FYSIIKAN LABORAATIOTYÖ 4 LÄMMÖNJOHTAVUUDEN, LÄMMÖNLÄPÄISYKERTOI- MEN JA LÄMMÖNSIIRTYMISKERTOIMEN MÄÄRITYS Työselostuksen laatija: Tommi Tauriainen Luokka: TTE7SNC Ohjaaja: Ari Korhonen Työn tekopvm: 28.03.2008 Selostuksen luovutuspvm: 11.04.2008 Tekniikan yksikkö, Tietotekniikan osasto Oulun seudun ammattikorkeakoulu
SISÄLTÖ 1 ANNETTU TEHTÄVÄ... 3 2 LÄMMÖNJOHTAVUUS,-LÄPÄISYKERROIN JA -SIIRTYMISKERROIN... 3 3 KÄYTETYT VÄLINEET... 4 4 SUORITETUT MITTAUKSET JA MITTAUSTULOKSET... 4 5 MITTAUSTULOSTEN KÄSITTELY... 6 6 VIRHEEN ARVIOINTI... 7 7 LOPPUTULOKSET... 8 8 JOHTOPÄÄTÖKSET JA TYÖN ARVIOINTI... 9 LÄHTEET... 10 LIITTEET... 11 2
1 ANNETTU TEHTÄVÄ Työssä määriteltiin lämmönläpäisykerroin, lämmönjohtavuus sekä lämmönsiirtymiskerroin. 2 LÄMMÖNJOHTAVUUS,-LÄPÄISYKERROIN JA - SIIRTYMISKERROIN Lämmönläpäisykerroin k voidaan määrittää kaavasta k A T U I, josta saadaan KAAVA 1 k U I missä U=jännite, I=virta, A=pinta-ala ja T=lämpötilaero Lämpötila T tarkoittaa tasapainotilaa, joka saavutetaan, kun ulko- ja sisälämpötilan välinen ero ei kasva, vaan saavuttaa tasapainotilan. Materiaalin lämmönjohtavuus voidaan määrittää kaavasta d U I, josta saadaan du I KAAVA 2 missä T on pintojen välinen lämpötilaero ja d = seinämän paksuus 3
Lämmönsiirtymiskerroin h voidaan määrittää kaavasta h A T U I, josta saadaan KAAVA 3 h U I missä T on seinän ulkopinnan ja ulkoilman välinen lämpötilaero. 3 KÄYTETYT VÄLINEET Käytimme tehtävän suorittamiseen seuraavia välineitä: yleismittari 3kpl, pahvilaatikko foliopinnalla, lämpömittari 2kpl, mittanauha, mikrometri, virtalähde, hehkulamppu, lämpöanturi 3kpl, vesiastia 2kpl, johtoja ja sekuntikello 4 SUORITETUT MITTAUKSET JA MITTAUSTULOKSET KUVA 1 Suoritimme kuvan 1 mukaisen kytkennän. Käytetyn laatikon mitat löytyvät taulukosta 3. Laatikkoon oli kytkettynä kolme kuparikonstantaanitermoelementtiä, joita käytettiin lämpötilaerojen mittauksessa. Ensimmäisessä mittauksessa mittajohdot kytkettiin termoele- 4
menttiin 2, jonka liitokset olivat sisäilmassa ja ulkoilmassa. Suoritimme 20 mittausta saadaksemme lämpötilan tasapainotilaa vastaavan jännite-eron. Mittaustuloksia käytämme tässä lämmönläpäisykertoimen k laskemista varten. Mittaustulokset ovat taulukossa 1 Toisessa mittauksessa mittajohdot liitettiin termoelementtiin 1, jonka liitokset olivat seinän ulko- ja sisäpinnassa. Mittaus suoritettiin kerran ja tuloksia käytämme lämmönjohtavuuden laskemista varten. Tulokset ovat taulukossa 2. Kolmannessa mittauksessa mittajohdot liitettiin termoelementtiin 3, jonka liitokset ovat seinän ulkopinnassa ja laatikon ympärillä olevassa ilmassa. Mittaus suoritettiin kerran ja tuloksia käytämmä lämmönsiirtymiskertoimen h laskemista varten. Tulokset ovat taulukossa 2. Neljännessä mittauksessa mittasimme lampulle tulevan jännitteen U sekä virran I lampun lämmitystehon P laskemiseksi. Tulokset ovat taulukossa 3. Viidennessä mittauksessa suoritimme laatikon seinien mittauksen kokonaispinta-alan A laskemiseksi sekä seinän paksuus d. Tulokset ovat taulukossa 3. Viimeiseksi suoritimme vielä termoelementtien kalibroinnin kuvan 2 mukaisella kytkennällä. Termoelementtien molemmat liitoskohdat laitettiin veteen dekanttilaseihin ja mittasimme lämpötilat T1 ja T2 sekä vastaavan jännitteen. Suoritimme 7 mittausta +7 - +47,5 asteen välillä. Tulokset ovat taulukossa 4. KUVA 2 5
