Сущность метода и устройство установки
Метод пластин относится к стационарным методам определения теплопроводности материалов, т.е. к таким, которые основаны на создании в образце стационарного температурного поля, и, следовательно, стационарного теплового потока.
Экспериментальная установка выполняется таким образом, чтобы условия протекания тепла через исследуемый материал были тождественны условиям теплопроводности через плоскую безграничную стенку при стационарном режиме. В этом случае количество тепла, проходящее через исследуемый материал, определяется по закону Фурье:
Q=
(T2-T1)
F,. (1)
где - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м К);
Т1,Т2- температуры граничных поверхностей, К;
,
F
– соответственно, толщина образца в м
и площадь теплопередающей поверхности
в м2.
Коэффициент теплопроводности материала может быть найден из уравнения (1), если остальные, входящие в него величины, будут известны.
Прибор для определения коэффициента теплопроводности методом пластины изображен на Рис.3.
Рис. 3. Схема экспериментальной установки.
Выполненный из исследуемого материала образец 2 имеет форму плоской круглой пластины . Он помещен между электрическим нагревателем 4 и холодильником 1. Нагреватель 4, называемый рабочим, служит для создания теплового потока через исследуемый материал к холодильнику. Кольцевой нагреватель 5 располагается вокруг рабочего нагревателя и предотвращает утечки тепла от рабочего нагревателя в радиальном направлении. Верхняя поверхность образца соприкасается с поверхностью холодильника, который представляет собой полый медный диск с внутренними перегородками, образующими каналы, по которым циркулирует вода. Холодильник необходим для установления постоянной температуры на поверхности образца. Проходящая через холодильник вода воспринимает и отводит тепло, выделяемое рабочим нагревателем.
Под нагревателем 4 и 5 через слой изоляции помещен нижний нагреватель 6, служащий для предотвращения утечек тепла от рабочего нагревателя вниз. Таким образом, тепловой поток через исследуемый материал равен теплу, выделенному рабочим нагревателем ( при этом в качестве теплопередающей поверхности принимается поверхность средней части образца d=0,120м ). Температуры Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 измеряются термопарами, горячие спаи которых установлены в местах, обозначенных на Рис.3 точками: Т1, Т2, Т3, Т4, Т5. Включение измерительного прибора 7 в цепь каждой из термопар производится через многопозиционный переключатель 8.
Нагреватели 4,5 и 6 подключаются к сети переменного тока. В цепи каждого нагревателя включены реостаты R1, R2, R3 и амперметры А1, А2, А3. В цепь рабочего нагревателя, кроме того, включен вольтметр V. Вода в холодильник подается из водопровода.
Проведение работы.
Выполняющий опыт должен, прежде всего, разобраться в схеме включения электронагревателей и термопар, а затем произвести ряд измерений температур, силы тока и напряжения в цепи рабочего нагревателя, а также в цепи кольцевого и нижнего нагревателей в установившемся режиме.
Результаты измерений записываются в протокол наблюдений.
Замеры производятся через каждые 10 минут.
В процессе проведения опыта необходимо убедиться в равенстве температур: Т2=Т3 и Т4=Т5. В стационарности процесса убеждаются посредством нескольких следующих друг за другом (через 10 минут) измерений температур, которые должны давать постоянные во времени значения.
Опыт может быть закончен, когда в протоколе наблюдений будет получено 3-4 показаний, отражающих стационарный режим и отсутствие утечек тепла от рабочего нагревателя.
Таблица 1. Протокол измерений
Время
|
Сила тока I,A |
Напр. V,B |
Тепловой поток Q,Вт |
Температура в соответствующей точке, С0 |
||||
Т1 |
Т2 |
Т3 |
Т4 |
Т5 |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 10 20 30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
,
мин.
Обработка результатов опыта.
После того, как испытание проведено и данные наблюдений записаны в протоколе, производят обработку полученных результатов и вычисление теплопроводности материала.
1. Определяется величина теплового потока из выражения: Q=I V , в которое подставляются средние значения силы тока I(A) и напряжения V (В) рабочего нагревателя.
2. Вычисляется коэффициент теплопроводности материала. Из формулы (1) следует, что:
=
Q
/((T2-Т1)
F), Вт / (м К). (2)
Площадь теплопроводящей поверхности в рассматриваемом случае будет равна:
F
=
d2/4,
где d – диаметр средней части образца; толщина образца :
d =120 мм = 0,12 м;
=10 мм =0,01 м.
3. Определяется средняя температура образца, к которой относится найденный коэффициент теплопроводности.
Тср=(Т1+Т2)/2
Составление отчета о проделанной работе.
По выполнению работ составляется отчет, который должен содержать.
1.Основные понятия теории теплопроводности.
2.Сущность метода и расчетные формулы.
3.Протокол измерений и обработку опытных данных.
4.Сопоставление опытного значения с справочным.