Tänaseks ei ole välja töötatud ühtset klassifikatsiooni, mis on tingitud mitmekesisusest olemasolevaid meetodeid. Tuntud eksperimentaalsed meetodid materjalide soojusjuhtivuse mõõtmiseks jagunevad kahte suurde rühma: statsionaarsed ja mittestatsionaarsed. Esimesel juhul kasutab arvutusvalemi kvaliteet soojusjuhtivuse võrrandi osalahendusi

tingimusel, teises - tingimusel, kus T on temperatuur; f - aeg; - termilise difusiooni koefitsient; l - soojusjuhtivuse koefitsient; KOOS - erisoojus; g - materjali tihedus; - Laplace'i operaator, mis on kirjutatud vastavasse koordinaatsüsteemi; - mahulise soojusallika erivõimsus.

Esimene meetodite rühm põhineb statsionaarse soojusrežiimi kasutamisel; teine ​​- mittestatsionaarne termiline režiim. Statsionaarsed meetodid soojusjuhtivusteguri määramiseks mõõtmiste olemuse järgi on otsesed (st soojusjuhtivuse koefitsient määratakse otseselt) ja jagunevad absoluutseks ja suhteliseks. Absoluutmeetodites võimaldavad eksperimentaalselt mõõdetud parameetrid arvutusvalemi abil saada nõutav väärtus soojusjuhtivuse koefitsient. Suhtelistes meetodites võimaldavad eksperimentaalselt mõõdetud parameetrid saada arvutusvalemi abil soojusjuhtivusteguri soovitud väärtust. Mõõdetud parameetrite arvutamise suhtelistes meetodites absoluutväärtus selgub, et sellest ei piisa. Siin on kaks võimalikku juhtumit. Esimene on soojusjuhtivuse koefitsiendi muutuse jälgimine algse suhtes, võttes ühtsuseks. Teine juhtum on teadaolevate soojusomadustega võrdlusmaterjali kasutamine. Sel juhul kasutatakse arvutusvalemis standardi soojusjuhtivuse koefitsienti. Suhtelistel meetoditel on teatud eelised absoluutsete meetodite ees, kuna need on lihtsamad. Statsionaarsete meetodite edasist jaotamist saab läbi viia kuumutamise olemuse (väline, mahuline ja kombineeritud) ja proovide temperatuurivälja isotermide tüübi järgi (tasane, silindriline, sfääriline). Meetodite alarühm koos välisküte hõlmab kõiki meetodeid, mis kasutavad väliseid (elektrilisi, mahulisi jne) soojendeid ja proovipindade kuumutamist soojuskiirguse või elektronpommitusega. Mahulise kuumutamisega meetodite alarühm ühendab kõik meetodid, mis kasutavad kuumutamist proovi läbiva vooluga, uuritava proovi kuumutamist neutron- või g-kiirgusega või ülikõrge sagedusega voolusid. Kombineeritud kuumutamisega meetodite alarühm võib hõlmata meetodeid, mis kasutavad samaaegselt proovide välist ja mahulist kuumutamist või vahepealset kuumutamist (näiteks kõrgsagedusvooludega).

Kõigis kolmes statsionaarsete meetodite alarühmas on temperatuuriväli

võib olla erinev.

Lamedad isotermid tekivad siis, kui soojusvoog on suunatud piki proovi sümmeetriatelge. Kirjanduses nimetatakse lamedaid isoterme kasutavaid meetodeid aksiaalse või pikisuunalise soojusvooga meetoditeks ja eksperimentaalseid seadistusi nimetatakse lameseadmeteks.

Silindrilised isotermid vastavad soojusvoo levimisele piki silindrilise proovi raadiust. Juhul, kui soojusvoog on suunatud piki sfäärilise proovi raadiust, tekivad sfäärilised isotermid. Selliseid isoterme kasutavaid meetodeid nimetatakse sfäärilisteks ja seadmeid sfäärilisteks.

Füüsikalised analüüsimeetodid põhinevad aine mis tahes konkreetse füüsikalise mõju või teatud füüsikalise omaduse kasutamisel. Sest gaasianalüüs kasutustihedus, viskoossus, soojusjuhtivus, murdumisnäitaja, magnetiline vastuvõtlikkus, difusioon, neeldumine, emissioon, neeldumine elektromagnetkiirgus, samuti selektiivne neeldumine, heli kiirus, reaktsiooni soojusefekt, elektrijuhtivus jne. Mõned neist füüsikalistest omadustest ja nähtustest teevad võimalikuks gaasi pideva analüüsi ning võimaldavad saavutada kõrge tundlikkuse ja mõõtmise täpsuse. Füüsikalise suuruse või nähtuse valik on väga oluline, et välistada analüüsitavas segus sisalduvate mõõtmata komponentide mõju. Spetsiifiliste omaduste või mõjude kasutamine võimaldab määrata soovitud komponendi kontsentratsiooni mitmekomponendilises gaasisegus. Mittespetsiifilisi füüsikalisi omadusi saab rangelt võttes kasutada ainult kahekomponentsete gaasisegude analüüsimiseks. Viskoossus, murdumisnäitaja ja difusioon gaasianalüüsis praktiline tähtsus ei ole.

