Описание лабораторной установки

Экспериментальная установка представлена на рис.4.1. Она состоит из нагревателя 1 и трубы 2, расположенных концентрически. Наружный диаметр нагревателя составляет 12 мм, а внутренний диаметр трубы 30 мм, между нагревателем и трубой засыпан исследуемый материал 3 (песок), коэффициент теплопроводности которого следует определить. Торцы цилиндра теплоизолированы пластмассовыми пробками 4.

Нагреватель представляет собой трубчатый нагревательный элемент (ТЭН). Для измерения температуры наружной поверхности нагревателя и внутренней поверхности трубы использованы хромель-алюминиевые термопары 5 и измеритель температуры 6. На наружной и внутренней поверхностях установлено по четыре термопары (внутренняя поверхность нагревателя t₁’, t₂’, t₃’, t₄’; наружная поверхность трубы – t₁’’, t₂’’, t₃’’, t₄’’). Тепловой поток, вырабатываемый ТЭНом, регулируется с помощью автотрансформатора 7. Для измерения теплового потока используются амперметр 8 и вольтметр 9, установленные в электрический тракт нагревателя.

Рис.4.1 – Схема лабораторной установки

Порядок проведения опытов

1. После изучения опытной установки включить ее и установить первый из трех заданных преподавателем режимов работы.

2. Дождавшись установившегося режима (время прогрева установки около 10 минут), о чем будет свидетельствовать постоянство температуры на внутренней и наружной поверхностях, произвести запись показаний всех измерительных приборов. Показания амперметра и вольтметра записываются непосредственно, а показания измерителя температуры записываются последовательно для каждой точки поверхности.

3. Результаты занести в протокол измерений (таблица 4.1). В данном режиме произвести вторую и третью записи через 2 и 4 минуты после первой записи соответственно.

4. Установить второй температурный режим из заданных преподавателем и также, дождавшись установившейся температуры, сделать первую, вторую и третью записи в протокол измерений по данному температурному режиму.

5. Аналогично исследовать работу установки и в третьем температурном режиме.

6. Протокол измерений должен содержать девять записей по трем температурным режимам.

Обработка результатов опытов

1. Определяют средние температуры внутренней и наружной труб, а также среднюю температуру сыпучего материала:

; ; ,

где – температуры в отдельных точках поверхности нагревателя, ⁰С; – температуры в отдельных точках внутренней поверхности наружной трубы, ⁰С; t₁ – средняя температура поверхности нагревателя, ⁰С; t₂ – средняя температура внутренней поверхности наружной трубы, ⁰С; t_cр – средняя температура исследуемого материала, ⁰С.

2. Тепловой поток определяют по потребляемой мощности электронагревателя:

Ф=UI, (4.12)

где Ф – тепловой поток, Вт; I – сила тока,A; U – напряжение, B.

3. Определяют коэффициент теплопроводности для каждого режима питания по формуле, полученной самостоятельно, при этом учесть d₁ – это диаметр нагревателя, d₂ – внутренний диаметр наружной трубы.

Таблица 4.1 – Протокол результатов измерений

№

Нагреватель

Температура исследуемого образца

U

I

Ф

t’1

t’2

t’3

t’4

t1

t’’1

t’’2

t’’3

t’’4

t2

tcр



I

В

A

Вт

0C

0C

0C

0C

0C

0C

0C

0C

0C

0C

0C

Вт/(мК)

1

2

3

ср

II

III