تاکنون ، طبقه بندی واحدی ایجاد نشده است که با انواع روشهای موجود همراه باشد. روش های آزمایشی معروف برای اندازه گیری رسانایی گرمایی مواد به دو گروه بزرگ ثابت و غیر ثابت تقسیم می شوند. در حالت اول ، کیفیت فرمول محاسبه از راه حل های خاص معادله هدایت گرما استفاده می کند

تحت شرایط ، در دوم - تحت شرایط ، جایی که T درجه حرارت است ؛ f - زمان ؛ - ضریب نفوذ حرارتی ؛ l - ضریب هدایت حرارتی ؛ C - ظرفیت گرمایی خاص ؛ d تراکم مواد است. - اپراتور Laplace که در سیستم مختصات مربوطه نوشته شده است ؛ - قدرت خاص منبع حرارتی حجمی.

گروه اول روش ها مبتنی بر استفاده از یک رژیم حرارتی ثابت است. دوم یک رژیم حرارتی غیر ثابت است. روش های ثابت برای تعیین ضریب هدایت حرارتی بر اساس ماهیت اندازه گیری ها مستقیم هستند (یعنی ضریب هدایت حرارتی مستقیماً تعیین می شود) و به مطلق و نسبی تقسیم می شوند. در روشهای مطلق ، پارامترهای اندازه گیری شده در آزمایش دستیابی به مقدار مطلوب ضریب هدایت حرارتی را با استفاده از فرمول محاسبه امکان پذیر می کند. در روش های نسبی ، پارامترهای اندازه گیری شده در آزمایش با استفاده از فرمول محاسبه اجازه می دهند مقدار مطلوب ضریب هدایت حرارتی را بدست آورند. در روشهای نسبی ، پارامترهای اندازه گیری شده برای محاسبه مقدار مطلق کافی نیستند. در اینجا دو مورد امکان پذیر است. اولین مورد مشاهده تغییر در ضریب هدایت حرارتی با توجه به ضریب اولیه است که به عنوان یک واحد در نظر گرفته شده است. مورد دوم استفاده از ماده مرجع با خواص حرارتی شناخته شده است. در همان زمان ، از ضریب هدایت حرارتی استاندارد در فرمول محاسبه استفاده می شود. روشهای نسبی نسبت به روشهای مطلق مزیت دارند زیرا ساده ترند. تقسیم بیشتر روش های ثابت را می توان با توجه به ماهیت گرمایش (خارجی ، حجمی و ترکیبی) و با استفاده از ایزوترم های میدان دما در نمونه ها (تخت ، استوانه ای ، کروی) انجام داد. زیر گروه روش های گرمایش خارجی شامل همه روش هایی است که از بخاری های خارجی (الکتریکی ، حجمی و ...) استفاده می کنند و سطوح نمونه را با تابش حرارتی یا بمباران الکترون گرم می کنند. زیرگروه روشهای گرمایش حجمی تمام روشهایی را که از گرمایش توسط جریان عبوری از نمونه ، گرم کردن نمونه مورد مطالعه از طریق نوترون یا تابش r یا جریان مایکروویو استفاده می کند. زیرگروه روشهای گرمایش ترکیبی می تواند شامل روشهایی باشد که همزمان از حرارت خارجی و حجمی نمونه ها یا گرمایش میانی (به عنوان مثال توسط جریانهای با فرکانس بالا) استفاده می شود.

در هر سه زیر گروه از روش های ثابت ، دما

ممکن است متفاوت باشد

ایزوترم های صفحه ای هنگامی تشکیل می شوند که شار گرما در امتداد محور تقارن نمونه هدایت شود. روشهای استفاده از ایزوترمهای مسطح را روشهایی با شار حرارتی محوری یا طولی می نامند و تنظیمات آزمایشی را دستگاههای مسطح می نامند.

ایزوترم های استوانه ای مطابق با انتشار شار گرما در جهت شعاع نمونه استوانه ای هستند. در مواردی که شار گرما به شعاع یک نمونه کروی هدایت شود ، ایزوترم های کروی ظاهر می شوند. روشهایی که از چنین ایزوترمهایی استفاده می شود کروی و به دستگاهها کروی گفته می شود.

UDC 536.2.083؛ 536.2.081.7؛ 536.212.2؛ 536.24.021 A. V. Luzina ، A. V. Rudin

اندازه گیری قابلیت هدایت حرارتی نمونه های فلزی توسط روش جریان ثابت گرما

حاشیه نویسی تکنیک و ویژگی های طراحی تاسیسات برای اندازه گیری رسانایی گرمایی نمونه های فلزی ساخته شده به شکل یک میله استوانه ای یکنواخت یا یک صفحه مستطیلی نازک با استفاده از روش حرارت ثابت توصیف شده است. نمونه مورد مطالعه با گرمایش مستقیم الکتریکی با یک پالس جریان متناوب کوتاه که در گیره های جریان عظیم مس ثابت شده و به طور همزمان عملکرد یک غرق گرما را انجام می دهند ، گرم می شود.

واژه های کلیدی: ضریب هدایت حرارتی ، نمونه ، قانون فوریه ، تبادل حرارت ثابت ، دستگاه اندازه گیری ، ترانسفورماتور ، مولتیمر ، ترموکوپل.

معرفی

انتقال انرژی حرارتی از قسمتهای گرمتر جامد به گرمتر با استفاده از ذرات در حال حرکت بی نظم (الکترونها ، مولکول ها ، اتم ها و غیره) پدیده رسانایی گرمایی نامیده می شود. مطالعه پدیده هدایت حرارتی در صنایع مختلف از جمله: نفت ، هوا فضا ، خودرو ، متالورژی ، معدن و غیره به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.

انتقال گرما به سه نوع اصلی وجود دارد: همرفت ، تابش حرارتی و هدایت حرارتی. هدایت حرارتی به ماهیت ماده و حالت فیزیکی آن بستگی دارد. در این حالت ، در مایعات و جامدات (دی الکتریک) ، انرژی با استفاده از امواج الاستیک ، در گازها - با برخورد و انتشار اتم ها (مولکول ها) و در فلزات - با انتشار الکترون های آزاد و با ارتعاشات شبکه حرارتی منتقل می شود . انتقال گرما در بدن بستگی به حالت آن دارد: گازی ، مایع یا جامد.

مکانیسم رسانایی گرمایی در مایعات با مکانیسم رسانایی گرمایی در گازها متفاوت است و اشتراکات زیادی با هدایت حرارتی مواد جامد دارد. در مناطقی با درجه حرارت بالا ، ارتعاشات با دامنه بزرگ مولکول وجود دارد. این ارتعاشات به مولکولهای مجاور منتقل می شوند و بنابراین انرژی حرکت حرارتی به تدریج از لایه ای به لایه دیگر منتقل می شود. این مکانیسم مقدار نسبتاً کمی از ضریب هدایت حرارتی را فراهم می کند. با افزایش دما ، برای بیشتر مایعات ، ضریب هدایت حرارتی کاهش می یابد (به استثنای آب و گلیسیرین ، برای آنها ضریب هدایت حرارتی با افزایش دما افزایش می یابد).

پدیده انتقال انرژی جنبشی با استفاده از حرکت مولکولی در گازهای ایده آل به دلیل انتقال گرما توسط هدایت گرما است. به دلیل تصادفی بودن حرکت مولکولی ، مولکولها در همه جهات حرکت می کنند. در حال حرکت از مکانهایی با درجه حرارت بالاتر به مکانهایی با درجه حرارت پایین ، مولکولها از طریق برخورد جفتی انرژی جنبشی حرکت را منتقل می کنند. در نتیجه حرکت مولکولی ، یکسان سازی تدریجی دما اتفاق می افتد. در یک گاز گرم شده ناهموار ، انتقال گرما انتقال مقدار مشخصی از انرژی جنبشی در طی حرکت بی نظم (بی نظم) مولکول ها است. با کاهش دما ، ضریب هدایت حرارتی گازها کاهش می یابد.