Soojusülekanne kahe erineva temperatuuriga punkti vahel toimub kolmel viisil: konvektsioon, kiirgus ja juhtivus. Kell konvektsioon soojusülekanne on seotud aineülekandega (massiülekandega); soojusülekanne kiirgus toimub ilma mateeria osaluseta. Soojusülekanne soojusjuhtivus toimub aine osalusel, kuid ilma massiülekandeta. Energiaülekanne toimub molekulide kokkupõrke tõttu. Soojusjuhtivuse koefitsient ( X) sõltub ainult soojust ülekandva aine tüübist. See on aine spetsiifiline omadus.

Soojusjuhtivuse mõõde CGS süsteemis cal/(s cm K), tehnilistes ühikutes - kcalDmch-K), rahvusvahelises SI süsteemis - WtDm-K). Nende ühikute suhe on järgmine: 1 cal/(cm s K) = 360 kcalDm h K) = 418,68 WDm-K).

Absoluutne soojusjuhtivus üleminekul tahkest ainest vedelale ja gaasilisele ainele erineb X = 418,68 WDm-K)] (parima soojusjuhi soojusjuhtivus – hõbe) kuni X umbes 10_6 (kõige vähem juhtivate gaaside soojusjuhtivus).

Gaaside soojusjuhtivus suureneb oluliselt temperatuuri tõustes. Osade gaaside (GH 4: NH 3) suhteline soojusjuhtivus suureneb temperatuuri tõustes järsult ja osade (Ne) puhul väheneb. Kineetilise teooria järgi ei tohiks gaaside soojusjuhtivus sõltuda rõhust. Erinevad põhjused viivad aga selleni, et rõhu suurenemisega soojusjuhtivus veidi suureneb. Rõhuvahemikus atmosfäärirõhust mitme millibaarini ei sõltu soojusjuhtivus rõhust, kuna keskmine väärtus molekulide vaba tee suureneb koos molekulide arvu vähenemisega ruumalaühiku kohta. Rõhul -20 mbar vastab molekulide keskmine vaba tee mõõtekambri suurusele.

Soojusjuhtivuse mõõtmine on vanim füüsikaline gaasianalüüsi meetod. Seda kirjeldati 1840. aastal eelkõige A. Schleiermacheri (1888-1889) töödes ja seda on tööstuses kasutatud alates 1928. aastast. 1913. aastal töötas Siemens välja õhulaevade jaoks mõeldud vesiniku kontsentratsioonimõõturi. Seejärel töötati paljude aastakümnete jooksul välja soojusjuhtivuse mõõtmistel põhinevaid instrumente, mida kasutati kiiresti kasvavas keemiatööstuses suure eduga. Loomulikult analüüsiti algul ainult kahekomponentseid gaasisegusid. Parimad tulemused saadakse gaaside soojusjuhtivuse suure erinevusega. Gaasidest on vesinikul suurim soojusjuhtivus. Praktikas on põhjendatud ka CO s kontsentratsiooni mõõtmine suitsugaasides, kuna hapniku, lämmastiku ja vingugaasi soojusjuhtivus on üksteisele väga lähedased, mis võimaldab nende nelja komponendi segu vaadelda kui kvaasi. -binaarne.

Erinevate gaaside soojusjuhtivuse temperatuurikoefitsiendid ei ole samad, seega saate leida temperatuuri, mille juures erinevate gaaside soojusjuhtivus on sama (näiteks 490 ° C - süsinikdioksiidi ja hapniku jaoks, 70 ° C - jaoks ammoniaak ja õhk, 75 ° C - süsinikdioksiidi ja argooni jaoks). Teatud analüütilise ülesande lahendamisel saab neid kokkulangevusi kasutada, võttes kolmekomponentse gaasisegu kvaasibinaarseks.

Gaasianalüüsis võib eeldada, et soojusjuhtivus on lisaomadus. Mõõtes segu soojusjuhtivust ja teades kahekomponentse segu puhaste komponentide soojusjuhtivust, saab arvutada nende kontsentratsioonid. Seda lihtsat seost ei saa aga ühelegi kahendsegule rakendada. Näiteks õhu - veeauru, õhu - ammoniaagi, süsinikmonooksiidi - ammoniaagi ja õhu - atsetüleeni segudel teatud komponentide vahekorras on maksimaalne soojusjuhtivus. Seetõttu on soojusjuhtivuse meetodi rakendatavus piiratud teatud kontsentratsioonivahemikuga. Paljude segude puhul on soojusjuhtivuse ja koostise vahel mittelineaarne seos. Seetõttu on vaja eemaldada kalibreerimiskõver, mille järgi tuleks teha salvestusseadme skaala.

Soojusjuhtivuse andurid(termokonduktomeetrilised andurid) koosnevad neljast väikesest väikese mahuga gaasiga täidetud kambrist, mille õhukesed plaatinajuhtmed on sama suurusega ja samad. elektritakistus. Sama voolab läbi juhtide D.C. stabiilne väärtus ja soojendab neid. Juhtmed - kütteelemendid - on ümbritsetud gaasiga. Kaks kambrit sisaldavad mõõdetavat gaasi, ülejäänud kaks etalongaasi. Kõik kütteelemendid on kaasatud Wythetoni silda, millega pole umbes 0,01°C temperatuurierinevuse mõõtmine keeruline. Selline kõrge tundlikkus eeldab mõõtekambrite temperatuuride täpset võrdsust, mistõttu asetatakse kogu mõõtesüsteem termostaati või silla mõõtediagonaali ning temperatuuri kompenseerimiseks on kaasas takistus. Niikaua kui soojuse eemaldamine kütteelemendid mõõte- ja võrdluskambris on sama, sild on tasakaalus. Kui mõõtekambritesse suunatakse erineva soojusjuhtivusega gaas, siis see tasakaal rikutakse, muutub tundlike elementide temperatuur ja samal ajal ka nende takistus. Mõõtediagonaalis tekkiv vool on võrdeline mõõdetava gaasi kontsentratsiooniga. Tundlikkuse suurendamiseks töötemperatuur tundlikke elemente tuleks suurendada, kuid tuleb jälgida, et gaasi soojusjuhtivuses säiliks piisavalt suur erinevus. Seega on erinevate gaasisegude jaoks optimaalne temperatuur soojusjuhtivuse ja tundlikkuse jaoks. Sageli valitakse tundlike elementide temperatuuride ja kambri seinte temperatuuride erinevus 100-150°C.

