4. Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема экспериментальной установки изображена на рисунке 3.1. Исследуемые объекты (№ 1 и № 2) представляют собой тонкостенные трубы одинакового диаметра из нержавеющей стали.

Торцевые поверхности труб термоизолированы.

Внутри труб объектов исследований установлены нагревательные элементы из нихромовой проволоки. Нагревательные элементы ограничены трубчатыми поверхностями с наружным диаметром d₁. То есть, объекты исследований состоят из двух коаксиально установленных труб. Пространство между трубами заполнено исследуемыми материалами. В исследуемом объекте с нагревательным элементом НЭ5 находится стекловата, а с НЭ6 – гипс (затвердевший раствор). На стенде НЭ5 установлен спереди, а НЭ6 – сзади (ближе к задней стенке стенда).

Рисунок 3.1 – Схема исследуемой подсистемы

На каждом объекте исследований установлено по 8 термопар (тип ТХК-1199, хромель-копель). Четыре термопары используются для измерения температуры на наружной поверхности ( ) и четыре –­ для измерения температуры на внутренней поверхности ( ).

В качестве измерителей температуры ИТ5 и ИТ6 используются двенадцатиканальные измерители типа «Сосна-004» (при использовании приборов типа «Сосна-004» задействованы 8 каналов измерения (с первого по восьмой). Четыре канала (с девятого по двенадцатый) не используются и являются резервными.

С помощью регуляторов Р5 и Р6 устанавливается желаемый режим. характеризуемый величиной мощности, реализуемой на нагревательных элементах НЭ5 и НЭ6 и регистрируемой с помощью ваттметров PW5 и PW6.

На стенде не допускается одновременная работа с двумя нагревательными элементами. То есть, исследования необходимо проводить вначале со стекловатой (лабораторная работа № 1), а затем отключить питание 5-го канала стенда, включить питание 6-го канала и перейти к исследованиям характеристик гипса (лабораторная работа № 2).

5. Проведение испытаний

При проведении исследований необходимо учитывать следующие допущения:

1) тепловой поток от нагревательного элемента распространяется в радиальном направлении, т. к. боковые стенки объекта испытаний термоизолированы;

2) исследуемый слой теплозащитного материала является однородным;

3) потери электрической энергии происходят только на нагревательных элементах.

В данной работе теплопроводность λ определяется на стационарных режимах. На стационарном режиме вся подводимая к нагревательному элементу энергия передается через исследуемый материал и далее через боковую поверхность внешней трубы в окружающую среду, т. е. устанавливается тепловой баланс. Признаком выхода системы на стационарный режим является неизменность во времени температуры, регистрируемой с помощью ИТ5 или ИТ6 и соответствующих термопар. На каждом объекте исследований установлено по 8 термопар. Наблюдать за температурой, считываемой с восьми термопар на нестационарных режимах (когда температура изменяется во времени) сложно. Поэтому при определении теплопроводности стекловаты (работа на 5-м канале с НЭ5) наблюдать за выходом на стационарный режим следует, используя, например, показания ИТ5, считываемые с термопары Т22 или Т23. При определении теплопроводности гипса выход на стационарный режим можно контролировать по температуре, считываемой с термопар Т30 или Т31.

Испытания и со стекловатой и с гипсом необходимо провести на двух установившихся режимах при двух значениях мощности, подводимой к нагревательным элементам (W₁ и W₂). Мощность регистрировать по ваттметру.

Значения W₁ и W₂ необходимо согласовать с преподавателями.

Рекомендуется, чтобы W₁ и W₂ находились в пределах 10…40 Вт.

Таким образом, методика эксперимента следующая:

1) включается электропитание канала (НЭ5 или НЭ6);

2) с помощью регулятора (Р5 или Р6) устанавливается по ваттметру мощность W₁ (например, 10 Вт);

3) далее по показаниям, считываемым по одной из указанных выше термопар, необходимо следить за выходом системы на установившийся режим (время выхода на стационарный режим составляет приблизительно 30…40 мин). Признаком выхода на стационарный режим является неизменность температуры в течение, примерно, трех минут;

4) после установления стационарного режима необходимо поочередно измерить температуру (показания всех термопар) и результаты записать в таблицы 3.1 или 3.2;

5) после этого необходимо продолжить исследования и установить по ваттметру следующее значение мощности – W₂ (например, 25 Вт), дождаться выхода на стационарный режим, затем зафиксировать показания всех термопар, установленных на исследуемом объекте, и занести их в таблицу.

После исследований объекта со стекловатой (НЭ5) необходимо перейти к исследованиям объекта с гипсом (НЭ6).

Таблица 3.1 – Результаты исследований теплопроводности стекловаты

Режим	I				II
Мощность на НЭ5, Вт	W1 =				W2 =
Температура на наружной поверхности , °С
Температура на внутренней поверхности , °С
Среднее значение , °С
Среднее значение , °С
Теплопроводность , Вт/(м·K)
Среднее значение температуры слоя , °С
Значение коэффициента А, Вт/(м·°С)
Значение коэффициента В, Вт/(м·°С)

Таблица 3.2 – Результаты исследований теплопроводности гипса

Режим	I				II
Мощность на НЭ6, Вт	W1 =				W2 =
Температура на наружной поверхности , °С
Температура на внутренней поверхности , °С
Среднее значение , °С
Среднее значение , °С
Теплопроводность , Вт/(м·K)
Среднее значение температуры слоя , °С
Значение коэффициента А, Вт/(м·°С)
Значение коэффициента В, Вт/(м·°С)