در فلزات ، فرستنده اصلی گرما الکترونهای آزاد است که می توان آنها را به یک گاز تک اتمی ایده آل تشبیه کرد. بنابراین ، با برخی از تقریب ها

ضریب هدایت حرارتی ساختمان و مواد عایق حرارتی با افزایش دما افزایش می یابد ، با افزایش تراکم فله افزایش می یابد. رسانایی گرمایی وابستگی زیادی به تخلخل و رطوبت ماده دارد. هدایت حرارتی مواد مختلف در محدوده متفاوت است: 2-450 W / (m K).

1. معادله هدایت حرارتی

قانون هدایت حرارتی بر این فرضیه استوار است که شار گرما متناسب با اختلاف دما در واحد طول مسیر انتقال حرارت در واحد زمان است. از نظر عددی ، ضریب هدایت حرارتی برابر است با مقدار حرارت جاری در واحد زمان از طریق یک واحد سطح ، با اختلاف دما در واحد طول نرمال برابر با یک درجه.

طبق قانون فوریه ، چگالی شار حرارتی سطح متناسب با است

برابر است با شیب دما -:

در اینجا فاکتور X را ضریب هدایت حرارتی می نامند. علامت منفی نشان می دهد که گرما در جهت کاهش دما منتقل می شود. به مقدار گرمی که در واحد زمان از واحد سطح همدما عبور کرده است ، چگالی شار گرما می گویند:

مقدار گرمای عبوری در واحد زمان از سطح همدما B را شار گرما می نامند:

О \u003d | chib \u003d -1 -cdP ^ B. (1.3)

مقدار کل گرمای عبور داده شده از این سطح B در زمان t از معادله تعیین می شود

از \u003d -DL- ^ t. (1.4)

2. شرایط مرزی هدایت حرارتی

شرایط مختلفی برای عدم ابهام وجود دارد: هندسی - مشخص کردن شکل و اندازه بدن که در آن روند هدایت گرما اتفاق می افتد. فیزیکی - توصیف خصوصیات فیزیکی بدن ؛ موقت - توصیف توزیع درجه حرارت بدن در لحظه اولیه زمان ؛ مرز - توصیف کننده تعامل بدن با محیط است.

شرایط مرزی از نوع اول. در این حالت ، توزیع دما بر روی سطح بدن برای هر لحظه از زمان تنظیم می شود.

شرایط مرزی از نوع دوم. در این حالت ، مقدار مشخص شده چگالی شار گرما برای هر نقطه از سطح بدن در هر زمان است:

یارا \u003d من (X ، Y ، 2،1).

شرایط مرزی از نوع III. در این حالت دمای محیط T0 و شرایط تبادل حرارت این محیط با سطح بدنه مشخص شده است.

شرایط مرزی از نوع IV بر اساس برابری شارهای حرارتی عبوری از سطح تماس اجسام تشکیل می شود.

3. تنظیم آزمایشی برای اندازه گیری ضریب هدایت حرارتی

روشهای نوین برای تعیین ضرایب هدایت حرارتی را می توان به دو گروه تقسیم کرد: روشهای جریان حرارت ثابت و روشهای جریان حرارت غیر ثابت.

در گروه اول روش ها ، شار حرارتی که از بدن یا سیستم اجسام عبور می کند از نظر اندازه و جهت ثابت می ماند. قسمت دما ثابت است.

روشهای غیر ثابت از یک میدان دما با تغییر زمان استفاده می کنند.

در کار حاضر ، یکی از روشهای شار حرارت ثابت ، روش Kohlrausch ، استفاده شده است.

نمودار بلوک تنظیم برای اندازه گیری رسانایی گرمایی نمونه های فلزی در شکل نشان داده شده است. یکی

شکل: 1. نمودار بلوک نصب اندازه گیری

عنصر اصلی نصب یک ترانسفورماتور کاهش قدرت 7 است ، سیم پیچ اولیه آن به یک ترانسفورماتور خودکار از نوع LATR 10 متصل است ، و سیم پیچ ثانویه ، ساخته شده از یک اتوبوس مس مستطیلی با شش دور ، به طور مستقیم به گیره های عظیم مس 2 ، که به طور همزمان به عنوان یک خنک کننده گرماگیر استفاده می شود ... نمونه 1 بررسی شده در گیره های جریان عظیم مس 2 با استفاده از پیچ و مهره های مس عظیم (که در شکل نشان داده نشده است) ، که به طور همزمان عملکرد یک مخزن گرما را انجام می دهند ، ثابت می شود. کنترل دما در نقاط مختلف نمونه مورد مطالعه با استفاده از ترموکوپل های کرومل-کوپل 3 و 5 انجام می شود که انتهای کار آن مستقیماً بر روی سطح استوانه ای نمونه 1 ثابت می شوند - یکی در قسمت مرکزی نمونه و دیگری در انتهای نمونه. انتهای آزاد ترموکوپل های 3 و 5 به مولتی مترهای نوع DT-838 4 و 6 متصل می شوند ، که اندازه گیری دما را با دقت 0.5 درجه سانتیگراد امکان پذیر می کند. نمونه با گرمایش مستقیم برق با یک پالس کوتاه AC از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور برق گرم می شود. جریان در نمونه آزمایش به طور غیر مستقیم اندازه گیری می شود - با اندازه گیری ولتاژ سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور جریان حلقه 8 ، اولیه سیم پیچ که باس قدرت سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور قدرت 7 است که از شکاف آزاد هسته مغناطیسی حلقوی عبور می کند. ولتاژ سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور جریان توسط مولتی متر 9 اندازه گیری می شود.

تغییر در مقدار جریان ضربه در نمونه آزمایش با استفاده از یک ترانسفورماتور خطی 10 (LATR) انجام می شود که سیم پیچ اولیه آن به فیوز 13 ولتاژ 220 ولت جریان متناوب و دکمه 12 به صورت سری متصل است. نمونه آزمایش در حالت گرمایش الکتریکی مستقیم با استفاده از یک مولتی متر 14 متصل به موازات مستقیم به گیره های جریان 2 انجام می شود. مدت زمان پالس های جریان با استفاده از کرونومتر برقی 11 متصل به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور خطی 10 اندازه گیری می شود روشن و خاموش کردن حالت گرمایش نمونه آزمایش توسط دکمه 12 ارائه می شود.

هنگام اندازه گیری ضریب هدایت حرارتی در نصب فوق الذکر ، شرایط زیر باید رعایت شود:

یکنواختی سطح مقطع نمونه آزمایش در کل طول ؛

قطر نمونه آزمایش باید در محدوده 0.5 میلی متر تا 3 میلی متر باشد (در غیر این صورت ، قدرت اصلی حرارتی در ترانسفورماتور قدرت آزاد می شود و نه در نمونه آزمایش).

نمودار دما در برابر طول نمونه در شکل نشان داده شده است. 2

شکل: 2. وابستگی دما به طول نمونه

همانطور که در نمودار بالا مشاهده می شود ، وابستگی دما به طول نمونه آزمون به صورت خطی با حداکثر مشخص در قسمت مرکزی نمونه است و در انتهای آن حداقل (ثابت) و برابر با دمای محیط باقی می ماند در طی فاصله زمانی برای ایجاد یک رژیم انتقال حرارت تعادل ، که برای این نصب آزمایشی بیش از 3 دقیقه نیست ، یعنی 180 ثانیه

4. استخراج فرمول کار برای ضریب هدایت حرارتی

مقدار گرمای آزاد شده در یک هادی در هنگام عبور جریان الکتریکی را می توان با قانون ژول-لنز تعیین کرد:

Qel \u003d 12-H ^ \u003d و I I ، (4.1)

کجا و ، من - ولتاژ و جریان در نمونه آزمایش ؛ من مقاومت نمونه هستم.

مقدار گرمای منتقل شده از سطح مقطع نمونه مورد مطالعه در طی بازه زمانی t ، ساخته شده به شکل یک میله استوانه ای همگن به طول t و برش 5 ، طبق قانون فوریه (1.4) قابل محاسبه است:

Qs \u003d R-dT- 5- t ، (4.2)

که در آن 5 \u003d 2-5osn ، 5osn \u003d ^ 4- ، در \u003d 2-DT \u003d 2- (Gmax -Gtk1) ؛ d £ \u003d A £ \u003d 1 -.

