ВИМІРЮВАННЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ РЕЧОВИНИ



Мета роботи: навчитися вимірювати теплопровідність твердих тіл методом монотонного нагріву.

Прилади та матеріали: вимірювач теплоємності ИТ- -400, терези, секундомір, цифровий вольтметр В7-21, зразки, силіконове масло, бензин.

 

Теоретичні відомості та опис приладу

Призначення

Вимірювач призначений для дослідження температурної залежності теплопровідності твердих, механічно оброблених матеріалів у режимі монотонного нагрівання. Вимірювач призначений для проведення масових теплофізичних досліджень у лабораторних і заводських умовах.

 

Умови експлуатації

Температура навколишнього середовища, . . . . . . . . . . від10 до 35
Відносна вологість повітря за температури 25 , % . . . . до 80
Атмосферний тиск, кПа, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . мм.рт.ст. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86-106 650-800

 

Технічні дані

Діапазон вимірювання теплопровідності ( ), Вт/м·К . . . 0,1 ч 5
Температурний діапазон вимірюваннятеплопровідності, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   – 100 ч +40
Діаметр досліджуваного зразка, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 ± 0,3
Висота, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5 ч 5
Межа припустимої основної похибки, % . . . . . . . . . . . . . ± 10
Потужність, кВ, не більше . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Електроживлення, В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 ± 22

 

Будова та принцип роботи

Фізична основа роботи з вимірювачем

Для виміру теплопровідності у вимірювачі використаний метод динамічного калориметра, теоретичне обґрунтування якого викла­дено в літературі [1].

)
4
5
3
2
1
)
)

Рис.1. Схема комірки

 

Теплова схема методу показана на рис.1. Випробуваний зразок 4, пластина контактна 3 і стержень 5 монотонно розігріваються тепловим потоком, який надходить від основи 1. Бічні поверхні стержня 5, зразка 4, пластини 2, 3адіабатичні. Стержень5 і контактна пластина 3 виготовлені з міді, що має високу теплопровідність, тому перепади температур на них незначні.

Тепловий потік , що проходить через переріз пластини 2, частково поглинається нею і далі йде на розігрів пластини 3, зразка 4 і стержня 5. Розміри системи обрані таким чином, щоб потоки, які акумулюються зразком і пластиною, були принаймні в 5-10 разів більшими за потік, який поглинається стержнем.

У цьому випадку температурне поле зразка4 і пластини 2 виявляється близьким до стаціонарного, усі деталі системи розігріваються з близькими швидкостями, а для теплових потоків і для будь-якого значення температури справедливі формули:

(1)

де  – тепловий потік, що проходить через зразок і поглинається стержнем, Вт;

– перепад температури на зразку, К;

 – тепловий опір між стержнем і контактною пластиною,
м2×К/Вт;

 – повна теплоємність зразка, Дж/К;

 – повна теплоємність стержня, Дж/К;

 – швидкість нагрівання, К/с;

 – площа поперечного перерізу зразка, мІ;

(2)

де  – тепловий потік, що проходить через переріз пластини 2, Вт;

 – коефіцієнт пропорційності, що характеризує ефективну теплову провідність пластини 2, Вт/К;

 – перепад температури на пластині 2, К;

– повна теплоємність пластини 2, Дж/К;

 – повна теплоємність контактної пластини 3, Дж/К.

Тепловий опір між стержнем і контактною пластиною визначається за формулою:

,                                       (3)

де – тепловий опір зразка, м2×К/Вт;

 – поправка, яка враховує тепловий опір контакту, неідентичність і тепловий опір вмонтованих термопар, м2×К/Вт.

Тепловий опір зразка визначається за формулою:

, (4)

де  – висота зразка, м;

 – теплопровідність зразка, Вт/м×К.

На підставі формул (1), (2), (3), (4) отримані робочі розрахункові формули для теплового опору зразка і його теплопровідності:

, (5)

де  – поправка, яка враховує теплоємність зразка;

, (6)

де  – повна теплоємність вимірювального зразка, Дж/К;

– повна теплоємність стержня, Дж/К;

, (7)

де  – орієнтовне значення питомої теплоємності зразка Дж/кг·К,

 – маса зразка, кг;

, (8)

де  – функція питомої теплоємні міді від температури, Дж/кг·К,

– маса стержня, кг.

Вплив звичайно не перевищує 5-10 відсотків і може оцінюватися за табличними даними теплоємності зразка.

