3.2. Основные стационарные методы экспериментального определения коэффициента теплопроводности

Теоретической базой основных стационарных методов определения коэффициента теплопроводности является решение одномерных задач теплопроводности для тел правильной геометрической формы (пластина, цилиндр, шар). В ходе экспериментов измеряют тепловой поток, температуры на поверхностях образца и его геометрические размеры.

Существует несколько экспериментальных методов определения коэффициента теплопроводности при стационарном режиме. К ним относятся:

1. Метод плоского слоя.

2. Метод неограниченного цилиндрического слоя (используется в данной работе).

3. Метод электротепловой аналогии (ЭТА).

3.3. Метод неограниченного цилиндрического слоя

В этом случае образцу исследуемого материала придается форма цилиндрической полой трубы. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.1.

Для того, чтобы максимально приблизиться к одномерной задаче, длина трубы l должна быть во много раз больше диаметра d. Чем больше отношение l/d , тем больше оснований пренебречь тепловым потоком вдоль трубы и обоснованнее предположение о том, что вся теплота передается в радиальном направлении (предполагается, что подвод теплоты осуществляется от расположенного внутри трубы источника, равномерно распределенного по ее длине, рис 4.1). Расчетная формула в случае граничных условий 1-го рода имеет вид

, (3.5)

где Q – тепловой поток, Вт;

l – длина образца, м;

d₁, d₂ – соответственно внутренний и наружный диаметры образца, м;

t_c1, t_c2 – осредненные значения температур внутренней и наружной поверхностей образца, ⁰С.

Рис. 3.2

Обратите внимание на то, что коэффициент теплопроводности может существенно меняться при изменении температуры. Изложенный выше метод определяет значение этого коэффициента, соответствующего среднеарифметическому значению температур на поверхностях образца.

4. Описание лабораторной установки

Установка для определения коэффициента теплопроводности (рис. 4.1) состоит из асбоцементной трубы 1, закрытой с торцов заглушками 2 для исключения потоков теплоты в осевом направлении. Внутри трубы вмонтирован электрический нагреватель 3. Мощность, потребляемая нагревателем, фиксируется по показаниям амперметра 6 и вольтметра 7. Выделяемое нагревателем тепло отдается в окружающую среду через стенки трубы в радиальном направлении.

Температура внутренней и наружной поверхности трубы измеряется с помощью хромель-копелевых термопар 4 и потенциометра 5. Потребляемая нагревателем мощность изменяется с помощью лабораторного автотрансформатора 8.

Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности методом трубы

Рис. 4.1

5. Требования техники безопасности

1. К работе допускаются только студенты, прошедшие общий инструктаж по технике безопасности в лаборатории теплотехники.

2. Во время экспериментов следить за тем, чтобы параметры электрической нагрузки (напряжение и сила тока) не превышали предельных значений, указанных на пультах установок или преподавателем.

3. Не оставлять без присмотра установки, находящиеся под напряжением.

4. При появлении пробоев изоляции, запаха гари и т.п. немедленно прекратить работу на установке и пригласить для принятия мер преподавателя или дежурного лаборанта.