در اینجا ضرایب 2 و 1/2 نشان می دهد که شار گرما از آنجا هدایت می شود

مرکز نمونه تا انتهای آن ، یعنی به دو جریان تقسیم می شود. سپس

^^ b \u003d 8-H- (Tmax -Tm | n) -B ^. (4.3)

5. محاسبه تلفات گرما در سطح جانبی

zhOzhr \u003d 2-Bbok -DTkha ، (5.1)

جایی که Bbok \u003d n-th-1 ؛ a ضریب انتقال حرارت سطح نمونه آزمایش با محیط است که دارای بعد است

اختلاف دما

DGx \u003d Tx - T0cr ، (5.2)

جایی که Tx دما در یک نقطه مشخص از سطح نمونه است. Gokr - دمای محیط را می توان از معادله خطی وابستگی دمای نمونه به طول آن محاسبه کرد:

Tx \u003d T0 + k-x ، (5.3)

که در آن شیب k را می توان از طریق مماس شیب وابستگی خطی دمای نمونه به طول آن تعیین کرد:

DT T - T T - T

k \u003d f \u003d MT * \u003d Tmax Tmt \u003d 2 "حداکثر قدرت. (5.4)

با جایگزینی عبارات (5.2) ، (5.3) و (5.4) در معادله (5.1) ، بدست می آوریم:

SQaup \u003d 2a-nd ■ dx ■ (+ kx-Т0Кр) dt ،

که در آن T0 Tszhr.

8Q0Kp \u003d 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)

پس از ادغام عبارت (5.5) ، به دست می آوریم:

Q0Kp \u003d 2nd ■ dk j jdt ■ x ■ dx \u003d 2nd-a-k ■ -I - | ■ t \u003d -4a ^ nd ■ k ■ I2 t. (5.6)

تعویض های بدست آمده (4.1) ، (4.3) و (5.6) را در معادله تعادل گرمایی aoln \u003d obr + qs جایگزین کنید ، که در آن Qtot \u003d QEL ،

UIt \u003d 8 ■ X ■ S ^ ^^ - o ■ t + -a ^ n ■ d ■ - (Tmax - To) ■ t.

با حل معادله حاصل برای ضریب هدایت حرارتی ، بدست می آوریم:

u1 a £ 2، l

عبارت بدست آمده امکان تعیین ضریب هدایت حرارتی میله های نازک فلزی را مطابق با محاسبات انجام شده برای نمونه های آزمایش معمولی با خطای نسبی امکان پذیر می سازد

AU f (AI f (Л (ЛГ) ^ (At2

بیش از 1.5

فهرست مراجع

1. سیووخین ، DV دوره عمومی فیزیک / DV Sivukhin. - م .: ناوکا ، 1974 - T. 2.- 551 ص

2. رودین ، \u200b\u200bAV بررسی فرایندهای آرام سازی ساختاری در اشیا-تشکیل دهنده شیشه تحت حالت های مختلف خنک کننده / AV رودین // مجموعه مقالات موسسات آموزش عالی. منطقه ولگا. علوم طبیعی. - 2003. - شماره 6. - S. 123-137.

3. پاولوف ، پ. وی. فیزیک حالت جامد: کتاب درسی. کتابچه راهنمای دانشجویان برای تحصیل در رشته های "فیزیک" / PV Pavlov ، AF Khokhlov. - م.: عالی تر. shk. ، 1985. - 384 ص

4. Berman، R. هدایت حرارتی مواد جامد / R. Berman. - م. ، 1979. - 287 ص

5. Livshits، BG خواص فیزیکی فلزات و آلیاژها / BG Livshits، VS Kraposhin. - م .: متالورژی ، 1980. - 320 ص

لوزینا آنا ویاچسلاووونا

دانشجوی کارشناسی ارشد ،

دانشگاه ایالتی پنزا دانشگاه ایالتی پنزا پست الکترونیکی: [ایمیل محافظت شده]

رودین الكساندر واسیلیویچ

دکترای فیزیک و ریاضیات ، دانشیار ، معاون گروه فیزیک ، دانشگاه ایالتی پنزا پست الکترونیکی: [ایمیل محافظت شده]

رودین الكساندر واسیل "خسیس

نامزد علوم فیزیکی و ریاضیات ، دانشیار ،

معاون رئیس گروه فیزیک ، دانشگاه ایالتی پنزا

UDC 536.2.083؛ 536.2.081.7؛ 536.212.2؛ 536.24.021 Luzina، A.V.

اندازه گیری هدایت حرارتی نمونه های فلزی با استفاده از شار حرارت ثابت /

A. V. Luzina، A. V. Rudin // بولتن دانشگاه ایالتی پنزا. - 2016. - شماره 3 (15). -از جانب. 76-82.

مطابق با الزامات قانون فدرال شماره 261-FZ "در مورد صرفه جویی در مصرف انرژی" ، الزامات هدایت حرارتی ساختمان و مواد عایق حرارتی در روسیه سخت تر شده است. امروزه ، اندازه گیری میزان هدایت حرارتی یکی از موارد اجباری هنگام تصمیم گیری در مورد استفاده از ماده به عنوان عایق حرارتی است.

چرا اندازه گیری هدایت حرارتی در ساخت و ساز ضروری است؟

کنترل هدایت حرارتی ساختمان و مواد عایق حرارتی در تمام مراحل صدور گواهینامه و تولید آنها در شرایط آزمایشگاهی ، هنگامی که مواد در معرض عوامل مختلفی قرار می گیرند که بر خصوصیات عملیاتی آن تأثیر می گذارد ، انجام می شود. چندین روش معمول برای اندازه گیری رسانایی گرمایی وجود دارد. برای آزمایش دقیق آزمایشگاهی مواد با هدایت حرارتی پایین (زیر 0.04 - 0.05 W / m * K) ، استفاده از دستگاهها با استفاده از روش ثابت حرارت ثابت توصیه می شود. استفاده از آنها توسط GOST 7076 تنظیم می شود.

شرکت "Interpribor" یک کنتور هدایت حرارتی را ارائه می دهد ، قیمت آن مطابق با آنچه در بازار است مقایسه می شود و تمام نیازهای مدرن را برآورده می کند. برای کنترل کیفیت آزمایشگاهی مواد و مواد عایق حرارتی طراحی شده است.

مزایای متر رسانایی حرارتی ITS-1

متر رسانایی حرارتی ITS-1 دارای طرح اولیه مونوبلاک است و با مزایای زیر مشخص می شود:

• چرخه اندازه گیری خودکار
• مسیر اندازه گیری با دقت بالا امکان تثبیت دمای یخچال و بخاری را فراهم می کند.
• توانایی کالیبراسیون دستگاه برای انواع خاصی از مواد مورد بررسی ، که دقت نتایج را بیشتر می کند.
• ارزیابی صریح نتیجه در طول اندازه گیری ها
• منطقه گرم "گرم" امنیتی
• نمایشگر گرافیکی آموزنده که کنترل و تجزیه و تحلیل نتایج اندازه گیری را ساده می کند.

ITS-1 در یک اصلاح اساسی ارائه می شود ، که به درخواست مشتری ، می توان با نمونه های کنترل (پلکسی گلاس و پنپلکس) ، جعبه ای برای مواد فله و یک جعبه محافظ برای ذخیره سازی و حمل و نقل دستگاه ، تکمیل کرد.

در گذشته از روشهای زیادی برای اندازه گیری رسانایی گرمایی استفاده شده است. در حال حاضر ، برخی از آنها منسوخ شده اند ، اما تئوری آنها هنوز مورد توجه است ، زیرا آنها مبتنی بر راه حل های معادلات هدایت گرما برای سیستم های ساده هستند ، که اغلب در عمل مشاهده می شوند.

