1.3. Аппаратура и материалы

Экспериментальная установка (рис.1.1) состоит из двух труб – наружной (d₁) и внутренней (d₂), между которыми помещен исследуемый сыпучий материал, коэффициент теплопроводности которого надо определить.

Основные геометрические характеристики лабораторной установки:

– наружный диаметр наружной трубы d₃= 90мм,

– внутренний диаметр наружной трубы d₂= 82мм,

– внутренний диаметр внутренней трубы d₁= 32мм,

– длина установки (каждой трубы) L= 1500мм.

Во внутренней трубе размещен электронагреватель (4), тепловой поток которого распространяется в радиальном направлении через слой сыпучего материала и наружную трубу, в окружающую среду. Это количество тепла определяется по расходу электроэнергии на электрический нагреватель. Потребляемая нагревателем мощность регулируется автотрансформатором (7). Для возможности расчета мощности нагревателя, в его электрическую цепь подключен амперметр (5) и вольтметр (6).

Рис. 1.1 – Схема лабораторной установки

Благодаря хорошему контакту исследуемого сыпучего материала с внутренней и внешней поверхностями трубы можно считать, что соответствующие соприкасающиеся поверхности материала и трубы имеют одну и ту же температуру.

В наружную поверхность внутренней и наружной трубы зачеканено по три термопары соответственно (1) и (2), соединительные провода которых подключены к потенциометру (3).

Для учета искажения температурного поля по длине исследуемого материала эти термопары расположены равномерно по длине труб – три на внутренней поверхности трубы и три на наружной поверхности трубы. Для того чтобы тепловой поток распространялся только в радиальном направлении, торцы установки имеют тепловую изоляцию.

1.4. Указания по технике безопасности

Студенты обязаны выполнять общие требования безопасности согласно Инструкции по охране труда в лаборатории C-108 «Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция. Теплотехнические измерения. Строительная теплофизика. Отопление. Теплоснабжение. Теплогенерирующие установки. Энергоснабжение. Охрана воздушного бассейна» кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция», утвержденной 26.12.2005 года. Инструктаж по технике безопасности проводится преподавателем под роспись студента в специальном журнале по «Технике безопасности».

1.5. Методика и порядок проведения работы

Коэффициент теплопроводности исследуемого сыпучего материала определяется из общего выражения для теплового потока через цилиндрическую двухслойную стенку, состоящую из слоя материала и наружной трубы

,

(1.3)

где t_вс– температура внутренней поверхности сыпучего материала (наружной поверхности внутренней трубы), ºC,

t_нт– температура наружной поверхности наружной трубы, ºC;

Q– тепловой поток, проходящий через двухслойную цилиндрическую конструкцию в радиальном направлении, Вт,

_cи_тр– соответственно коэффициенты теплопроводности исследуемого сыпучего материала и наружной трубы, Вт/(м К).

Из выражения (1.3) искомая величина коэффициента теплопроводности сыпучего материала будет равна:

.

(1.4)

Геометрические характеристики установки (d₁,d₂,d₃,L) – известны из описания установки (п. 1.3.),_тр= 23 Вт/(м·К). Т.о. необходимо опытным путем определить только значение теплового потока и значения температур внутренней и наружной поверхности цилиндрического слоя материала.

Значение теплового потока не сложно подсчитать по затрачиваемой мощности электронагревателя Q=W = I  U, Вт.

Значения внутренних и наружных температур определяются с помощью соответствующих термопар и потенциометра, к которому они подключены. Затем полученные значения температур усредняются для наружной и внутренней поверхности соответственно.

, ºCи , ºC,

где t₂,t₄,t₆– показания внутренних термопар, ºC,

t₁,t₃,t₅– показания наружных термопар, ºC;

Полученное таким образом значение коэффициента теплопроводности следует относить к средней температуре исследуемого материала:

,

где t_нс– температура наружного слоя сыпучего материала, т.е. внутренней стенки наружной трубы, определяемая по известной величине_cиз рассматриваемого процесса теплопроводности только через цилиндрический слой исследуемого сыпучего материала.

На основании формулы (1.2) получим

, ºС.

Все приведенные вычисления справедливы только для стационарного (равновесного) теплового режима, когда количество тепла воспринятого внутренней поверхностью равно количеству тепла отданного наружной поверхностью. Поэтому, прежде чем снимать показания приборов, необходимо убедиться в том, что внутренние и наружные температуры с течением времени перестали меняться и остаются постоянными. Экспериментальные величины необходимо свести в таблицу 1.1.

В связи с тем, что все тепловые процессы инерционны, в данной работе для установления стационарного теплового режима требуется существенное время. Поэтому за время занятия рекомендуется провести всего два-три опыта. Данные остальных тепловых режимов установки выдаются преподавателем каждому студенту по индивидуальному варианту.

Таблица 1.1 – Экспериментальные значения рабочих параметров по результатам наблюдений.

№ режима	U, В	I, А	t1, °С	t2, °С	t3, °С	t4, °С	t5, °С	t6, °С
1
2
3
4
5

Результаты обработки экспериментальных данных по всем режимам необходимо представить в виде таблицы 1.2 и проверить на компьютере с помощью специальной программы, разработанной в редакторе электронных таблиц Excel.

Таблица 1.2 – Результаты обработки опытных данных.

№ режима	U, В	I, А	W, Вт	tвс, °C	tнт, °C	tнс, °C	lс, Вт/(мК)	tср, °C
1
2
3
4
5

Затем, на основании проверенных расчетных данных надо построить график функциональной зависимости .

Известно, что изменение коэффициента теплопроводности от температуры для подавляющего большинства материалов подчиняется линейному закону. Следовательно, вид функции имеет следующий вид:

,

где ₀– значение коэффициента теплопроводности исследуемого материала при нуле ºС;b–постоянная, численно равная тангенсу угла наклона линии изменения_ск оси температуры. Величины₀и b определяются из графика.

При возможности, расчеты и построение графика также рекомендуется выполнять в Excel. Кроме того, инструменты точечной диаграммыExcelпозволяют автоматически рассчитывать эмпирические коэффициенты₀и b.

Данная лабораторная работа считается выполненной, кода студент, присутствующий на занятии и выполнивший практическую часть работы, представляет преподавателю письменный отчет выполненной лабораторной работы в полном объеме.