Практическая работы №№ 3, 4 ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ

Практическая работы №№ 3, 4 ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ Цель   работы:   изучение   тепловых   свойств   древесины,   определение теплопроводности   и   коэффициентов   удельной   температуропроводности. теплоемкости, 1. Общие сведения 1.1. Тепловые свойства древесины. При   выполнении   расчетов   процессов   гидротермической   обработки древесины   необходимо   знать   ее   тепловые   свойства,   к   которым   относятся теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность. Теплоемкость   материала   характеризует   его   способность аккумулировать   тепло.   Показателем   этого   свойства   является  удельная теплоемкость,   представляющая   собой   количество   теплоты,   необходимой для   нагревания   единицы   массы   древесины   на   1  0С.   Размерность   этого параметра в системе СИ    Дж/(кг0С). Удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и при температуре 0 0С для абсолютно сухого состояния равна   1,55  Дж/(кг0С).  С   повышением   температуры   удельная   теплоемкость древесины   возрастет   по   линейному   закону   и   при   100  0С   увеличивается примерно на 25 %. Сильнее на теплоемкость древесины влияет ее влажность. Вода   имеет   примерно   в   2,5   раза   большую   теплоемкость,   чем   древесинное вещество. Поэтому увеличение влажности вызывает повышение теплоемкости древесины.   Увлажнение   ее   от   0   до   130   %   приводит   к   повышению теплоемкости   примерно   в   2   раза.   Замораживание   древесины   приводит   к уменьшению теплоемкости, т.к. лед имеет вдвое меньшую теплоемкость, чем вода. Для определения удельной теплоемкости древесины в зависимости от температуры и влажности удобно пользоваться диаграммой, приведенной в приложении 4. Теплопроводность характеризует интенсивность перемещения теплоты в   материале.   Количественной   оценкой   этого   свойства   древесины   является коэффициент   теплопроводности,   который   равен   количеству   теплоты, проходящей   через   плоскую   стенку   площадью   1   м2  и   толщиной   1   м   при разности   температуры   на   противоположных   сторонах   стенки   1  0С. Размерность   этого   параметра    Вт/(м0С).   На   способность   древесины проводить теплоту оказывают влияние многие факторы. Одним из наиболее значимых   является   плотность   древесины.   Увеличение   плотности,   т.е. повышение   доли   древесинного   вещества   в   объеме   древесины,   приводит   к возрастанию теплопроводности. Это связано с тем, что древесинное вещество имеет   примерно   в   20   раз   больший   коэффициент   теплопроводности,   чем воздух.   Древесина   является   анизотропным   материалом,   и   поэтому   ее теплопроводность   в   различных   структурных   направлениях   неодинакова.   В направлении вдоль волокон коэффициент теплопроводности  в 1,62,2 раза больше,   чем   в   поперечном   направлении.   У   хвойных   пород   древесины   и большинства   лиственных   значения   коэффициентов   теплопроводности   в радиальном и тангенциальном направлениях очень близки и при выполнении технологических   расчетов   принимаются   одинаковыми.   Исключение составляют   лиственные   породы   древесины   с   развитыми   сердцевинными лучами (дуб, бук, клен и др.). В этом случае коэффициент теплопроводности в радиальном направлении больше, чем в тангенциальном примерно на 15 %. Повышение влажности и температуры древесины приводит к увеличению ее теплопроводности.   Замораживание   древесины   влажностью   выше   предела насыщения   клеточных   стенок   ведет   к   скачкообразному   увеличению   ее теплопроводности, т.к. коэффициент теплопроводности льда в 4 раза больше, чем воды. Коэффициент   теплопроводности   может   быть   определен   с   помощью диаграммы, размещенной в приложении 5. По диаграмме находят значение коэффициента для древесины березы поперек волокон. Для других пород и структурных   направлений   древесины   его   величину   уточняют   с   помощью формулы  = нkkх , (12) где н номинальное значение коэффициента теплопроводности, найденное по диаграмме,   Вт/(м0С);   k  и   kх  коэффициенты,   учитывающие   базисную плотность   древесины   и   направление   теплового   потока,   определяются   по таблицам приложения 6. Температуропроводность  характеризует   теплоинерционность   (ско­   Коэффициент рость температуропроводности измеряют в м2/с и рассчитывают по формуле температуры)   изменения     древесины.  , а    с (13) где  коэффициент теплопроводности, Вт/(м0С); с  удельная теплоемкость, Дж/(кг0С);  плотность древесины, кг/м3. Наиболее   значимым   фактором,   влияющим   на   коэффициент температуропроводности,   является   влажность   древесины.   Увеличение содержания   свободной   влаги   (W    Wпн)   приводит   к   резкому   падению температуропроводности. 1.2. Измерение тепловых свойств древесины. Для   определения   удельной   теплоемкости   твердых   тел,   сыпучих материалов   и   жидкостей,   а   также   для   исследования   зависимости   этого параметра   от   температуры   применяют   измеритель   теплоемкости   ИТ­с­400. Тепловая схема прибора показана на рис. 3. 1  испытуемый образец; 2  металлическая ампула; 3  колпачок; Рис. 3. Тепловая схема измерителя теплоемкости ИТ­с­400: 4  тепломер; 5  адиабатическая оболочка; 6  нагреватель При проведении измерения испытуемый образец 1, помещенный внутрь металлической   ампулы  2  и   накрытый   колпачком  3,   нагревают   с   помощью нагревателя 6. Тепловой поток Q поступает к ампуле через тепломер 4. Для того   чтобы   тепловая   связь   ампулы   и   образца   с   внешней   средой осуществлялась   только   через   тепломер,   открытые   участки   поверхности ампулы изолированы от среды адиабатической оболочкой 5. Тепловой   поток   Q,   проходящий   через   тепломер,   расходуется   на разогрев испытуемого образца и металлической ампулы с крышкой: Q = Qо + Qa ; Qо = cmоb ; Qа = cаmаb , (14) (15) (16) где   Q0  теплота,   расходуемая   на   нагревание   образца,   Вт;   Qа  теплота, расходуемая   на   нагревание   ампулы,   Вт;   с    удельная   теплоемкость испытуемого   образца,   Дж/(кг0С);   mо  масса   образца,   кг;   b    скорость разогрева, 0С/с; cа удельная теплоемкость материала ампулы, Дж/(кг0С); mа масса ампулы с крышкой, кг. Величину   теплового   потока,   проходящего   через   тепломер,   можно определить, используя выражение Q = kтT , (17) где kт тепловая проводимость тепломера, являющаяся постоянной прибора, Дж/(с0С); T  перепад температуры на тепломере, 0С. Используя   формулы   (14)(17),   получаем   уравнение   для   расчета удельной теплоемкости испытуемого образца: с  k т 1 m о      T b   mc a a  .    (18) При   малых   перепадах   температуры   на   тепломере   уравнение   (18) приобретает вид   т  , 0 т (19) с  k т m о где  т  время   запаздывания   температуры   на   тепломере,   с;  т 0  время запаздывания температуры на тепломере в экспериментах с пустой ампулой, с. Параметры т Теплопроводность   твердых   тел   определяют   с   помощью   измерителя 0 и kт являются постоянными прибора. теплопроводности ИТ­л­400, тепловая схема которого приведена на рис. 4. При   проведении   измерения   испытуемый   образец  4,   пластины  2,  3  и стержень 5 разогреваются тепловым потоком Q, поступающим от основания 1. Боковые   поверхности   всех   перечисленных   элементов   адиабатически изолированы.   Стержень  5  и   контактная   пластина  3  изготовлены   из   меди, обладающей высокой теплопроводностью, и поэтому перепады температуры на   них   незначительны.   Тепловой   поток   Q,   проходящий   через   пластину  2, частично поглощается ею, и далее идет на разогрев контактной пластины  3, образца  4  и   стержня  5.   При   этом   тепловые   потоки,   проходящие   через измерительную ячейку, могут быть описаны уравнениями Q o   ST о P     1 2 C o  C c  ;   b  (20) Рис. 4. Тепловая схема измерителя теплопроводности ИТ­л­400: 1  основание; 2  пластина; 3  контактная пластина; 4  испытуемый образец; 5  стержень; 6  адиабатическая оболочка Q т     T т r т 1 2 C т  С п  С о  C c  ,   b  (21) где Qо  и Qт  тепловые потоки, проходящие через образец и пластину  2, Вт; То и Тт перепады температуры на образце и пластине 2, 0С; S  площадь поперечного   сечения   образца,   м2;   rт  коэффициент   пропорциональности, характеризующий эффективную тепловую проводимость пластины  2, Вт/0С; Со, Сс, Ст, Сп полные теплоемкости испытуемого