À ce jour, la classification unifiée n'a pas été développée, associée à la diversité des méthodes existantes. Toutes les méthodes expérimentales connues pour mesurer le coefficient de conductivité thermique des matériaux sont divisées en deux grands groupes: stationnaire et non stationnaire. Dans le premier cas, la qualité de la formule calculée est utilisée des solutions privées de l'équation de conductivité thermique

sous la condition, dans la seconde - sous la condition où T est la température; F-Time; - coéfficent de température; l - coefficient de conductivité thermique; C - chaleur spécifique; g - densité matérielle; - Opérateur Laplace enregistré dans le système de coordonnées correspondant; - Capacité spécifique de la source de chaleur volumétrique.

Le premier groupe de méthodes est basé sur l'utilisation de régime thermique stationnaire; Le second est un régime thermique non statistionnaire. Les méthodes fixes pour déterminer le coefficient de conductivité thermique par la nature des mesures sont directes (c'est-à-dire que le coefficient de conductivité thermique est directement déterminé) et est divisé en absolu et relatif. En méthodes absolues, les paramètres mesurés dans l'expérience permettent d'utiliser la formule calculée pour obtenir le coefficient de conductivité thermique souhaité. Dans les méthodes relatives, les paramètres sont mesurés dans l'expérience permettent d'obtenir la valeur de coefficient de conductivité thermique souhaitée à l'aide de la formule calculée. Dans les méthodes relatives des paramètres mesurés, il ne suffit pas de calculer la valeur absolue. Deux cas sont possibles ici. Le premier consiste à observer la variation du coefficient de conductivité thermique par rapport à la source, adoptée par unité. Le second cas est l'utilisation du matériau de référence avec des propriétés thermiques connues. Dans ce cas, la formule de calcul utilise le coefficient de conductivité thermique de la norme. Les méthodes relatives ont un avantage sur des méthodes absolues, car plus simples. Une autre division des méthodes stationnaires peut être effectuée en fonction de la nature du chauffage (externe, volumétrique et combiné) et par type isothermes du champ de température dans des échantillons (plats, cylindriques, sphériques). Le sous-groupe de méthodes de chauffage externes comprend toutes les méthodes dans lesquelles sont utilisés l'extérieur (électrique, volumétrique, etc.) et le chauffage des surfaces de l'échantillon avec du rayonnement thermique ou du bombardement électronique. Le sous-groupe de procédés de chauffage en volume combine toutes les méthodes où le chauffage est utilisé par un courant transmis à travers l'échantillon, chauffant l'échantillon étudié provenant d'un échantillon étudié à partir de neutrons ou de rayons G ou de courants de fréquence ultra-élevés. Les procédés dans lesquels le chauffage externe et le volume des échantillons sont utilisés simultanément au même moment ou le chauffage intermédiaire (par exemple, les courants à haute fréquence) peuvent être attribués au sous-groupe de méthodes de chauffage combinées.

Dans les trois sous-groupes de méthodes stationnaires. Champ de température

peut être différent.

Les isothermes plats sont formés dans le cas où le flux thermique est dirigé le long de l'axe de la symétrie de l'échantillon. Les méthodes utilisant des isothermes plates dans la littérature sont appelées méthodes avec un flux de chaleur axial ou longitudinal et des installations expérimentales elles-mêmes - des appareils plats.

Les isothermes cylindriques correspondent à la propagation du flux de chaleur dans la direction du rayon de l'échantillon cylindrique. Dans le cas où le flux de chaleur est dirigé le long du rayon d'un échantillon sphérique, des isothermes sphériques se produisent. Des méthodes qui utilisent de tels isothermes sont appelées sphériques et appareils électroménagers.