اول از همه ، لازم به ذکر است که خواص حرارتی هر ماده در ترکیبات مختلف ظاهر می شود. با این حال ، اگر به عنوان ویژگی های ماده در نظر گرفته شود ، می توان آنها را از آزمایش های مختلف تعیین کرد. اجازه دهید مشخصات اصلی حرارتی اجسام و آزمایشاتی را که از آنها تعیین می شود لیست کنیم: الف) ضریب هدایت حرارتی اندازه گیری شده در یک آزمایش ثابت ؛ ب) ظرفیت گرما در واحد حجم ، که با روش های گرماسنجی اندازه گیری می شود. ج) مقدار اندازه گیری شده در یک آزمایش ثابت دوره ای ؛ د) نفوذ حرارتی x ، اندازه گیری شده در یک آزمایش غیر ثابت. در واقع ، بیشتر آزمایشات انجام شده در حالت غیر ثابت ، در اصل ، هم تعریف را تعریف می کنند و هم تعریف را

ما در اینجا به طور خلاصه رایج ترین روش ها را شرح خواهیم داد و بخشهایی را که در آنها بحث شده است نشان می دهیم. در اصل ، این روش ها به روشهایی تقسیم می شوند که در آنها اندازه گیری ها در حالت ثابت (روش های حالت ثابت) ، با گرمایش دوره ای و در حالت غیر ثابت (روش های غیر ثابت) انجام می شود. بعلاوه آنها به روشهای مورد استفاده در مطالعه رساناهای بد و در مطالعه فلزات تقسیم می شوند.

1. روش های یک رژیم ثابت ؛ راهنماهای بد در این روش ، شرایط آزمایش اصلی شرح داده شده در بند 1 این فصل باید کاملاً برآورده شود و مواد مورد مطالعه باید به شکل صفحه باشد. در نسخه های دیگر روش ، امکان بررسی ماده ای به صورت استوانه توخالی (نگاه کنید به § 2 ، فصل VII) یا کره توخالی (مشاهده § 2 ، فصل IX) وجود دارد. گاهی اوقات مواد مورد مطالعه ، که گرما از آن عبور می کند ، به شکل یک میله ضخیم در آمده است ، اما در این حالت نظریه پیچیده تر می شود (نگاه کنید به §§ 1 ، 2 از فصل VI و § 3 از فصل VIII).

2. روش های حرارتی رژیم ثابت ؛ فلزات در این حالت معمولاً از یک نمونه فلزی میله ای شکل استفاده می شود که انتهای آن در دماهای مختلف حفظ می شود. یک میله نیمه محدود در § 3 Ch در نظر گرفته شده است. IV ، و یک میله به طول محدود - در § 5 از Ch. چهارم

3. روش های الکتریکی ثابت ، فلزات. در این حالت ، نمونه فلزی به شکل سیم با عبور جریان الکتریکی از آن گرم می شود و انتهای آن در دماهای مشخص حفظ می شود (نگاه کنید به § 11 فصل چهارم و مثال IX § 3 فصل VIII). همچنین می توانید از حالت شار حرارتی شعاعی در سیم گرم شده توسط جریان الکتریکی استفاده کنید (به مثال V ، § 2 ، فصل VII مراجعه کنید).

4. روش های رژیم ثابت مایعات در حال حرکت. در این حالت ، دمای مایع در حال حرکت بین دو مخزن اندازه گیری می شود که در آن دمای مختلف حفظ می شود (نگاه کنید به 9 § ، فصل IV).

5. روش های گرمایش دوره ای. در این موارد ، شرایط انتهای میله یا صفحه با گذشت یک دوره از رسیدن به حالت ثابت تغییر می کند ، دما در نقاط خاصی از نمونه اندازه گیری می شود. مورد یک میله نیمه محدود در 4 Ch Ch در نظر گرفته شده است. IV ، و یک میله به طول محدود - در 8 پوند از همان فصل. از روش مشابهی برای تعیین نفوذ پذیری گرمایی خاک در هنگام نوسانات دما ناشی از گرمایش خورشیدی استفاده می شود (نگاه کنید به § 12 ، فصل II).

اخیراً ، این روش ها نقش مهمی در اندازه گیری دمای پایین دارند. آنها همچنین این مزیت را دارند که در تئوری سیستمهای نسبتاً پیچیده می توان از روشهای توسعه یافته برای مطالعه موجبرهای الکتریکی استفاده کرد (نگاه کنید به § 6 ، فصل دوم).

6. روش های رژیم غیر ثابت. در گذشته از روشهای حالت گذرا کمی کمتر از روشهای حالت پایدار استفاده می شد. ضرر آنها در دشواری ایجاد چگونگی مطابقت شرایط مرزی واقعی در آزمایش با شرایط فرض شده توسط این تئوری است. در نظر گرفتن چنین اختلافی بسیار دشوار است (به عنوان مثال ، وقتی صحبت از مقاومت در برابر تماس در مرز می شود) ، و این برای روش های نشان داده شده مهم تر از روش های رژیم ثابت است (به بخش 10 فصل مراجعه کنید) II) در عین حال ، روشهای رژیم غیر ثابت نیز به خودی خود دارای مزایای خاصی هستند. به عنوان مثال ، برخی از این روش ها برای اندازه گیری بسیار سریع و برای محاسبه تغییرات کوچک دما مناسب هستند. علاوه بر این ، می توان از تعدادی روش "در محل" بدون تحویل نمونه به آزمایشگاه استفاده کرد ، که بسیار مطلوب است ، به ویژه هنگام بررسی موادی مانند خاک و سنگ. بیشتر روشهای قدیمی فقط از آخرین قسمت نمودار دما در برابر زمان استفاده می کنند. در این حالت ، حل معادله مربوطه با یک اصطلاح نمایی بیان می شود. در بخش 7 ، Ch. چهارم ، 5 پوند VI ، 5 پوند فصل هشتم و 5 پوند فصل نهم مورد خنک سازی جسمی با شکل هندسی ساده با انتقال حرارت خطی از سطح آن را مورد بررسی قرار می دهد. در بخش 14 ، Ch. IV ، حالت دمای ناپایدار در سیم گرم شده توسط جریان الکتریکی در نظر گرفته شده است. در بعضی موارد ، از منحنی دما در یک نقطه استفاده می شود (نگاه کنید به Ch 10 Ch. II و § 3 Ch. III).

هدف کار: مطالعه روش تعیین آزمایشی ضریب

هدایت حرارتی مواد جامد به روش صفحه.

وظیفه: یکی هدایت حرارتی مواد مورد مطالعه را تعیین کنید.

2. وابستگی هدایت حرارتی به دما را تعیین کنید

مواد بررسی شده

احکام اساسی

تبادل گرماآیا یک فرآیند خود به خود برگشت ناپذیر انتقال گرما در فضا در صورت وجود اختلاف دما است. سه روش اصلی انتقال گرما وجود دارد که از نظر ماهیت فیزیکی تفاوت قابل توجهی با یکدیگر دارند:

هدایت حرارتی؛

همرفت؛

تابش حرارتی.

در عمل ، گرما ، به عنوان یک قاعده ، به طور همزمان از چند طریق منتقل می شود ، اما آگاهی از این فرایندها بدون مطالعه فرایندهای انتقال حرارت اولیه غیرممکن است.

هدایت حرارتیفرآیند انتقال گرما به دلیل حرکت حرارتی ریز ذرات نامیده می شود. در گازها و مایعات ، انتقال گرما توسط هدایت حرارتی از طریق انتشار اتم ها و مولکول ها انجام می شود. در جامدات ، حرکت آزاد اتم ها و مولکول ها در کل حجم ماده غیرممکن است و فقط به حرکت ارتعاشی آنها نسبت به موقعیت های تعادل خاص کاهش می یابد. بنابراین روند هدایت گرما در جامدات به دلیل افزایش دامنه این نوسانات ایجاد می شود که به دلیل بر هم خوردن زمینه های نیرو بین ذرات نوسانی ، در حجم بدن پخش می شوند. در فلزات ، انتقال گرما توسط رسانایی گرمایی نه تنها به دلیل ارتعاشات یونها و اتمهای واقع در گره های شبکه بلوری ، بلکه همچنین به دلیل حرکت الکترونهای آزاد که به اصطلاح "گاز الکترون" تشکیل می دهند ، اتفاق می افتد. به دلیل وجود حاملهای اضافی انرژی حرارتی به شکل الکترونهای آزاد در فلزات ، رسانایی گرمایی فلزات به طور قابل توجهی بالاتر از دی الکتریکهای جامد است.

