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].
| ||||||||
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: 581; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!