Значення теплової провідності пластини визначається за такими формулами:

, (9)
. (10)

Обчислення значення теплопровідності зразка варто відносити до середньої температури зразка, що визначається по формулі:

                  (11)

де – середня температура зразка, ;

– температура, при якій проводився вимір теплопровідності, ;

 – чутливість термопари хромель-алюмель, К/мВ;

 – перепад температури на зразку, мВ.

Параметри  і  не залежать від властивостей вимірювального зразка і є «постійними» вимірювача. Значення  дано для матеріалів з і не перевищує 10-20 відсотків теплового опору зразка.

Визначення  і  проводиться в експериментах (градуювання) з еталонною мірою з кварцового скла і зразком з міді. Для визначення теплопровідності вимірювального зразка в експерименті необхідно вимірювати перепади температури на тепломірі  і зразку  у мікровольтах (мкВ).

 

Принцип роботи

Вимірювач призначений для масових досліджень теплофізичних властивостей, тому в його основу покладений режим монотонного нагрівання, що дозволяє з одного експерименту одержати одразу температурну залежність досліджуваного параметра.

Блок живлення і регулювання забезпечує нагрівання ядра вимірювального осередку із середньою швидкістю 0,1 К/с і автоматичне регулювання температури. Швидкість розігріву визначається величиною початкової напруги на нагрівачі і швидкістю його зміни. Обидві ці величини строго фіксовані. Джерелом регульованої напруги служить лабораторний автотрансформатор з електродвигуном і редуктором. Для визначення теплопровідності в експерименті в процесі безперервного розігріву на фіксованих рівнях температури за допомогою приладу В7-21(у мікровольтах) вимірюється перепад температури на зразку  і пластині тепломіра . Охолодження вимірювального осередку в області від’ємних температур (до – 125 ), здійснюється за допомогою рідкого азоту.

Підготовка до роботи

1. З’єднайте блок живлення і регулювання з вимірювальним блоком, прилад В7-21 з вимірювальним блоком, у відповідності зі схемою електричних з’єднань.

2. Переведіть кнопки «СЕТЬ», «НАГРЕВ» у положення «ВЫКЛ».

3. Підключіть блок живлення, регулювання і прилад В7-21 до мережі 220 В, 50Гц.

4. Увімкніть у мережу вольтметр В7-21.

5. Заміряйте висоту і діаметр зразка з похибкою ± 0,01мм.

6. Зважте зразок з похибкою ± 0,001г.

7. Занесіть отримані про зразок дані в табл.2.

8. Підніміть верхню половину корпуса вимірювального осередку.

9. Протріть бензином і нанесіть тонкий шар мастила ПФМС – 4 на контактні поверхні стержня, контактної пластини тепломіра.

10. Зразок установіть на контактну пластину тепломіра, стержень – на голки термопари.

11. Опустіть верхню половину корпусу.

12. Увімкніть блок живлення і регулювання кнопки «СЕТЬ».

13. Установіть на вольтметрі початкову напругу 40 В.

Порядок виконання роботи

1. Установіть перемикач «ИЗМЕРЕНИЯ» у положення « ».

2. Увімкніть кнопкою «НАГРЕВ» основний нагрівач.

3. Зніміть покази приладу В7-21 і  при досягненні кожної з температур, зазначених у табл. 2 (температура стержня досягає очікуваного значення при досягненні значення 0 В на вольтметрі), проводячи переключення рукояткою перемикача «ИЗМЕРЕНИЯ», занесіть значення  і у табл. 2 і переведіть перемикач «ИЗМЕРЕНИЯ» у положення .

4. Вимкніть кнопкою «НАГРЕВ» основний нагрівач при досягненні верхнього рівня температури.

5. Установіть перемикач «ИЗМЕРЕНИЯ» у положення «УСТ.0».

6. Проведіть охолодження вимірювальної комірки до кімнатної температури.

7. Вимкніть блок живлення і регулювання.

8. Проведіть розрахунок теплопровідності в наступній послідовності:

- розрахуйте поправки на теплоємність зразка за формулою (6);

- розрахуйте тепловий опір зразка  за формулою (5);

- розрахуйте теплопровідність випробуваного зразка за формулою (10);

- розрахуйте температуру віднесення обмірюваного значення теплопровідності  за формулою (11).

 

Градуювання вимірювача

Градуювання вимірювача полягає в експериментальному визначенні теплової провідності тепломіра  і поправки , що враховує контактний тепловий опір зразка і монтажу термопар, динамічні похибки і неідентичність градуювання термопари.


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 392; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!