Цель работы – ознакомление с методикой экспериментального определения коэффициентов теплопроводности изоляционных материалов методом плиты и с методикой обработки опытных данных.
Для круглого диска, толщина которого намного меньше диаметра, в стационарном режиме при постоянной температурах на поверхностях диска
температурное поле будет одномерным
. Тепловой поток через диск равен:
, (6.1)
где - коэффициент теплопроводности материала диска;
- площадь, перпендикулярно к которой направлен тепловой поток;
- толщина диска.
Во время определения коэффициента теплопроводности методом двух образцов, нагреватель кладут между образцами, который имеет форму диска. Образцы изготовлены из изоляционного материала. Суммарный тепловой поток через два образца составляет:
(6.2)
С другой стороны, тепловой поток в стационарном режиме равен мощности нагревателя, в случае потерь в окружающую среду через торцы:
(6.3)
Из выражений /6.2/ и /6.3/ имеем
(6.4)
где -температуры поверхностей образцов со стороны нагревателя;
-температуры поверхности образцов со стороны холодильников;
- средний коэффициент теплопроводности материала образцов при температуре
Описание установки
Коэффициент теплопроводности определяют на экспериментальной установке, схема которой показана на рис.23. Образцы из изоляционного материала, изготовленные в форме диска диаметром =250мм и толщиной
=20мм, вставленные между электронагревателем 10 и холодильником 7. Тепловой поток от нагревателя, проходя через образцы, передаётся холодильникам.
Рис.23 Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности:
1 – пробирка с маслом; 2 – холодный спай термопар; 3 – ртутный термометр; 4 – вольтметр; 5 – переключатель; 6 – медные пластины; 7 – холодильники; 8 – изоляционная оболочка; 9 – образцы из изоляционного материала; 10 – электронагреватель; 11 – ваттметр; 12 – автотрансформатор; 13 – термопары.
Чтобы избежать торцевых потерь теплоты от нагревателя и образцов в окружающую среду используют асбестовую изоляцию. Поэтому величиной в формуле (6.4) можно пренебрегать. Торцевые потери существенно не влияют на распределение температур в средней части образца. Толщина образца
. При таких условиях расчётная формула (6.4), полученная для неограниченной плиты, может быть использована для данного образца. Для определения температур на по-верхностях образцов и в центре установлены медь-константановые термопары (1-4). Электронагреватель изготовлен из нихровоздушых зазоров между поверхностями образцов и поверхностями холодильника и нагревателя. Поэтому образцы крепко сжимают между нагревателем и холодильниками. Электронагреватель питается от сети переменного тока, мощность которого регулируют лабораторным трансформатором 12 и измеряют ваттметром 11.
Охлаждающая вода поступает в холодильник из водопровода. Термопары, присоединённые к переключателю 5. ЭДС термопар измеряется цифровым вольтметром 4.
Таблица 6.
Толщина образцов ![]() ![]() ![]() ![]() | ||||
№ п/п | Наименование величин | Формула | Размерность | Номер опыта |
Мощность нагревателя | ![]() | Вт | ||
ЭДС термопар | ![]() | мВ | ||
![]() | мВ | |||
![]() | мВ | |||
![]() | мВ | |||
Температура холодного спая | tхс | °С | ||
ЭДС холодного спая | Ехс | мВ | ||
Соответствующие разницы температур до показания термопар | ![]() | °С | ||
![]() | °С | |||
![]() | °С | |||
![]() | °С | |||
Температуры на поверхностях образцов | ![]() | °С | ||
![]() | °С | |||
![]() | °С | |||
![]() | °С | |||
Теплопроводность образца | ![]() | Вт/мК | ||
Средняя температура образца | ![]() | °С |