- •Теоретическая часть
- •Теплопроводность
- •Закон Фурье
- •Теплопроводность через плоские однослойные стенки
- •Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности
- •Описание опытной установки и методика проведения эксперимента
- •Обработка результатов экспериментального исследования
- •Вопросы для самопроверки
Обработка результатов экспериментального исследования
В качестве опытных образцов используются диски из асбестового картона. Коэффициент теплопроводности асбестового картона определяется экспериментально при различных температурах. Проводится не менее трех опытов. После этого находится зависимость значений от температуры.
При проведении эксперимента задается температура на горячей поверхности образцов tгс экрана монитора или на пульте управления. При одном значенииtгпроводятся три опыта при разных значениях напряжения на нагревателеU.
В качестве примера задается температура на горячей поверхности образцов tг = 70 оС. Перепад напряжения на нагревателе последовательно уменьшается отU =72,233ВдоU =60,333В. Значения ЭДС термопар переводятся воС по табл. 4. Опытные данные, полученные в процессе эксперимента, представлены в табл. 6.
Таблица 6
Опытные данные по исследованию коэффициента
теплопроводности теплоизоляционного материала
Заданная температура на горячей поверхности tг = 70 оС.
№ опыта |
Показания | |||||||
Напряжение |
Температура, оС | |||||||
U,В |
t1 |
t2 |
t3 |
t4 |
t5 |
t6 |
t7 | |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Как видно из данных табл. 6, температура образца со стороны нагревателя не зависит от падения напряжения на нагревателе, а определяется лишь заданной температурой на горячей поверхности.
Учитывая симметричность передачи теплоты от нагревателя через два одинаковых образца, принимается:
1 – через каждый образец проходит только половина теплового потока направленного от нагревателя к образцам;
2 – «исследуемый» образец имеет температуры, осредненные по двум опытным образцам 8.
В качестве примера приводится расчет определения коэффициента теплопроводности по данным первого опыта.
Обработка опытных данных начинается с определения средней температуры «горячей» tс1и «холодной» стороныtс2исследуемого образца:
tс1 = ,оС,(14)
tс2 = ,оС.(15)
Отметим, что температура «горячей» стороны исследуемого образца на заданном режиме будет постоянна.
Средняя температура образца вычисляется по температурам на поверхности:
t = ,оС. (16)
Количество теплоты, выделяемое нагревателем в единицу времени (тепловая мощность) определяется по закону Джоуля – Ленца:
Qн = UI =, Вт, (17)
где I– сила тока, проходящего по нихромовой проволоке нагревателя, А;Rt– электрическое сопротивление нихромовой проволоки, Ом.
Электрическое сопротивление зависит от вида материала, диаметра и длины, а также температуры проволоки нагревателя. Для данного нагревателя величина электрического сопротивления определяется только его температурой tн:
Rt = 385 + 0,115tн.(18)
Температура нагревателя численно равна температуре на горячей поверхности исследуемого образца и постоянна для трех опытов на заданном режиме:
tн =tс1, оС.
Электрическое сопротивление нагревателя:
Rt = 385 + 0,115tн., Ом. (19)
Тепловой поток от нагревателя:
Qн = , Вт.(20)
Так как теплота от нагревателя передается во все стороны, то часть теплоты будет теряться от боковой поверхности нагревателя через оболочку-изолятор в окружающую среду.
Потери теплоты в единицу времени через боковую поверхность определены при тарировочных испытаниях и зависят только от разности температур между нагревателем tни окружающей средойt7 :
Qпот = 0,0320841(tн-t7), Вт.(21)
Тепловой поток, проходящий через исследуемый образец:
Q = , Вт.(22)
Опытное значение коэффициента теплопроводности образца при средней температуре t составляет:
оп = , Вт/(м.К). (23)
Для асбестового картона температурная зависимость значений коэффициента теплопроводности аналогична соотношению (3) и имеет вид:
т= 0,157 + 1410-5t, (24)
Относительное расхождение опытного и расчетного значений коэффициентов теплопроводности составляет:
%. (25)
Аналогичный расчет проводится и по следующим двум опытам при заданной температуре на горячей поверхности образца.
По результатам расчетов составляется таблица данных по исследо- ванию коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала (табл. 7).
Таблица 7
Опытные данные по исследованию коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала
№№ пп |
Параметр |
№ опыта | ||
1 |
2 |
3 | ||
1 |
Толщина образца 10-3,м |
6,0 | ||
2 |
Площадь поверхности образца F10-4,м 2 |
32,17 | ||
3 |
Средняя температура «горячей» стороны образцаtс1,оС |
|
|
|
4 |
Средняя температура «холодной» стороны образца tс2,оС |
|
|
|
5 |
Средняя температура образца t,оС |
|
|
|
6 |
Средняя температура нагревателя tн,оС |
|
|
|
7 |
Тепловая мощность нагревателя Qн,Вт |
|
|
|
8 |
Тепловые потери Qпот,Вт |
|
|
|
9 |
Тепловой поток через образец Q,Вт |
|
|
|
10 |
Опытное значение коэффициента теплопроводности оп,Вт/(м.К) |
|
|
|
11 |
Теоретическое значение коэффициента теплопроводности т,Вт/(м.К) |
|
|
|
12 |
Относительная ошибка ,% |
|
|
|
Как видно из данных табл. 7 и рис. 3, полученные значения коэффициента теплопроводности асбестового картона хорошо согласуются с теоретическими значениями. В исследуемом диапазоне температур наблюдается, хоть и незначительное, увеличение значений коэффициента теплопроводности.
Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности асбестового картона
Увеличение численных значений коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов с ростом температуры объясняется повышением значений коэффициента теплопроводности воздуха, заполняющего поровое пространство.