Les méthodes d'analyse physique sont basées sur l'utilisation de tout effet physique spécifique ou de certaines propriétés physiques de la substance. Pour analyse de gaz Utilisez la densité, la viscosité, la conductivité thermique, l'indice de réfraction, la sensibilité magnétique, la diffusion, l'absorption, l'émission, l'absorption du rayonnement électromagnétique, ainsi que l'absorption sélective, la vitesse du son, l'effet thermique de la réaction, la conductivité électrique, etc. Certaines de ces propriétés physiques et les phénomènes sont une analyse de gaz continue possible et permettent d'atteindre une précision de sensibilité élevée et de mesure. Le choix de la quantité physique ou du phénomène est très important d'éliminer l'influence des composants incommensurables contenus dans le mélange analysé. L'utilisation de propriétés ou d'effets spécifiques permet de déterminer la concentration du composant souhaité dans un mélange de gaz multicomposant. Les propriétés physiques non spécifiques peuvent être utilisées, à proprement parler, uniquement pour l'analyse des mélanges de gaz binaires. La viscosité, l'indice de réfraction et la diffusion dans l'analyse des gaz d'importance pratique n'ont pas.

La transmission de chaleur entre deux points avec différentes températures se produit de trois manières: convection, radiation et conductivité thermique. Pour convection Le transfert de chaleur est associé au transfert de la matière (transfert de masse); Transmission de la chaleur radiation Cela se produit sans la participation de la matière. Transmission de la chaleur conductivité thermique arrive avec la participation de la matière, mais sans transfert de masse. La transmission d'énergie se produit en raison de la collision des molécules. Coefficient de conductivité thermique ( X.) Dépend uniquement du type de substance émettant de la chaleur. C'est une caractéristique spécifique de la substance.

La dimension de la conductivité thermique dans le système SGS de CAL / (avec cm K), dans les unités techniques - CCALDMCH-K), dans le système international CO-VTDM-K). Le rapport de ces unités est le suivant: 1 cal / (cm avec à) \u003d 360 kcaldm h à) \u003d \u003d 418,68 vtdm-k).

Conductivité thermique absolue lorsque vous passez de substances solides à liquide et gazeuses varie de X \u003d 418,68 VTDM-K)] (conductivité thermique du meilleur conducteur de chaleur - argent) à X. Environ 10 _6 (conductivité thermique des gaz les moins conducteurs).

La conductivité thermique des gaz augmente considérablement avec une température croissante. Pour certains gaz (GH 4: NH 3), la conductivité thermique relative à la température croissante augmente fortement et pour certains (NE), il diminue. Selon la théorie cinétique, la conductivité thermique des gaz ne doit pas dépendre de la pression. Cependant, diverses causes conduisent au fait que, avec une augmentation de la pression, la conductivité thermique augmente légèrement. Dans la plage de pression de l'atmosphère jusqu'à plusieurs millibrars, la conductivité thermique ne dépend pas de la pression, car la magnitude moyenne du kilométrage fluide des molécules augmente avec une diminution du nombre de molécules par unité de volume par unité. Avec une pression -20 mbar, le chemin libre des molécules correspond à la taille de la chambre de mesure.

La mesure de conductivité thermique est la méthode physique la plus ancienne d'analyse de gaz. Il a été décrit en 1840, en particulier dans les travaux de A. Shledermah (1888-1889) et depuis 1928, il est utilisé dans l'industrie. En 1913, Siemens a développé un compteur de concentration d'hydrogène pour le dirigeable. Après cela, pendant des décennies, des appareils basés sur la mesure de la conductivité thermique ont été développés avec un grand succès et largement utilisés dans une industrie chimique en croissance rapide. Naturellement, seuls les mélanges de gaz binaires ont été analysés pour la première fois. Les meilleurs résultats sont obtenus avec une grande différence de conductivité thermique des gaz. Parmi les gaz, la plus grande conductivité thermique a de l'hydrogène. En pratique, la concentration de CO S dans les gaz de combustion était également justifiée, car la conductivité thermique de l'oxygène, de l'azote et du monoxyde de carbone est très proche de l'autre, ce qui permet de considérer le mélange de ces quatre composants comme un quasi-primaire.

Coefficients de température de la conductivité thermique de différents gaz d'inégale, vous permet de trouver la température dans laquelle la conductivité thermique de différents gaz coïncide (par exemple, 490 ° C - pour le dioxyde de carbone et l'oxygène, 70 ° C - pour l'ammoniac et l'air, 75 ° C - Pour le dioxyde de carbone et l'argon). Lors de la résolution d'un certain problème analytique, ces coïncidences peuvent être utilisées en prenant un mélange triple gaz pour quasi-bar.

