Zakład Termodynamiki prowadzący ćwiczenia:

INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ dr inż. Jerzy Kołtyś

Temat ćwiczenia:

Pomiar przewodności cieplnej izolatorów za pomocą zminiaturyzowanego aparatu płytowego

Laboratorium opracował zespół 1 grupy poniedziałkowej 2008l

Skład zespołu:

1. Małgorzata Matysek

2. Alicja Stepaniuk

3. Paweł Mazgaj

4. Damian Komar

5. Łukasz Sznajder

6. Cezary Pokryszka

7. Michał Szwajewski

8. Krzysztof Zabrzycki

9. Mateusz Włostowski

1. Schemat oraz opis układu pomiarowego.

Aparat płytowy służy do badania przewodności cieplnej materiałów o małej przewodności cieplnej (λ ≤ 2,1 W/m∙K lub λ ≤ 1,8 kcal/(m∙h∙ºC).

Do pomiaru wykorzystywana jest zasada przewodzenia ciepła w stanie ustalonym. Ciepło przewodzone jest przez płytę wykonaną z badanego materiału o powierzchni F [m²], grubości δ [m] oraz przy założeniu, że temperatury powierzchni płyty są stałe, a ich różnice wynoszą ΔT [ºC].

Po wyznaczeniu ilości ciepła jaka jest przewodzona przez płytę w jednostce czasu, można obliczyć wartość przewodności cieplnej korzystając z poniższego wzoru:

λ =
[W/(m∙K)]

Próbka wykonana za badanego materiału jest umieszczana między grzejnikiem a chłodnicą. Przepływ ciepła jest jednokierunkowy od grzejnika do chłodnicy poprzez płytkę jest realizowany poprzez ustawienie przez grzejnikiem cienkiej płytki korkowej, a następnie płytki ogrzewanej ciepłą wodą tak, żeby z jednej strony była badana próbka, a z drugiej zaraz za cieniutką płytką korkową płytka ogrzewana ciepłą wodą. Wszystkie warstwy tzn. płytka ogrzewana, grzejnik, próbka, chłodnica oraz izolujące płytki z korka muszą być umieszczone tak, aby można było jest prawidłowo wzajemnie ustawić i wywrzeć odpowiedni nacisk na układ.

Schemat cieplny aparatu płytowego do pomiaru przewodności cieplnej:

1- układ do wywierania nacisku, 2- płytki dociskowe, 3- płytki izolacyjne z korka, 4- płytka ogrzewana wodą ciepłą, 5- grzejnik, 6- termoelement, 7- próbka, 8- chłodnica, 9- termometry szklane, 10-ultratermostat wody ciepłej, 11- ultratermostat chłodnicy 12- izolacja zewnętrzna.

2.Wykonywanie pomiarów, wyniki pomiarowe, tabelka z wynikami.

Przygotowanie stanowiska i pomiar

Próbki przygotowane do pomiaru muszą być starannie przygotowane i obrobione, tzn. muszą być gładkie i płaskie, zaś obie główne płaszczyzny płytki powinny być wzajemnie równoległe. Jeżeli pomiędzy płytkami będzie przestrzeń w której mogłoby zebrać się powietrze, to w wyniku badań problemem będzie dość duży błąd pomiarowy.

Sam pomiar składa się z dwóch okresów: przygotowawczego i pomiarowego. W pierwszym układ zależy nam na doprowadzeniu układu do stanu ustalonego, natomiast w drugim dokonujemy odczytów wskazań poszczególnych przyrządów w stanie równowagi cieplnej.

Podczas okresu przygotowawczego musimy ustalić wartość napięcia prądu grzejnego i temperaturę wody ciepłej dopływającej z ultratermostat, a następnie zmieniając te parametry należy doprowadzić układ do stanu w którym temperatura płytki ogrzewanej i grzejnika będzie taka sama, a różnica temperatury wody wylotowej i wody dolotowej nie przekraczała 0,30 ºC. Następnie co ok. 15 minut należy sprawdzić ich wartość, która dla stanu ustalonego nie może być zmienna. Jeżeli dwie kolejne serie odczytów wykazują stałość wszystkich wielkości, oznacza że można przystąpić do pomiarów.

Obliczenie przewodności cieplnej

Wartość przewodności cieplnej oblicza się na podstawie średnich wartości wielkości mierzonych w okresie pomiaru właściwego. Do obliczeń korzystamy ze wzoru:

λ =
[W/(m∙K)]

gdzie:

U [V] -średnia wartość spadku napięcia na spirali grzejnika,

I [A] -średnia wartość natężenia prądu grzejnego,

F [m²] -powierzchnia płytki grzejnej (ok. 0,0025 m²),

δ [m] -grubość badanej próbki,

Δt [ºC] -średnia wartość spadku temperatury na badanej płytce, równa różnicy średnich wartości temperatur chłodnicy i płytki ogrzewanej, znalezionych z wykresu cechowania termoelementu E=f(t),

Φ -współczynnik poprawkowy, uwzględniający spadek napięcia na amperomierzu.

3.Błędy pomiaru.

Oryginalna konstrukcja aparatu Poensgena nie posiada grzejnika ochronnego lub kompensacyjnego („ringu”) w skutek czego występują straty boczne ciepła oraz pewne zdeformowanie pola temperatury w próbce w pobliżu krawędzi bocznych próbki. Straty te nie odgrywają większej roli, jeśli średnia temperatura próbki (temperatura pomiaru) jest równa temperaturze otoczenia aparatu. Przy pomiarach w temperaturze wyższej straty boczne rosną, co powoduje zwiększenie błędu pomiaru przewodności cieplnej.

Do obliczenia błędu względnego pomiaru korzystamy ze wzoru:

---