Результаты измерений

Период опыта	Показания термометра, град.
Начальный
Главный
Конечный

Форма 6

Результаты расчетов

Наименование породы	Средняя плотность ρ,кг/м	Масса образца т, кг	Водный эквивалент калориметра К, кг	Значения температур образца, оС			Показания термо- метра в главном пе­риоде, оС		Поправка на теплобмен ∆t, оС	Тепло­емкость породы
										удельная Су ,кДж/(кг К)	объемная Со ,Дж/(м3 К)
				начальная, t0	конечная, tк	при 0°С по шкале термометра, t0	начальная, t1	конечная, t2

Лабораторная работа № 10 Определение теплофизических характеристик материалов

Надежность и экономичность эксплуатации зданий обеспечивается механическими и теплофизическими характеристиками ограждающих конструкций, которые в свою очередь зависят от свойств материалов, из которых они изготовлены. Причем разброс характеристик может быть весьма значительным, поэтому очень важное значение имеет расчет распределения температур в конструкции и определение положения точки росы. Для выполнения этих расчетов требуется определение теплофизических характеристик строительных материалов, таких как температуропроводность и теплопроводность.

Цель работы: ознакомление с методикой измерения тепловых характеристик строительных материалов методом мгновенного источника тепла.

Задачи работы:

1. Определить пористость и влажность образцов материалов.

2. Определить значения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности материалов различной пористости.

3. Вычислить удельную и объемную теплоемкость.

Оборудование и материалы: блок управления источником тепла; датчик температуры DS18B20; адаптер; ПЭВМ; штангенциркуль; электронные весы, образцы строительных материалов.

Установка, используемая в работе, работает по следующей схеме (рис. 6). Контрольный образец 1 представляет собой два полуограниченных стержня и расположенную между ними пластину толщиной х из той же материала. Между верхней частью образца и пластиной расположен нагреватель 2, который подключен к блоку управления 3, а между нижней частью образца и пластиной датчик температуры 4, соединенный через адаптер 5 с персональным компьютером 6.

Сущность метода мгновенного источника тепла заключается в том, что нагреватель, располагающийся внутри составного образца, сообщает материалу тепловой импульс длительностью 1 – 3 с. Этот импульс распространяется вдоль образца и через некоторое время достигает контрольной точки, расположенной под пластиной на расстоянии х от нагревателя, равного толщине пластины исследуемого образца. Датчик, находящийся в этой точке, зафиксирует изменение температуры, и на мониторе компьютера будет построена термограмма ∆Т_m, за время прохождения ∆t_m тепловым импульсом расстояния х от нагревателя до контрольной точки.

Р еле времени, входящее в комплект установки, позволяет также зафиксировать точное время работы нагревателя. Сила тока, проходящего через нагреватель, при неизменном напряжении сети 220 В остается постоянной и составляет 2,4 А.

Работа установки и регистрация всех измеряемых величин осуществляется в автоматическом режиме.

Значение коэффициента температуропроводности образца а определяют по времени ∆t_m повышения температуры в контрольной точке до максимального значения ∆Т_m с учетом толщины пластины

. (3)

Теплопроводность образца определяется по количеству тепла, выделенного нагревателем, и по максимальному повышению температуры в контрольной точке из соотношения:

, (4)

где: ∆t_m - интервал времени между моментом включения нагревателя и наибольшим повышением температуры на расстоянии х; I_н - сила тока в нагревателе; R_н - сопротивление нагревателя; ∆t_о - время работы нагревателя; S_н - площадь нагревателя; К_m – тарировочный коэффициент установки.

Для того чтобы учесть фактическое время работы нагревателя отличное от мгновенного, вычисленные значения α и λ необходимо умножить на коэффициент К_н, определяемый по формуле

.

Порядок проведения опыта

Высушенные до постоянной массы образцы (пластины) материалов взвесить с точностью до 0,1 г, измерить их толщину и диаметр. С одной пластиной собрать составной образец с нагревателем и датчиком в соответствии со схемой, представленной на рис. 2, и укрепить его на струбцине, следя за тем, чтобы был обеспечен надежный тепловой контакт между всеми элементами образца и нагревателем. Два других образца поместить в бюксы с водой. Один образец извлечь из воды через 3 минуты, а второй через 10 минут.

Нагреватель подключить к клеммам блока управления, автомат подключения к сети установить в положение «включено». На цифровом табло реле времени установить время работы нагревателя 2 – 3 секунды.

Адаптер подключить к СОМ порту компьютера и включить его в сеть. Для проведения опыта включается компьютер и запускается программа измерения температуры. В диалоговом окне, воспользовавшись опцией «Интервал обновления», устанавливается время 1 секунда и включается «Запуск» одновременно с нажатием кнопки «Пуск» на блоке управления. На экране монитора строится график зависимости изменения температуры образца во времени.

По мере прохождения тепла скорость изменения температуры уменьшается. Измерения считаются завершенными, когда температура начнет снижаться. Для остановки работы программы в диалоговом окне нажимается кнопка «Стоп» и «Очистка». При этом на рабочий стол компьютера запишется файл результатов исследований в табличной форме.

Обработка результатов

Объемная плотность образца (кг/м³) рассчитывается по формуле

ρ_о = m_с/V_о,

где m_с - масса сухого образца, кг; V_о — объем образца, м³.

По результатам испытаний трех образцов определяется средняя плотность материала. Истинная плотность ρ задается преподавателем. Пористость образца определяется из выражения

Р=(ρ – ρ_о)/ρ,

а влажность, %,

W=100(m_вл – m_с)/m_с,

где m_вл - масса влажного образца, кг.

Запустив программу просмотра результатов опыта, изменяя в диалоговом окне отсчет времени измерений, найти максимальное значение температуры ∆T_m и соответствующее ему время ∆t_m. Найденные величины подставить в формулы (3 и 4) и определить коэффициенты температуропроводности и теплопроводности.

Повторив опыты для влажных образцов, необходимо вычислить значения тепловых свойств по приведенным выше формулам и построить точечные графики зависимости тепловых характеристик от влажности материалов α = f (W).

В ходе дальнейшей обработки необходимо закончить оформление графиков, описать последовательность вычислений значений тепловых параметров испытанных грунтов от их влажности W, дать объяснение полученным зависимостям.

Далее вычислить значения объемной С_о=λ/α и удельной С_у=С_о/ρ теплоемкости.

Результаты измерений и вычислений занести в форму 7.