Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности

Существует стационарные и нестационарные методы экспериментального определения коэффициента теплопроводности. Наиболее распространенный среди стационарных методов – «метод пластины» (или плоского слоя).

При реализации метода пластины должны выполняться условия, тождественные стационарному процессу передачи теплоты теплопроводностью через плоскую безграничную стенку. При создании таких условий коэффициент теплопроводности исследуемого материала определяется согласно формуле (10):

 = . (13)

Отсюда следует, что для вычисления значения коэффициента теплопроводности необходимо создать стационарный тепловой поток, замерить его значение, а также значения температур на поверхностях пластины и знать геометрические размеры исследуемого образца.

Описание опытной установки и методика проведения эксперимента

Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала и выявление его температурной зависимости проводится методом пластины с использованием имитационного моделирования.

Схема установки для определения коэффициента теплопроводности метод пластины представлена на рис. 2.

Рис.2. Схема установки для определения коэффициента

теплопроводности методом пластины:

1, 2 – термопары в холодильнике; 3, 4, 5, 6 – термопары на нагревателе; 7 – термопара на внешней поверхности изоляции; 8 – образцы; 9 – нагреватель;

10 – холодильник; 11 – оболочка - изоляция; 12 – милливольтметр; 13 – вольтметр; 14 – реостат; 15 – пусковой ключ.

Два одинаковых опытных образца 8 выполнены в форме диска. Условие передачи теплоты через плоскую бесконечную стенку достигается созданием одномерного температурного поля через плоский диск с толщиной много меньше его диаметраD().

Электрический нагреватель 9 изготовлен из нихромовой проволоки и размещен внутри металлического корпуса. Высокая теплопроводность корпуса обеспечивает практически одинаковую и постоянную температуру на поверхности нагревателя. Поверхности нагревателя плотно прижаты к исследуемым образцам 8. Количество теплоты в единицу времени, выделяемой при прохождении электрического тока через нагреватель определяется по закону Джоуля-Ленца. Этот тепловой поток симметрично проходит через два опытных образца. Падение напряжения на нагревателе регулируется реостатом 14 и фиксируется цифровым вольтметром 13.

Внешние поверхности опытных образцов соприкасаются с холодильником 10. В полом металлическом холодильнике по каналам протекает вода для отвода теплового потока и поддержания температуры внешний поверхностей образцов постоянной.

Для уменьшения потерь теплоты через боковые поверхности, нагреватель и образцы вставлены в оболочку - изоляцию 11.

Температуры поверхностей стенок образцов замеряются хромель-копелевыми термопарами 1, 2, 3, 4, 5, 6. Температура внешней поверхности изоляции измеряется хромель-копелевой термопарой 7. Электродвижущие силы, возникающие в термопарах, преобразуются в температуры, значения которых показаны на цифровом милливольтметре 12 и могут быть сняты с экрана монитора или с пульта управления.

Перед проведением исследования лаборант или преподаватель, проводящий лабораторные занятия, устанавливает на стенд модель опытной установки, подключает модель к согласующему устройству, а затем включает компьютер. Из главного меню компьютера вызывается имитационная модель лабораторной установки «Определение коэффициента теплопроводности».

При проведении эксперимента лаборант или преподаватель устанавливает температуру на горячей поверхности образцов и регулирует напряжение, подаваемое на электрический нагреватель. Температура на горячей поверхности образцов t_гдолжна изменяться от 50 до 100^оС. Рекомендуется устанавливать перепад напряженияUна нагревателе в диапазоне от 60 до 86 В.

Для определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности исследуемого материала следует провести не менее трех опытов при одном значении температуры на горячей поверхности образцов и различных перепадах напряжения на нагревателе.

Студенты для каждого из задаваемых режимов фиксируют либо с экрана монитора, либо на цифровых приборах пульта управления параметры опытов. Перевод значений ЭДС, замеряемые термопарами, в ^оС проводится согласно данным табл. 3.

Таблица 3

Перевод мВ в ^оС для хромель-копелевых термопар

оС	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
0	0	0,06	0,13	0,19	0,26	0,33	0,39	0,46	0,52	0,59
10	0,65	0,72	0,78	0,85	0,91	0,98	1,05	1,11	1,18	1,24
20	1,31	1,38	1,44	1,51	1,58	1,64	1,71	1,77	1,84	1,91
30	1,98	2,04	2,11	2,17	2,25	2,31	2,37	2,44	2,51	2,57
40	2,64	2,70	2,77	2,83	2,90	2,96	3,03	3,09	3,16	3,22
50	3,28	3,35	3,42	3,49	3,56	3,62	3,69	3,76	3,83	3,89
60	3,96	7,03	4,09	4,16	4,23	4,30	4,37	4,44	4,51	4,57
70	4,64	4,71	4,78	4,85	4,92	4,99	5,06	5,13	5,20	5,27
80	5,35	5,42	5,49	5,56	5,63	5,70	5,77	5,85	5,92	5,99
90	6,06	6,13	6,20	6,27	6,35	6,42	6,49	6,56	6,63	6,70

Замеренные значения падения напряжения на нагревателе Uи температур образцовt₁ – t₆и изоляцииt₇записываются в таблицу опытных данных (табл. 4 ).

Таблица 4.

Опытные данные по исследованию коэффициента теплопроводности

Заданная температура на горячей поверхности t_г = ^оС.

№ опыта	Показания
	Напряжение	Температура, оС
	U,В	t1	t2	t3	t4	t5	t6	t7
1
2
3

Справочные данные по основным параметрам опытной установки и исследуемому образцу представлены в табл. 5.

Таблица 5

Основные параметры опытной установки

№№ пп	Параметр	Образец*	Нагреватель**	Оболочка- изоляция
1	Диаметр, мм	64	75	120
2	Высота, мм	6	30	40

* - площадь поверхности образца F= 32,17 см²; ** - нихромовая проволока диаметромd_пр = 0,1 мм, длинойℓ = 3 м.