Лабораторная работа 1. определение коэффициента теплопроводности строительных материалов на установке доктора бокка

Строительная физика

Методические указания для выполнения

Лабораторных работ

Самара 2006

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Кафедра гидравлики и теплотехники

Строительная физика

Методические указания для выполнения

Лабораторных работ

Утверждены редакционно-издательским

советом университета

Самара 2006

Составители: Вытчиков Юрий Серафимович,

Власова Татьяна Ефимовна

УДК 69:53:721.01

Строительная физика: Методические указания для проведения лабораторных работ/ Сост.: Ю.С. Вытчиков, Т.Е. Власова; Самарск. гос. арх.-строит. ун-т. Самара, 2006, с.

Методические указания предназначены для студентов дневного отделения специальностей 290300, 290500 университета.

В них приводится описание четырех лабораторных работ по курсу «Строительная физика». В лабораторный практикум включены две лабораторные работы (№1 и №3), связанные с определением важнейших теплофизических характеристик строительных и теплоизоляционных материалов - коэффициентов теплопроводности и паропроницаемости.

При выполнении лабораторной работы №2 студенты знакомятся с методикой теплотехнического обследования ограждающих конструкций.

Компьютерному моделированию тепловлажностного режима многослойной наружной стены посвящена лабораторная работа №4.

Редактор Л.И. Глезерова

Технический директор А.И. Непогодина

Корректор Е.М. Фоменкова

Подписано в печать 14.02.06. Формат 60х84¹/₁₆. Печать оперативная. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. Усл. печ. л. Тираж экз. Заказ

443001 Самара, ул. Молодогвардейская, 194

Самарский государственный архитектурно-строительный университет.

Адрес типографии: ООО «ИздательствоСамЛюкс». Самара, ул. Венцека, 78.

тел.: 310-83-47.

©. Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2006

Лабораторная работа 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА УСТАНОВКЕ ДОКТОРА БОККА

1.1. Цель работы и ее практическое значение

При выполнении лабораторной работы №1 студент должен изучить методику проведения эксперимента по определению коэффициента теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов в соответствии с ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Методы определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом потоке».

По заданию преподавателя требуется определить коэффициент теплопроводности одного образца строительного или теплоизоляционного материала.

1.2. Краткие теоретические сведения

Большинство экспериментальных методов определения коэффициента теплопроводности основывается на наблюдении за температурным полем, возбужденным тепловым потоком в исследуемом теле. Применительно к стационарным условиям используется закон Фурье

(1.1.)

и дифференциальное уравнение теплопроводности

. (1.2.)

Приведенные уравнения справедливы для твердых тел, физические свойства которых не зависят от температуры.

Решение дифференциальных уравнений (1.1) и (1.2) применительно к одномерному температурному полю в пластине позволяет найти коэффициент теплопроводности из соотношения

, (1.3.)

где – тепловой поток, Вт;

k – коэффициент формы исследуемого материала;

- температурный перепад в пластине, ⁰С.

Для неограниченного плоского слоя

, (1.4.)

где - толщина плоского слоя, м;

- его расчетная поверхность, нормальная к направлению теплового потока, м².

Из уравнения (1.3.) следует, что общий принцип измерения коэффициента теплопроводности состоит в определении теплового потока Q, проходящего через опытный образец заданных размеров, и перепада температур на обеих его изотермических поверхностях.

Выражение (1.3.) выведено в предположении, что является постоянной величиной, не зависящей от температуры. При коэффициенте теплопроводности, изменяющейся с температурой, формулой (1.3.) можно пользоваться, если температурный перепад в слое исследуемого вещества незначителен и истинные значения с достаточной точностью, можно заменить средними в данном интервале температур.

Описание установки

Прибор доктора Бокка (рис.1.1.)предназначен для точного определения коэффициента теплопроводности стройматериалов и теплоизоляционных материалов в пределах

λ = 0,25¸1,7 Вт/(м · К).

Погрешность определения коэффициента теплопроводности составляет 2¸3%. Измерения обычно проводятся при комнатной температуре (20¸25 ⁰С), но могут также осуществляется при более высоких (до 80 ⁰С) температурах или при использовании охладительной установки ниже 0 ⁰С.

В приборе Бокка для определения теплопроводности создается постоянный однородный тепловой поток, который и измеряется.

Установленный в приборе счетчик переменного тока 1 показывает электрическую энергию, которую потребляет нагревательная плита 2, и сопротивление делителя напряжения 3. Благодаря делителю напряжения нагрузка счетчика переменного тока почти постоянна, так что его показания практически безошибочны и пропорциональны тепловому потоку.

Термоэлектрическая батарея 4 и регулятор с падающей дужкой 5 регулируют температуру нагревательной плиты относительно температуры защитной плиты 6. При этом ступенчатый выключатель потенциометра регулирует расход электроэнергии в соответствии с тепловым потоком, проходящим через образец 7, который укладывается между плитами нагрева и охлаждения 8. Таким образом, мощность нагревательной плитки задаётся делителем напряжения, фиксированные ступени которого обеспечивают большую точность измерения.

Этот метод имеет особое преимущество перед обычным измерением тока в том, что он совершенно не зависит от постоянства напряжения в сети.

