовании. 4. При работе с электрооборудованием студенты обязаны вьшолнять правила электробезопасности и пользоваться пре­ дусмотренными для этой цели защитными средствами. 5. Работать на приборах и оборудовании студенты могут только под наблюдением преподавателя или лаборанта. 6. Студентам запрещается включать приборы и механизмы самостоятельно, без наблюдения преподавателя и лаборанта. 7. Перед проведением испытаний студенты обязаны озна­ комиться с работой лабораторного оборудования по настоя­ щему практикуму и соответствующим инструкциям. 8. К лабораторным работам допускаются студенты, овла- девпгае правилами и порядком их вьшолнения. 9. По окончании работы следует тщательно убрать свое ра­ бочее место. Цель работы', изучить процесс теплопроводности при ста­ ционарном режиме, построить температурное поле много­ слойной плоской стенки. Теоретическая часть Теплопроводность - процесс передачи теплоты от одной части тела к другой или от одного тела к другому, находящемуся в соприкосновении с первым, обусловленный разностью темпе­ ратур. В газах теплота переносится в результате хаотического движения молекул, в диэлектриках - упругими волнами, в ме­ таллах - в результате движения свободных электронов. Количество теплоты ^ (Дж), проходящее через какую- либо поверхность, нормальную к вектору градиента темпера­ туры ёгаб/, пропорционально его величине, площади по­ верхности Р, времени г и коэффициенту пропорционально­ сти X, характеризующему физические свойства тела; ^ = -ХРщгай I . О) Уравнение (1) является выражением основного закона теп­ лопроводности - закона Фурье. Закон Фурье можно предста­ вить и в таком виде: ^ = — = -'кР ^ай^\ т д = ^ = -Х&а(И. Рг Величины ^ и д называются соответственно тепловым потоком (Вт) и удельным тепловым потоком (Вт/м^); вели­ чина А. - коэффициентом теплопроводности . Таким образом, коэффициент теплопроводности - это мопщость, проходящая через площадку в 1 м ^ при градиенте температуры 1 К/м. Он является физическим параметром ве­ щества, характеризует его способность проводить теплоту и зависит от температуры, а для газов - также и от давления. Значения коэффициентов теплопроводности для различных веществ приведены в справочниках. Коэффициент теплопроводности металлов достаточно вы- ^ Вт 5...385— ^ , с увеличением температуры коэффициентсок м-К ^ теплопроводности большинства металлов уменьшается. Ко­ эффициент теплопроводности сплавов меньше коэффициента теплопроводности чистых металлов. Коэффициенты теплопроводности неметаллических твер­ дых материалов ниже, чем металлов 0,15... 19 Вт м-К . С увели­ чением температуры коэффициент теплопроводности неме­ таллических материалов, как правило, возрастает. Коэффициенты теплопроводности газов и жидкостей при нормальных условиях весьма низкие. Коэффициент теплопро­ водности газов с температурой значительно возрастает. При . . 2 л , ^ Втнормальной температуре он составляет 1,75-10 ...0,16 м-К Коэффициент теплопроводности жидкостей убывает с темпе­ ратурой (исключение составляют вода и глицерин). При нор­ мальной температуре коэффициент теплопроводности жидко- Втстей изменяется в пределах 0,13...0,28------. м-К Процессы переноса теплоты в твердом теле могут проте­ кать таким образом, что температура в каждой точке тела, следовательно, и тепловой поток, однозначно связанный с градиентом температуры, остаются постоянными во времени, т. е. в этом случае температура является функцией лишь про­ странственных координат; Т = Т{х,у,г). Такое температурное поле называется стационарным. Если температурное