Теоретические предпосылки экспериментального метода

Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности материала методом цилиндра основано на создании стационарного температурного поля в цилиндрическом слое изоляционного материала, определении величины теплового потока и значения разности температур на границах этого слоя.

Как известно [1], величину стационарного теплового потока, проходящего через цилин­дрический слой изоляции, можно рассчитать как

, (18)

где Q – тепловой поток, Вт;  – коэффициент теплопроводнос- ти изоляционного материала, Вт/(м·К); l – длина цилиндра, м; – разность температур в цилиндрическом слое изоляции, здесь t_вн, t_н  температура на внутренней и наружной поверхностях слоя изоляции, °С; d₁, d₂  внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя шлаковой ваты, м.

Для того чтобы можно было пренебречь утеч­ками теплоты через торцы цилиндрического слоя, отношение длины цилиндра l к его диаметру d₂ должно быть не менее 10 (l/d₂ ≥ 10).

По определенным в опыте значениям теплового потока Q и разности температур из уравнения (18) находят экспериментальное значение коэффициента теплопроводности _экс шлаковой ваты.

Устройство экспериментальной установки

Установка (рис. 7) состоит из двух тонкостенных стальных цилиндров 1 и 2, расположенных коаксиально. Пространство между цилиндрами заполнено исследуемым теплоизоляционным материалом – шлаковой ватой 5. Обращается особое внимание на равномерное заполнение изоляции в зазоре. Для исключения увлажнения исследуемого образца изоляции обеспечивается герметичность рабочего зазора. Коаксиальность цилиндров установки создается текстолитовыми вставками, установленными на концах цилиндров.

По центру внутреннего цилиндра 2 расположен нагреватель 3 из нихромовой проволоки, намотан­ной на фарфоровую трубку. Для лучшего теплового контакта пространство между нагревателем и стенкой внутреннего цилиндра заполнено мелким сухим песком 4.

Мощность нагревателя регулируется реостатом типа ЛАТР. С помощью амперметра и вольтметра, включенных в электрическую цепь нагревателя, определяется его мощность.

Температура на границах цилиндрического слоя изоляции измеряется медьконстантановыми термопарами. Температура каждой поверхности цилиндров измеряется в четырех местах: t₁–t₄  на внутренней; t₅–t₈  на наружной поверхности. Спаи термопар расположены равномерно по длине цилиндров со сдвигом на 90° друг от друга. Для уменьшения влияния концевых эффектов крайние термопары уда­лены от концов цилиндров на 0,1 м (на рис. 7 все восемь спаев условно показаны в плоскости сечения). ТермоЭДС термо­пар измеряется милливольтметром 6 с помощью переключателя 7. Холодные спаи всех термопар нахо­дятся в сосуде Дьюара 8 с тающим льдом.

Необходимые для расчетов геометрические размеры цилиндров приведены в таблице на стенде.

Рис. 7. Принципиальная схема экспериментальной установки:

1 – наружный цилиндр; 2 – внутренний цилиндр; 3 – нагреватель; 4 – песок; 5 – слой исследуемой изоляции; 6 – милливольтметр; 7 – переключатель термопар; 8 – сосуд Дьюара; Т₁–Т₈ – спаи термопар