Действие прибора рассмотрим по приведённой схеме (рис.1.1.).

Как показано на схеме, холодная вода протекает через оба термостата 9 и 10. Температура жидкости при подаче к плиткам и отводе измеряется ртутными термометрами 11 и 12 с ценой деления 0,2 ⁰С.

Толщина образца определяется как средняя величина показаний микрометрических винтов для измерения толщины 13. Вмонтированные в операционный щит часы служат для определения продолжительности эксперимента. Температура холодной воды измеряется термометром 15.

1.3. Порядок проведения опыта

1. С помощью откидного рукава снять защитную нагревательную плитку, образец уложить и после установки ее над образцом определить его толщину микрометрическими винтами. После измерения с целью обеспечения лучшего контакта образца с плитами измерительные винты на защитной плите несколько ослабить. Закончив подготовку к эксперименту, плиты накрыть теплоизоляционным ящиком.

2. Установить с помощью поворотных магнитов контактные термометры термостатов 9 и 10 на предусмотренную температуру охлаждающей и нагревательной плит (см. рис.1.1.).

3.

Выбрать необходимую ступень мощности нагревательной плиты, руководствуясь диаграммой (рис.1.2). Ступень мощности определяется по измеряемой толщине образца и предполагаемой величине коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

4. Включить прибор в сеть 14 (см. рис.1.1.). Левая лампа тлеющего разряда должна зажечься, и вольтметр покажет рабочее напряжение в цепи канала, которое необходимо установить вмонтированным трансформатором на 120В.

5. Термостаты ввести в действие включателями, находящимися на их боковых поверхностях.

6. Когда в термостатах установится нужная температура, открыть краны 16 и 17 и отрегулировать расход холодной воды так, чтобы время включения нагрева термостата примерно было равно времени отключения (см. рис.1.1.). Моменты времени коммутации сигнализируются соответствующими контрольными лампами на панели.

7. Проконтролировать выход установки на стационарный режим. Красная стрелка регулятора с падающей дужкой будет симметрично отклоняться от нуля при регулярном подъеме и опускании дужки. При подъеме должна загораться контрольная лампочка нагревательной плитки.

8. После того как аппаратура нагрета и отрегулирована, определить и занести в протокол измерений следующие величины:

а) время ;

б) показания счетчика Е, установленную ступень мощности;

в) температуры на защитной плитке нагрева t _w1 и t _{w 2};

г) температуры на плитке охлаждения t _k1 и t _k2.

Определение вышеперечисленных величин повторить через 0,5 часа.

1.4. Математическая обработка результатов измерений

Обозначения: d₁, d₂, d₃, d₄ – толщина образца, мм; d – средняя толщина образца, мм; t _w1, t _w2 – температуры защитной плитки нагревателя, ⁰С; t _w – средняя температура защитной плитки, ⁰С; t _k1, t _k2 – температуры плитки охлаждения, ⁰С;

t _k – средняя температура плитки охлаждения, ⁰С; Dt – разность температур, ⁰С; Е - работа электрического тока, Вт · ч; DЕ – работа электрического тока между двумя измерениями, Вт · ч; - время, ч; - разность времени между измерениями, ч; q- плотность теплового потока, Вт/м²; K _i – константа ступени мощности, Вт/м² · Вт · ч; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м · ⁰С.

Средняя толщина образца равна:

(1.5.)

Средняя температура находится по формулам:

; (1.6.)

. (1.7.)

Таблица 1.1.

Протокол испытаний

Измеряемые величины	Отсчеты опыта
начало	конец	начало	конец	Начало	конец
Время, z
Температура помещения
Показания счётчика, E
Приток в теплую плиту, tw1
Вытекание из теплой плиты, tw2
Приток в холод- ную плиту, tk1
Вытекание из хо- лодной плиты, tk2
Микрометр, d1
d2
d3
d4
dср.
Мощность
∆E
∆z
∆E/∆z

Рис.1.2. Диаграмма для выбора ступени мощности нагревательной плиты

Разность температур равна:

, (1.8.)

Плотность теплового потока составляет:

, (1.9.)

Величина К_i может быть принята для соответствующей ступени мощности из следующих данных:

№ ступени
K i Вт/м2·Вт·ч	0,123	0,176	0,265	0,391	0,687	0,851	1,272	1,895	2,75	3,97	5,66	7,93

Коэффициент теплопроводности определяется по закону Фурье:

. (1.10.)

Отчет о работе должен содержать: краткое описание работы и принципиальную схему установки; таблицу результатов измерений; расчет коэффициента теплопроводности; анализ полученных данных.

1.5. Контрольные вопросы

1. В чем заключается физический смысл коэффициента теплопроводности?

2. Какие факторы влияют на значение коэффициента теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов?

3. Напишите дифференциальное уравнение теплопроводности?

4. Как формулируется гипотеза Фурье?

5. От чего зависит тепловой поток, проходящий через плоскую стенку?

6. С помощью, каких приборов измеряется перепад температур на гранях образца?

7. Каким образом определяется удельный тепловой поток, проходящий через образец?

8. На каком принципе работает контактный термометр?

9. Можно ли испытывать образцы на установке доктора Бокка кубической формы?

10. Укажите назначение термостатов в установке доктора Бокка?