LABORATORIUM TECHNIKI CIEPLNEJ

INSTYTUTU TECHNIKI CIEPLNEJ

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

I ENERGETYKI

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

INSTRUKCJA LABORATORYJNA

Temat ćwiczenia PC-14

BADANIE I WIZUALIZACJA ZJAWISKA PRZEWODNOŚCI

CIEPLNEJ CIAŁ STAŁYCH

Ć

wiczenie laboratoryjne PC-14: Badanie i wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej ciał stałych

Oprac.: Dr inż. Tadeusz Kruczek, aktualizacja 28.09.2015

2

1. OPIS BUDOWY I UŻYTKOWANIA STANOWISKA

1.1. Opis stanowiska

Stanowisko składa się z zespołu pomiarowego oraz modułu zasilająco-pomiarowego. Na

rys. 1a przedstawiono schematycznie pomiarowy zespół stanowiska, natomiast na rys.1b płytę
przednią modułu zasilająco pomiarowego. Zespół pomiarowy składa się z elementu
grzejącego 7, elementu chłodzącego 1 i badanej próbki (próbek) 5 umieszczonej pomiędzy
elementami 1 i 7. Element grzejący oraz element chłodzący wykonane są z mosiądzu i mają
kształt walca. Stanowisko wyposażone jest w zestaw elementów pomiarowych 5 wykonanych
z różnych metali lub mające różne przekroje poprzeczne. W podstawowym elemencie
pomiarowym wykonanym z mosiądzu zainstalowane są trzy termoelementy rozmieszczone co
12 mm i po 6 mm od powierzchni czołowych. Umożliwiają one wizualną identyfikację
rozkładu temperatury w elemencie. W elementach pomiarowych wykonanych z innych metali
nie ma zainstalowanych termoelementów.

Moduł zasilająco-pomiarowy służy do zasilania grzejnika elektrycznego typu łuskowego

9, zabudowanego w jednym końcu elementu grzejącego. Moc grzejnika jest regulowana
płynnie pokrętłem regulacji napięcia 15 w zakresie 0-75 W i mierzona poprzez pomiar
napięcia miernikiem 16 i natężenia prądu miernikiem 18. Ponadto moduł zasilająco-
pomiarowy służy do pomiaru temperatury w dziewięciu punktach. Zespół pomiaru
temperatury składa się z programowanego przełącznika miejsc pomiarowych 20 oraz
miernika temperatury 21 współpracującego z termoelementami 11 typu K. Regulator
temperatury 22 mierzy najwyższą temperaturę w układzie. Jest to pierwszy termoelement od
strony grzałki. Element grzejący 7 na końcu pomiarowym ma zamontowane trzy
termoelementy płaszczowe tak, że końcówki pomiarowe termoelementów znajdują się w osi
walca. Termoelementy te rozmieszczone są co 12mm. Odległość brzegowego termoelementu
od powierzchni czołowej wynosi 6 mm.

Element chłodzący 1 na końcu pomiarowym ma również zamontowane trzy identyczne

termoelementy K jak element grzejący. Termoelementy te są rozmieszczone co 12mm, a ich
spoiny umieszczone w osi walca. Drugi koniec tego elementu jest chłodzony przepływającą
wodą. Woda dopływa wlotem 2, a następnie płynie otworem centralnym i odpływa wylotem
3. Strumień wody nie jest mierzony.

Element badany 5 (próbka) jest wkładany między powierzchnie wewnętrzne elementu

grzejącego i chłodzącego, a następnie całość jest ściśnięta przez dokręcenie śruby dociskowej.

Jedna z próbek (mosiężna), ma zainstalowane trzy termoelementy, umieszczone w

identyczny sposób jak termoelementy w elemencie grzejącym i chłodzącym. Po włożeniu
wymienionej próbki pomiędzy element grzejący i chłodzący, odległości pomiędzy wszystkimi
termoelementami są równe i wynoszą po 12mm.