Tööstuslike soojusjuhtivuse analüsaatorite mõõteelemendid koosnevad reeglina massiivsest metallkorpusest, millesse on puuritud mõõtekambrid. See tagab ühtlane jaotus temperatuurid ja hea kalibreerimise stabiilsus. Kuna soojusjuhtivusmõõturi näitu mõjutab gaasi voolukiirus, juhitakse gaas mõõtekambritesse möödaviigukanali kaudu. Allpool on toodud erinevate projekteerijate lahendused vajaliku gaasivahetuse tagamiseks. Põhimõtteliselt eeldatakse, et gaasi põhivool on ühendatud kanalite kaudu mõõtekambritega, mille kaudu gaas voolab väikese erinevusega. Sel juhul on difusioonil ja termilisel konvektsioonil otsustav mõju gaasi uuenemisele mõõtekambrites. Mõõtekambrite maht võib olla väga väike (mitu kuupmillimeetrit), mis tagab konvektiivse soojusülekande väikese mõju mõõtetulemusele. Plaatinajuhtide katalüütilise toime vähendamiseks on need erinevatel viisidel sulanud õhukeseseinalisteks klaaskapillaarideks. Mõõtekambri korrosioonikindluse tagamiseks on kõik gaasitoru osad kaetud klaasiga. See võimaldab mõõta kloori, vesinikkloriidi ja muid agressiivseid gaase sisaldavate segude soojusjuhtivust. Suletud võrdluskambriga soojusjuhtomeetrilised analüsaatorid on levinud peamiselt keemiatööstuses. Sobiva etalongaasi valimine lihtsustab instrumendi kalibreerimist. Lisaks on võimalik saada allasurutud nulliga skaala. Triivi vähendamiseks null punkt Tuleb tagada võrdluskambrite hea tihendus. IN erijuhtudel, näiteks kui gaasisegu koostises on tugevad kõikumised, saate töötada läbivoolu võrdluskambritega. Sel juhul eemaldatakse mõõdetud gaasisegust spetsiaalse reagendi abil üks komponentidest (näiteks CO ja kaustilise kaaliumi lahus) ning seejärel saadetakse gaasisegu võrdluskambritesse. Mõõte- ja võrdlusharud erinevad sel juhul ainult ühe komponendi puudumise poolest. See meetod võimaldab sageli analüüsida keerulisi gaasisegusid.

IN viimasel ajal Tundlike elementidena kasutatakse mõnikord metalljuhtide asemel pooljuhttermistoreid. Termistoride eeliseks on 10 korda kõrgem soojustakistus võrreldes metalli omadega temperatuuri koefitsient vastupanu. Sellega saavutatakse tundlikkuse järsk tõus. Kuid samal ajal esitatakse palju kõrgemaid nõudmisi sillavoolu ja kambri seinte temperatuuri stabiliseerimisele.

Teistest varem ja kõige laiemalt hakati põletusahjude heitgaaside analüüsimiseks kasutama soojusjuhtivuse mõõteriistu. Tänu oma suurele tundlikkusele, suurele kiirusele, hoolduse lihtsusele ja usaldusväärsele disainile ning nende madalatele kuludele toodi seda tüüpi analüsaatorid kiiresti tööstusesse.

Soojusjuhtivuse analüsaatorid sobivad kõige paremini vesiniku kontsentratsiooni mõõtmiseks segudes. Etalongaaside valikul tuleb arvestada ka erinevate gaaside segudega. Erinevate gaaside minimaalsete mõõtmisvahemike näitena saab kasutada järgmisi andmeid (tabel 6.1).

Tabel 6.1

Minimaalsed mõõtepiirkonnad erinevate gaaside jaoks,

% helitugevusele

Maksimaalne mõõtmisvahemik on enamasti 0–100%, kusjuures 90 või isegi 99% on alla surutud. Erijuhtudel võimaldab soojusjuhtivuse analüsaator olla ühel seadmel mitu erinevat mõõtevahemikku. Seda kasutatakse näiteks soojuselektrijaamade vesinikjahutusega turbogeneraatorite täitmis- ja tühjendusprotsesside juhtimiseks. Plahvatusohu tõttu ei täideta generaatori korpust õhuga, vaid esmalt juhitakse puhastusgaasina süsinikdioksiid ja seejärel vesinik. Samamoodi eraldub gaas generaatorist. Ühe analüsaatoriga on üsna kõrge reprodutseeritavusega võimalik saavutada järgmised mõõtmisvahemikud: 0-100% (maht/maht) CO (puhastusõhus süsinikdioksiid), 100-0% H 2 CO-s (vesinikuga täitmiseks) ja 100-80% H 2 (õhus, et kontrollida vesiniku puhtust generaatori töötamise ajal). See odav viis mõõtmised.

