Описание экспериментальной установки

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра энергофизики

Лабораторная работа №2

Определение коэффициентов тепло- и температуропроводности

Методом источника постоянной тепловой мощности

Методические указания к лабораторной работе

МИНСК

Оборудование: Система двух параллелепипедов из испытуемого материала, содержащая малоинерционный источник постоянной электрической мощности и термопарные датчики температуры, приборы для измерения электрической мощности, потенциометр, источник стабилизированного питания.

Цель работы: Изучить теоретические основы нестационарного метода определения коэффициентов тепло- и температуропроводности на основе решения задачи теплопроводности для полуограниченного тела при заданном постоянном тепловом потоке. Ознакомиться с техникой эксперимента и практически реализовать указанный метод измерения.

Теоретические основы метода источника постоянной мощности. Вывод расчетных соотношений.

Основой любого метода определения теплофизических свойств, под которыми в дальнейшем понимаются коэффициенты тепло- и температуропроводности, а также удельная теплоемкость, являются решения уравнений теплопроводности при заданных краевых условиях.

Метод источника постоянной мощности относится к чисто нестационарным методам, основанным на закономерностях начальной стадии развития температурного поля в полуограниченном теле, нагреваемом источником постоянной мощности.

Основным достоинством метода является кратковременность проведения эксперимента. Максимальная продолжительность эксперимента составляет 4-5 минут. К недостаткам данного метода, как и вообще всех чисто нестационарных методов, следует отнести, прежде всего, сложность обработки экспериментальных данных и зависимость конечных результатов от начального теплового состояния испытуемого образца.

Формулировка задачи следующая. Дано полуограниченное тело при температуре Т₀. Ограничивающая поверхность нагревается постоянным тепловым потоком q=const. Изменение температуры происходит в одном направлении. Найти распределение температуры по данному направлению в любой момент времени. Согласно формулировке задачи, необходимо решить уравнение

(τ>0; 0<x<∞)

при краевых условиях:

T(x,0)=T₀=const

(1)

T(∞,τ)=T₀; , (2)

где [м²/с] - коэффициент температуропроводности,

λ[Вт/(м×К)] - коэффициент теплопроводности,

q[Вт/м²] - удельный тепловой поток.

Решение задачи можно записать в виде:

(3)

В критериальном виде (3)запишется следующим образом:

где - локальное число Фурье,

- критерий Кирпичева

Особенность решения (3), как и любого другого решения для полуограниченной или неограниченной среды, состоит в необходимости использования для расчета теплофизических характеристик таблиц специальных функций.

Рассмотрим некоторые возможные способы приложения (3) для вывода необходимых расчетных соотношений. Если температуру измерять в плоскости нагревателя (х=0), то из (3)получаем:

(4)

т.к.

Отношение

характеризует аккумулирующую тепловую способность тела и носит название коэффициента тепловой активности. При введении коэффициента тепловой активности в (4) получим:

(5)

графическое изображение уравнения (5) в координатах представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат с тангенсом угла наклона к оси абсцисс равным

(6)

Из (6) получаем формулу для расчета коэффициента тепловой активности

(7)

Удельный тепловой поток q рассчитывается по формуле

, (8)

где I, U, R_H, S - соответственно величины тока, напряжения, сопротивления и площади одной стороны нагревателя (м²). Коэффициент температуропроводности определяется по времени запаздывания, т.е. времени, в течение которого температура в сечении х станет такой же, как температура нагревателя в момент времени τ₁. Для разных моментов времени τ₁ и τ₂ (τ₂ > τ₁) можно написать:

или

следовательно,

(9)

производя преобразования, получим:

(10)

Введем обозначения:

(11)

(12)

Тогда из (11)получаем:

(13)

Значение величины N определяют по формуле (11), в которую входят экспериментально измеряемые величины. Используя таблицу , находят соответствующее значение аргумента X, значение которого позволяет из (12) получить формулу для расчета коэффициента температуропроводности:

(14)

Коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость находят из соотношений

(15)

(16)

Одновременно расчет коэффициента температуропроводности можно провести по известным из опыта отношениям избыточных температур в равные моменты времени. Из выражений (3) и (4)следует

(17)

Обозначим

(18)

(19)

Тогда

(20)

Таким образом, в данном случае расчет коэффициента температуропроводности сводится к нахождению аргумента Х₁ по таблице при известных из опыта значениях N₁, соответствующих определенным моментам времени τ.