Dans l'analyse de gaz, nous pouvons supposer que la conductivité thermique est une propriété additive. Mesurer la conductivité thermique du mélange et connaître la conductivité thermique des composants purs du mélange binaire, il est possible de calculer leurs concentrations. Cependant, cette simple dépendance ne peut être appliquée à aucun mélange binaire. Par exemple, les mélanges de vapeur d'eau, air-ammoniac, monoxyde de carbone - l'ammoniac et l'air - acétylène à un certain rapport des composants ont la conductivité thermique maximale. Par conséquent, l'applicabilité de la méthode de conductivité thermique est limitée à une zone spécifique de concentrations. Pour de nombreux mélanges, il existe une dépendance non linéaire de conductivité thermique et de composition. Par conséquent, il est nécessaire d'éliminer la courbe d'étalonnage, selon laquelle l'échelle du dispositif d'enregistrement doit être effectuée.

Capteurs de conduction thermique (Capteurs thermoconducométriques) se composent de quatre petites chambres à petit volume remplies avec les placées de ceux-ci isolés du corps avec des conducteurs de platine minces des mêmes tailles et d'une même résistance électrique. À travers les conducteurs procédant au même courant permanent d'une valeur stable et les chauffe. Conducteurs - éléments chauffants - entouré de gaz. Deux chambres contiennent un gaz mesuré, les deux autres sont un gaz comparatif. Tous les éléments chauffants sont inclus dans les profondeurs du CEMTEON, avec lesquelles la mesure de la différence de température d'environ 0,01 ° C ne représente pas de difficultés. Une telle sensibilité élevée nécessite une égalité précise de la température des chambres de mesure. Par conséquent, l'ensemble du système de mesure est placé dans un thermostat ou à la diagonale de mesure du pont, notamment la résistance à la compensation de température. Tant que la dissipation de la chaleur des éléments chauffants dans les chambres de mesure et comparative est la même, le pont est en équilibre. Lorsque le gaz est appliqué sur les chambres à mesurer avec une autre conductivité thermique, cet équilibre est cassé, la température des éléments sensibles change et avec cette résistance. Le courant résultant dans la diagonale mesurant est proportionnel à la concentration du gaz mesuré. Pour augmenter la sensibilité, la température de fonctionnement des éléments sensibles devrait être augmentée, cependant, il est nécessaire de garantir qu'une différence suffisamment grande conductivité thermique au gaz soit préservée. Ainsi, pour divers mélanges de gaz, il y a une température de conduction thermique et de sensibilité optimale. Souvent, la différence entre la température des éléments sensibles et la température des parois des chambres est choisie de 100 à 150 ° C.

Les cellules de mesure des analyseurs thermoconducométriques industrielles consistent en règle générale d'un boîtier métallique massif, dans lequel les chambres de mesure sont percées. Cela garantit une distribution de température uniforme et une bonne stabilité de la gradation. Étant donné que le débit de gaz est influencé par la vitesse du courant de gaz, l'entrée de gaz aux chambres de mesure est effectuée via le canal de dérivation. Solutions de divers concepteurs pour s'assurer que l'échange de gaz requis est indiqué ci-dessous. En principe, ils procèdent au fait que le flux de gaz principal est relié par des canaux de connexion avec des chambres de mesure à travers lesquelles le gaz s'écoule sous une petite différence. Dans le même temps, la diffusion et la convection thermique ont un effet décisif sur le renouvellement du gaz dans les chambres de mesure. Le volume de chambres de mesure peut être très faible (plusieurs millimètres cubes), ce qui garantit un léger effet de transfert de chaleur convectif au résultat de la mesure. Pour réduire l'effet catalytique des conducteurs de platine, ils sont branchés sur des capillaires de verre à paroi mince. Pour fournir la durabilité de la chambre de mesure à la corrosion, tous les tuyaux de gaz sont recouverts de verre. Cela vous permet de mesurer la conductivité thermique des mélanges contenant du chlore, du chlorure d'hydrogène et d'autres gaz agressifs. Les analyseurs thermocondurétriques avec des chambres comparatives fermées sont distribuées principalement dans l'industrie chimique. La sélection du gaz comparatif approprié simplifie l'étalonnage de l'appareil. De plus, vous pouvez obtenir une échelle avec un zéro déprimé. Pour réduire la dérive zéro, une bonne étanchéité des caméras comparatives devrait être fournie. Dans des cas particuliers, par exemple, avec des oscillations fortes de la composition du mélange gazeux, vous pouvez travailler avec des chambres comparées en cours d'écoulement. Dans le même temps, avec l'aide d'un réactif spécial du mélange de gaz mesuré, l'un des composants est éliminé (par exemple, avec une solution de solution de potassium caustique), puis un mélange de gaz est envoyé à des chambres comparatives. Les branches de mesure et comparatives diffèrent dans ce cas uniquement par l'absence de l'un des composants. Cette méthode permet souvent d'analyser des mélanges de gaz complexes.

