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 трубы 2. Длина цилиндра тепловой изоляции l = 1 м, что значительно больше наружного диаметра.

Источником теплового потока служит электронагреватель 3, который включен в электрическую цепь через автотрансформатор 10. Значение теплового потока вычисляется по закону Джоуля-Ленца при прохождении электрического тока через нагреватель. Падение напряжения и сила тока, проходящего через электронагреватель определяются вольтметром 8 и амперметром 9. 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 4 и 5. Электродвижущие силы, возникающие в термопарах, преобразуются в температуры, значения которых регистрируют цифровые термометры 6 и 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 ^оС представлены 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, напряжения U и температуры внутренней t_с1 и наружной t_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