Kaaliumkloriidi elektrolüüsil eralduva kloori vesinikusisalduse määramiseks soojusjuhtivuse analüsaatori abil saate töötada nii suletud etalongaasiga (S0 2, Ar) kui ka voolava etalongaasiga. Viimasel juhul suunatakse vesiniku ja kloori segu esmalt mõõtekambrisse ja seejärel järelpõletusahju, mille temperatuur on > 200°C. Vesinik põleb koos liigse klooriga, moodustades vesinikkloriidi. Saadud HC ja C12 segu juhitakse võrdluskambrisse. Sel juhul määratakse vesiniku kontsentratsioon soojusjuhtivuse erinevuse järgi. See meetod vähendab oluliselt väikese õhukoguse mõju.

Märggaasi analüüsimisel tekkiva vea vähendamiseks tuleb gaas kuivatada, mida tehakse kas niiskusimarit kasutades või gaasi temperatuuri alandades alla kastepunkti. Niiskuse mõju kompenseerimiseks on veel üks võimalus, mida saab kasutada ainult voolava etalongaasi skeemi järgi mõõtmisel.

Plahvatusohtlike gaasidega töötamiseks toodavad mitmed ettevõtted plahvatuskindlaid seadmeid. Sel juhul on soojusjuhtivuse mõõtmise kambrid ette nähtud kõrge vererõhk, paigaldatakse tulepüüdurid kambrite sisse- ja väljapääsude juurde ning väljundsignaal on piiratud sisemiselt ohutu tasemeni. Selliseid seadmeid ei saa aga kasutada plahvatusohtlike gaaside ja hapniku või vesiniku ja kloori segude analüüsimiseks.

• Sentimeeter-gramm-sekund on ühikute süsteem, mida kasutati laialdaselt enne rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) vastuvõtmist.

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536 212,2; 536.24.021 A. V. Luzina, A. V. Rudin

METALLIPROOVIDE SOOJUSJUHTIVUSE MÕÕTMINE STATSIOONSE SOOJUSE VOOLU MEETODIL

Annotatsioon. Tehnika on kirjeldatud ja disainifunktsioonid paigaldised metalliproovide soojusjuhtivusteguri mõõtmiseks, mis on valmistatud homogeense silindrilise varda või õhukese ristkülikukujulise plaadi kujul statsionaarse soojusvoo meetodil. Uuritavat proovi kuumutatakse otsese elektriküttega lühikese impulsiga AC, mis on kinnitatud massiivsetesse vaskvooluklambritesse, mis toimivad samaaegselt jahutusradiaatorina.

Võtmesõnad: soojusjuhtivuse koefitsient, näidis, Fourier' seadus, statsionaarne soojusvahetus, mõõteseade, trafo, multimeer, termopaar.

Sissejuhatus

Soojusenergia ülekandumist tahke keha rohkem kuumutatud aladelt vähem kuumutatud aladele läbi kaootiliselt liikuvate osakeste (elektronid, molekulid, aatomid jne) nimetatakse soojusjuhtivuse nähtuseks. Soojusjuhtivuse nähtuse uurimist kasutatakse laialdaselt erinevatest tööstusharudest tööstusharud, nagu nafta, kosmosetööstus, autotööstus, metallurgia, kaevandus jne.

Soojusülekannet on kolm peamist tüüpi: konvektsioon, soojuskiirgus ja soojusjuhtivus. Soojusjuhtivus sõltub aine olemusest ja selle füüsikalisest olekust. Samal ajal toimub vedelikes ja tahketes ainetes (dielektrikutes) energiaülekanne elastsete lainete abil, gaasides - aatomite (molekulide) kokkupõrke ja difusiooni kaudu ning metallides - vabade elektronide difusiooni ja elektronide abil. võre termilised vibratsioonid. Soojuse ülekanne kehas sõltub sellest, mis olekus see on: gaasiline, vedel või tahke.

Vedelike soojusjuhtivuse mehhanism erineb gaaside soojusjuhtivuse mehhanismist ja sellel on palju ühist tahkete ainete soojusjuhtivusega. Piirkondades, kus kõrgendatud temperatuur esineb suure amplituudiga molekulide vibratsioone. Need vibratsioonid kanduvad edasi külgnevatele molekulidele ja seega kandub soojusliikumise energia järk-järgult kihist kihti. See mehhanism annab suhteliselt väikese soojusjuhtivusteguri väärtuse. Temperatuuri tõustes enamiku vedelike soojusjuhtivuse koefitsient väheneb (erandiks on vesi ja glütseriin, mille soojusjuhtivuse koefitsient suureneb temperatuuri tõustes).

Kineetilise energia ülekande nähtus ideaalsetes gaasides molekulaarse liikumise abil on tingitud soojuse ülekandmisest soojusjuhtivuse kaudu. Molekulide liikumise juhuslikkuse tõttu liiguvad molekulid igas suunas. Kolimine kohtadest, kus on rohkem kõrge temperatuur madalama temperatuuriga kohtadesse kannavad molekulid paaripõrgete tõttu liikumise kineetilist energiat. Molekulaarse liikumise tulemusena toimub temperatuuri järkjärguline ühtlustumine; ebaühtlaselt kuumutatud gaasis on soojusülekanne molekulide juhusliku (kaootilise) liikumise käigus teatud koguse kineetilise energia ülekandmine. Temperatuuri langedes väheneb gaaside soojusjuhtivus.

