И методика проведения эксперимента

Экспериментальноеопределение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала и выявление его температурной зависимости проводится методом пластины с использованием имитационного моделирования.

Рис.2. Схема установки для определения коэффициента

теплопроводности методом пластины:

1, 2 – термопары в холодильнике; 3, 4, 5, 6 – термопары на нагревателе; 7 – термопара на внешней поверхности изоляции; 8 – образцы; 9 – нагреватель;

10 – холодильник; 11 – оболочка - изоляция; 12 – милливольтметр; 13 –
вольтметр; 14 – реостат; 15 – пусковой ключ.

Два одинаковых опытных образца 8 выполнены в форме диска. Условие передачи теплоты через плоскую бесконечную стенку достигается созданием одномерного температурного поля через плоский диск с толщиной d много меньше его диаметра D ().

Электрический нагреватель 9 изготовлен из нихромовой проволоки и размещен внутри металлического корпуса. Высокая теплопроводность корпуса обеспечивает практически одинаковую и постоянную температуру на поверхности нагревателя. Поверхности нагревателя плотно прижаты к исследуемым образцам 8. Количество теплоты в единицу времени, выделяемой при прохождении электрического тока через нагреватель определяется по закону Джоуля-Ленца. Этот тепловой поток симметрично проходит через два опытных образца. Падение напряжения на нагревателе регулируется реостатом 14 и фиксируется цифровым вольтметром 13.

Внешние поверхности опытных образцов соприкасаются с холодильником 10. В полом металлическом холодильнике по каналам протекает вода для отвода теплового потока и поддержания температуры внешний поверхностей образцов постоянной.

Для уменьшения потерь теплоты через боковые поверхности, нагреватель и образцы вставлены в оболочку - изоляцию 11.

Температуры поверхностей стенок образцов замеряются хромель-копелевыми термопарами 1, 2, 3, 4, 5, 6. Температура внешней поверхности изоляции измеряется хромель-копелевой термопарой 7. Электродвижущие силы, возникающие в термопарах, преобразуются в температуры, значения которых показаны на цифровом милливольтметре 12 и могут быть сняты с экрана монитора или с пульта управления.

Перед проведением исследования лаборант или преподаватель, проводящий лабораторные занятия, устанавливает на стенд модель опытной установки, подключает модель к согласующему устройству, а затем включает компьютер. Из главного меню компьютера вызывается имитационная модель лабораторной установки «Определение коэффициента теплопроводности».

При проведении эксперимента лаборант или преподаватель устанавливает температуру на горячей поверхности образцов и регулирует напряжение, подаваемое на электрический нагреватель. Температура на горячей поверхности образцов t_г должна изменяться от 50 до 100 ^оС. Рекомендуется устанавливать перепад напряжения U на нагревателе в диапазоне от 60 до 86 В.

Для определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности исследуемого материала следует провести не менее трех опытов при одном значении температуры на горячей поверхности образцов и различных перепадах напряжения на нагревателе.

Студенты для каждого из задаваемых режимов фиксируют либо с экрана монитора, либо на цифровых приборах пульта управления параметры опытов. Перевод значений ЭДС, замеряемые термопарами, в ^оС проводится согласно данным табл. 3.

Таблица 3

Перевод мВ в ^оС для хромель-копелевых термопар

Замеренные значения падения напряжения на нагревателе U и температур образцов t₁ – t₆ и изоляции t₇ записываются в таблицу опытных данных (табл. 4).

Таблица 4.

Опытные данные по исследованию коэффициента теплопроводности

Заданная температура на горячей поверхности t_г = ^оС.

Справочные данные по основным параметрам опытной установки и исследуемому образцу представлены в табл. 5.

Таблица 5

Основные параметры опытной установки

* - площадь поверхности образца F = 32,17 см²; ** - нихромовая проволока диаметром d_пр = 0,1 мм, длиной ℓ = 3 м.