Récemment, au lieu de conducteurs métalliques, des thermistances à semi-conducteurs sont parfois utilisées comme éléments sensibles. L'avantage des thermistances est 10 fois plus élevé que le coefficient de résistance de température en comparaison de la résistance thermique métallique. Cela atteint une forte augmentation de la sensibilité. Cependant, dans le même temps, des exigences beaucoup plus élevées pour stabiliser le courant du pont et la température des murs des caméras sont présentées.

Auparavant, d'autres instruments thermoconducométriques et les plus largement largement ont commencé à être utilisés pour analyser les gaz d'échappement des fours de chaleur. En raison de la haute sensibilité, de la vitesse élevée, de la facilité d'entretien et de la fiabilité de la conception, ainsi que de ses analyseurs à faible coût de ce type ultérieurement mis en œuvre dans l'industrie.

Les analyseurs thermocondurétriques sont mieux adaptés pour mesurer la concentration d'hydrogène dans des mélanges. Lors du choix de gaz comparatifs, un mélange de divers gaz devrait également être considéré. À titre d'exemple des plages de mesure minimales pour divers gaz, vous pouvez utiliser les données suivantes (tableau 6.1).

Tableau 6.1

Gammes de mesure minimales pour divers gaz,

% Au volume

La plage de mesure maximale est la plus souvent comprise entre 0 et 100%, tandis que 90 ou même 99% peuvent être supprimées. Dans des cas particuliers, l'analyseur thermoconducométrique permet de disposer de plusieurs plages de mesure différentes sur un seul appareil. Ceci est utilisé, par exemple, lors du contrôle des procédés de remplissage et de vidage par des turbogénérateurs refroidis par hydrogène sur des centrales thermiques. En raison du danger d'explosions, le remplissage du boîtier du générateur est effectué non pas par l'air, mais d'abord, le dioxyde de carbone est introduit en tant que gaz de purge, puis l'hydrogène est déjà injecté. Produire de la même manière production de gaz du générateur. Avec une reproductibilité suffisamment élevée sur un analyseur, les plages de mesure suivantes peuvent être obtenues: 0-100% (volume.) CO (dans l'air pour le gaz purgé purgé), 100-0% H 2 V CO (pour remplir d'hydrogène) et 100-80% H 2 (dans l'air pour contrôler la pureté de l'hydrogène lors du fonctionnement du générateur). Ceci est une méthode de mesure bon marché.

Pour déterminer la teneur en hydrogène dans l'électrolyse du chlorure de chlorure de chlorure avec un analyseur de thermoconducométrie, il est possible de travailler avec un gaz comparatif scellé (S0 2, AG) et avec un gaz comparatif fluide. Dans ce dernier cas, un mélange d'hydrogène et de chlore est d'abord envoyé à la chambre de mesure, puis dans le four après-mort avec une température\u003e 200 ° C. Burns de l'hydrogène avec l'excès de chlore et forme du chlorure d'hydrogène. Le mélange résultant de NA et C1 2 est fourni à la chambre comparative. Dans le même temps, la concentration en hydrogène est déterminée par la différence de conductivité thermique. Cette méthode réduit considérablement l'effet des impuretés de petit air.

Pour réduire l'erreur résultant de l'analyse du gaz humide, le gaz doit sécher qu'ils sont effectués soit à l'aide de l'absorbeur d'humidité ou de la diminution de la température du gaz sous le point de rosée. Il existe une autre possibilité de compenser l'influence de l'humidité, qui n'est applicable qu'au cours de la mesure selon un organigramme avec un flux de gaz comparatif.