Metallides on peamiseks soojuse edastajaks vabad elektronid, mida võib võrrelda ideaalse üheaatomilise gaasiga. Seetõttu mõningase ligikaudsusega

Hoone soojusjuhtivuse koefitsient ja soojusisolatsioonimaterjalid see suureneb temperatuuri tõustes ja mahukaalu suurenedes suureneb. Soojusjuhtivuse koefitsient sõltub tugevalt materjali poorsusest ja niiskusest. Soojusjuhtivus erinevaid materjale varieerub vahemikus: 2-450 W/(m K).

1. Soojusvõrrand

Soojusjuhtivuse seadus põhineb Fourier' hüpoteesil soojusvoo proportsionaalsusest temperatuuride erinevusega soojusülekandetee pikkuse ühiku kohta ajaühikus. Arvuliselt on soojusjuhtivuse koefitsient võrdne soojushulgaga, mis voolab ajaühikus läbi pinnaühiku, kusjuures temperatuuri erinevus normaalpikkusühiku kohta on võrdne ühe kraadiga.

Fourier' seaduse kohaselt pinnatihedus soojusvoog h võrdeline

temperatuurigradiendi suhtes null -:

Siin nimetatakse tegurit X soojusjuhtivuse koefitsiendiks. Miinusmärk näitab, et soojus kandub üle temperatuuri languse suunas. Ajaühikus läbi isotermilise pinnaühiku läbinud soojushulka nimetatakse soojusvoo tiheduseks:

Ajaühikus läbi isotermilise pinna B läbivat soojushulka nimetatakse soojusvooluks:

O = | hjB = -1 -kdP^B. (1.3)

Seda pinda B läbinud soojuse koguhulk aja t jooksul määratakse võrrandi põhjal

Alates=-DL-^t. (1,4)

2. Soojusjuhtivuse piirtingimused

Neid on erinevaid tingimusiüheselt mõistetavus: geomeetriline - iseloomustab keha kuju ja mõõtmeid, milles soojusjuhtivusprotsess toimub; füüsiline – keha füüsikalisi omadusi iseloomustav; ajutine - iseloomustab kehatemperatuuri jaotust esialgsel ajahetkel; piir - iseloomustab keha vastasmõju keskkonnaga.

Esimest tüüpi piirtingimused. Sel juhul määratakse iga ajahetke kohta temperatuurijaotus keha pinnal.

Teist tüüpi piirtingimused. Sel juhul on määratud väärtus kehapinna iga punkti soojusvoo tihedus igal ajal:

Yara = I (X, Y, 2,1).

Kolmanda liigi piirtingimused. Sel juhul määratakse kindlaks keskkonna T0 temperatuur ja selle keskkonna soojusvahetuse tingimused keha pinnaga.

Neljandat tüüpi piirtingimused kujunevad kehade kontaktpinda läbivate soojusvoogude võrdsuse alusel.

3. Katseseade soojusjuhtivusteguri mõõtmiseks

Kaasaegsed meetodid Soojusjuhtivustegurite määramise võib jagada kahte rühma: statsionaarsed soojusvoo meetodid ja mittestatsionaarsed soojusvoo meetodid.

Esimeses meetodite rühmas jääb keha või kehade süsteemi läbiv soojusvoog suuruselt ja suunast muutumatuks. Temperatuuriväli on statsionaarne.

Transientmeetodid kasutavad ajas muutuvat temperatuurivälja.

Selles töös kasutatakse üht statsionaarse soojusvoo meetoditest - Kohlrauschi meetodit.

Metalliproovide soojusjuhtivuse mõõtmise paigaldise plokkskeem on näidatud joonisel fig. 1.

Riis. 1. Plokkskeem mõõtmise seadistus

Paigalduse põhielemendiks on alandatav trafo 7, mille primaarmähis on ühendatud LATR 10 tüüpi autotransformaatoriga ja sekundaarmähis, mis on valmistatud kuue pöördega ristkülikukujulisest vasest siinist, on otse ühendatud massiivsed vasest vooluklambrid 2, mis toimivad samaaegselt jahutusradiaatorina-külmikuna . Katseproov 1 kinnitatakse massiivsetesse vaskvooluklambritesse 2, kasutades massiivseid vaskpolte (joonisel pole näidatud), mis toimivad samaaegselt jahutusradiaatorina. Temperatuuri reguleerimine uuritava proovi erinevates punktides toimub Chromel-Copeli termopaaride 3 ja 5 abil, mille tööotsad on kinnitatud otse proovi 1 silindrilisele pinnale - üks proovi keskosas ja teine proovi lõpus. Termopaaride 3 ja 5 vabad otsad on ühendatud DT-838 4 ja 6 tüüpi multimeeridega, mis võimaldavad temperatuuri mõõta 0,5 °C täpsusega. Proovi kuumutatakse elektrilise otsese kuumutamisega jõutrafo 7 sekundaarmähisest tuleva vahelduvvoolu lühikese impulsiga. Katseproovis mõõdetakse voolu kaudselt - mõõtes pinget ringvoolutrafo 8 sekundaarmähisel, mille primaarmähis on jõutrafo 7 sekundaarmähise toitesiin, mis on läbinud rõngakujulise magnetsüdamiku vaba pilu. Voolutrafo sekundaarmähise pinge mõõtmine toimub multimeetriga 9.

