Порядок проведения работы и обработка полученных результатов

1 Включить лабораторный стенд и выждать 10 минут.

2 Установить ПТП на исследуемый образец.

3 Снять показания значений плотности теплового потока q_эксп 10 раз с интервалом в две минуты и результаты занести в таблицу 13.1.

4 Определить расчетный тепловой поток

q_расч = (λ ∙ Δt) / s = [λ ∙ (t_в – t_н)] / s, Вт / м² (13.1)

где λ - теплопроводность материала исследуемого образца, Вт / (м² ºС); в нашем случае λ = 0,03 Вт / (м² ºС);

s = 8 мм - толщина исследуемого образца;

t_в ,t_н – температура внутренней и наружной стенок исследуемого образца.

5 Определить значение абсолютной погрешности измерения по формуле

Δq = q_эксп – q_расч, Вт / м² (13.2)

6 Оценить относительную погрешность измерений по формуле

δq = (Δq_эксп / q_расч) 100, % (13.3)

7 Сравнить полученное значение δq с δq_доп = 0,04 %.

Таблица 13.1 Результаты измерений и расчетов

qэксп, Вт / м2	tн, º С	tв, º С	qрасч, Вт / м2	Δq, Вт / м2	δq, %

Оформление отчета

Отчет должен содержать:

1 цель работы;

2 краткий порядок проведения измерений;

3 расчетные данные по выполненной работе (таблица 13.1);

4 выводы.

Лабораторная работа № 14 измерение теплового потока через тепловую изоляцию трубопровода Общие сведения

Тепловая изоляция широко применяется в энергетике. Она определяет техническую возможность и экономическую эффективность реализации технологических процессов при заданных параметрах, позволяет снизить тепловые потери и влияние на экологию, создать безопасные условия труда на производстве.

Теплоизоляционными называются материалы, обладающие малой теплопроводностью вследствие их высокой пористости. Основной характеристикой изоляционного материала является его теплопроводность, т.е. способность передавать теплоту через свою толщину при наличии разности температур по обе стороны материала. Значение теплопроводности определяет требуемую толщину теплоизоляционного слоя. Она зависит от вида материала, характера пор, его влажности и плотности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты.

Теплопроводность материала количественно определяется коэффициентом теплопроводности λ, Вт/(м·°С), выражающим количество тепла, проходящее через образец материала толщиной 1м и площадью 1 м² при разности температур на противолежащих поверхностях 1 °С за 1 секунду. На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т.д.

Общим признаком всех теплоизоляционных материалов является их высокая пористость, которая достигается различными технологическими процессами: образованием волокнистого каркаса, вспучиванием массы в процессе формования или тепловой обработки, поризацией массы при смешивании с пеной, введением пористых заполнителей, выгорающих добавок и др. Теплоизоляционные материалы должны обладать стабильными в условиях эксплуатации физико-механическими и теплотехническими свойствами, не выделять пыли и токсичных веществ в количествах, превышающих предел допустимой концентрации, иметь кажущуюся плотность не более 600 кг/м³ и теплопроводность при температуре 25°С не выше 0,175 Вт/(м·К). При выборе теплоизоляционных материалов также нужно учитывать такие факторы, как вибростойкость, формостабильность.

Все теплоизоляционные материалы классифицируют по семи основным признакам:

• По форме и внешнему виду выделяют изделия штучные (плиты, кирпич, полые цилиндры, полуцилиндры и сегменты, блоки), рулонные и шнуровые (маты, шнуры, жгуты), рыхлые и сыпучие (вспученный перлит и вермикулит, вата минеральная, стеклянная, каолиновая) материалы.

• По структуре различают волокнистые (асбест, стекловолокно, минеральная вата), ячеистые (пенопласты, пеностекло), зернистые (крошка диатомовая, совелитовая, каолиновая) материалы.

• По плотности делят на группы (особо низкой плотности, низкой плотности средней плотности и плотные) и марки.