Travailler avec des gaz explosifs, un certain nombre d'entreprises font des instruments dans la performance antidéflagrante. Dans ce cas, les chambres des compteurs de conductivité thermique sont calculées sur une pression élevée. Les propulseurs de pompiers sont installés à l'entrée et à la sortie des chambres et le signal de sortie est limité par niveau intrinsèque de sécurité. Cependant, ces appareils ne peuvent pas être utilisés pour analyser des mélanges de gaz explosifs à l'oxygène ou à l'hydrogène avec du chlore.

• Santimètre - Gram - Deuxièmement, un système de parts de mesure, largement utilisé avant l'adoption du système international d'unités (C).

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 A. V. Luzina, A. V. Rudin

Mesurer la conductivité thermique des échantillons métalliques par flux de chaleur stationnaire

Annotation. La technique et la conception des caractéristiques de l'installation permettant de mesurer le coefficient de conductivité thermique des échantillons métalliques, fabriquées sous la forme d'une tige cylindrique homogène ou d'une mince plaque rectangulaire par le procédé de débit de chaleur stationnaire, sont décrits. Le chauffage de l'échantillon étudié est effectué par chauffage électrique direct par une impulsion courte de courant alternatif, fixée dans des pinces de courant de cuivre massif, qui effectuent simultanément la fonction de dissipateur thermique.

Mots-clés: coefficient de conductivité thermique, échantillon, loi de Fourier, échange de chaleur stationnaire, installation de mesure, transformateur, multimètre, thermocouple.

introduction

Le transfert d'énergie thermique provenant des parties les plus chauffées du solide à moins chauffées au moyen de particules mobiles chaotiques (électrons, molécules, atomes, etc.) s'appelle le chauffage de la conductivité thermique. L'étude du phénomène de la conduction thermique est largement utilisée dans divers secteurs, tels que: huile, aérospatiale, automobile, métallurgique, minière, etc.

Il existe trois principaux types d'échange de chaleur: convection, radiation thermique et conductivité thermique. La conductivité thermique dépend de la nature de la substance et de sa condition physique. Dans le même temps, dans des liquides et des solides (diélectriques), le transfert d'énergie est effectué par des ondes élastiques, dans les gaz par imagination et diffusion d'atomes (molécules) et dans les métaux - par diffusion d'électrons libres et en utilisant des oscillations de chaleur de la treillis. Le transfert de chaleur dans le corps dépend de quel état il est: gazeux, liquide ou solide.

Le mécanisme de conductivité thermique dans les liquides est différent du mécanisme de conductivité thermique dans les gaz et a beaucoup de courant avec la conductivité thermique des solides. Dans les zones à température élevée, il y a des oscillations de molécules avec une grande amplitude. Ces oscillations sont transmises par des molécules adjacentes et donc l'énergie du mouvement thermique est transmise progressivement de la couche à la couche. Ce mécanisme fournit un coefficient de conductivité thermique relativement faible. Avec une augmentation de la température pour la plupart des liquides, le coefficient de conductivité thermique diminue (l'exception est l'eau et la glycérine, le coefficient de conductivité thermique augmente avec une température croissante).

Le phénomène du transfert d'énergie cinétique à l'aide d'un mouvement moléculaire dans des gaz idéaux est due à la transmission de chaleur au moyen de conductivité thermique. En raison de la charoticisme du mouvement moléculaire de la molécule se déplacer dans toutes les directions. Navigation des endroits avec une température plus élevée aux endroits avec une température plus basse, des molécules dues aux collisions de paires transmettent l'énergie de mouvement cinétique. À la suite du mouvement moléculaire, une nivellement progressive de la température se produit; Dans le gaz inégalement chauffé, le transfert de chaleur est le transfert d'une certaine quantité d'énergie cinétique avec un mouvement de molécules aléatoires (chaotiques). Avec une diminution de la température, le coefficient de conductivité thermique des gaz est réduit.