Impulssvoolu suuruse muutmine uuritavas proovis viiakse läbi lineaarse autotransformaatori 10 (LATR) abil, mille primaarmähis on järjestikku ühendatud toitekaitsme 13 ja nupu 12 kaudu ühendatud vahelduvvooluga. Võrk pingega 220 V. Pingelangus katseproovis otsese elektrikütte režiimis teostatakse multimeetriga 14, mis on paralleelselt ühendatud otse vooluklemmidega 2. Vooluimpulsside kestust mõõdetakse elektriline stopper 11, mis on ühendatud lineaarse autotrafo primaarmähisega 10. Uuritava proovi kuumutusrežiimi sisse- ja väljalülitamine toimub nupu 12 abil.

Soojusjuhtivusteguri mõõtmisel ülalkirjeldatud paigaldusega peavad olema täidetud järgmised tingimused:

Uuritava proovi ristlõike ühtlus kogu pikkuses;

Katseproovi läbimõõt peab olema vahemikus 0,5 mm kuni 3 mm (vastasel juhul vabaneb põhisoojusvõimsus jõutrafo ja mitte uuritud valimis).

Temperatuuri ja proovi pikkuse diagramm on näidatud joonisel fig. 2.

Riis. 2. Temperatuuri sõltuvus proovi pikkusest

Nagu ülaltoodud diagrammil näha, on temperatuuri sõltuvus uuritava proovi pikkusest lineaarne selgelt väljendatud maksimumiga proovi keskosas ning otstes jääb see minimaalseks (konstantseks) ja võrdseks temperatuuriga. keskkond tasakaalulise soojusülekanderežiimi kehtestamise ajaintervalli jooksul, mis selle katseseadistuse puhul ei ületa 3 minutit, s.o. 180 sekundit.

4. Soojusjuhtivusteguri töövalemi tuletamine

Elektrivoolu läbimisel juhis eralduva soojushulga saab määrata Joule-Lenzi seaduse järgi:

Qel = 12-I^ = u I I, (4.1)

kus ja, I on pinge ja vool uuritavas proovis; I on proovi takistus.

Läbi kantud soojushulk ristlõige Uuritava proovi väärtus ajavahemikul t, mis on valmistatud homogeense silindrilise varda kujul pikkusega £ ja ristlõikega 5, saab arvutada vastavalt Fourier' seadusele (1.4):

Qs = R-yT- 5- t, (4.2)

kus 5 = 2-5osn, 5osn =^4-, at = 2-DT = 2-(Gtah -Gtk1); d£ = D£ = 1-£.

Siin näitavad koefitsiendid 2 ja 1/2, et soojusvool on suunatud

proovi keskpunktist selle otsteni, s.o. hargneb kaheks vooluks. Siis

^^b = 8-I-(Gtah -Tt|n) -B^ . (4.3)

5. Soojuskadude arvestus külgmine pind

§Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

kus Bbok = n-th-1; a on soojusvahetuse koefitsient uuritava proovi pinna ja keskkonna vahel, mõõtmetega

Temperatuuri erinevus

DGx = Tx - T0cr, (5.2)

kus Tx on temperatuur proovi pinna antud punktis; Hocr - ümbritseva õhu temperatuur, saab arvutada lineaarvõrrand proovi temperatuuri sõltuvus selle pikkusest:

Tx = T0 + k-x, (5.3)

Kus kalle k saab määrata proovi temperatuuri lineaarse sõltuvuse kalde puutuja kaudu selle pikkusest:

DT T - T T - T

k = f = MT* = Tmax TTT = 2 "max Vр. (5.4)

Asendades avaldised (5.2), (5.3) ja (5.4) võrrandiga (5.1), saame:

SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,

kus T0 Тсжр.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)

Pärast avaldise (5.5) integreerimist saame:

Q0Kp = 2.■ dk j jdt■ x■ dx = 2.-a-k■-I - | ■ t = -4a^nd■ k■ I2 ■ t. (5.6)

Asendades saadud avaldised (4.1), (4.3) ja (5.6) soojusbilansi võrrandisse aoln = ogr + qs, kus Qtot = QEL, saame:

UIt = 8 ■Х ■ S^ ^^-o ■t + -a^n ■d ■ -(Tmax - To) ■t.

Lahendades saadud soojusjuhtivusteguri võrrandi, saame:

u1 a £2, l

Saadud avaldis võimaldab meil määrata õhukeste metallvarraste soojusjuhtivuse koefitsiendi vastavalt arvutustele, mis on tehtud tüüpiliste suhtelise veaga katseproovide jaoks

AU f (AI f (L(LG) ^ (At2

mitte üle 1,5%.

Viited

1. Sivukhin, D. V. Üldine kursus füüsika / D. V. Sivukhin. - M.: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 lk.

2. Rudin, A. V. Struktuursete lõdvestusprotsesside uurimine klaasimoodustavates objektides erinevatel jahutusrežiimidel / A. V. Rudin // Kõrgkooli Izvestija õppeasutused. Volga piirkond. Loodusteadused. - 2003. - nr 6. - Lk 123-137.

3. Pavlov, P.V. Tahkefaasi füüsika: õpik. käsiraamat erialal “Füüsika” õppivatele üliõpilastele / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: Kõrgem. kool, 1985. - 384 lk.

