Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности

Существует стационарные и нестационарные методы экспериментального определения коэффициента теплопроводности. Одним из распространенных среди стационарных методов является – «метод трубы».

Для реализации метода трубы должны выполняться условия, тождественные стационарному процессу передачи теплоты теплопроводностью через цилиндрическую безграничную стенку (l>>d). При создании таких условий коэффициент теплопроводности исследуемого материала определяется согласно формуле (20):

 = . (23)

Отсюда следует, что для вычисления значения коэффициента теплопроводности необходимо создать стационарный тепловой поток, замерить его значение, а также значения температур на поверхностях цилиндрической стенки (трубы) и знать геометрические размеры исследуемого образца.

Описание опытной установки и методика проведения эксперимента

Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала и выявление его температурной зависимости проводится методом трубы на виртуальной экспериментальной установке.

Схема установки для определения коэффициента теплопроводности методом трубы представлена на рис. 3.

Исследуемый теплоизоляционный материал 1(рис. 3) нанесен в виде цилиндрического слоя (d₁ = 20 мм,d₂ = 50 мм)на наружную поверхность металлической трубы2. Длина цилиндра тепловой изоляцииl=1м, что значительно больше наружного диаметра.

Источником теплового потока служит электронагреватель 3, который включен в электрическую цепь через автотрансформатор10. Значение теплового потока вычисляется по закону Джоуля-Ленца при прохождении электрического тока через нагреватель. Падение напряжения и сила тока, проходящего через электронагреватель определяются вольтметром8и амперметром9. Потери теплоты через торцевые поверхности сведены к минимуму.

Рис.3. Схема установки для определения коэффициента

теплопроводности методом трубы:

1– теплоизоляционный материал;2–металлическая труба;3–электронагреватель;4, 5–термопары;6, 7–цифровые термометры; 8–вольтметр; 9–амперметр; 10–автотрансформатор

Для измерения температуры на наружной и внутренней поверхности теплоизоляционного материала применяются хромель-копелевые термопары 4и5. Электродвижущие силы, возникающие в термопарах, преобразуются в температуры, значения которых регистрируют цифровые термометры6и 7.

Перед проведением исследования лаборант или преподаватель, проводящий лабораторные занятия включает компьютер. Из главного меню компьютера вызывается виртуальная модель лабораторной работы «Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала». Затем преподаватель задает теплоизоляционный материал. В качестве опытных теплоизоляционных материалов используются асбест, асбозурит, совелит, минеральная и шлаковая вата. Значения коэффициентов теплопроводности этих материалов при t = 0 ^оСпредставлены в табл. 1.

Для определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности исследуемого материала следует провести не менее трех опытов при различных значениях напряжения и силы тока в электронагревателе.

Студенты для каждого опыта на стационарном режиме фиксируют на экране монитора значения силы тока I, напряженияUи температуры внутреннейt_с1 и наружнойt_с2 поверхности теплоизоляционного материала. Результаты измерений заносятся в табл. 2.

Таблица 2

Опытные данные по исследованию коэффициента теплопроводности

Исследуемый материал - .

№№пп	Измеряемая величина		№ опыта
			1	2	3	4	5
1	Сила тока I, А
2	Напряжение U,В
3	Температура на по- верхности изоляции	внутри tс1,^оС
4		снаружи tс2,^оС