Dans les métaux, le principal émetteur de chaleur est des électrons libres pouvant être comparés par le gaz de bétail idéal. Par conséquent, avec une certaine approche

Le coefficient de conductivité thermique des matériaux de construction et d'isolation thermique avec une augmentation de la température augmente, avec une augmentation du poids du volume, il augmente. Le coefficient de conductivité thermique dépend fortement de la porosité et de l'humidité du matériau. La conductivité thermique de divers matériaux varie dans la plage: 2-450 W / (m k).

1. L'équation de conductivité thermique

La loi thermique de conductivité est basée sur l'hypothèse de Fourier sur la proportionnalité du flux thermique de la différence de température par unité de longueur du trajet de transfert de chaleur par unité de temps. Numériquement, le coefficient de conductivité thermique est égal à la quantité de fluidité thermique par unité de temps à travers l'unité de surface, avec une chute de température sur une unité de longueur normale, égale à une degré.

Selon la loi de Fourier, la densité de surface du flux thermique de la proportion

dégradé de température Nalna -:

Ici, le multiplicateur X s'appelle le coefficient de conductivité thermique. Le signe moins indique que la chaleur est transmise dans la direction de la diminution de la température. La quantité de chaleur passée par unité de temps à travers une unité de surface isothermique est appelée densité de flux de chaleur:

La quantité de chaleur passant par unité de temps à travers la surface isothermique B est appelée flux de chaleur:

O \u003d | Chib \u003d -1 -kdp ^ b. (1.3)

La quantité totale de chaleur passée à travers cette surface B pendant T, est déterminée à partir de l'équation

De \u003d -dl- ^ t. (1.4)

2. Conditions de conductivité thermique limite

Il existe différentes conditions d'une ambiguïté: géométrique - caractérisant la forme et la taille de l'organisme dans lequel le processus de conduction thermique se déroule; Physique - caractériser les propriétés physiques du corps; Temporaire - caractérisant la distribution de la température corporelle au moment initial du temps; Frontière - caractérisation d'une interaction corporelle avec l'environnement.

Conditions de limite je genre. Dans ce cas, la distribution de la température sur la surface du corps est définie pour chaque moment de temps.

Conditions limites du type II. Dans ce cas, la valeur de la densité de flux de chaleur est donnée pour chaque point de surface corporelle à tout moment:

Yar \u003d moi (x, y, 2,1).

Conditions de limites III clan. Dans ce cas, la température du support T0 et les conditions d'échange de chaleur de ce milieu avec la surface du corps sont définies.

Les conditions limites du IV du genre sont formées sur la base de l'égalité des flux thermiques traversant la surface des corps de contact.

3. Installation expérimentale pour mesurer le coefficient de conductivité thermique

Les méthodes modernes de détermination des coefficients de conductivité thermique peuvent être divisées en deux groupes: procédés de flux de chaleur stationnaire et de procédés de flux de chaleur non stationnaire.

Dans le premier groupe de méthodes, le flux de chaleur traversant le corps ou le système de corps reste permanent de taille et de direction. Le champ de température est stationnaire.

Dans les méthodes de mode non stationnaires, le champ de température est utilisé dans le temps.

Dans cet article, l'une des méthodes de flux de chaleur stationnaires du collier est utilisée.

Le schéma fonctionnel de l'installation pour mesurer la conductivité thermique des échantillons métalliques est représenté sur la Fig. une.

Figure. 1. Organigramme à organigramme

L'élément principal de l'installation est le transformateur de réduction de l'alimentation 7, dont l'enroulement primaire est connecté au modèle automatique du type de type 10 ultérieur et la remontée secondaire fabriquée à partir du bus de cuivre de la section transversale rectangulaire, qui a six tours. , est directement connecté aux pinces de courant massif de cuivre 2, qui effectuent simultanément la fonction de dissipateur thermique. L'échantillon étudié 1 est fixé dans des colliers de courant de cuivre massives 2 à l'aide de boulons de cuivre massives (non représentés sur la figure), qui effectue simultanément la fonction de dissipateur thermique. Le contrôle de la température à différents points de l'échantillon de test est effectué à l'aide d'un thermocouple 3 et 5 de chromel-copel, dont les extrémités de travail sont directement fixées sur la surface cylindrique de l'échantillon 1 - une dans la partie centrale de l'échantillon. et l'autre à la fin de l'échantillon. Les extrémités libres du thermocouple 3 et 5 sont connectées aux multimètres DT-838 et 6, qui permettent de mesurer la température avec une précision de 0,5 ° C. Le chauffage à l'échantillon est effectué par chauffage électrique direct avec une impulsion courte de CA de l'enroulement secondaire du transformateur de puissance 7. La mesure de la résistance du courant dans l'échantillon à l'étude est effectuée dans une méthode indirecte - en mesurant la tension sur le secondaire. Enroulement du transformateur de circuit 8, dont l'enroulement primaire est la résistance de l'enroulement secondaire du transformateur de puissance 7, manquée à travers le jeu libre du noyau magnétique anneau. La mesure de la tension secondaire du transformateur de courant est effectuée par une 9 dimension multidimensionnelle.