поле является не только функцией ко­ ординат, но и времени, т. е. Т = Т{х,у,2,г), то имеет место не­ стационарное температурное поле. Как отмечено выше, коэффициент тепловодности зависит от температуры. Но учет этой зависимости приводит к нели­ нейным дифференциальным уравнениям теплопроводности, которые в большинстве случаев не имеют решения. Поэтому на практике в каждом конкретном случае используют среднее для данного температурного интервала значение коэффициен­ та теплопроводности. Рассмотрим стенку, размеры которой значительно превы­ шают толщину 5 (рис. 1). Площадь, через которую проходит тепловой поток, постоянна; коэффициент теплопроводности также постоянен. Температуры 1\ и / 2 на наружных поверхно­ стях стенки известны и постоянны. Так как разность темпера­ тур наблюдается только в направлении оси х, тепловой поток направлен также вдоль оси х. Возьмем произвольное сечение а, параллельное наружным поверхностям стенки. Тепловые потоки, проходящие через левую поверхность и сечения а, должны быть одинаковыми, иначе количество теплоты между этими поверхностями изменится, что приведет к изменению температуры и нарушению стационарности. Так как коорди­ ната а произвольная, тепловой поток вдоль оси х постоянен. Применяя закон Фурье а/ О — = -----^ = СОП51, дх Х-Р после преобразования получим ^ = ----(^ 1 -^ 2 )-5 Рис. 1. Распределение температур в однослойной плоской стенке Величина — = Я называется тепловым сопротивлением ХР стенки и выражается в К/Вт - это разность температур, необ­ ходимая для того, чтобы обеспечить прохождение через дан­ ную поверхность теплового потока в 1 Вт, 0 = ^ к Величина удельного теплового потока через плоскую стен­ ку определяется по формуле Г 5 (2) Рассмотрим стенку, состоящую из нескольких слоев, при­ легающих друг к другу с идеальным термическим контактом так, что температура соприкасающихся поверхностей одина­ кова (рис. 2). Температуры 1\ и (4 на наружных поверхностях стенки известны и постоянны. е Рис. 2. Распределение температур в многослойной плоской стенке Тепловые потоки, направленные вдоль оси х, одинаковы. 0 \ - ^2 - Оз - ^ ■ Для каждого отдельного слоя запишем / 1 -^2 2^ ~^3 = ^ ^ 23> 3^ =6^34- Для всей стенки имеем ^= ^ 1 2 + ^ 2 3 + ^ 3 4 ‘^ 1 I ^^2 I -^3 Л2 Я3 (3) Так как при постоянных коэффициентах теплопроводности А, в пределах каждого слоя температура изменяется по прямой, для стенки в целом распределение температур представляет собой ломаную линию. Перепады температур в слоях пропор­ циональны их тепловым сопротивлениям. Величина удельного теплового потока через многослойную плоскую стенку - _ р1 ~^я+1) Е — м л (4) где п - число слоев. 10 1. Включить лабораторную печь, дверца которой представ­ ляет собой многослойную стенку, состоящую из следующих слоев: ультралегковес, асбест, сталь. Измерительная схема со­ стоит из термопар и многоточечного потенциометра. На внешней и внутренней поверхностях заслонки и между ее слоями вмонтировано по термопаре. 2. Печь разогреть до заданной температуры и вывести на стационарный режим. При этом температура во всех точках заслонки остается постоянной во времени. 3. Произвести замеры температур на границах слоев за­ слонки, 4. Рассчитать среднее значение коэффициента теплопро­ водности для каждого из слоев по формуле = Хо + а{Т^^). 5. Показания занести в таблицу. Порядок выполнения работы № слоя № термопары //,°С 5/,м X. Вт м-градус Вт 4 , .