هنگام مطالعه روند هدایت حرارتی ، از مفاهیم اساسی زیر استفاده می شود:

مقدار گرما (س  ) - انرژی حرارتی که در طول کل فرآیند عبور می کند ... از سطح یک منطقه دلخواه F واحد SI بر حسب ژول (J) اندازه گیری می شود.

جریان گرما (قدرت گرما) (س) - میزان عبور گرما در واحد زمان از سطح منطقه دلخواه F

در واحدهای SI ، شار گرما بر حسب وات (W) اندازه گیری می شود.

چگالی شار گرما (q) - مقدار حرارت عبوری در واحد زمان از یک واحد سطح.

سیستم SI در W / m2 اندازه گیری می شود.

زمینه دما- مجموعه ای از مقادیر دما در یک زمان مشخص در تمام نقاط فضای اشغال شده توسط بدن. اگر دما در تمام نقاط میدان دما با گذشت زمان تغییر نکند ، چنین فیلدی نامیده می شود ثابت، اگر تغییر کند ، پس - غیر ثابت.

به سطوح تشكيل شده توسط نقاطي كه دماي يكسان دارند گفته مي شود هم دما.

شیب دما (درجهتی) - برداری که در امتداد سطح نرمال به سطح همدما در جهت افزایش دما هدایت می شود و به صورت عددی به عنوان حد نسبت تغییر دما بین دو سطح همدما به فاصله بین آنها در امتداد نرمال تعریف می شود که این فاصله به صفر برسد. یا به عبارت دیگر ، گرادیان دما مشتق دما در این جهت است.

شیب دما مشخص کننده میزان تغییر دما در جهت طبیعی به سطح هم دما است.

روند هدایت حرارتی با قانون اساسی هدایت حرارتی مشخص می شود - قانون فوریه(1822) طبق این قانون ، چگالی شار حرارتی منتقل شده توسط هدایت حرارتی مستقیماً با شیب دما متناسب است:

جایی که  ضریب هدایت گرمایی ماده ، W / (mgrad) است.

علامت (-) نشان می دهد که شار گرما و گرادیان دما در جهت مخالف هستند.

ضریب هدایت حرارتینشان می دهد که مقدار گرما در واحد زمان از طریق یک واحد سطح با شیب دما برابر با یک انتقال می یابد.

ضریب هدایت حرارتی یک ویژگی مهم حرارتی فیزیکی یک ماده است و دانش آن در هنگام انجام محاسبات حرارتی مربوط به تعیین تلفات گرما از طریق سازه های محصور ساختمانها و سازه ها ، دیواره های ماشین آلات و دستگاه ها ، محاسبه عایق حرارتی و همچنین هنگام حل ضروری است بسیاری از مشکلات مهندسی دیگر

قانون مهم دیگر در رسانایی گرمایی است قانون فوریه-کرخوف، که ماهیت تغییر دما در فضا و زمان را در طول هدایت حرارتی تعیین می کند. نام دیگر آن است معادله دیفرانسیل هدایت گرما، زیرا با روشهای نظریه تحلیل ریاضی بر اساس قانون فوریه بدست می آید. برای یک میدان دمایی ناپایدار 3 بعدی ، معادله دیفرانسیل هدایت گرما به شکل زیر است:

,

جایی که
- ضریب نفوذ حرارتی ، توصیف خصوصیات حرارتی حرارتی مواد ،

 ، C p ،  - به ترتیب ضریب هدایت حرارتی ، ظرفیت حرارتی ایزوباریک و چگالی ماده ؛

- اپراتور لاپلاس.

برای یک درجه حرارت ثابت یک بعدی (
) معادله هدایت گرمای دیفرانسیل شکل ساده ای به خود می گیرد

با تلفیق معادلات (1) و (2) می توان چگالی شار گرما از طریق بدن و قانون تغییر دما در داخل بدن هنگام تبادل گرما توسط هدایت گرما را تعیین کرد. برای دستیابی به راه حل ، به یک کار نیاز دارید شرایط بدون ابهام.

شرایط بدون ابهامآیا داده های خصوصی اضافی مشخص کننده مشکل مورد بررسی است. آنها عبارتند از:

شرایط هندسی مشخص کننده شکل و اندازه بدن ؛

شرایط جسمی که خصوصیات فیزیکی بدن را مشخص می کند.

شرایط زمانی (اولیه) توصیف کننده توزیع دما در لحظه اولیه زمان ؛

شرایط مرزی مشخصه ویژگی های انتقال گرما در مرزهای بدن. شرایط مرزی از نوع 1 ، 2 و 3 وجود دارد.

چه زمانی شرایط مرزی از نوع 1توزیع دما بر روی سطح بدن داده شده است. در این حالت لازم است چگالی شار گرما از طریق بدن تعیین شود.

چه زمانی شرایط مرزی از نوع 2چگالی شار گرما و درجه حرارت یکی از سطوح بدن آورده شده است. برای تعیین درجه حرارت سطح دیگر لازم است.

تحت شرایط مرزی از نوع 3شرایط انتقال حرارت بین سطوح بدن و محیطی که آنها را در خارج شستشو می دهد باید شناخته شود. از این داده ها برای تعیین چگالی شار گرما استفاده می شود. این مورد به فرآیند مشترک انتقال گرما توسط هدایت گرما و همرفت اشاره دارد انتقال گرما.

بیایید ساده ترین مثال را در مورد هدایت گرما از طریق یک دیواره صاف در نظر بگیریم. تختدیواری نامیده می شود ، ضخامت آن بسیار کمتر از دو بعد دیگر آن است - طول و عرض. در این حالت ، شرایط ابهام را می توان به شرح زیر تعیین کرد:

هندسی: ضخامت دیوار شناخته شده known. میدان دما یک بعدی است ، بنابراین ، دما فقط در جهت محور X تغییر می کند و شار گرما در امتداد نرمال به سطوح دیواره هدایت می شود.

فیزیکی: ماده دیواره و ضریب هدایت حرارتی آن مشخص است و برای کل بدن \u003d ساختار ؛

موقت: میدان دما با گذشت زمان تغییر نمی کند ، ثابت است

شرایط مرزی: نوع اول ، دمای دیوار T 1 و T 2 است.

لازم است قانون تغییر دما روی ضخامت دیواره T \u003d f (X) و شار گرما از طریق دیواره q تعیین شود.

برای حل مسئله از معادلات (1) و (3) استفاده می کنیم. با در نظر گرفتن شرایط مرزی پذیرفته شده (در x \u003d 0T \u003d T 1 ؛ در x \u003d T \u003d T 2) ، پس از ادغام دو برابر معادله (3) ، قانون تغییر دما در طول ضخامت دیواره را بدست می آوریم

,

توزیع دما در یک دیوار مسطح در شکل 1 نشان داده شده است.

عکس. 1. توزیع دما در یک دیوار صاف.

سپس چگالی شار گرما با توجه به عبارت تعیین می شود

,

تعیین ضریب هدایت حرارتی  از لحاظ نظری نمی تواند صحت نتیجه مورد نیاز برای عمل مهندسی مدرن را ارائه دهد ، بنابراین تنها راه قابل اعتماد تعیین تجربی آن است.

یکی از روشهای آزمایشی شناخته شده برای تعیین تعیین روش لایه مسطح... با توجه به این روش ، ضریب هدایت حرارتی یک ماده دیواره مسطح را می توان براساس معادله (5) تعیین کرد.

;

در این حالت ، مقدار بدست آمده از ضریب هدایت حرارتی به مقدار درجه حرارت متوسط \u200b\u200bT m \u003d 0.5 (T 1 + T 2) اشاره دارد.

اجرای عملی این روش علیرغم سادگی فیزیکی ، دشواریهای خاص خود را دارد که مربوط به دشواری ایجاد یک میدان درجه حرارت ثابت یک بعدی در نمونههای مورد مطالعه و در نظر گرفتن تلفات حرارتی است.

شرح موضع آزمایشگاهی.

