Определение коэффициента теплопроводности твердого конструкционного материала методом пластины

 

1. Цель работы

Экспериментальное изучение закономерностей процессов переноса теплоты теплопроводностью в твердых телах.

2. Пояснения к работе

В лабораторной работе используется имитационное моделиро­вание процессов теплообмена теплопроводностью в твердых телах. Такое моделирование основано на главных положениях теории теплопроводности и позволяет получать информацию, аналогичную реальному эксперименту. В данном случае моделируется метод не­ограниченного плоского слоя, часто используемый при опытном оп­ределении коэффициентов теплопроводности малотеплопроводных материалов. Образцу испытуемого материала придается форма тон­кой круглой или квадратной пластины (толщина пластины должна быть в 7 – 10 раз меньше диаметра или стороны квадрата). В про­цессе опытов на поверхностях пластины должно поддерживаться стационарное, однородное температурное поле. Это обеспечивает распространение теплового потока через пластину в направлении, нормальном к поверхности пластины. Величина теплового потока, Вт/м² может быть определена по формуле:

, (23)

где: – коэффициент теплопроводности материала пластины, Вт/ К; – толщина пластины, м; и – температуры на по­верхностях пластины, ^оС; F – площадь поверхности образца, м².

Если в процессе опытов измерены Q, , и известны размеры образца, то из формулы можно определить коэффициент теплопро­водности:

. (24)

Полученное значение коэффициента теплопроводности соответст­вует средней температуре образца: .

 

 

3. Порядок проведения опытов

 

После включения установки в сеть, введения и запуска про­граммы, на видеомониторе высвечивается тема лабораторной ра­боты и отображается схема рабочего участка моделируемой экспе­риментальной установки (рис. 10).

 

 

Рис. 10. Схема экспериментальной установки для определения коэффициента теплопроводности:

1-6 – термопары; 7 – вольтметр; 8 – реостат; 9 – теплоизоляционный кожух;

10– нагревательный элемент; 11 – холодильник; 12 – испытуемые образцы; S – выключатель.

 

Рабочий участок состоит из двух фторопластовых образцов 12, выполненных в форме дисков толщиной = 5,0 мм, и диаметром d =140 мм. Образцы помещены между нагревателем 10 и холодильником 11. Тепловой поток через образцы создается нагревательным элементом с электрическим сопротивлением R =41 Ом и холодиль­ником со спиральными канавками для интенсификации теплоотдачи к охлаждающей воде. Таким образом, тепловой поток, проходящий через образцы, поглощается и уносится потоком охлаждающей воды. Для уменьшения потерь через торцы нагревателя предусмот­рен теплоизоляционный кожух 9, выполненный из асбоцемента ( Вт/м К).

Температуры на внутренних (горячих) и внешних (холодных) по­верхностях пластин измеряются с помощью шести хромель - копелевых термоэлектрических термометров. В процессе проведения опытов результаты измерений термоЭДС термометров в милливольтах ото­бражаются на экране видеомонитора.

В соответствии с указаниями преподавателя студент задает зна­чение температуры горячей поверхности пластины и начальное (ми­нимальное) напряжение на нагревателе и выполняет измерение тер­моЭДС термопар, расположенных на рабочем участке образца. За­тем вращением ручки реостата увеличивает напряжение на рео­стате и повторяет измерение термоЭДС. Таким образом, выполня­ются измерения на нескольких (4 – 5) режимах. Результаты всех измерений зано­сятся в протокол испытаний (таблица 3).

 

 

Таблица 3 – Протокол эксперимента и результаты обработки данных

№ опыта	U, В	Величина термоЭДС, мВ	, ^оС	, ^оС	, ^оС	, Вт/м К

 

 

4. Обработка результатов опытов

 

Для каждого опыта определяется среднее значение термоЭДС термометров, расположенных на горячей, и на холодной, по­верхностях пластины:

, мВ; (25)

 

, мВ (26)

На основании стандартной градуировочной характеристики хромель - копелевых термоэлектрических термометров определя­ются средние температуры горячей и холодной поверхностей об­разца (полагается, что свободные концы термометров термостати­рованы при температуре 0 ^оС):

, , ^оС. (27)

Затем определяется опытное значение коэффициента теплопровод­ности фторопласта:

, (28)

где: – тепловой поток, Вт, проходящий через один образец:

– площадь поверхности одного образца, м²; – толщина образца, м.

Так как величина коэффициент теплопроводности зависит от темпера­туры, то полученное значение следует отнести к средней температуре опыт­ного образца: .

Аналогично обрабатываются данные, полученные на других режи­мах, и результаты расчетов заносятся в таблицу 3, а также исполь­зуются для по­строения графической зависимости . По­строение рекомендуется выпол­нить следующим образом: нанести опытные точки в системе координат и провести прямую ли­нию наилучшим образом, апроксимирующую эти точки. Уравнение построенной линии: . Студент должен опреде­лить по графику, или аналитически: – ве­личину коэффициента теплопровод­ности при 0 ^оС и b – тан­генс угла наклона построенной пря­мой.

 

6. Содержание отчета

В отчете приводится цель работы, схема рабочего участка модели­руе­мой экспериментальной установки, таблица замеров, графиче­ская зависимость и функциональная зависимость .

Вопросы для самопроверки

1. Сформулируйте закон Фурье.

4. Как изменяется температура в однородной плоской пластине?

5. Как рассчитать градиент температуры в испытуемом образце?

6. Что такое граничные условия, как они заданы в лабораторной ус­тановке?

7. Изменится ли величина коэффициента теплопроводности, если при прочих неизменных условиях увеличить толщину образца?

8. Как рассчитать плотность теплового потока, проходящего через испытуемый образец?

9. Объясните, почему коэффициент теплопроводности твердых ма­териалов зависит от температуры, какова эта зависимость?

10. Назовите материалы, хорошо проводящие теплоту и теплоизоля­торы.

11. Можно ли на установке, используемой в данной лабораторной работе, определять коэффициент теплопроводности металлов?

12. Что такое нестационарный процесс теплопровод­ности?

 

Лабораторная работа №5