Ć

wiczenie laboratoryjne PC-14: Badanie i wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej ciał stałych

Oprac.: Dr inż. Tadeusz Kruczek, aktualizacja 28.09.2015

3

1

2

3

4

5

6

7 8

9

10

11

Rys.1a. Schemat pomiarowego zespołu stanowiska

1-element pomiarowy chłodzący (mosiądz), 2-wlot wody chłodzącej, 3-wylot wody chłodzącej, 4

korpus ochronny elementu pomiarowego grzejącego spełniający rolę izolacji cieplnej, 5-próbka

badanego materiału w wersji z termoelementami, 6- korpus ochronny próbki spełniający rolę
izolacji cieplnej, 7-element pomiarowy grzejący (wykonany z mosiądzu), 8-korpus ochronny

elementu pomiarowego grzejącego spełniający rolę izolacji cieplnej, 9-grzałka elektryczna, 10-

przewód zasilający grzałkę, 11-termoelementy typu K

12

13

14

15

24

16

25

17

26

18

19

20

23

21

C

o

22

C

o

.....

.

.

A

V

A

V

Rys. 1b. Płyta przednia modułu zasilająco-pomiarowego

12- gniazdo wyjściowe do zasilania grzałki; 13- wyjście RS232; 14-wyłącznik główny modułu; 15-

pokrętło regulacji napięcia zasilania grzałki; 16-miernik napięcia; 17-pokrętło nastawy wartości

progowej natężenia prądu; 18-miernik natężenia prądu; 19-gniazda wejściowe termoelementów;

20-programowany przełącznik miejsc pomiarowych; 21- cyfrowy miernik temperatury,

o

C; 22-

regulator temperatury,

o

C; 23- bezpiecznik układów pomiarowych modułu; 24- bezpiecznik grzałki;

25- sygnalizacja świetlna pracy grzałki ( lampka zielona); 26- sygnalizacja świetlna awaryjnego

wyłączenia grzałki (czerwona)

Ć

wiczenie laboratoryjne PC-14: Badanie i wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej ciał stałych

Oprac.: Dr inż. Tadeusz Kruczek, aktualizacja 28.09.2015

4

1.2. Obsługa stanowiska

Stanowisko powinno być podłączone do sieci 220V, bezwzględnie posiadającej

zabezpieczenie różnicowo-prądowe. Aby podłączyć zasilanie grzałki należy kabel 10
zakończony wtykiem wetknąć do gniazda 12, rys.1b.

Wtyczki termoelementów włączyć do odpowiednio ponumerowanych gniazd na panelu

modułu zasilającego. Do pierwszego większego gniazda powinna być włączony termoelement
mierzący temperaturę w punkcie 1 tj. temperaturę T

1

. Termoelement ten współpracuje z

regulatorem 22 i temperaturę T

1

należy odczytywać z panelu regulatora. Następnie do

pierwszego gniazda w szeregu termoelement T

2

, itd. Temperatura T

2

jest odczytywana na

pierwszym kanale miernika 21, T

3

na kanale pomiarowym drugim, itd, rys. 3.

Następnie do stanowiska należy podłączyć dopływ wody chłodzącej oraz odpływ wody z

wylotu 3 do kanalizacji, rys. 1a.

Na przednim panelu modułu zasilająco-sterującego znajduje się miernik temperatury 21 z

przełącznikiem miejsc pomiarowych 20. Na mierniku regulatora 22 wyświetlana jest w
sposób ciągły wartość temperatury kontrolnej T

1

. Konstrukcja modułu zasilającego umożliwia

sterowanie zasilaniem grzałki w dwóch trybach. Pierwszy tryb to praca ze stałą zadaną mocą,
drugi tryb to praca z zadaną temperaturą T

1

za pomocą regulatora 22. Jednakże wtedy nie jest

możliwy pomiar mocy grzałki, ponieważ jej zasilanie odbywa się na zasadzie włącz-wyłącz
stosownie do wartości temperatury kontrolnej.

Na mierniku temperatury 21 (rys.1b) pokazywana jest wartość temperatury w punkcie

wybranym na przełączniku miejsc pomiarowych 20. Przełącznik miejsc pomiarowych
umożliwia podłączenie do 10 szt. termoelementów. Służy do przekazania sygnału z
wybranego czujnika do miernika temperatury 21. Zastosowany przełącznik umożliwia
wybieranie w automatycznym trybie kolejnych czujników pomiarowych z zadanym
programowo czasem przełączania. Programowana jest liczba czujników pomiarowych oraz
czas cyklu przełączania. Zaleca się nastawienie czasu przełączania na 5 sek. lub więcej.

