Подготовка установки к работе.

ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

ТВЕРДЫХ ТЕЛ

МЕТОДОМ

ПЛОСКОГО

БИКАЛОРИМЕТРА

Методические указания к лабораторной работе

для студентов второго курса специальности 101600

 

 

Тамбов 2003

 

 

УДК 621.1.016(076)

 

ББК з311я73-5

 

 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

 

Составитель

к.т.н., профессор В.И. Ляшков

 

 

Рецензент

к.т.н., доцент В.И Барсуков

 

 

Исследование теплопроводности твердых тел методом плоского бикалориметра: метод. указания к лаб. работе /Сост. В.И. Ляшков -Тамбов: Тамб. гос. тех. ун-т, 2003. -14 с

 

1. Цель работы

Методом плоского бикалориметра определить величину коэффициента теплопроводности l, сравнить результаты измерений с данными из литературных источников.

Основы теории

Коэффициент теплопроводности l определяет количество теплоты, передаваемой через единицу изотермической поверхности внутри твердого тела за единицу времени при температурном напоре в 1 градус на расстоянии в 1 м. Это одна из важнейших теплофизических характеристик материала, определяющая способность тел проводить тепло. Знание величины l совершенно необходимо при инженерных расчетах процессов теплообмена.

Теоретическую основу измерений составляет теория регулярного режима нестационарной теплопроводности, в соответствии с которой при наступлении регулярного режима нагрева или охлаждения температура t в любых точках тела с течением времени меняется по закону экспоненты

,

Рис. 1. Схема экспериментальной установки 1 – ультратермостат водяной; 2 - трубки резиновые; 3 - ЛАТР; 4 – электропровода; 5 – охлаждающий блок; 6 – образец; 7- ядро латунное; 8 – термопара; 9 – блок холодных спаев; 10 – цифровой милливольтметр.

где t₀ - начальная температура тела; А - множитель, зависящий от формы тела и положения точки, в которой исследуется температура; m - темп нагревания или охлаждения, зависящий еще и от теплопроводности, теплоемкости и плотности материала, а также от условий на границе между телом и окружающей средой; t - текущее время.

Начальный этап любого неустановившегося процесса теплопроводности существенно зависит от начальных условий, например, от первоначальной неравномерности распределения температуры в теле. Однако с течением времени влияние этой неравномерности уменьшается, температурное различие существенно сглаживается, оно становится практически неощутимым. Вот тогда и наступает тот режим, который и называют регулярным. Регулярный режим охлаждения или нагревания наступает, таким образом, на последующем этапе процесса. Первоначальный же этап, на котором изменение температуры по времени описывается гораздо более сложными зависимостями и который называют нерегулярным режимом нестационарной теплопроводности, составляет примерно 15 - 25% от общей продолжительности процесса.

Для тел простой формы (плоская стенка, цилиндр, шар) значения А и m определены сравнением приведенной формулы с результатами аналитического решения задачи. Это дает возможность получить формулы для расчета коэффициента температуропроводности, а=l/(rс) по величине экспериментально определенного значения m. Если известны значения r и с (измерены какими - то другими методами), тогда легко находится и величина l. Аналогично могут быть рассмотрены и составные тела, что позволяет определять теплофизические свойства образцов, находящихся в тепловом контакте с теплоемким ядром бикалориметра.

Теория регулярного режима и теория различных бикалориметров достаточно подробно и доказательно описаны в учебной литературе [1] - [4]. Этому же вопросу посвящена и специальная монография [5].

 

3. Экспериментальная установка и методика измерений.

Общий вид экспериментальной установки приведен на рис.1. Основу установки составляет плоский бикалориметр ПБ-63, предназначенный для измерения термического сопротивления R_т и коэффициента теплопроводности l твердых материалов с плотностью до 1000 кг/м³ и сыпучих материалов не зависимо от плотности в интервале температур от 30 до 60 ^оС с погрешностью измерений не более ±10%.

Конструктивно бикалориметр состоит из массивного латунного ядра 7, внутри которого установлены электронагреватель и медь - константановая термопара. Снаружи ядра с обоих его сторон располагаются плоские образцы 6, к которым специальными гайками (на схеме не показаны) прижимаются латунные охлаждающие блоки 5. На поверхности одного из них установлена другая такая же термопара 8. Блоки эти имеют внутренние полости, по которым с помощью термостата 1 и по трубкам 2 прокачивается охлаждающая вода.

Термопарные провода подводятся к блоку холодных спаев 9 и включаются дифференциально. В результате цифровой милливольтметр 10 будет показывать величину термоэдс, пропорциональную разнице температур в точках измерения, т.е. практически разницу температур на поверхностях исследуемого образца.

Заметим при этом, что температура на наружной поверхности образца во время эксперимента будет оставаться практически постоянной и равной температуре охлаждающей воды, а температура внутренней поверхности образца будет равна температуре ядра 7, одинаковой по всему объему ядра из-за его высокой теплопроводности. Таким образом на обоих поверхностях образца мы имеем граничные условия первого рода.

Электронагреватель ядра питается по проводам 4 от сети переменного тока через лабораторный автотрансформатор 3.

 

Подготовка установки к работе.

1. Проверить правильность подключения трубок водяного охлаждения, проводов питания электронагревателя и термопар.

2. Взвесить образцы на весах ВЛТК - 500 с точностью до 0,1 г.

3. Измерить диаметр и толщину образцов с помощью штангенциркуля с точностью до 0,1 мм.

4. Установить образцы в прибор. Для этого отвинтить накидные гайки, повернуть стопорные винты и отделить один из блоков 5 от корпуса бикалориметра. Уложить на ядро 7 один из образцов. Резьбовое кольцо охлаждающего блока установить под размер на 0,3 мм меньший, чем толщина образца и установить блок в корпус по соответствующей направляющей поверхности. Повернуть стопорные винты и равномерно прижать прижимными гайками блок 5 к ядру 7. Установить второй образец, повторив все эти же операции с другой стороны бикалориметра.

5. Установить ручку регулирования напряжения на ЛАТРе в крайнее положение, повернув ее против часовой стрелки (U=0 В).