4. Berman, R. Tahkete ainete soojusjuhtivus / R. Berman. - M., 1979. - 287 lk.

5. Livshits, B. G. Füüsikalised omadused metallid ja sulamid / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - M.: Metallurgia, 1980. - 320 lk.

Luzina Anna Vjatšeslavovna Luzina Anna Vjatšeslavovna

bakalaureuseõppe üliõpilane, magistriõppe üliõpilane,

Penza osariigi ülikool Penza osariigi ülikooli e-post: [e-postiga kaitstud]

Rudin Aleksander Vassiljevitš

Füüsikaliste ja matemaatikateaduste kandidaat, dotsent, Penza osariigi ülikooli füüsikaosakonna juhataja asetäitja E-post: [e-postiga kaitstud]

Rudin Aleksandr Vasil"jevitš

füüsika- ja matemaatikateaduste kandidaat, dotsent,

Penza osariigi ülikooli füüsika allosakonna juhataja asetäitja

UDK 536.2.083; 536.2.081.7; 536 212,2; 536 24 021 Luzina, A. V.

Metalliproovide soojusjuhtivuse mõõtmine statsionaarse soojusvoo meetodil /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Penza bülletään riigiülikool. - 2016. - nr 3 (15). - KOOS. 76-82.

Aine soojusjuhtivuse uurimiseks kasutatakse kahte meetodite rühma: statsionaarset ja mittestatsionaarset.

Statsionaarsete meetodite teooria on lihtsam ja täiuslikum. Kuid mittestatsionaarsed meetodid võimaldavad põhimõtteliselt lisaks soojusjuhtivuse koefitsiendile saada teavet soojuse difusioonikoefitsiendi ja soojusmahtuvuse kohta. Seetõttu on viimasel ajal palju tähelepanu pööratud ainete termofüüsikaliste omaduste määramise mittestatsionaarsete meetodite väljatöötamisele.

Siin käsitletakse mõningaid statsionaarseid meetodeid ainete soojusjuhtivuse määramiseks.

A) Lamekihi meetod.Ühemõõtmelise soojusvoo läbimiseks tasane kiht Soojusjuhtivuse koefitsient määratakse valemiga

Kus d- paksus, T 1 ja T 2 - proovi "kuuma" ja "külma" pinna temperatuurid.

Selle meetodi abil soojusjuhtivuse uurimiseks on vaja luua ühemõõtmelisele lähedane soojusvoog.

Tavaliselt mõõdetakse temperatuure mitte proovi pinnal, vaid nendest teatud kaugusel (vt joonis 2), mistõttu on vaja mõõdetud temperatuuride erinevusse sisse viia parandused kütte- ja jahutikihi temperatuuride erinevuse jaoks, minimeerida soojustakistus kontaktid.

Vedelike uurimisel tuleb konvektsiooni nähtuse kõrvaldamiseks suunata temperatuurigradient piki gravitatsioonivälja (alla).

Riis. 2. Soojusjuhtivuse mõõtmise tasapinnaliste kihtide meetodite skeem.

1 – uuritav valim; 2 – küttekeha; 3 – külmkapp; 4, 5 – isoleerrõngad; 6 – turvasoojendid; 7 – termopaarid; 8, 9 – diferentsiaaltermopaarid.

b) Jäägeri meetod. Meetod põhineb ühemõõtmelise soojusvõrrandi lahendamisel, mis kirjeldab soojuse levikut mööda elektrivooluga kuumutatud varda. Selle meetodi kasutamise raskus seisneb selles, et proovi välispinnale ei saa luua rangeid adiabaatilisi tingimusi, mis rikuvad soojusvoo ühemõõtmelisust.

Arvutusvalem on kujul:

(14)

Kus s- uuritava proovi elektrijuhtivus, U– pingelangus varda otste äärmiste punktide vahel, D.T.– temperatuuri erinevus varda keskosa ja varda otsas oleva punkti vahel.

Riis. 3. Jäägeri meetodi skeem.

1 – elektriahi; 2 – näidis; 3 – tangid proovi kinnitamiseks; T 1 ¸ T 6 – kohad, kus termopaarid on tihendatud.

Seda meetodit kasutatakse elektrit juhtivate materjalide uurimisel.

V) Silindrilise kihi meetod. Uuritav vedelik (puistematerjal) täidab silindrilise kihi, mille moodustavad kaks koaksiaalselt paiknevat silindrit. Üks silindritest, kõige sagedamini sisemine, on küttekeha (joonis 4).

Joonis 4. Silindrilise kihi meetodi skeem

1 - sisemine silinder; 2 - põhikütteseade; 3 - uuritava aine kiht; 4 – välimine silinder; 5 - termopaarid; 6 – turvasilindrid; 7 - lisakütteseadmed; 8 - keha.

Vaatleme üksikasjalikumalt soojusjuhtivuse statsionaarset protsessi silindrilises seinas, mille välis- ja sisepinna temperatuur hoitakse konstantsena ja võrdub T 1 ja T 2-ga (meie puhul on see aine kiht uuritakse 5). Sel juhul määrame soojuse voolu läbi seina sisemine läbimõõt silindriline sein d 1 = 2r 1 ja välissein d 2 = 2r 2, l = const ja soojus levib ainult radiaalsuunas.

