И методика проведения эксперимента
Экспериментальноеопределение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала и выявление его температурной зависимости проводится методом пластины с использованием имитационного моделирования.
 |
Схема установки для определения коэффициента теплопроводности метод пластины представлена на рис. 2.
Рис.2. Схема установки для определения коэффициента
теплопроводности методом пластины:
1, 2 – термопары в холодильнике; 3, 4, 5, 6 – термопары на нагревателе; 7 – термопара на внешней поверхности изоляции; 8 – образцы; 9 – нагреватель;
10 – холодильник; 11 – оболочка - изоляция; 12 – милливольтметр; 13 –
вольтметр; 14 – реостат; 15 – пусковой ключ.
Два одинаковых опытных образца 8 выполнены в форме диска. Условие передачи теплоты через плоскую бесконечную стенку достигается созданием одномерного температурного поля через плоский диск с толщиной d много меньше его диаметра D ( 
).
Электрический нагреватель 9 изготовлен из нихромовой проволоки и размещен внутри металлического корпуса. Высокая теплопроводность корпуса обеспечивает практически одинаковую и постоянную температуру на поверхности нагревателя. Поверхности нагревателя плотно прижаты к исследуемым образцам 8. Количество теплоты в единицу времени, выделяемой при прохождении электрического тока через нагреватель определяется по закону Джоуля-Ленца. Этот тепловой поток симметрично проходит через два опытных образца. Падение напряжения на нагревателе регулируется реостатом 14 и фиксируется цифровым вольтметром 13.
Внешние поверхности опытных образцов соприкасаются с холодильником 10. В полом металлическом холодильнике по каналам протекает вода для отвода теплового потока и поддержания температуры внешний поверхностей образцов постоянной.
Для уменьшения потерь теплоты через боковые поверхности, нагреватель и образцы вставлены в оболочку - изоляцию 11.
Температуры поверхностей стенок образцов замеряются хромель-копелевыми термопарами 1, 2, 3, 4, 5, 6. Температура внешней поверхности изоляции измеряется хромель-копелевой термопарой 7. Электродвижущие силы, возникающие в термопарах, преобразуются в температуры, значения которых показаны на цифровом милливольтметре 12 и могут быть сняты с экрана монитора или с пульта управления.
Перед проведением исследования лаборант или преподаватель, проводящий лабораторные занятия, устанавливает на стенд модель опытной установки, подключает модель к согласующему устройству, а затем включает компьютер. Из главного меню компьютера вызывается имитационная модель лабораторной установки «Определение коэффициента теплопроводности».
При проведении эксперимента лаборант или преподаватель устанавливает температуру на горячей поверхности образцов и регулирует напряжение, подаваемое на электрический нагреватель. Температура на горячей поверхности образцов tг должна изменяться от 50 до 100 оС. Рекомендуется устанавливать перепад напряжения U на нагревателе в диапазоне от 60 до 86 В.
Для определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности исследуемого материала следует провести не менее трех опытов при одном значении температуры на горячей поверхности образцов и различных перепадах напряжения на нагревателе.
Студенты для каждого из задаваемых режимов фиксируют либо с экрана монитора, либо на цифровых приборах пульта управления параметры опытов. Перевод значений ЭДС, замеряемые термопарами, в оС проводится согласно данным табл. 3.
Таблица 3
Перевод мВ в оС для хромель-копелевых термопар
| оС | ||||||||||
| 0,06 | 0,13 | 0,19 | 0,26 | 0,33 | 0,39 | 0,46 | 0,52 | 0,59 | ||
| 0,65 | 0,72 | 0,78 | 0,85 | 0,91 | 0,98 | 1,05 | 1,11 | 1,18 | 1,24 | |
| 1,31 | 1,38 | 1,44 | 1,51 | 1,58 | 1,64 | 1,71 | 1,77 | 1,84 | 1,91 | |
| 1,98 | 2,04 | 2,11 | 2,17 | 2,25 | 2,31 | 2,37 | 2,44 | 2,51 | 2,57 | |
| 2,64 | 2,70 | 2,77 | 2,83 | 2,90 | 2,96 | 3,03 | 3,09 | 3,16 | 3,22 | |
| 3,28 | 3,35 | 3,42 | 3,49 | 3,56 | 3,62 | 3,69 | 3,76 | 3,83 | 3,89 | |
| 3,96 | 7,03 | 4,09 | 4,16 | 4,23 | 4,30 | 4,37 | 4,44 | 4,51 | 4,57 | |
| 4,64 | 4,71 | 4,78 | 4,85 | 4,92 | 4,99 | 5,06 | 5,13 | 5,20 | 5,27 | |
| 5,35 | 5,42 | 5,49 | 5,56 | 5,63 | 5,70 | 5,77 | 5,85 | 5,92 | 5,99 | |
| 6,06 | 6,13 | 6,20 | 6,27 | 6,35 | 6,42 | 6,49 | 6,56 | 6,63 | 6,70 |
Замеренные значения падения напряжения на нагревателе U и температур образцов t1 – t6 и изоляции t7 записываются в таблицу опытных данных (табл. 4 ).
Таблица 4.
Опытные данные по исследованию коэффициента теплопроводности
Заданная температура на горячей поверхности tг = оС.
| № опыта | Показания | |||||||
| Напряжение | Температура, оС | |||||||
| U, В | t1 | t2 | t3 | t4 | t5 | t6 | t7 | |
Справочные данные по основным параметрам опытной установки и исследуемому образцу представлены в табл. 5.
Таблица 5
Основные параметры опытной установки
| №№ пп | Параметр | Образец* | Нагреватель** | Оболочка- изоляция |
| Диаметр, мм | ||||
| Высота, мм |
* - площадь поверхности образца F = 32,17 см2; ** - нихромовая проволока диаметром dпр = 0,1 мм, длиной ℓ = 3 м.