4.2 Методика экспериментального определения теплопроводности материала

В данной работе определяется теплопроводность сыпучего материала методом цилиндрического слоя (трубы). Сущность метода состоит в том, что испытуемому материалу придают форму цилиндрической трубы. В центре трубы равномерно по длине расположен электронагреватель, причем длина трубы должна быть больше в 30 раз для создания одномерного теплового потока через слой исследуемого материала. Для уменьшения тепловых потерь через торцы трубы, они дополнительно теплоизолируются. Если пренебречь тепловыми потерями через торцы трубы, то тепловой поток Ф, Вт, проходящий через слой исследуемого материала, может быть найден непосредственно путем измерения мощности Р, потребляемой электронагревателям, или по величине силы тока I и падению электронного напряжения в нагревателе U.

Ф = Р = IU (4.2.1)

Теплопроводность исследуемого материала находится из уравнения 1.7

λ=(Фℓnd₂/d₁)/2nℓ(Ť₁-Ť₂) (4.2.2)

где ℓ - длина цилиндрического слоя из исследуемого материала, м;

d₂ и d₁ - внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя, м;

Ť₁ и Ť₂ средние арифметические температуры внутренней и наружной поверхностей цилиндрического слоя, К.

Таблица 4.2.1.

Вещество	Тс, К	λ, Вт/(м К)	Вещество	Тс, К	λ, Вт/(м К)
Газы. Водород Гелий Кислород Азот Воздух Металлы. Серебро Медь Золото Алюминий Железо Олово Свинец	0 0 -3 4 0 0 0 0 0 0 0 0	0.1655 0.1411 0.0237 0.0266 429 403 311 202 86.5 68.2 35.6	Жидкости. Ртуть Вода Ацетон Этиловый спирт Бензол Минералы и материалы. Хлорид натрия Турмалин Стекло Дерево Асбест Песок Текстолит	0 20 16 20 22.5 0 0 18 18 18 0+160 20	7.82 0.599 0.190 0.167 0.158 6.9 4.9 0.4/ 1 0.16/0.25 0.12 0.30/0.38 1.23/0.34

Теплопроводность исследуемого материала находится из уравнения 4.1.7

λ=(Фℓnd₂/d₁)/2nℓ(Ť₁-Ť₂) (4.2.2)

где ℓ - длина цилиндрического слоя из исследуемого материала, м;

d₂ и d₁ - внутренний и наружный диаметры цилиндрического слоя, м;

Ť₁ и Ť₂ средние арифметические температуры внутренней и наружной поверхностей цилиндрического слоя, К.

3. Описание лабораторной установки

Опытная установка состоит из внешней металлической трубы, диаметром d₂, внутри которой концентрично установлена металлическая труба, диаметром d₁, промежуток между этими трубами заполнен исследуемым сыпучим материалом. В стенки труб заделаны горячие спаи термопар (по три термопары на трубу). Внутрь трубы вставлена керамическая трубка, в которой установлен электронагреватель. Мощность электронагревателя замеряется ваттметром и может регулироваться с помощью лабораторного автотрансформатора ЛАТРа. Значения температур определяется с помощью милливольтметра 8, который поочередно подключается к каждой термопаре с помощью переключателя. Торцы трубы теплоизолированы специальными крышками.

3. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с приборами и устройством лабораторной установки.

2. Под руководством, преподавателя включить электропитание установки и установить заданную мощность нагревателя.

4.4.3 Подключить милливольтметр к одной из термопар с помощью переключателя 9 и дождаться наступления стационарного теплового режима, о чем будет свидетельствовать неизменность показаний милливольтметра во времени.

4. Произвести замеры следующих величин:

а) температуры на внутренней трубе Т₄, Т₅ иТ₆;

б) температуры на внешней трубе Т₁, Т₂ и Т₃;

в) мощность электронагревателя Р, Вт или силы тока I, А и падения напряжения U, В;

г) записать геометрические размеры d₁, d₂ и ℓ, м, которые указаны на установке.

4.4.5 При обработке результатов измерений вычислить:

а) средние значения температур на внутренней трубе

Ť₁ = (Т₄ + Т₅ + Т₆) / 3 (4.1)

и на внешней трубе

Ť ₂ = (Т₁ + Т₂ +Т₃) / 2 (4.2)

б) среднюю температуру исследуемого материала

T_мат = (Ť₁ - Ť ₂) / 2 (4.3)

в) теплопроводность материала λ по формуле (2.2).

4.4.6 Повторить опыт 3 раза, меняя мощность нагрева с помощью ЛАТНа по показаниям ваттметра или вольтметра (например, U = 100, 150 и 200 В).

7. Данные измерений и расчетов занести в таблицу 4.1.

8. Построить зависимость теплопроводности материала от температуры λ = ƒ(Т_мат).

9. Определить предельную относительную ошибку измерений теплопроводности материала ε_n(λ) по формуле (1.2).

Отчет о работе должен содержать наименование и цель работы, краткое описание методики экспериментального определения, схему лабораторной установки, график зависимости λ = ƒ(Т_мат), таблицу и необходимые расчеты.

Таблица 4.4.1-Результаты измерений

Ф=Р, Вт	Т1, К	Т2, К	Т3, К	Т4, К	Т5, К	Т6, К	Ť1, К	Ť2, К	Тмат, К	Λ, Вт/мК