4. Описание опытной установки

Определение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала (асбеста) в данной лабораторной работе проводится методом цилиндра. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 9.

Рабочий участок длиной состоит из цилиндрического асбестового слоя, расположенного между двумя металлическими трубами (4 и 5). Внутри трубы (4) заложен электрический нагреватель (6), который создает равномерный обогрев. На концах цилиндра установлены заглушки (7), уменьшающие потери тепла через боковые грани.

Рис. 9. Схема экспериментальной установки

Мощность теплового потока (равная мощности электрического нагревателя) находится как произведение тока, измеряемого амперметром (3), на напряжение, измеряемое вольтметром (2). Регулирование мощности нагревателя осуществляется лабораторным автотрансформатором - ЛАТР (1).

Для определения коэффициента теплопроводности производится замер температуры с помощью шести термопар, три из которых заложены на внутренней и три на внешней поверхностях исследуемого слоя (на радиусах r_в и r_н). Горячие спаи термопар равномерно распределены по длине рабочего участка и по окружности цилиндра. Измерение термо э.д.с. производится переносным потенциометром ПП-63. Для подключения нужных термопар к ПП-63 на стенде имеется переключатель (11) на десять позиций. Номера клавиш 1, 2, 3 соответствуют термопарам на внутренней поверхности, номера 4, 5, 6 - внешней.

Замер температур на промежуточных радиусах г₁ и г₂ для нахождения экспериментальной зависимости осуществляется четырьмя термопарами, две из которых расположены на радиусе г₁ (клавиши 7 и 8), и две - на радиусе г₂ (клавиши 9 и 10).

Холодные спаи термопар размещены в термостате (9). Для определения температуры холодных концов t₀ - служит термометр (12).

5. Проведение опыта и обработка результатов

К выполнению лабораторной работы можно приступать только получив допуск у преподавателя и имея протокол наблюдений по форме табл. 1.

Таблица 1

№ опыта

t0

В протокол наблюдений в ходе опыта заносятся измеренные значения термо э.д.с. Е₁,Е₂,..., Е_т в мВ , а затем, с учётом поправки на отличие температуры холодных спаев термопар от 0°С, с помощью таблицы приведённой на стенде рассчитываются температуры t₁, t₂ ,…, t₁₀ в ْС.

Включение и отключение установки производится нажатием кнопки «Вкл.» и «Откл.» и контролируется сигнальной лампочкой. С помощью ЛАТРа устанавливается задаваемая преподавателем мощность электрического нагревателя.

Начало проведения опыта определяется достижением стационарного режима, характеризуемого неизменностью показаний термопар во времени. Для этого измеряют значения температур t₂ и t₅ за время τ = 2÷3 мин и строят для каждого опыта зависимости и . Считается, что процесс является стационарным, если изменение температур t₂ и t₅ во времени не превышает 10%. Это наиболее ответственный момент опыта. При достижении стационарного режима снимают показания измерительных приборов и заносят их в табл. 1.

Коэффициент теплопроводности определяется для цилиндрической стенки по следующей формуле:

(30)

где Q=U-I - тепловой поток, численно равный мощности электрического нагревателя, Вт;

= 0,6 м - длина рабочего участка;

r_в = 0,03м, г_н = 0,06 м - соответственно, внутренний и внешний радиусы цилиндра;

и - среднеарифметические значения температуры на внутренней и наружной поверхностях цилиндра, °С .

Полученная зависимость аппроксимируется линейным уравнением следующего вида:

(31)

где λ₀ - коэффициент теплопроводности при 0°С;

β_λ - экспериментальный коэффициент, определяемый углом наклона прямой к оси абсцисс.

Экспериментально полученное распределение температур в цилиндрической стенке строится по результатам замеров и осреднения величин t_в, , и t_н соответственно, на радиусах г_в, г₁, г₂, г_н. На этом же графике для сравнения наносятся расчетные значения , вычисляемые по формуле (28) для интервала температур ÷ в каждом опыте.

Относительная погрешность в измерении λ методом цилиндра определяется из следующего уравнения:

(32)

где ΔQ = ΔUּΔI - абсолютная погрешность теплового потока, определяемая как произведение погрешности вольтметра и амперметра, равных половине их цены деления;

Δ и Δd абсолютная погрешность измерения линейных размеров, принимаемая равной 1 мм;

Δt - абсолютная погрешность измерения температур, равная 1÷1,5 °С