Лабораторная работа №3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДОМ ТРУБЫ

Задание

1.  Провести экспериментальные измерения средних температур внутренней и наружной поверхности образца в динамике его нагрева.

2.  Построить график выхода установки на стационарный тепловой режим.

3.  Для условий стационарного теплового поля рассчитать численное значение коэффициента теплопроводности испытуемого материала.

 

Лабораторная установка

В лабораторной  установке испытуемый материал 7  нанесен в виде цилиндрического слоя на металлическую трубку 8 (рис.1). Внутри трубы смонтирован электрический нагреватель 9 из нихромовой проволоки, выделяющей тепло равномерно по длине трубы. Количество тепла Q, которое выделяется нагревателем и передается через слой материала в окружающую среду, при стационарном тепловом режиме можно определить по мощности W, потребляемой электронагревателем:

Q = W.

Мощность нагревателя регулируется автотрансформатором 13 и измеряется ваттметром 14.

Для измерения температур на наружной и внутренней поверхностях слоя  7  установлены хромель-копелевые  термопары 1 - 6. Все они через переключатель 10 поочередно коммутируются с цифровым милливольтметром 11. Общий холодный спай термопар соединен с металлической пластиной 12, имеющей комнатную температуру. Перевод показаний милливольтметра в градусы Цельсия осуществляется с помощью справочной таблицы термопары (приложение 1), с учетом комнатной температуры.

Рис.1. Схема лабораторной установки

Методика  проведения и обработки опытов

1.            Включить установку и установить мощность нагревателя согласно указаниям  преподавателя или лаборанта.

2.            Периодически, с интервалом в 5 минут, контролировать тепловое состояние испытуемого образца путём регистрации показаний термопар и вычисления средних температур внутренней и наружной поверхности. Момент включения установки (начала замеров) считать начальным   τ = 0. Результаты измерений заносить в табл.1. Процесс нагрева образца иллюстрировать построением графика изменения температур поверхностей с течением времени (рис.2). Измерения продолжать до установления стационарного теплового режима, когда прекратиться изменение температуры поверхностей со временем (на графике это будет выражаться выходом кривых на горизонтальный участок).

Таблица 1

 

Время,

 мин

 

W,

 Вт

Показания
внутренних      термопар, 

мВ

Показания

наружных
термопар,

мВ

Средняя 

температура
 внутренней
поверхности,
°С

Средняя

температура
 наружной
поверхности,
°С

1

2

3

4

5

6

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

….

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l =  _ _ _ _ _ _ _ _ 

 

 


Рис. 2. График выхода установки на стационарный тепловой режим

 

3.            Выключить лабораторную установку.

4.            По среднему значению температур на  внутренней и внешней  поверхности испытуемого слоя в стационарном режиме и значению мощности нагревателя  вычислить коэффициент теплопроводности материала по формуле

,                                                       (1)

где l - коэффициент теплопроводности испытуемого материала;

l - длина трубы,  м;

d1 и d2  - внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя,  м;

t1 , t2   - средние температуры внутренней и наружной  поверхности цилиндрического слоя материала, °C.

5.            По вычисленному значению коэффициента l  дать характеристику теплопроводящих (теплоизоляционных) свойств испытуемого материала. Используя справочные данные (приложение 3) указать материалы, аналогичные испытуемому по теплопроводящей способности.

Дополнительные задания

1.            Построить график радиального распределения температуры t = f(r) в слое испытуемого материала. Значения температур в промежуточных точках графика (не менее трех точек) рассчитать, пользуясь формулой изменения температуры в однородной цилиндрической стенке при стационарном тепловом режиме.

2.            Рассчитать термическое сопротивление цилиндрического слоя испытуемого материала.

3.            Вычислить линейную плотность теплового потока ql  (погонный тепловой поток).

4.            Построить график радиального распределения температуры в безразмерном виде. Безразмерные значения радиуса и температуры определяются по формулам:

 ,                    .

5.            Рассчитать значение градиента температур на внутренней (r = r1)  и внешней (r = r2) поверхностях слоя материала.

6.            Построить график радиального распределения градиента температур.

7.            Вычислить   значение  плотности  теплового  потока  на   внутренней (r = r1)  и внешней (r = r2) поверхности цилиндрического слоя материала.

8.            Построить график изменения плотности теплового потока по толщине цилиндрической стенки.

9.            Изобразить картину изотермических линий в сечении испытуемого цилиндрического образца. Показать векторы теплового потока и градиента температуры.

10.   Показать вывод расчетной формулы (1) для определения коэффициента теплопроводности методом трубы.         

11.   Привести расчётную формулу для определения коэффициента теплопроводности методом плоского слоя.