Przed włożeniem próbki 5 pomiędzy element grzejący 1 i chłodzący 7 powierzchnie

czołowe próbki i elementów należy posmarować cienką warstwą pasty przewodzącej
poprawiającej kontakt cieplny elementów w miejscu ich styku. Po włożeniu próbki należy
zadbać aby wszystkie elementy stosu ułożyły się w jednej osi. Temu służy również wahliwe
podparcie elementu grzejącego. Następnie dokręcić śrubę dociskową dbając o osiowe
ułożenie się wszystkich elementów w ściskanym stosie.

2. DANE TECHNICZNE STANOWISKA

Moc grzałki regulowana jest płynnie w przedziale 0-75W. Stanowisko wyposażone jest w

wymienione poniżej walcowe próbki o wymiarach (średnica D) x (długość L):

1.

Próbka z mosiądzu o wymiarach 30mm x 36mm, posiadająca zamontowane trzy
termoelementy rozmieszczone co 12mm, odległość termoelementów skrajnych od
powierzchni czołowych wynosi 6mm,

2.

Próbka z aluminium o wymiarach 30mm x 36mm,

3.

Próbka ze stali chromoniklowej o wymiarach 30mm x 36mm,

4.

Próbka ze stali węglowej zwykłej jakości o wymiarach 30mm x 36mm,

5.

Próbka z mosiądzu o wymiarach 15mm x 36mm, w tym przypadku grubsza jest ściana
cylindrycznego korpusu wykonanego tworzywa sztucznego. Próbka ta służy do
prezentacji zjawiska wpływu zmniejszenia pola powierzchni przekroju poprzecznego
przewodzenia ciepła na opór cieplny przewodzenia.

Ć

wiczenie laboratoryjne PC-14: Badanie i wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej ciał stałych

Oprac.: Dr inż. Tadeusz Kruczek, aktualizacja 28.09.2015

5

3. ZASADA POMIARU I WIZUALIZACJA WYNIKÓW

Główna część strumienia ciepła generowanego przez grzałkę 9, dzięki dobrej

przewodności cieplnej mosiądzu, przepływa wzdłużnie w kierunku powierzchni styku
elementu grzejącego 7 z próbką 5, rys.1a. Następnie przepływa przez badaną próbkę 5 i
dopływa do elementu chłodzącego 1 z którego jest odprowadzana przez wodę chłodzącą.
Niewielka część ciepła przepływa promieniowo przez korpus ochronny 8 (wykonany z
materiału o niskiej przewodności cieplnej) i jest oddawana do otoczenia przez konwekcję i
promieniowanie. Ten strumień ciepła, oznaczony przez

ot

Q&

i wyznaczony drogą skalowania

przyrządu, przedstawiono na rys. 2 w funkcji temperatury T

1

mierzonej przez pierwszy

termoelement od strony grzałki. Warunkiem poprawnego pomiaru jest osiągnięcie przez
stanowisko stanu ustalonego charakteryzującego się stabilnymi w czasie wskazaniami
temperatur.

2

3

4

5

6

7

8

9

40

50

60

70

80

90

100

110

Temperatura, oC

S

tr

a

ty

c

ie

p

ła

Q

o

t,

W

Rys. 2. Straty ciepła z zespołu pomiarowego w funkcji temperatury T

1

elementu

pomiarowego grzejącego

W czasie pomiaru wyznacza się wielkości:

Q&

- strumień ciepła generowany przez grzałkę elektryczną, W,

3

2

1

T

T

T

,

,

- temperatury w elemencie grzejącym, K,

6

5

4

T

T

T

,

,

- temperatury w elemencie chłodzącym, K,

9

8

7

T

T

T

,

,

- temperatury w próbce o ile testowanym materiałem jest próbka mosiężna z

termoelementami, K, (rozmieszczenie wymienionych punktów pomiarowych
pokazano na rys. 3).

Ć

wiczenie laboratoryjne PC-14: Badanie i wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej ciał stałych

Oprac.: Dr inż. Tadeusz Kruczek, aktualizacja 28.09.2015

6

Znając wartość temperatury

1

T

, w oparciu o wykres z rys.2, wyznacza się strumień ciepła

ot

Q&

rozpraszany do otoczenia.