образца, стержня, пластины 2  и контактной  пластины  3, Дж/0С; b    скорость разогрева измерительной ячейки, 0С/с. Регистрируя   величину   температурного   перепада   на   образце,   можно определить потери теплоты при прохождении теплового потока через образец. По величине этих потерь можно оценить тепловое сопротивление материала образца, а, значит, и его теплопроводность:   (22)  ; Р o   Р  1ST о  rT т т , h оР к (23) где   Ро  тепловое   сопротивление   испытуемого   образца,   (м20С)/Вт;   поправка,   учитывающая   теплоемкость   испытуемого   образца;   Рк  поправка, учитывающая тепловое сопротивление контакта и измерительных термопар, (м20С)/Вт;    коэффициент теплопроводности, Вт/м0С; h    высота образца, м. Поправка  рассчитывается по формуле  .  С   С2 о о  с С (24) В   свою   очередь,   полная   теплоемкость   испытуемого   образца   Со определяется из выражения Со = со(t)mо , (25) где   со(t)    удельная   теплоемкость   образца   при   данной   температуре,   Дж/ (кг0С); mо масса образца, кг. Величины rт, Рк  и Сс  являются постоянными для данного прибора, не зависят от свойств испытуемого образца и определяются предварительно в градуировочных экспериментах. 2. Порядок выполнения работы № 3 2.1. Материалы, приборы, инструменты:   образцы древесины цилиндрической формы диаметром (151) мм и высотой (100,5) мм;  графитовый порошок или алюминиевая пудра;  измеритель теплоемкости ИТ­с­400;  весы аналитические (точность определения массы  0,01 г);  толщиномер (штангенциркуль). 2.2. Подготовка образца. 2.2.1.   Получают   у   преподавателя   испытуемый   образец,   выясняют породу древесины, из которой он изготовлен. 2.2.2. С помощью толщиномера (штангенциркуля) измеряют диаметр и высоту образца. Точность измерения  0,1 мм. 2.2.3. Образец взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,01 г. 2.2.4. Вычисляют объем и плотность образца по формулам  ; h , V  2 d 4 mо V (26) (27) где V  объем образца, м3; d и h  диаметр и высота образца, м;  плотность образца, кг/м3; mо масса образца, кг. 2.2.5. Результаты измерений и расчетов заносят в табл. 6. Табл. 6. Свойства испытуемого образца Параметр 1. Порода древесины 2. Диаметр, м 3. Высота, м 4. Масса, кг 5. Объем, м3 6. Плотность, кг/м3 Значение 2.2.6.   Торцы   испытуемого   образца   натирают   графитовым   порошком (алюминиевой пудрой) для улучшения теплового контакта с металлической ампулой и крышкой (рис. 3). 2.3. Проведение испытания. 2.3.1.   Определение   удельной   теплоемкости   проводят   на   измерителе теплоемкости ИТ­с­400, который изображен на рис. 5. Рис. 5. Измеритель теплоемкости ИТ­с­400: 1  измерительная ячейка; 2  микровольтнаноамперметр; 3, 4  кнопки «Сеть»; 5  переключатель «Измерение»; 6  переключатель «Температура»; 7  кнопка «Нагрев»; 8  рукоятка настройки вольтметра; 9  вольтметр; 10  переключатель диапазонов измерения; 11  пульт установки прибора в нулевое положение; 12  кнопка «АРР»; 13  шкала 2.3.2. Открывают измерительную ячейку 1, поднимая верхнюю половину ее корпуса. Испытуемый образец помещают внутрь металлической ампулы и накрывают металлическим колпачком. Опуская верхнюю половину корпуса, закрывают ячейку. 2.3.3.   Нажатием   кнопок   «Сеть»  3  и  4  включают   измеритель теплоемкости и микровольтнаноамперметр  2. Переключатель «Измерение» 5 устанавливают   в   положение   «t1»,   а   переключатель   «Температура»  6  в положение «0». Прибор прогревают в течение 2030 мин. 2.3.4.   Включают   нагреватель   кнопкой   «Нагрев»  7,   рукояткой  8 устанавливают на вольтметре 9 начальное напряжение 40 В. Переключатель 6 переводят в положение 25  0С. С помощью переключателя  10  устанавливают диапазон измерений микровольтнаноамперметра 2. Нажимая кнопку «V» на пульте  11,   устанавливают   прибор   в   нулевое   положение.   Включают микровольтнаноамперметр на измерение отжатием кнопки «АРР» 12. 2.3.5.   При   достижении   заданной   температуры   световой   указатель микровольтнаноамперметра подходит к нулевой отметке шкалы 13. В этот   момент   переключатель  5  быстро   переводят   в   положение   «t2»   и одновременно   включают   секундомер.   