Описание установки и методика проведения эксперимента
Экспериментальная установка (схема на рис.3.1) состоит из двух полых тонкостенных медных шаров с диаметрами d1 = 0,05 м и d2 = 0,15 м. Наружный шар подвешен на тонких стальных проволочках для уменьшения теплоотдачи в узле крепления. Внутри этого шара концентрично расположен другой шар. Между ними засыпан исследуемый материал (фарфоровая крошка), коэффициент теплопроводности которого требуется определить.
Во внутренней сферической камере 2 расположен электрический нагреватель 3. Для измерения температур внутренней (Т1) и наружной (Т2) поверхностей шарового слоя служат вмонтированные в металлические шары хромель-копелевые термопары 8: одна на внутреннем шаре и две на наружном (сверху и снизу).
В первое время после включения установки теплота, выделяемая нагревателем, затрачивается на прогрев внутреннего шара, слоя исследуемого материала и наружного шара.
По истечении некоторого времени (90-120 минут) устанавливается стационарный режим работы установки. При этом шаровые поверхности имеют постоянные, но различные температуры Т1 и Т2, а в слое исследуемого материала устанавливается стационарное температурное поле, описываемое уравнением (3). Теплота, выделяемая нагревателем, при установившемся режиме полностью передается через стенку внутреннего шара слою фарфоровой крошки и через стенку наружного шара отводится в окружающий воздух.
Рис. 3.1 Схема экспериментальной установки:
1 – исследуемый сыпучий материал; 2 – сферическая камера;
3 – электрический нагреватель; 4 – ваттметрД5004; 5 – реостат;
6 – потенциометр показывающий с вращающимся циферблатом КВП-503, градуировка ХК с пределом измерения 0-3000 С;
7 – переключатель термопар клавишный; 8 – термопары ХК.
Чтобы эксперимент был качественным, наружный шар выполнен никелированным по всей внешней поверхности. Это уменьшает влияние внешних источников теплового излучения (электрические лампы, приборы отопления, солнечные лучи и др.) Проволока, на которой подвешен шар, имеет малый диаметр, чтобы уменьшить местный теплоотвод от наружного шара в узлах его крепления. Теплота от наружного шара к воздуху отводится за счет естественной конвекции. Поэтому имеются незначительные отличия в теплосъеме с нижней и верхней полусфер шара. В связи с этим температура наружного шара измеряется в двух точках: сверху Т′2 и внизу Т″2, а для расчета принимается среднеарифметическая температура:
Т2 = (Т′2 + Т″2) / 2.
Наружный и внутренний шары изготовлены из меди, которая имеет большой коэффициент теплопроводности. Это уменьшает отличия температуры по поверхностям шаров из-за различных местных условий их контактирования с фарфоровой крошкой, а также позволяет с большой вероятностью считать граничные температуры шарового слоя равными температурам медных шаров.. Спаи хромелевого и копелевого электродов термопар для надежности теплового контакта зачеканены в стенки шаров, а сами термоэлектроды на длине 5÷7 мм уложены на подложке из электроизоляционного материала по изотермическим поверхностям шаров. Это обеспечивает повышение точности измерения температуры, поскольку уменьшает отвод тепла по самим термоэлектродам.
Хромель-копелевые термопары выбраны потому, что в данном диапазоне температур (Т<373 K) они имеют линейную и крутую характеристику Э.Д.С.= f(T), что повышает точность измерений.
Выводы термопар через переключатель 7 подсоединены к автоматическому показывающему прибору 6 с вращающимся циферблатом типа КВ -1, имеющему погрешность показаний не ниже 0,5% от диапазона измерений. Значение измеряемой температуры снимается со шкалы прибора при нажатии соответствующей клавиши переключателя.
Тепловой поток Q, который проходит через шаровой слой, определяется по электрической мощности, потребляемой нагревателем, на основании закона Джоуля-Ленца:
Q = W [Вт],
где: W – электрическая мощность нагревателя, измеренная ваттметром 4 типа Д5004 класса точности 0,5.
Порядок выполнения работы следующий. Включают питание нагревателя и с помощью реостата 5 устанавливают мощность W ≈ 17 Вт. После установления режима, когда температура на внутренней поверхности шара Т1 установится постоянной, снимают со шкалы прибора последовательно значения температур t1,t′2,t″2 и W, по которым рассчитывают значения Т1, Т′2,Т″2 и Q.
По полученным данным с помощью формулы (5) определяют коэффициент теплопроводности исследуемого материала.