Znając wymienione wyżej temperatury wyznacza się graficznie spadek temperatury T

∆∆∆∆

w obszarze badanej próbki. Zasadę wyznaczania T

∆∆∆∆

przedstawiono na rys. 3.

W celu wyznaczenia przewodności cieplnej badanego materiału wykorzystuje się

równanie przewodzenia ciepła przez próbkę. Równanie to ma postać:

λλλλ

λλλλ

∆∆∆∆

R

T

Q

Q

Q

ot

=

−

=

&

&

&

(1)

gdzie:

A

L

R

λλλλ

λλλλ

=

- opór cieplny, K/W;

4

2

D

A

ππππ

=

- pole powierzchni przepływu ciepła, m

2

;

L =0,036m – długość próbki; D =0,030m – średnica próbki;

λλλλ

- współczynnik przewodności

cieplnej materiału próbki, W/m K.

Po odpowiednim przekształceniu równania (1) wyznacza się poszukiwany współczynnik

przewodności cieplnej

λλλλ

materiału próbki.

T

1

T

1

2

L

∆

T

x

T

2

T

3

T

7

T

8

T

9

T

4

T

5

T

6

Rys. 3. Ilustracja graficzna rozkładu temperatury w badanej próbce i elementach stanowiska z

zaznaczeniem miejsc pomiaru temperatury; 1-próbka mosiężna z termoelementami,

2- przypadek materiału o niższej przewodności cieplnej niż mosiądz

Wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej polega na graficznym przedstawieniu

rozkładu temperatur w elemencie grzejącym i chłodzącym stanowiska oraz w badanej próbce.

W celu wizualizacji oporu kontaktowego, na styku elementu grzejącego (chłodzącego) i

próbki należy włożyć kawałek kartki papieru, a przebiegi temperatury ekstrapolować do
miejsca styku. Kartkę papieru można też włożyć bezpośrednio pomiędzy element grzejący i
chłodzący po wyjęciu próbki. W miejscu styku, gdzie będzie włożony papier, wystąpi lokalny
spadek temperatury odpowiadający cieplnemu oporowi kontaktowemu.

W celu wizualizacji wpływu pola poprzecznego przekroju próbki na cieplny opór

przewodzenia należy poddać badaniu próbkę o średnicy 15mm, próbka nr 5. Otrzymany
rozkład temperatury należy porównać z rozkładem otrzymanym dla próbki nr 1.

Ć

wiczenie laboratoryjne PC-14: Badanie i wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej ciał stałych

Oprac.: Dr inż. Tadeusz Kruczek, aktualizacja 28.09.2015

7

4. PRZEBIEG POMIARÓW

a) Uruchomienie stanowiska
1.

Włączyć przepływ wody, przez pokręcanie pokrętłem zaworu nastawić żądany
strumień.

2.

Pokrętło 15 zasilacza obrócić do oporu w lewo, a następnie włączyć zasilanie
elektryczne stanowiska włącznikiem 14, rys.1b. Objawem załączenia jest zapalenie
się lampki kontrolnej we włączniku. Równocześnie zapali się zielona lampka 25
sygnalizująca działanie grzałki (lub jej gotowość do pracy).

3.

Nastawić żądane napięcie (a tym samym moc grzałki) pokrętłem 15. Aktualna
wartość mocy grzałki jest jako iloczyn napięcia i natężenia prądu odczytanego ze
wskaźnika 18, rys.1b.

4.

Zaprogramować przełącznik miejsc pomiarowych 20 (rys.1b) na cykliczny pomiar
wymaganej liczby temperatur z okresem przełączania 5 sekund (lub dłuższy) i
uruchomić przełączanie miejsc pomiarowych temperatury.

b) Pomiar współczynnika przewodności cieplnej
1.

Przed uruchomieniem stanowiska pomiędzy element grzejący 7 i chłodzący 1 (rys.1a)
włożyć badaną próbkę (mosiądz, stal zwykłej jakości, stal chromoniklowa,
aluminium). Użycie próbki nr 1 umożliwia pomiar współczynnika przewodności
cieplnej mosiądzu oraz wizualizację rozkładu temperatury w próbce.

2.

Uruchomić stanowisko według punktu (a).

3.