— м Вт Чъ ~ 2 м I (легковес) II (асбест) III (сталь) 6. Рассчитать величину удельного теплового потока, про­ ходящего через многослойную плоскую стенку по формуле (4) и через каждый слой по формуле (2), Полученные резуль­ таты занести в таблицу и сравнить. 7. Вычислить температуры поверхностей отдельных слоев по формулам (3) и сравнить со значениями, полученными опытным путем. П 8. Построить температурное поле многослойной плоской заслонки. 9. Определить температурный градиент в каждом слое за­ слонки. Содержание отчета Общие сведения о теплообмене теплопроводностью, поня­ тие коэффициента теплопроводности. Расчет теплопроводно­ сти плоской стенки при стационарном режиме. Описание ме­ тодики проведения эксперимента. Эскиз стенки с располо­ женными термопарами. Результаты опытов в виде таблиц, расчетов, графиков. Выводы. Литература 1. Металлургическая теплотехника: учебник для вузов. В 2 т. / В.А. Кривандин [и др.]. - М.: Металлургия, 1986. 2. Арутюнов, В.А., Миткалинный, В.И., Старк, С.Б. Метал­ лургическая теплотехника. В 2 т. - М.: Металлургия, 1974. 3. Исаченко, В.П., Осипова, В.А., Сукомел, А.С. Теплопе­ редача. - М.: Энергоиздат, 1981. 4. Кривандин, В.А., Марков, Б.Л. Металлургические печи. - М.: Металлургия, 1977. 5. Теплообмен и тепловые режимы в промьппленных печах / В.И. Тимошпольский [и др.]; под общ. ред. В.И. Тимошпольско- го. - Мн.: Вышэйшая школа, 1992. 6. Прибытков, И.А., Левицкий, И.А. Теоретические основы теплотехники. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. 12 ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Теплофизические свойства основных огнеупоров Материал Р , - м Я ’ кДж /,°С м -гр ад у с кг-К Асбестовый картон 900 0.16-0,17-Ю'^/ 0,816 - Шамотный кирпич 1800... 1900 0,84+0,6-10'^/ 0,88+0,0023 / 1350... 1450 Динасовый кирпич 1900... 1930 0,93+0.7-10-^/ 0,84+0,00025 / 1700 Магнезитовый кирпич 2600...2800 4,65-1,7-10-’/ 1,05+0,0003 / 1650... 1700 Хромомашсзитовый кирпич 2750... 2850 1,86-1,98 - 1700 Хромитовый кирпич 3000...3200 1,3+0,41-10-’/ 0,8+0,0003 / 1650... 1700 Псношамот 950 0,28+0,23-10-^/ - 1350 Ультралегковес 300 0,08+0,3-10’/ - 1100 Приложение 2 Теплофизические свойства некоторых металлов и сплавов Материал . м ' л Вт А>-------- м -°С с, кДж КГ-/С /*ПЯ> О кДж кг Алюминий 2700 209,3 0,896 660,1 358,18 Сплав А1-Си (5 %) 2800 159,2 0.883 - - Сплав А1-81 (13 %) 2660 162,8 0,871 - - Олово 7300 66,3 0,222 231,9 58,62 Свинец 11350 35,1 0,126 327,3 23,03 Серебро 10500 418,7 0,234 960,5 104,67 Сурьма 6690 18,8 0,205 630,5 163,29 Цинк 7150 112,8 0,381 419,5 104,67 Медь 8950 393,1 0,385 1083 213,53 Латунь Л-68 (68 % Си, 32 % 7л) 8520 105,8 0,385 938 - Бронза (90% Си, 10%8п) 8660 48,1 0,343 1020 - Железо 7880 74,4 0,439 1535 267,% Сталь среднеуглеродистая 7860 51,9 0,486 - - Чугун серый 7220 54,5 0,502 - - Учебное издание ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МНОГОСЛОЙНОЙ ПЛОСКОЙ СТЕНКИ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика» для студентов специальностей 1-36 01 05 «Машины и технология обработки мазериалов давлением», 1-36 02 01 «Машины и технология литейного производства», 1-42 01 01 «Металлургическое производство и материалообработка», 1-42 01 02 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» Составители: ТИМОШПОЛЬСКИЙ Владимир Исаакович ТРУСОВА Ирина Александровна КАБИШОВ Сергей Михайлович и др. Редактор Л.Н. Дубовик Компьютерная верстка А.Г. Гармазы Подписано в печать 29.06.2006. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Уел, печ. л. 0,8. Уч.-изд. л. 0,6.Тираж 100. Заказ 679. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0131627 суг 01.04.2004. 220013, Минск, проспект Независимости, 65.