Лабор_работа_01. Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом плиты

• Название: Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов методом плиты
• Анкор: Лабор_работа_01
• Дата: 08.06.2020
• Размер: 248.5 Kb.
• Имя файла: Лабор_работа_01.docx
• Тип: Лабораторная работа; #128896

Лабораторная работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ПЛИТЫ

Стационарные методы измерения теплопроводности, простейшие по теоретическому обоснованию, начали развиваться раньше других методов и в настоящее время достигли значительного совершенства за счет использования современных средств контроля и измерения. С их помощью исследуются самые различные материалы: металлы, полупроводники, теплоизоляторы, волокна, порошки, жидкости и газы.

Для изучения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов используются методы, в которых испытуемый образец имеет форму плиты или пластины, трубы и полого шара. В них обеспечиваются условия для протекания через образец одномерного теплового потока.

Рассмотрим плоскопараллельную пластину, пронизываемую одномерным тепловым потоком с линиями тока, перпендикулярными к поверхности пластины. Перенос теплоты теплопроводностью через такую стенку при граничных условиях 1-го рода при стационарном режиме согласно закону Био-Фурье описывается уравнением

, Вт, (1)

где – коэффициент теплопроводности материала пластины, Вт/(м·К);

– температуры боковых поверхностей стенки, ⁰C;

– толщина пластины, м, F – площадь поверхности пластины, м².

В формуле (1) коэффициент теплопроводности принимается постоянным, не зависящим от температуры. В общем случае λ = f(t), тогда коэффициент теплопроводности относят к средней температуре .

При использовании образцов конечных размеров часть теплового потока, поступающего в образец, рассеивается во внешнюю среду, что требуется учитывать в эксперименте.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из основания 1, монтажных стоек 2, удерживающих прижимной механизм 6 и 11, охлаждающего вентилятора 9. Нагреватель 4, установленный на пенопластовой основе 3, подключается к автотрансформатору 13. К нагревателю сверху плотно прижимается испытуемый образец 5 диаметром D = 120 мм и толщиной δ = 25 мм.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки

1 – основание; 2 – стойка монтажная; 3 – нижняя прослойка пенопласта; 4 – нагреватель; 5 – испытываемый образец; 6 – прижимные гайки; 7, 12 – измерители термопар ТМР-200; 8 – теплоизолирующий кожух; 9 – вентилятор; 10 – радиатор; 11 – прижимная пластина; 13 – ЛАТР; 14 – измеритель напряжения на выходе ЛАТРа
Вся система смонтирована в корпусе с полыми стенками, заполненными вакуумом 8. Термопара Т1 закреплена на корпусе нагревателя снизу, Т2 – сверху, Т3 – со стороны нагревателя у боковой стенки образца, Т4 – посередине с холодной стороны. Температуры Т1 и Т2 выводятся на измеритель ТРМ-200, расположенный слева 7 (Т1 – красный дисплей, Т2 – зеленый), а температуры Т3 и Т4 соответственно на измерителе справа 12 (Т3 – красный дисплей, Т4 – зеленый). Напряжение на автотрансформаторе (ЛАТР) измеряется с помощью электронного вольтметра 14.

Напряжение нагревателя регулируется автотрансформатором, ограниченным диапазоном регулирования до 25 В, и измеряется электронным вольтметром 14. Сигналы с термопар в режиме реального времени отображаются на измерителях ТРМ-200.

Порядок проведения эксперимента

1. 
   Ознакомиться с устройством и работой лабораторной установки.
   
2. 
   Включить компьютер, подключиться к измерительной системе.
   
3. 
   Вывести на экран лицевую панель лабораторной работы «Теплопроводность изоляционных материалов» (рис. 2) и запустить режим измерения кнопкой «Пуск».
   

Рисунок 2. Лицевая панель программы

4. 
   Включить ЛАТР клавишей «ВК1», вывести напряжение для первого режима по указанию преподавателя.
   
5. 
   Дождаться установления стационарного режима в течение 20-25 мин (по указанию преподавателя) и перенести в таблицу 1 измеряемые величины: напряжение, подаваемое на нагреватель, температуры и рассчитанную мощность нагревателя.
   
6. 
   Далее перевести напряжение автотрансформатора последовательно на второй и третий режимы (по указанию преподавателя). Повторить пункт 5.
   
7. 
   Произвести вычисления согласно разделу «Обработка результатов».
   

Таблица. Параметры процесса

№ опыта	U, В	Q, Вт	tг, 0C	tх, 0C	, 0C	, Вт/(м·К)
1
2
3

Обработка результатов

1. 
   Тепловой поток (мощность) от нагревателя рассчитывается по формуле
   

где U – напряжение, подаваемое на нагреватель, определяется по показаниям вольтметра, установленного в ЛАТРе, В; R_ЭЛ – сопротивление нагревателя, равное 142 Ом. ( = 3 Ом).

2. Для каждого режима необходимо рассчитать коэффициент теплопроводности по формуле

, Вт/(м·К),

где δ – толщина образца, м; F – площадь поверхности образца, , м²; t_Г, t_X – средние температуры поверхностей образца с горячей и холодной стороны соответственно, ⁰С. Результаты расчета внести в таблицу.

Учитывая, что образец находится в термостатирующей оболочке, заполненной вакуумом, радиальными потерями теплового потока можно пренебречь.

Для одного из опытов рассчитывается среднеквадратичная относительная погрешность:

.

Обратить внимание на следующие вопросы.

1. Тематика и методика исследования.

2. Сущность стационарной методики исследования.

3. Описание экспериментальной установки с указанием измерительных приборов.

4. Перечень величин, непосредственно измеряемых в опыте, и приборы для их измерения

5. Оценка их погрешности (оценивается по прибору). Для термопар .

6. Расчет среднеквадратичной относительной погрешности искомой величины.
Студенты должны обратить внимание на то, что горячая поверхность в данной установке располагается ниже холодной. Необходимо наоборот. Почему? Это особенно важно, если испытуемый образец пористый.