Когда   индикатор   шкалы  13  вновь подойдет   к   нулевой   отметке,   выключают   секундомер   и   записывают   его показания в столбец «т» табл. 7. Табл. 7. Определение удельной теплоемкости t, 0С 25 50 75 100 125 т, с т 0, с kт, Вт/0С Теплоемкость, Дж/(кг0С), определенная экспериментально по номограмме    13,2 13,0 12,8 12,6  0,372 0,377 0,382 0,387 2.3.6. Переключатель 6 переводят в положение 50 0С и вновь включают секундомер.   Производят   определение   времени   запаздывания  т  для следующего   значения   температуры.   Описанную   процедуру   повторяют, последовательно   переводя   переключатель  6  в   положения   75  и   100 0С.   Все результаты определения т фиксируют в табл. 7. 2.3.7.  После   проведения   последнего   измерения   рукояткой  8  выводят вольтметр  9  в   нулевое   положение.   Кнопкой  7  выключают   нагреватель. Переключатели  5  и  6  устанавливают   в   исходное   положение.   Арретируют микровольтнаноамперметр нажатием кнопки «АРР» 12. Отключают приборы от сети кнопками 3 и 4. 2.3.8.   Поднимают   верхнюю   часть   корпуса   измерительной   ячейки  1. Оставляют ее в таком положении для охлаждения до комнатной температуры. Из   остывшей   металлической   ампулы   извлекают   испытуемый   образец. Измерительную ячейку возвращают в исходное положение. 2.4. Определение удельной теплоемкости. 2.4.1.   Расчет   удельной   теплоемкости   по   результатам   проведенных измерений производят с использованием формулы (19). Параметры kт  и  т 0 являются постоянными прибора. Их значения в зависимости от температуры приведены в табл. 7. 2.4.2. Определяют удельную теплоемкость древесины для температуры 25, 50, 75 и 100 0С по номограмме приложения 4. 2.4.3.   Результаты   расчетов   по   п.   2.4.1   и   определения   удельной теплоемкости по п. 2.4.2 заносят в табл. 7. 2.5. Анализ полученных результатов. Сопоставляют значения удельной теплоемкости древесины, полученные экспериментально и определенные по номограмме. 3. Порядок выполнения работы № 4 3.1. Материалы, приборы, инструменты:  образцы древесины цилиндрической формы диаметром (150,3) мм и высотой (50,1) мм;  графитовый порошок или алюминиевая пудра;  измеритель теплопроводности ИТ­л­400;  весы аналитические (точность определения массы 0,01 г);  толщиномер (штангенциркуль). 3.2. Подготовка образца. 3.2.1.   Получают   у   преподавателя   испытуемый   образец.   Порода древесины   должна   быть   такой   же,   как   у   образца,   использованного   в лабораторной работе № 3. 3.2.2. Используя толщиномер (штангенциркуль), измеряют диаметр d и высоту h образца. Точность измерения  0,01 мм. 3.2.3. Образец взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,01 г. 3.2.4.   Определяют   объем   и   плотность   испытуемого   образца   по формулам (26) и (27). Рассчитывают площадь поперечного сечения образца S по формуле  . S  2 d 4 (28) 3.2.5. Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу, аналогичную табл. 6. В нее дополнительно вносят значение площади поперечного сечения образца, м2. 3.2.6.   Торцы   образца   натирают   графитовым   порошком   (алюминиевой пудрой)   для   улучшения   теплового   контакта   со   стержнем   и   контактной пластиной (рис. 4). 3.3. Проведение испытания. 3.3.1.   Определение   коэффициента   теплопроводности   проводят   на измерителе теплопроводности  ИТ­л­400, внешний вид которого аналогичен измерителю теплоемкости ИТ­с­400 (рис. 5). 3.3.2. Поднимают верхнюю половину корпуса измерительной ячейки 1. Устанавливают образец на контактную пластину, а стержень  на контактные иглы   термопары.   Закрывают   измерительную   ячейку,   опуская   верхнюю половину корпуса. Включают     3.3.3.   и микровольтнаноамперметр  2  нажатием кнопок «Сеть»  3  и  4. Переключатель «Измерение» 5 ставят в положение «tс», а переключатель «Температура» 6 в положение «0». Прибор прогревают в течение 2030 мин. теплопроводности измеритель   3.3.4.   Кнопкой   «Нагрев»  7  включают   нагреватель,   а   рукояткой  8 устанавливают на вольтметре 9 начальное напряжение 40 В. Переключатель 6 переводят   в   положение   25  0С.   Отжатием   кнопки   «АРР»  12  включают микровольтнаноамперметр. 3.3.5.   При   достижении   заданного   значения   температуры   световой указатель микровольтнаноамперметра подходит к нулевой отметке. При ее достижении   переключатель   «Измерение»  5  быстро   переводят   в   положение «Пт».   