БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ЭНЕРГОФИЗИКИ
Л а б о р а т о р н а я р а б о т а
Экспериментальное определение коэффициента
Теплопроводности реологических сред
М и н с к – 2009
Экспериментальное определение коэффициента
Теплопроводности реологических сред.
Цель работы. Изучение нестационарного зондового метода определения коэффициента теплопроводности реологических сред, экспериментальное определение коэффициентов теплопроводности минеральных масел.
Реологические среды представляют собой класс жидких, жидкообразных и дисперсных материалов, у которых в процессе течения вязкость является переменным параметром. Сюда относятся растворы и расплавы полимеров, консистентные смазки, смазочно-охлаждающие жидкости, лаки, пасты, суспензии и т.д. Коэффициент теплопроводности таких сред можно определить на установке, использующей нестационарный метод зонда постоянной мощности.
Метод нагретого зонда. В основу метода зонда постоянной мощности положено решение нестационарной задачи теплопроводности о нагреве постоянной мощностью бесконечного цилиндра в неограниченной среде. Математическая постановка задачи следующая:
(для цилиндра t>0, 0<r<R)
(1)
Для среды (t>0, 0<r<¥);начальные и граничные условия имеют вид:
¹¥
(2)
Температура на поверхности цилиндра записывается в виде
, (3)
где q- удельная тепловая мощность на единицу длины,
R - радиус цилиндра, t - время, l и 
- коэффициенты тепло- и температуропроводности неограниченной среды соответственно. Выражение (3) получено в предположении, что теплоемкость нагреваемого цилиндра равна нулю.
Для реального случая в уравнение (3) следует ввести некоторый поправочный коэффициент, учитывающий теплоемкость зонда. Поэтому расчетная формула для коэффициента теплопроводности после несложных преобразований запишется в виде
, (4)
где 
- изменение температуры поверхности зонда за время его нагрева,
, A-поправочный коэффициент (постоянная зонда). Если взять величины q, 
и 
заранее известными и постоянными, то комплекс
можно определить на основе измерений, выполненных на эталонных жидкостях, и тогда теплопроводность исследуемой среды вычисляется довольно просто
(5)
Здесь 
- коэффициент теплопроводности эталонной жидкости, 
, 
- изменение температуры на поверхности зонда за время (
) для случая эталонной и исследуемой сред соответственно при q=const.
Описание экспериментальной установки.
Экспериментальная установка состоит из следующих основных узлов: датчик-зонд I, источник стабилизируемого напряжения 2, измерительное регистрирующее устройство 3, термостатирующие устройство 4 (рис.1).
Датчик-зонд представляет собой чувствительный элемент, содержащий нагреватель и термометр сопротивления. Он выполнен в виде тонкой цилиндрической спирали диаметром 0,6 мм и длиной 30 мм, что соответствует условию неограниченности. Нагреватель изготовлен из манганиновой проволоки в эмалевой изоляции диаметром 0,1мм, имеет сопротивление в пределах 28-30 Ом и служит датчиком теплового потока. Термометр сопротивления изготовлен из медной проволоки диаметром 0,05мм (изоляция также эмалевая), имеет сопротивление при 200С З Ома и измеряет интегральную температуру поверхности зонда.
Нагреватель и термометр сопротивления включены в разные электрические цепи и поэтому должны быть тщательно изолированы друг от друга. Для придания механической прочности спираль зонда покрывают тонким слоем кремнийорганического лака. При испытании агрессивных и высоковязких сред зонд помещают в стеклянный или металлический капилляр, заполненный контактирующей жидкостью. Зонд закрепляется в специальном держателе, а его электрические выводы присоединяются через разъем к источнику стабилизированного напряжения (ИСН), который обеспечивает электрическое питание нагревателя зонда и мостовой измерительной схемы. Напряжение регулируется в пределах 2-5 В при непрерывной работе 4-5 часов.
Измерительно-регистрирующий узел состоит из мостовой схемы, в одно из плеч которой включен термометр сопротивления датчика -зонда, источника питания мостовой схемы, вольтметра и быстродействующего электронного самопишущего потенциометра КСП-4 со шкалой 0-10 мВ. Питание осуществляется специальным мощным малогабаритным полупроводниковым стабилизатором напряжения в пределах 0-4 В. Контролируется напряжение питания мостовой схемы вольтметром, включенным в диагональ моста.
Термостатирующий узел объединяет термостат и баню, в которой закреплен металлический стакан с испытуемой средой. В качестве теплоносителя используется вода, которая позволяет нагревать термостатирующее устройство до 60°С. Температура поверхности зонда, к которому подведена постоянная мощность нагрева, зависит в основном от условий теплообмена с окружающей средой, т.е. от теплофизических характеристик окружающей среды. По полученным в экспериментах кривым изменения температуры поверхности зонда во времени - термограммам - определяется теплопроводность исследуемых сред.
В установке используется относительный вариант метода зонда с использованием эталонных жидкостей (с известным коэффициентом теплопроводности): ПМС-100, трансформаторное и вазелиновое масло. При этом отпадает необходимость градуировки термометра сопротивления и измерения удельного теплового потока нагревателя.