3. Определение теплопроводности воздуха

Цель работы: изучение метода нагретой проволоки и определение с его помощью коэффициента теплопроводности воздуха.

1. Сущность метода нагретой проволоки

Пусть жидкость или газ, теплопроводность которых определяется, заполняет цилиндрический объем, образованный двумя коаксиальными цилиндрами (рис. 4).

В этом случае теплопроводность жидкости или газа может быть определена по формуле закона Фурье для цилиндрической стенки

Q dr

λ = - —— · —— ,

2πr ℓ dT

где Q – тепловой поток от более нагретого цилиндра к менее нагретому, ℓ - длина цилиндров, r – радиус свободного пространства между цилиндрами (изменяется от d₁/2 до d₂/2), T – температура жидкости или газа, λ – коэффициент теплопроводности жидкости (газа).

Интегрируя это выражение по радиусу от r₁ до r₂ , получаем

ℓn (d₂ / d₁) Q

λ = ————— · ———— , (3.1)

2πℓ (T₁ – T₂)

где ℓ - длина цилиндров, м; T₁ и T₂ – температуры внутреннего и внешнего цилиндров соответственно, С.

Рис. 4. Коаксиальные цилиндры

В рассматриваемом методе внутренний цилиндр заменяется тонкой металлической проволокой. Расчетная формула при этом не изменяется, а учитываются фактические диаметры проволоки и наружного цилиндра. В ходе эксперимента проволока нагревается электрическим током, тепловой поток направлен перпендикулярно оси проволоки через окружающую ее жидкость (газ) к стенке цилиндра. Для определения коэффициента теплопроводности жидкости (газа) необходимо измерить в процессе эксперимента мощность тока, средние температуры проволоки и стенок цилиндра.

3.2. Устройство и принцип действия лабораторной установки

Установка ФПТ-1-3 состоит из блока рабочего элемента РЭ-3 и приборного блока БП-3 с тумблерами включения питающих напряжений (рис. 5).

Тепловой поток в установке создается путем нагрева вольфрамовой проволоки постоянным током. Температура стеклянной трубки, в которой располагается проволока, в процессе эксперимента остается постоянной, т.к. ее поверхность обдувается потоком воздуха с помощью вентилятора. Для определения температуры проволоки измеряются падение напряжения на ней и протекающий через проволоку электрический ток. Ток измеряется миллиамперметром М253 с зеркальной шкалой (диапазон – 0 … 750 мА). Коэффициент теплопроводности определяется из выражения закона Фурье для цилиндрической стенки.

Блок питания БП-3 представляет собой единую конструкцию со съемными крышкой и лицевыми панелями. Внутри блока размещены понижающий трансформатор, выпрямитель, стабилизатор напряжения и др. Диапазон регулирования рабочего тока составляет 2 ÷200 мА. Погрешность измерения рабочего тока внешним прибором М253 с зеркальной шкалой равна 5 мА. Питающее напряжение – 220 В переменного тока.

На лицевой панели блока БП-3 расположены органы управления и регулирования, элементы световой индикации. Лицевая панель условно разделена на функциональные узлы СЕТЬ и НАГРЕВ. Узел СЕТЬ позволяет включать и выключать напряжение 220 В переменного тока. Узел НАГРЕВ предназначен для включения тока нагрева вольфрамовой проволоки и регулирования ее температуры. Узел позволяет повысить температуру проволоки по сравнению с температурой окружающего воздуха на 0…30С.

С задней стороны блока питания установлены разъем для подключения кабеля от блока РЭ-3, предохранитель и сетевой шнур.

Блок РЭ-3 представляет собой коробчатый конструктив, укрепленный на стойке. Несущими узлами блока РЭ-3 являются панель и кронштейн, скрепленные между собой винтами.

Между выступающими частями панели в текстолитовых фланцах размещена стеклянная трубка с внутренним диаметром d₂=26 мм. По оси трубки натянута вольфрамовая проволока (см. рис. 5, поз. 4). Диаметр проволоки d₁=0,053 мм. Ее длина равна 0,402 м. Электрическое сопротивление вольфрама при 20С составляет 10 Ом. Температурный коэффициент сопротивления вольфрама равен 0,0051 К^-1. Между панелью и кронштейном размещен вентилятор для создания внутри блока, защищенного прозрачным экраном из оргстекла, постоянной температуры окружающего стеклянную трубку воздуха. За счет работы вентилятора достигается стационарный режим работы установки. Температура стеклянной трубки в стационарном режиме равна температуре воздуха внутри блока и измеряется с помощью термосопротивления (поз. 5) и вторичного показывающего прибора (поз. 7 на рис. 5).

Стойка представляет собой настольную конструкцию с горизонтальным основанием, на которой закреплены блоки БП-3 и РЭ-3.

Рис. 5. Устройство установки ФПТ-1-3:

1– блок питания БП-3, 2 – блок рабочего элемента РЭ-3, 3 – стойка, 4 – вольфрамовая нить, 5 – первичный преобразователь температуры, 6 – цифровой вольтметр М830, 7 – вторичный прибор для измерения температуры ART02184