تعیین ضریب هدایت حرارتی بر اساس روش شبیه سازی فرآیندهای واقعی فیزیکی بر روی یک آزمایشگاه انجام می شود. این نصب شامل یک کامپیوتر متصل به طرح منطقه کار است که روی صفحه مانیتور نمایش داده می شود. بخش کار با قیاس با بخش واقعی ایجاد شده و نمودار آن در شکل نشان داده شده است. 2

شکل 2 نمودار منطقه کار نصب

بخش کار شامل 2 نمونه فلوروپلاستیک 12 است که به صورت دیسک هایی با ضخامت  \u003d 5 میلی متر و قطر d \u003d 140 میلی متر ساخته شده است. نمونه ها بین بخاری 10 با ارتفاع h \u003d 12 میلی متر و قطر d n \u003d 146 میلی متر و یخچال 11 خنک شده با آب قرار می گیرند. ایجاد جریان گرما توسط یک عنصر گرم کننده با مقاومت الکتریکی R \u003d 41 اهم و یخچال 11 با شیارهای مارپیچی برای گردش مستقیم آب خنک کننده انجام می شود. بنابراین ، شار حرارتی که از طریق نمونه های فلوروپلاستیک بررسی شده عبور می کند توسط آب جاری شده از طریق یخچال و فریزر منتقل می شود. بخشی از گرما از بخاری از طریق سطوح انتهایی به محیط خارج می شود ، بنابراین ، برای کاهش این تلفات شعاعی ، یک پوشش 13 عایق حرارت ، ساخته شده از سیمان آزبست ( k \u003d 0.08 W / (mgrad)) ساخته شده است . محفظه ای با ارتفاع h k \u003d 22 mm به صورت استوانه ای توخالی با قطر داخلی d n \u003d 146 mm و قطر خارجی d k \u003d 190 mm ساخته می شود. دما با هفت ترموکوپل کرومل-کوپل (نوع XK) اندازه گیری می شود. 1 ... 7 در نقاط مختلف منطقه کار نصب شده است. سوئیچ سنسورهای دما 15 اندازه گیری متوالی ترمو-EMF هر هفت سنسور دما را امکان پذیر می کند. یک ترموکوپل 7 در سطح خارجی پوشش عایق حرارتی نصب شده است تا نشت های حرارتی را از طریق آن تشخیص دهد.

روش کار

3.1 حالت دمای عملکرد نصب با تنظیم درجه حرارت سطح گرم صفحات T g در محدوده 35 theС تا 120С انتخاب می شود.

3.2 در صفحه کنترل نصب ، کلیدهای ضامن برق دستگاه های نشانگر که ولتاژ را روی بخاری برقی U ، ترمو-EMF سنسورهای دما E و کلید ضامن برای گرم کردن به صورت سری روشن می کنند.

3.3 با چرخش نرم دسته رئوستات ، ولتاژ مورد نیاز بر روی بخاری تنظیم می شود. رئوستات در نسخه پلکانی ساخته می شود ، بنابراین ولتاژ در مراحل مختلف تغییر می کند. ولتاژ U و دما T g باید با توجه به وابستگی نشان داده شده در شکل 3 مطابق با یکدیگر باشند.

شکل 3 منطقه کار گرمایش.

3.4 با نظرسنجی متوالی سنسورهای دما با استفاده از کلید 15 ، مقادیر حرارتی-EMF هفت ترموکوپل تعیین می شود که همراه با مقدار U به پروتکل آزمایش وارد می شوند (جدول 1 را ببینید). ثبت قرائت توسط ابزارهای نشانگر در صفحه کنترل انجام می شود ، که قرائت آنها بر روی مانیتور PC کپی می شود.

3.5 در پایان آزمایش ، تمام بدنه های تنظیم کننده نصب به موقعیت اصلی خود منتقل می شوند.

3.6 آزمایش های مکرر انجام می شود (در مجموع ، تعداد آنها باید حداقل 3 باشد) و در مقادیر دیگر Tg به ترتیب ارائه شده در بندها. 3.1 ... 3.5

پردازش نتایج اندازه گیری.

4.1 با توجه به مشخصه کالیبراسیون ترموکوپل Chromel-Copel ، قرائت سنسورهای دما در مقیاس کلوین به درجه تبدیل شده است. .

4.2 میانگین دمای سطوح سرد داخلی و گرم نمونه ها تعیین می شود

که در آن من عدد ترموکوپل است.

4.3 کل شار حرارت تولید شده توسط بخاری برقی تعیین می شود

، W

که U ولتاژ جریان الکتریکی است ، V ؛

R \u003d 41 اهم - مقاومت بخاری برقی.

4.4 شار حرارت از دست رفته در نتیجه انتقال گرما از طریق ژاکت را تعیین می کند

که در آن k ضریب مشخص کننده روند انتقال حرارت از طریق پوشش است.

، W / (متر مربع 2 گراد)

جایی که  k \u003d 0.08 W / (mgrad) - ضریب هدایت حرارتی ماده پوشش ؛

d n \u003d 0.146 متر قطر خارجی بخاری است.

d k \u003d 0.190 متر - قطر خارجی پوشش ؛

h n \u003d 0.012 متر - ارتفاع بخاری ؛

h k \u003d 0.022 متر - ارتفاع پوشش.

T t دمای سطح خارجی پوشش است که توسط ترموکوپل 7 تعیین می شود

4.5 شار حرارتی که از طریق نمونه های آزمایش عبور می کند با استفاده از رسانایی گرمایی تعیین می شود

، W

4.6 ضریب هدایت حرارتی ماده آزمایش تعیین می شود

، W / (میگراد)

که در آن Q ux شار حرارتی است که از طریق آزمون هدایت حرارتی از طریق نمونه آزمایش عبور می کند ، W ؛

 \u003d 0.005 متر - ضخامت نمونه ؛

- سطح یک نمونه ، متر مربع ؛

d \u003d 0.140 متر - قطر نمونه ؛

T g ، T x - به ترتیب ، دمای سطح گرم و سرد نمونه ، K

4.7 ضریب هدایت حرارتی به دما بستگی دارد ، بنابراین ، مقادیر بدست آمده از  به دمای متوسط \u200b\u200bنمونه مربوط می شود

نتایج پردازش داده های تجربی در جدول 1 وارد شده است.

میز 1

نتایج اندازه گیری و پردازش داده های تجربی

4.8 با استفاده از روش تجزیه و تحلیل گرافیکی پردازش نتایج بدست آمده ، وابستگی هدایت حرارتی ماده تحت مطالعه  به میانگین دمای نمونه Tm در فرم حاصل می شود

که در آن 0 b و b- بر اساس تجزیه و تحلیل نمودار وابستگی \u003d f (T متر) به صورت گرافیکی تعیین می شوند.

س Tالات آزمون

راه های اصلی انتقال گرما چیست؟

به چه رسانایی گرمایی گفته می شود؟

ویژگی های مکانیسم رسانایی گرمایی در هادی ها و دی الکتریک های جامد چیست؟

چه قوانینی روند هدایت گرما را توصیف می کند؟

به چه چیزی دیوار صاف می گویند؟

شرایط مرزی چیست؟

ماهیت تغییر دما در دیواره صاف چگونه است؟

معنای فیزیکی ضریب هدایت حرارتی چیست؟

چرا دانش ضریب هدایت حرارتی مواد مختلف مورد نیاز است و مقدار آن چگونه تعیین می شود؟

ویژگیهای روش روش لایه تخت چیست؟

مطالعه انتقال حرارت با همگرایی رایگان

هدف کار: برای مطالعه قوانین انتقال حرارت همرفتی با استفاده از مثال انتقال حرارت در حین همرفت آزاد برای موارد جریان عرضی و طولی در اطراف یک سطح گرم شده. در پردازش نتایج آزمایشات و ارائه آنها به صورت تعمیم یافته مهارت کسب کنید.

وظیفه:

1. مقادیر آزمایشی ضرایب انتقال حرارت از یک استوانه افقی و یک استوانه عمودی به محیط تحت همرفت آزاد را تعیین کنید.

2. با پردازش داده های آزمایشی ، پارامترهای معادلات معیار مشخص کننده روند همرفت آزاد نسبت به سطوح افقی و عمودی را بدست آورید.

احکام نظری اساسی.