5 MITTAUSTULOSTEN KÄSITTELY t/min Ut/mV ΔT/ C 0 0,004 0,0 0.5 0,384 9,4 1 0,521 12,8 2 0,674 16,6 3 0,789 19,5 4 0,898 22,2 5 0,968 23,9 6 1,022 25,3 7 1,072 26,5 8 1,113 27,5 9 1,146 28,3 10 1,175 29,1 11 1,195 29,6 12 1,206 29,8 13 1,222 30,2 14 1,231 30,4 15 1,244 30,8 16 1,251 30,9 17 1,274 31,5 18 1,275 31,5 19 1,279 31,6 20 1,276 31,6 TAULUKKO 1 Ut/mV ΔT 0,317 7,8 h 0,363 8,9 TAULUKKO 2 U=10,41 V I=3,399 A x=206 mm y=207 mm z=205 mm d=2,16 mm TAULUKKO 3 T/ C Ut/mV 47,5 1,925 40,5 1,63 33 1,315 26,2 1,044 19 0,76 12,6 0,503 7 0,292 TAULUKKO 4 6
6 VIRHEEN ARVIOINTI Varsinaista virheenarviointikaavaa emme johda tälle työlle, koska osatekijöitä on todella paljon. Tällöin kaavasta tulisi hyvin monimutkainen. Suurin virheenaiheuttaja erityisesti lämmönjohtavuuden ja lämmönsiirtymiskertoimen laskemisessa aiheutuu todennäköisesti siitä, että kyseisiin tuloksiin otettiin yksi ainoa mittaus, jolloin mahdollinen hetkellinen virhe jää havaitsematta. Laatikko mitattiin kolmelta seinämältä, jolloin mahdollinen rakennevirhe jää huomioimatta eli laskuissa laatikko on oletettu täysin suoraseinäiseksi ja virheettömäksi. Tällöin mahdolliset lämpövuodot esim. alumiinifoliossa olevan reiän takia ovat jääneet huomioimatta. 7
7 LOPPUTULOKSET Laskuissa käytetty pinta-ala A = (2*xy+2*xz+2*yz), missä x=0.206m, y=0,207m ja z=0,205m, jolloin A=0.254614m² Mittaustulosten perusteella 1. Lämmönläpäisykerroin k, kun T=31.6 C, d=0,00216m ja A=0.254614m² k U I 10,41V 3,399A W 4,3977701963 4,4 0.254614m² 31,06 C m C 2 missä U=jännite, I=virta, A=pinta-ala ja T=lämpötilaero 2. Materiaalin lämmönjohtavuus, kun T=(0,317/0,0403)= 7,766... C du I 0,00216m 10,41V 3,399A 0,0386... 0, 04 0.254614m² 7,766... C W m C missä d = materiaalin paksuus 3. Lämmönsiirtymiskerroin h, kun T=(0,363/0,0403)=8,908 C h U I 0,254614m² 8,908... C W 0,0641... 0,06 10,41V 3,399A m C 2 8
8 JOHTOPÄÄTÖKSET JA TYÖN ARVIOINTI Mittaukset onnistuivat hyvin ja ilman suurempia ongelmia. Tuloksiemme perusteella foliolla päällystetyn pahvilevyn lämmönjohtavuuskerroin on lähellä korkkilevylle ilmoitettua (0,047) lämmönjohtavuuskerrointa, josta voidaan päätellä että tulokset ovat ainakin oikeassa suunnassa eli kyseiselle materiaalille ei saatu täysin muista poikkeavaa tulosta. Työssä ei tehty varsinaista virheenarviointia, joten lopputulos heittää todennäköisesti jonkin verran oikeasta arvosta. 9
LÄHTEET Inkinen, Pentti & Tuohi, Jukka 2003. Momentti 1 Insinöörifysiikka. Keuruu: Otava. Korhonen Ari, 2008. Fysiikan laboraatiot lukuvuosi 2007-2008 http://fi.wikipedia.org/wiki/l%c3%a4mm%c3%b6njohtavuus 10
LIITTEET 1 - MITTAUSPÖYTÄKIRJA 11