В любом случае комплексное определение теплофизических характеристик на основе решения (3) предполагает знание характера изменения температуры во времени в каких-либо двух точках испытуемого образца.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная схема любого метода является лишь приближенным отражением теоретически постулированных краевых условий. В данном случае моделью полуограниченного тела служит составной параллелепипед, изготовленный из испытуемого материала (рис.1). В центре системы располагается малотеплоемкий электрический нагреватель. В силу симметрии системы можно считать выполненным условие (1). Выполнение (2) обеспечивается значительными размерами образца в осевом направлении. Датчиками температуры являются две хромель-алюмелевые термопары, располагаемые соответственно в плоскости нагревателя (х =0) и на некотором удалении от него (). С помощью термопар измеряются избыточные, относительно начальной (комнатной), температуры. Наличие двух датчиков температуры позволяет найти зависимости

; (21)

Нагреватель питается от стабилизированного источника (ИСП). Для измерения электрической мощности, потребляемой нагревателем, используется ваттметр или вольт- и амперметр. Зависимости (21) регистрируются с помощью автоматического потенциометра типа ЭПП-09.

Порядок выполнения работы

Ознакомившись с экспериментальной установкой и приборами, приступить к измерениям. Порядок эксперимента следующий. Включить автоматический потенциометр и источник стабилизированного напряжения (Внимание! Цепь, в которую включен нагреватель, сначала должна быть разомкнута.). После прогрева приборов (2-3 мин.) включить протяжку диаграммной ленты потенциометра. Подать на нагреватель от ИСП (т.е. замкнуть цепь нагревателя) постоянную мощность порядка 1,5-2,5 Вт (напряжение на нагревателе 12 В, величина тока регистрируется с помощью ИСП). Записать значения величины тока и напряжения.

На ленте потенциометра будет регистрироваться температура в двух точках образца: х =0 (более высокая температура) и .

Через 4-6 минут после включения источника эксперимент можно считать законченным. Выключив нагреватель и протяжку ленты потенциометра (ИСП и потенциометр остаются включенными), снять диаграмму и приступить к обработке экспериментальных данных. Скорость протяжки диаграммной ленты 2160 мм/ч; вся шкала потенциометра соответствует 6 мВ, что при используемых термопарах эквивалентно избыточной температуре в 150^ºС, . Вначале рассчитать по формуле (7) тепловую активность, а затем коэффициент температуропроводности. Для повышения точности расчетов и удобства обработки данных построить график , использовав для этого запись измерения температуры на диаграммной ленте потенциометра. Коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость найти по формулам (15)-(16), приняв для испытуемого материала . После завершения расчетов повторить эксперимент. Перед началом нового эксперимента, пользуясь потенциометром, убедиться, что образец охладился и имеет температуру, близкую к комнатной. Невыполнение этого условия влечет большую погрешность в определении теплофизических характеристик, т.к. теория метода исходит из равномерного начального распределения температуры по всему объему тела.

В отчет включить схему экспериментальной установки, графики зависимостей (21), построенные на основании записи изменения температуры на диаграммной ленте потенциометра в координатах

, зависимость , таблицу измеренных и вычисленных величин, а также погрешности измерений.

Литература

Лыков А.В. Теория теплопроводности. Высшая школа, М., 1967.

Приложение.

Значения функции

X	N	X	N	X	N
	0,5642	0,31	0,3075	0,74	0,1077
0,01	0,5542	0,32	0,3010	0,76	0,1020
0,02	0,5444	0,33	0,2945	0,78	0,0965
0,03	0,5350	0,34	0,2882	0,80	0,0912
0,04	0,5251	0,35	0,2819	0,82	0,0861
0,05	0,5156	0,36	0,2758	0,84	0,0813
0,06	0,5062	0,37	0,2722	0,86	0,0767
0,07	0,4969	0,38	0,2637	0,88	0,0724
0,08	0,4878	0,39	0,2579	0,90	0,0682
0,09	0,4787	0,40	0,2521	0,92	0,0645
0,10	0,4698	0,41	0,2465	0,94	0,0605
0,11	0,4610	0,42	0,2409	0,96	0,0569
0,12	0,4523	0,43	0,2354	0,98	0,0535
0,13	0,4437	0,44	0,2300	1,00	0,0503
0,14	0,4352	0,45	0,2247	1,10	0,0365
0,15	0,4268	0,46	0,2195	1,20	0,0260
0,16	0,4186	0,47	0,2144	1,30	0,0183
0,17	0,4104	0.48	0,2094	1,40	0,0127
0,18	0,4024	0,49	0,2045	1,50	0,0086
0,19	0,3944	0,50	0,1996	1,60	0,0058
0,20	0,3866	0,52	0,1902	1,70	0,0038
0,21	0,3789	0,54	0,1811	1,80	0,0025
0,22	0,3713	0,56	0,1724	1,90	0,0016
0,23	0,3638	0,58	0,1640	2,00	0,0010
0,24	0,3564	0,60	0,1559
0,25	0,3491	0,62	0,1482
0,26	0,3419	0,64	0,1407
0,27	0,3348	0,66	0,1335
0,28	0,3278	0,68	0,1267
0,29	0,3210	0,70	0,1201
0,30	0,3142	0,72	0,1138

Рис.1 Схема экспериментальной установки

Дата добавления: 2015-10-16