سه روش اصلی برای انتقال گرما وجود دارد که از نظر ماهیت فیزیکی متفاوت از یکدیگر هستند:

هدایت حرارتی؛

همرفت؛

تابش حرارتی.

با هدایت حرارتی ، حامل های انرژی حرارتی ریز ذرات ماده - اتم ها و مولکول ها ، با تابش حرارتی - امواج الکترومغناطیسی هستند.

همرفتآیا راهی برای انتقال گرما به دلیل حرکت مقادیر ماکروسکوپی ماده از یک نقطه در فضا به نقطه دیگر است.

بنابراین ، همرفت فقط در محیط هایی که خاصیت سیالیت دارند - گازها و مایعات امکان پذیر است. در تئوری انتقال گرما ، آنها به طور کلی با اصطلاح نشان داده می شوند "مایع"، بدون ایجاد تمایز ، اگر شرط بندی جداگانه ، بین مایعات قطره و گازها لازم نباشد. انتقال گرما از طریق همرفت معمولاً با هدایت گرما همراه است. این فرآیند نامیده می شود تبادل حرارتی همرفتی.

انتقال گرما همرفتیآیا یک فرآیند مشترک انتقال گرما توسط همرفت و هدایت حرارتی است.

در عمل مهندسی ، اغلب آنها با فرآیند انتقال گرما همرفتی بین سطح یک بدن جامد (به عنوان مثال ، سطح دیواره کوره ، دستگاه گرمایش و غیره) و مایعی که بر روی این سطح جریان دارد ، سروکار دارند. . این فرآیند نامیده می شود انتقال گرما.

اتلاف حرارت- مورد خاص انتقال حرارت همرفتی بین سطح یک بدن جامد (دیواره) و سیال اطراف آن.

تمیز دادن اجباری و رایگان (طبیعی)همرفت.

همرفت اجباریتحت تأثیر نیروهای فشاری ایجاد می شود ، به عنوان مثال توسط پمپ ، فن و غیره

همرفت آزاد یا طبیعیتحت تأثیر نیروهای توده ای از طبیعت متفاوت رخ می دهد: گرانش ، گریز از مرکز ، الکترومغناطیسی و غیره

در زمین ، همرفت آزاد در شرایط گرانش رخ می دهد ، بنابراین آن را نامیده می شود همرفت گرانشی حرارتی... در این حالت ، نیروی محرکه فرایند ، نیرویی است که با وجود ناهمگنی در توزیع چگالی در حجم مورد بررسی ، در محیط بوجود می آید. در طول تبادل گرما ، چنین ناهمگنی به این دلیل بوجود می آید که عناصر جداگانه محیط می توانند در دماهای مختلف باشند. در این حالت ، عناصر محیطی که تحت تأثیر نیروی بالابری گرم می شوند و در نتیجه چگالی کمتری دارند ، به سمت بالا حرکت می کنند ، گرما را با خود حمل می کنند ، و عناصر محیط سردتر و در نتیجه متراکم تر به فضای خالی منتقل می شوند ، همانطور که در شکل نشان داده شده است. یکی

شکل: 1. ماهیت حرکت جریان ها در یک مایع با همرفت آزاد

اگر یک منبع گرمایی ثابت در این مکان قرار داشته باشد ، پس از گرم شدن ، چگالی عناصر گرم شده محیط کاهش می یابد و آنها نیز شروع به شناور شدن می کنند. بنابراین ، تا زمانی که در تراکم عناصر جداگانه محیط تفاوت وجود داشته باشد ، گردش آنها ادامه خواهد یافت ، یعنی همرفت رایگان ادامه خواهد داشت. همرفت آزاد که در حجم زیادی از محیط اتفاق می افتد ، جایی که هیچ چیز مانع از پیشرفت جریان های همرفت نمی شود ، نامیده می شود همرفت آزاد در فضای نامحدود... به عنوان مثال همرفت رایگان در فضای نامحدود هنگام گرم کردن اتاقها ، گرم کردن آب در دیگهای آب گرم و بسیاری موارد دیگر صورت می گیرد. اگر ایجاد جریانهای همرفت توسط دیواره کانالها یا لایه هایی که با یک محیط مایع پر شده اند مانع شود ، فرایند در این مورد نامیده می شود همرفت آزاد در فضاهای محدود... این فرآیند ، به عنوان مثال ، در هنگام تبادل گرما در داخل فضاهای هوا بین قاب های پنجره انجام می شود.

قانون اساسی توصیف روند انتقال حرارت همرفتی است قانون نیوتن-ریچمن... در فرم تحلیلی برای یک رژیم دمای ثابت انتقال حرارت ، فرم زیر را دارد:

,

جایی که
- مقدار اولیه گرما برای مدت زمان ابتدایی داده شده است
از یک سطح ابتدایی با مساحت
;

- درجه حرارت دیوار ؛

- دمای مایع ؛

ضریب انتقال حرارت است.

ضریب انتقال حرارتنشان می دهد که مقدار گرما در واحد زمان از یک واحد سطح با اختلاف دما بین دیواره و مایع یک درجه خارج می شود. واحد اندازه گیری ضریب انتقال حرارت در سیستم SI W / m 2 ∙ deg است. با یک فرآیند ثابت و ثابت می توان ضریب انتقال حرارت را از عبارت زیر تعیین کرد:

، W / m 2 ∙ درجه

جایی که - شار گرما ، W ؛

- سطح انتقال حرارت ، متر مربع ؛

- اختلاف دما بین سطح و مایع ، درجه حرارت.

ضریب انتقال حرارت مشخص کننده شدت انتقال حرارت بین دیواره و مایع شستشو دهنده آن است. از نظر ماهیت فیزیکی ، انتقال گرمای همرفت فرآیندی بسیار پیچیده است. ضریب انتقال حرارت به تعداد بسیار زیادی پارامترهای مختلف - خصوصیات فیزیکی سیال ، ماهیت جریان سیال ، میزان جریان سیال ، اندازه و شکل کانال و بسیاری از عوامل دیگر بستگی دارد. در این رابطه ، ایجاد وابستگی کلی برای یافتن ضریب انتقال حرارت از نظر تئوری غیرممکن است

ضریب انتقال حرارت بر اساس معادله (2) با دقت و اطمینان قابل آزمایش است. با این حال ، در عمل مهندسی ، به عنوان یک قاعده ، هنگام محاسبه فرایندهای انتقال حرارت در دستگاه های مختلف فنی ، امکان انجام آزمایش آزمایشی مقدار ضریب انتقال حرارت در شرایط یک جسم واقعی در مقیاس کامل وجود ندارد پیچیدگی و هزینه بالای راه اندازی چنین آزمایشی. در این حالت ، برای حل مشکل تعیین  ، نظریه تشابه.

ارزش اصلی تئوری شباهت این است که اجازه می دهد نتایج یک آزمایش جداگانه انجام شده روی یک مدل در شرایط آزمایشگاهی را به کل گروه فرآیندهای واقعی و اشیا similar مشابه فرآیند بررسی شده روی مدل تعمیم دهد. مفهوم شباهت ، که در رابطه با ارقام هندسی به خوبی شناخته شده است ، می تواند به هر فرآیند و پدیده فیزیکی گسترش یابد.

کلاس پدیده های فیزیکیمجموعه ای از پدیده ها است که می تواند توسط یک سیستم کلی معادلات توصیف شود و از همان ماهیت فیزیکی برخوردار باشد.

پدیده مجرد- این بخشی از یک کلاس از پدیده های فیزیکی است که در شرایط خاص منحصر به فرد (هندسی ، فیزیکی ، اولیه ، مرز) متفاوت است.

پدیده های مشابه- گروهی از پدیده های همان کلاس با همان شرایط ابهام ، به جز مقادیر عددی مقادیر موجود در این شرایط.