Световой   указатель   при   этом   отклоняется   на   несколько   делений   от нулевой   отметки.   Фиксируют   это   количество   делений   (Тт)   и   быстро переводят   переключатель  5  в   положение   «П0».   Также   фиксируют   число делений отклонения от нуля (Т0) и возвращают переключатель 5 в положение «tс».  Числа   зафиксированных   делений   заносят   в  соответствующие   столбцы табл. 8. 3.3.6.   Переключатель  6  последовательно   переводят   на   значения температуры 50, 75, 100 и 125 0С. Для каждого из них выполняют действия, описанные в п. 3.3.5. 3.3.7. После проведения последнего измерения (при температуре 125 0С) рукояткой 8 выводят вольтметр 9 в нулевое положение. Кнопкой 7 отключают нагреватель. Арретируют микровольтнаноамперметр нажатием кнопки «АРР» 12. Приборы отключают от сети с помощью кнопок 3 и 4. Табл.   8.  Экспериментальное   определение коэффициента теплопроводности Со, Постоянные прибора t, 0С Тт, дел. Т0, дел. Дж/0С  Ро, (м20С)/ Вт , Вт/ (м0С) Сс, Дж/0С 15,86 25 16,54 50 75 16,54 100 16,87 125 16,87 rт102, Вт/0С 6,15 7,02 7,02 8,26 8,26 Рк104, (м20С)/Вт 7,6 6,1 6,1 5,6 5,6 3.3.8.   Поднимают   верхнюю   часть   корпуса   измерительной   ячейки  1. Оставляют ее в таком положении для охлаждения до комнатной температуры. Извлекают испытуемый образец, а измерительную ячейку закрывают. 3.4.   Определение   коэффициента   теплопроводности   по экспериментальным данным. 3.4.1. Используя результаты лабораторной работы № 3, по формуле (25) рассчитывают   полную   теплоемкость   испытуемого   образца   для   каждого значения температуры. 3.4.2.   По   формуле   (24)   для   каждого   значения   температуры   находят значения   поправки  ,   а   по   формуле   (22)   рассчитывают   тепловое сопротивление испытуемого образца Ро. 3.4.3.   Коэффициент   теплопроводности   испытуемого   образца рассчитывают по формуле (23). 3.4.4. Результаты всех расчетов заносят в табл. 8. 3.5.   Определение   коэффициента   теплопроводности   с   помощью диаграммы. 3.5.1. По диаграмме приложения 5 для каждого значения температуры находят   значения   коэффициента   теплопроводности   древесины   березы поперек волокон н. 3.5.2. Для породы древесины и структурного направления испытуемого образца по таблицам приложения 6 определяют коэффициенты, учитывающие базисную плотность древесины k и направление теплового потока kх. 3.5.3. Для каждого значения температуры рассчитывают коэффициент теплопроводности   по   формуле  12.   Результаты   определений   и   расчетов заносят в табл. 9. kх k , Вт/(м0С) н, Вт/(м0С) Табл. 9. Определение коэффициента теплопроводности по диаграмме t, 0С 25 50 75 100 3.6. Анализ полученных результатов. Сопоставляют значения коэффициента теплопроводности, полученные экспериментально   (табл.   8)   и   с   помощью   диаграммы   (табл.   9).   Отмечают возможные расхождения. Делают вывод о точности использованного метода определения коэффициента теплопроводности. 3.7. Определение коэффициента температуропроводности. 3.7.1.   В   табл.   10   заносят   результаты   определения   удельной теплоемкости   (лабораторная   работа   №   3,   табл.   7)   и   коэффициента теплопроводности (табл. 8). , кг/м3 , Вт/(м0С) с, Дж/(кг0С) Табл. 10. Определение коэффициента температуропроводности t, 0С 50 75 100 125 3.7.2. Плотность древесины рассчитывают как среднее арифметическое двух определений плотности, проведенных в лабораторных работах № 3 и № 4. а, м2/с 3.7.3.   Коэффициент   температуропроводности   рассчитывают   по формуле 13. Результаты расчетов заносят в табл. 10. 4. Контрольные вопросы 1. Какие параметры относятся к тепловым свойствам древесины? 2. Что такое удельная теплоемкость? В каких единицах она измеряется? 3. От чего и каким образом зависит удельная теплоемкость древесины? 4. Как пользоваться диаграммой удельной теплоемкости древесины? 5. Чему равен коэффициент теплопроводности? В каких единицах он измеряется? 6. От чего и каким образом зависит коэффициент теплопроводности древесины? 7.   Как,   определить   коэффициент теплопроводности для любой породы древесины и в любом ее структурном направлении?   пользуясь   диаграммой, 8.   Чему   равен   коэффициент   температуропроводности?   В   каких единицах он измеряется?