Визначення коефіцієнта теплопровідності твердого матеріалу при стаціонарному теплообміні
1. Мета роботи
Поглиблення і закріплення знань студентів по теорії теплопровідності, вивчення методики експериментального визначення коефіцієнта теплопровідності твердого тіла і отримання навиків в проведенні експерименту.
В результаті роботи повинні бути засвоєні фізична суть процесу теплопровідності, зміст основного закону теплопровідності і його додаток до тіл простій геометричної форми, поняття про коефіцієнт теплопровідності і методи його визначення.
2. Основні теоретичні положення роботи
Теплопровідністю називають процес перенесення теплоти в тілах при безпосередньому зіткненні окремих елементарних частинок тіла і окремих тіл, що мали різні температури. Теплопровідність обумовлена тепловим рухом мікрочасток речовини.
У основі розрахунку процесу теплопровідності лежить закон Фурье, який встановлює, що тепловий потік виникає тільки за наявності температурного градієнта.
У аналітичній формі закон Фурье має вигляд, Вт/м2:
(1)
де
величина
називається коефіцієнтом
теплопровідності і
є фізичною характеристикою матеріалу,
яка залежить, перш за все, від його
природних фізичних властивостей. Знак
"мінус" показує, що вектор щільності
теплового потоку направлений в протилежну
сторону вектора градієнта температури.
Значення коефіцієнта теплопровідності є кількість теплоти, яка проходить в одиницю часу через одиницю площі ізотермічної поверхні при температурному градієнті, рівному одиниці.
При розгляді теплопровідності плоскої однорідної стінки використовується розрахункова залежність
(2)
де
- товщина
стінки, м; Q
-
кількість теплоти, що проходить в одиницю
часу через ізотермічну поверхню стена
площею F
(м2),
тобто тепловий потік, Вт; tс1
і
tc2
- постійні
температури на зовнішніх поверхнях
стінки °С; q
і
- відповідають
вищенаведеним величинам.
Для знаходження значення коефіцієнта теплопровідності експериментальним шляхом використовують вираз (2). Вирішуючи останнє щодо шуканої величини, отримують розрахункову формулу
Вт/
(3)
значення величин в правій частині якої визначають приладовий-інструментальними вимірюваннями в процесі конкретного досвіду.
3. Опис дослідної установки
Принцип роботи установки заснований на вимірюванні кількості теплоти Q, що пройшла через площу F досліджуваного зразка з товщиною стінки , вимірюванні різниці температур ∆t на його поверхнях і подальшого обчислення коефіцієнта теплопровідності за формулою (3) при стаціонарному тепловому режимі.
Лабораторна установка вивчення теплопровідності матеріалів методом пластини складається з типового лабораторного столу (рис.1), на якому встановлені: елемент робочий, блок потужності, блок температури. У лівій стійці столу розташована панель реле, а в правій - панель роз'ємів. Знімна обшивка відкриває доступ до елементів, розташованих усередині стійкий і блоків.
Мал. 1. Загальний вид установки дослідження теплопровідності: 1 - блок потужності; 2 - стіл; 3 — елемент робочий; 4 - блок температури.
Елемент робочий (рис.2) складається з: плоскою нагрівача 1, двох круглих досліджуваних пластин 3, двох холодильників 4, прилеглих до пластин 3, теплоізоляційного кожуха 5 і 9-ти термопар, розташованих на поверхнях пластинчастих зразків TI-T6 і в теплозахисному кожусі (Т7-Т9). Нагрівач 1, зразки 3 і холодильники 4 мають однаковий діаметр d- 140мм Всі вони щільно притиснуті один до одного стяжними болтами. Цим досягається хороший тепловий контакт між всіма дотичними поверхнями і забезпечується постійність температури по всій площині зіткнення
Мал. 2. Схема елементу робочого:
1 - корпус нагрівача;
2 - нагрівальний елемент;
3 - досвідчена пластина;
4 - холодильник;
5 - кожух теплозахисний;
T1, Т2 ... Т9 — термопари:
6 - патрубок водопровідний.
Холодильники є порожнисті усередині циліндри (з направляючими лопатями), в які подається вода з водопровідної мережі з подальшим скиданням її в каналізацію.
Теплоізоляційний кожух 5 дозволяє звести до нехтує малого значення радіального перенесення теплоти як від нагрівача в навколишнє середовище, так і в досліджуваних зразках. Таким чином, з допустимою для практики погрішністю, можна вважати, що вся кількість теплоти від електронагрівача 1 передається холодильникам 4. При цьому, враховуючи симетричність розміщення зразків і холодильників по відношенню до нагрівача, через кожен зразок передається половина загального потоку теплоти від нагрівача, що має потужність N.
У блоці потужності змонтовані: автотрансформатор завдання напруги, що подається на електронагрівач; прилад (комбінований цифровий Щ4313) вимірювання цієї напруги і сили струму, кнопки управління і сигнальні лампочки.
У блоці температури змонтовані: прилад (мілівольтметр пирометрический МВУ6-41С), що вимірює температуру з блоком компенсації температури холодних спаїв термопар, а також перемикач термопар.
Електричні зв'язки між складовими частинами установки здійснюються монтажними джгутами через роз'єми і сполучні колодки.
Принципіальна схема установки в цілому приведена на рис.3
Мал. 3. Принципова схема експериментальної установки:
1 - електронагрівач; 2 - досліджувані пластини;3 - холодильники; 4 - робочий спай термопари; 5 - міліамперметр; 6 - вольтметр; 7 - лабораторний автотрансформатор; 8 - кнопка виключення; 9 - кнопка включення; 10 - вентиль; 11 - перемикач термопар; 12 - вмикач; 13 - компенсатор температури вільних (холодильних) спаїв термопар; 14- мілівольтметр.