تئوری شباهت بر این واقعیت استوار است که می توان کمیتهای فیزیکی بعدی را که مشخصه پدیده هستند در هم ترکیب کرد مجتمع های بدون بعد، و به این ترتیب تعداد این مجتمع ها از تعداد مقادیر بعدی کمتر خواهد بود. به مجموعه های بدون بعد حاصل گفته می شود معیارهای شباهت... معیارهای تشابه معنای فیزیکی خاصی دارند و تأثیر آنها از یک کمیت فیزیکی ، بلکه از کل مجموعه آنها در معیار منعکس نمی شود ، که تجزیه و تحلیل فرآیند مورد مطالعه را بسیار ساده می کند. روند خود در این مورد می تواند به عنوان یک وابستگی تحلیلی نشان داده شود
بین معیارهای تشابه
جنبه های فردی آن را مشخص می کند. به چنین وابستگی هایی گفته می شود معادلات معیار... معیارهای شباهت به نام دانشمندانی که سهم قابل توجهی در توسعه هیدرودینامیک و نظریه انتقال حرارت داشتند - نوسلت ، پراندل ، گراشوف ، رینولدز ، کرپیچف و دیگران نامگذاری شدند.

نظریه تشابه بر اساس 3 قضیه شباهت است.

قضیه اول:

پدیده های مشابه با یکدیگر دارای همان معیارهای شباهت هستند.

این قضیه نشان می دهد که در آزمایشات لازم است فقط آن مقادیر فیزیکی که در معیارهای تشابه وجود دارد اندازه گیری شود.

قضیه 2:

معادلات ریاضی اولیه که مشخصه یک پدیده فیزیکی معین است ، همیشه می تواند به عنوان رابطه ای بین معیارهای شباهت مشخصه این پدیده نشان داده شود.

به این معادلات گفته می شود ملاک... این قضیه نشان می دهد که نتایج آزمایشات باید به صورت معادلات معیار ارائه شود.

قضیه 3.

مشابه همان پدیده هایی است که معیارهای تشابه ، متشکل از شرایط بدون ابهام ، برابر است.

این قضیه شرط لازم برای ایجاد تشابه فیزیکی را تعریف می کند. معیارهای تشابه متشکل از شرایط بدون ابهام نامیده می شود تعریف کردن... آنها برابری همه دیگران را تعیین می کنند یا مشخصمعیارهای شباهت ، که در واقع موضوع قضیه تشابه 1 است. بنابراین ، قضیه شباهت 3 قضیه 1 را توسعه می دهد و تعمیق می بخشد.

هنگام مطالعه انتقال گرمای همرفت ، معیارهای شباهت زیر اغلب استفاده می شود.

معیار رینولدز (دوباره) - رابطه بین نیروهای اینرسی و اصطکاک چسبناک که در یک مایع عمل می کنند را مشخص می کند. مقدار معیار رینولدز مشخصه رژیم جریان سیال تحت همرفت اجباری است.

,

جایی که - سرعت مایع ؛

- ضریب ویسکوزیته حرکتی مایع ؛

- تعیین اندازه

معیار Grashof (گرم) - رابطه بین نیروهای اصطکاک چسبناک و نیروی بالابرنده وارد شده در یک مایع را با همرفت آزاد مشخص می کند. مقدار معیار Grashof رژیم جریان سیال را تحت همرفت آزاد مشخص می کند.

,

جایی که - شتاب جاذبه ؛

- تعیین اندازه

- ضریب دما انبساط حجمی مایع (برای گازها)
جایی که - تعریف دما در مقیاس کلوین) ؛

- سر دما بین دیوار و مایع ؛

- به ترتیب درجه حرارت دیواره و مایع ؛

- ضریب ویسکوزیته حرکتی مایع.

معیار نوسلت (نو) - نسبت بین مقدار گرمای منتقل شده توسط هدایت گرما و مقدار گرمای منتقل شده توسط همرفت را در هنگام تبادل گرمای همرفت بین سطح یک جامد (دیواره) و یک مایع ، مشخص می کند ، با انتقال حرارت.

,

جایی که - ضریب انتقال حرارت؛

- تعیین اندازه

- ضریب هدایت حرارتی مایع در مرز دیواره و مایع.

معیار پکلت (پلی اتیلن) - نسبت بین مقدار گرمای دریافتی (داده شده) توسط جریان سیال و مقدار گرمای منتقل شده (داده شده) توسط تبادل گرمای همرفتی را مشخص می کند.

,

جایی که - میزان جریان مایع ؛

- تعیین اندازه

- ضریب نفوذ حرارتی ؛

- به ترتیب ، ضریب هدایت حرارتی ، ظرفیت حرارتی ایزوباریک ، تراکم مایع.

معیار پرانتل (Pr) - خصوصیات فیزیکی مایع را مشخص می کند.

,

جایی که - ضریب ویسکوزیته حرکتی ؛

- ضریب نفوذ حرارتی مایع.

از معیارهای شباهت در نظر گرفته شده ، می توان دریافت که مهمترین پارامتر در محاسبه فرایندهای انتقال گرمای همرفت ، که مشخص کننده شدت فرایند است ، یعنی ضریب انتقال حرارت in در بیان معیار نوسلت گنجانده شده است. این امر منجر به این واقعیت شد که برای حل مشکلات انتقال گرمای همرفت با استفاده از روشهای مهندسی مبتنی بر استفاده از تئوری تشابه ، این معیار مهمترین معیار تعریف شده است. مقدار ضریب انتقال حرارت در این حالت با توجه به عبارت زیر تعیین می شود

در این راستا ، معادلات معیار معمولاً با توجه به معیار نوسلت به صورت راه حل نوشته می شوند و به صورت یک تابع قدرت هستند

جایی که
- مقادیر معیارهای شباهت مشخص کننده جنبه های مختلف فرآیند مورد بررسی ؛

- ثابت های عددی بر اساس داده های تجربی به دست آمده در مطالعه یک کلاس از پدیده های مشابه در مدل ها به صورت تجربی.

بسته به نوع همرفت و شرایط خاص فرآیند ، مجموعه معیارهای شباهت موجود در معادله معیار ، مقادیر ثابت ها و عوامل تصحیح ممکن است متفاوت باشد.

در کاربرد عملی معادلات معیار ، مسئله انتخاب صحیح اندازه تعیین شده و دما تعیین می شود. دمای تعریف برای تعیین صحیح مقادیر خصوصیات فیزیکی مایع مورد استفاده در محاسبه مقادیر معیارهای تشابه لازم است. انتخاب اندازه تعیین کننده به موقعیت نسبی جریان سیال و سطح شسته شده بستگی دارد ، یعنی به ماهیت جریان آن. در این مورد ، باید توصیه های موجود برای موارد معمول زیر هدایت شود.

همرفت اجباری هنگامی که سیال درون یک لوله دایره ای حرکت می کند.

- قطر داخلی لوله.

همرفت اجباری در حین حرکت سیال در کانالهای مقطع دلخواه.

- قطر معادل ،

جایی که - سطح مقطع کانال ؛

- محیط بخش.

جریان متقاطع در اطراف یک لوله دایره ای با همرفت آزاد (لوله افقی (شکل 2 را ببینید) با همرفت گرانشی حرارتی)

قطر خارجی لوله است.

شکل 2 ماهیت جریان اطراف یک لوله افقی در حین گرایش گرانشی گرما

جریان طولی در اطراف دیواره صاف (لوله) (نگاه کنید به شکل 3) در طول گرایش گرانشی گرما.

- ارتفاع دیوار (طول لوله).

شکل: 3. ماهیت جریان اطراف دیواره عمودی (لوله) در حین گرایش گرانشی گرما.

تعیین دما برای تعیین صحیح خصوصیات ترموفیزیکی محیط ، مقادیر آن بسته به دما تغییر می کند.

در انتقال گرما ، میانگین حسابی بین دمای دیواره و مایع به عنوان دمای تعیین کننده در نظر گرفته می شود

در مبادله حرارتی همرفت بین عناصر منفرد محیط درون حجم مورد بررسی ، میانگین حسابی بین دمای عناصر محیط شرکت کننده در تبادل گرما به عنوان دما تعیین می شود.

در این مقاله ، ما روش انجام یک آزمایش آزمایشگاهی و روش به دست آوردن معادلات معیار را برای 2 مورد معمول جریان در اطراف یک سطح گرم (عرضی و طولی) با همرفت آزاد گازهای مختلف نسبت به استوانه های افقی و عمودی در نظر می گیریم.

قسمت تجربی.