Po osiągnięciu stanu ustalonego wyznaczyć spadek temperatury w próbce oraz
obliczyć współczynnik przewodności cieplnej według zaleceń z rozdziału 3.

4.

Wykonać pomiar z próbką mosiężną o zmniejszonym przekroju i porównać ten wynik
z wynikiem otrzymanym dla próbki mosiężnej o pełnym przekroju.

c) Wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej w ciałach stałych
1.

Wykonać polecenia 1, 2 z punktu (b) używając próbki nr 1.

2.

Przedstawić graficznie rozkład temperatury w elementach grzejącym i chłodzącym
oraz w próbce.

3.

Powtórzyć ćwiczenie z próbką ze stali chromoniklowej lub St5.

4.

Celem wizualizacji wpływu poprzecznego przekroju próbki na opór cieplny,
powtórzyć ćwiczenie z próbką mosiężną o zmniejszonym przekroju.

d) Symulacja wystąpienia oporu kontaktowego
1.

Pomiędzy elementy grzejący i chłodzący włożyć kawałek kartki papieru, a następnie
ś

cisnąć elementy.

2.

Przełącznik miejsc pomiarowych 20 zaprogramować na 6 punktów,

3.

Po osiągnięciu stanu ustalonego narysować rozkład temperatury w obu elementach.
Eksperyment ten można również wykonać kiedy pomiędzy elementami grzejącym 7 i
chłodzącym 1 znajduje się próbka nr 1 z termoelementami. W tym przypadku
przełącznik miejsc pomiarowych powinien być zaprogramowany na wszystkie punkty
pomiarowe.

Zmienić wartość mocy grzałki i powtórzyć wykonywane czynności zgodnie z poleceniem

opiekuna prowadzącego ćwiczenie. Dotyczy to wszystkich wymienionych powyżej
eksperymentów.

Ć

wiczenie laboratoryjne PC-14: Badanie i wizualizacja zjawiska przewodności cieplnej ciał stałych

Oprac.: Dr inż. Tadeusz Kruczek, aktualizacja 28.09.2015

8

5. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW I WYKONANIE SPRAWOZDANIA

Poniżej podano kolejne kroki w obliczeniu współczynnika przewodności cieplnej

badanego materiału:

1.

Mając rozkład temperatury wyznaczyć różnicę T

∆∆∆∆

, rozdział 3,

2.

W oparciu o rysunek 2 określić strumień ciepła

ot

Q&

rozpraszany do otoczenia,

3.

Mając całkowity strumień ciepła Q& generowany przez grzałkę obliczyć strumień

ciepła

λλλλ

Q& przewodzony przez badaną próbkę,

4.

W oparciu o zależność (1) obliczyć współczynnik przewodności cieplnej

λλλλ

wykorzystując dane dotyczące stanowiska przedstawione w rozdziale 2.

5.

Otrzymany wynik porównać z danymi tablicowymi, np. [1,2].

Współczynnik przewodności cieplnej ciał zależy od temperatury. Otrzymanym wynikom

pomiarowym przewodności cieplnej należy przyporządkować średnie wartości temperatury
próbki.

W przypadku wizualizacji zjawiska przewodności cieplnej ciał stałych oraz symulacji

oporu cieplnego, otrzymane rozkłady temperatury w elementach stanowiska i próbkach
przedstawić graficznie, a następnie je przedyskutować.

Sprawozdanie powinno zawierać:
1.

Opis stanowiska,

2.

Krótki opis metody pomiaru przewodności cieplnej i wizualizacji zjawiska
przewodzenia ciepła,

3.

Krótki opis przebiegu ćwiczenia,

4.

Wyniki pomiarów,

5.

Wyniki obliczeń i porównań z wielkościami literaturowymi,

6.

Uwagi i wnioski końcowe, komentarze, sugestie, dyskusja przyczyn potencjalnych
niezgodności otrzymanych wyników pomiarów z wynikami oczekiwanymi.

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

[1] Kostowski E.: Przepływ ciepła. Skr. Uczelniany Pol.Śl., Gliwice, 1995.
[2] Kostowski E. (red): Zbiór zadań z przepływu ciepła. Skr. Uczelniany Pol. Śl., Gliwice,

1996.

[3] Hobler T.: Ruch ciepła i wymienniki. WNT, Warszawa, 1986.