• По жесткости делят на пять видов (мягкие, полужесткие, жесткие, повышенной жесткости и твердые).

• По виду исходного сырья делят на органические и неорганические.

• По возгораемости различают три группы материалов: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

• По теплопроводности различают три класса материалов: низкой ( 0,06 Вт/(мК)), средней (=0,06 0,115 Вт/(мК)) и повышенной (=0,115 0,175 Вт/(мК)).

Наряду с теплопроводностью к основным свойствам теплоизоляционных материалов относятся:

• Плотность – отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м³).

• Прочность на сжатие – это величина нагрузки (кПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%. Сжимаемость – способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала под действием нагрузки 2кПа.

• Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала. Для снижения водопоглощения ведущие производители теплоизоляционных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.

• Паропроницаемость – способность материала обеспечивать диффузионный перенос водяного пара. Диффузия пара характеризуется сопротивлением паропроницаемости (кг/м²·ч·Па). Паропроницаемость теплоизоляционных материалов во многом определяет влагоперенос через ограждающую конструкцию в целом. В свою очередь влагоперенос является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на термическое сопротивление ограждающей конструкции. Во избежание накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции и связанного с этим падения термического сопротивления паропроницаемость слоёв должна расти в направлении от тёплой стороны ограждения к холодной.

• Воздухопроницаемость улучшает теплоизолирующие свойства материала. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо пропускают воздух, что движение воздуха приходится предотвращать путем применения специальной ветрозащиты. Жесткие изделия, в свою очередь, обладают хорошей воздухонепроницаемостью и не нуждаются в каких-либо специальных мерах. Они сами могут применяться в качестве ветрозащиты.

• Огнестойкость – способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств. Это один из важнейших критериев выбора теплоизоляционного материала.

• Температуростойкость также является весьма важным свойством теплоизоляционных материалов, особенно при использовании их для изоляции промышленного оборудования, работающего при высоких температурах. Характеризуют температуростойкость материалов предельными температурами применения – технической и экономической. Под технической температурой понимают ту температуру, при которой материал может эксплуатироваться без изменения технических свойств. Экономическая предельная температура применения определяется не только температуростойкостью материала, но и другими его показателями: теплопроводностью, стоимостью, условиями монтажа и т. д. Некоторые материалы с повышенной теплопроводностью нерационально, например, использовать для высокотемпературной изоляции, несмотря на их высокую техническую предельную температуру применения.

• Морозостойкость – способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя во многом зависит долговечность всей конструкции.

С учетом дефицита и роста ТЭР необходимо стремиться применять энергоэффективные материалы, характеризующиеся низкими значениями коэффициента теплопроводности, что позволяет резко снизить толщину слоя изоляции при сохранении нормированных потерь.

Расчет толщины теплоизоляционного слоя производится по нормированию плотности теплового потока через изолированную поверхность. Так же учитывается диаметр трубопровода, средняя температура теплоносителя и условия прокладки трубопровода (надземная, канальная и бесканальная).

Схема лабораторной установки

В данной лабораторной работе в качестве рабочей среды используется воздух, который нагревается посредством встроенного нагревательного элемента. Для измерения теплового потока через тепловую изоляцию используется преобразователь теплового потока (далее ПТП), который выполнен в данном случае в виде гибкой пластины.

Лабораторная установка (рисунок 14.1) для измерения теплового потока с помощью ПТП через тепловую изоляцию трубопровода состоит из: трубопровода - 1, нагревательного элемента – 2, преобразователя теплового потока – 3, термопар 4 (температура на поверхности трубопровода под изоляцией), 5 (температура горячего воздуха, имитирующего теплоноситель), 6 (температура на поверхности тепловой изоляции), измерительного прибора-7.

Рисунок 14.1 Схема лабораторной установки для измерения теплового потока через тепловую изоляцию трубопровода: 1 – трубопровод, 2 - нагревательный элемент, 3 – ПТП, 4, 5, 6 – термопары, 7 – измерительный прибор.