Ülesande lahendamiseks kasutame võrrandit (12). Silindrilistes koordinaatides, millal ; võrrand (12) on vastavalt (1O) kujule:

. (15)

Tutvustame tähistust dT/dr= 0, saame

Pärast selle avaldise integreerimist ja võimendamist, liikudes algsete muutujate juurde, saame:

. (16)

Nagu sellest võrrandist näha, on sõltuvus T=f(r) logaritmiline.

Integreerimiskonstandid C 1 ja C 2 saab määrata, kui selle võrrandiga asendatakse piirtingimused:

juures r = r 1 T = T 1 Ja T 1 = C 1 ln r 1 + C 2,

juures r = r 2 T = T 2 Ja T2 =C1 ln r 2 + C 2.

Nende võrrandite lahendus on suhteline KOOS 1 ja C 2 annab:

;

Selle asemel asendades need väljendid C 1 Ja C 2 võrrandisse (1b), saame

(17)

soojusvool läbi raadiusega silindrilise pinna r ja pikkus määratakse Fourier' seadusega (5)

.

Pärast asendamist saame

. (18)

Soojusjuhtivuse koefitsient l teadaolevate väärtuste korral K, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, arvutatakse valemiga

. (19)

Konvektsiooni mahasurumiseks (vedeliku puhul) peab silindriline kiht olema väikese paksusega, tavaliselt millimeetri murdosa.

Silindrilise kihi meetodi lõppkadude vähendamine saavutatakse suhte / / d ja turvasoojendid.

G) Kuuma traadi meetod. Selle meetodi puhul seos / d suureneb vähenemise tõttu d. Sisemine silinder asendatakse peenikese traadiga, mis on nii küttekehaks kui ka takistustermomeetriks (joonis 5). Disaini suhtelise lihtsuse tulemusena ja üksikasjalik arendus teooria järgi on kuumutatud traadi meetod muutunud üheks kõige arenenumaks ja täpsemaks. Praktikas eksperimentaalsed uuringud Sellel on vedelike ja gaaside soojusjuhtivuse osas juhtpositsioon.

Riis. 5. Kuumtraadi meetodil valmistatud mõõteelemendi skeem. 1 – mõõtetraat, 2 – toru, 3 – uuritav aine, 4 – voolujuhtmed, 5 – potentsiaalijuhtmed, 6 – välistermomeeter.

Tingimusel, et kogu soojusvoog sektsioonist AB ulatub radiaalselt ja temperatuuride erinevus T 1 – T 2 ei ole suur, nii et nendes piirides saame arvestada l = const, määratakse aine soojusjuhtivuse koefitsient valemiga

, (20)

Kus K AB = T × U AB on juhtmest vabanev võimsus.

d) Palli meetod. Leiab rakendust vedelike ja puistematerjalide soojusjuhtivuse uurimise praktikas. Uuritavale ainele antakse sfäärilise kihi kuju, mis võimaldab põhimõtteliselt kõrvaldada kontrollimatu soojuskadu. Tehniliselt on see meetod üsna keeruline.

Vastavalt nõuetele föderaalseadus nr 261-FZ “Energia säästmisest” on karmistatud nõudeid ehitus- ja soojusisolatsioonimaterjalide soojusjuhtivusele Venemaal. Tänapäeval on soojusjuhtivuse mõõtmine üks kohustuslikud esemed kui otsustate, kas kasutada materjali soojusisolaatorina.

Miks on ehituses vaja mõõta soojusjuhtivust?

Ehitus- ja soojusisolatsioonimaterjalide soojusjuhtivust jälgitakse nende sertifitseerimise ja tootmise kõikides etappides laboritingimustes, kui materjalid puutuvad kokku erinevaid tegureid, mis mõjutab selle tööomadusi. Soojusjuhtivuse mõõtmiseks on mitu levinud meetodit. Madala soojusjuhtivusega (alla 0,04 - 0,05 W/m*K) materjalide täpseks laboratoorseks testimiseks on soovitatav kasutada statsionaarse soojusvoo meetodit kasutavaid seadmeid. Nende kasutamist reguleerib GOST 7076.

Ettevõte Interpribor pakub soojusjuhtivusmõõturit, mille hind on turul pakutavaga võrreldes soodne ja vastab kõigile kaasaegsed nõuded. See on ette nähtud ehitus- ja soojusisolatsioonimaterjalide laboratoorseks kvaliteedikontrolliks.

Soojusjuhtivusmõõturi ITS-1 eelised

Soojusjuhtivusmõõtur ITS-1 on originaalse monoplokkkonstruktsiooniga ja seda iseloomustavad järgmised eelised:

• automaatne mõõtmistsükkel;
• ülitäpne mõõtmistee, mis võimaldab stabiliseerida külmiku ja küttekeha temperatuure;
• seadme kalibreerimise võimalus üksikud liigid uuritavad materjalid, mis suurendab veelgi tulemuste täpsust;
• väljendatud hinnang tulemusele mõõtmisprotsessi käigus;
• optimeeritud "kuum" turvatsoon;
• informatiivne graafiline ekraan, mis lihtsustab mõõtmistulemuste kontrolli ja analüüsi.

ITS-1 tarnitakse ühes põhimodifikatsioonis, mida saab kliendi soovil täiendada kontrollnäidistega (pleksiklaas ja penopleks), puistematerjalide karbi ja kaitseümbrisega seadme hoiustamiseks ja transportimiseks.