La modification du courant d'impulsion dans l'échantillon à l'étude est effectuée à l'aide d'un autotransformateur linéaire 10 (plus tard), dont l'enroulement primaire, dont le fusible réseau connecté 13 et le bouton 12 est connecté à la tension de tension 220 V. La chute de tension Sur l'échantillon à l'étude en mode de chauffage électrique direct est effectué avec MultiMer 14, parallèlement à des pinces de courant actuellement connectées 2. La mesure de l'impulsion d'impulsions de courant est effectuée à l'aide d'un chronomètre électrique 11 connecté à l'enroulement primaire de l'autotransformateur linéaire 10 . Allumer et éteindre le mode de chauffage de l'échantillon à l'étude est fourni par un bouton 12.

Lorsque vous mesurez le coefficient de conductivité thermique sur l'installation décrite ci-dessus, il est nécessaire d'effectuer les conditions suivantes:

L'homogénéité de la section transversale de l'échantillon à l'étude sur toute la longueur;

Le diamètre de l'échantillon à l'étude doit être compris entre 0,5 mm à 3 mm (sinon la puissance thermique principale sera allouée dans le transformateur de puissance et non dans l'échantillon à l'étude).

Le diagramme de dépendance de la température de la longueur de l'échantillon est représenté sur la Fig. 2.

Figure. 2. Dépendance de température sur la longueur de l'échantillon

Comme on peut le voir sur le diagramme, la dépendance de la température sur la longueur de l'échantillon à l'étude est de nature linéaire avec un maximum prononcé dans la partie centrale de l'échantillon, et aux extrémités reste minimale (constante) et égale à la Température ambiante Au cours de l'intervalle de temps de l'établissement du mode de transfert de chaleur d'équilibre, lequel pour ces installations expérimentales ne dépasse pas 3 minutes, c'est-à-dire 180 secondes.

4. Sortie de la formule de travail pour le coefficient de conductivité thermique

La quantité de chaleur libérée dans le conducteur pendant le passage du courant électrique peut être déterminée par la loi de Joule-Lenza:

QAL \u003d 12ème ^ \u003d et I I, (4.1)

où et, je suis la tension et la force du courant dans l'échantillon étudié; Je suis une résistance à l'échantillon.

La quantité de chaleur transférée à travers la section transversale de l'échantillon à l'étude sur l'intervalle de temps T, réalisée sous la forme d'une longueur de tige cylindrique homogène et 5, peut être calculée par la loi de Fourier (1.4):

QS \u003d I-YT-5- T, (4.2)

où 5 \u003d 2-5OSN, 5OSN \u003d ^ 4-, AT \u003d 2-DT \u003d 2- (GTA -GTK1); Y £ \u003d D £ \u003d 1- £.

Ici, les coefficients 2 et 1/2 indiquent que le flux thermique est dirigé de

exemplaire de centre à ses extrémités, c'est-à-dire divisé en deux ruisseaux. Puis

^^ b \u003d 8-y- (GTU -TT | P) -B ^. (4.3)

5. Comptabilisation des pertes thermiques sur la surface latérale

§Ozhr \u003d 2- BBC -DTHA, (5.1)

où bbok \u003d p-y-1; A - le coefficient de transfert de chaleur de la surface de l'échantillon étudié avec l'environnement ayant une dimension

Différence de température

DGH \u003d TX - T0KR, (5.2)

où TX est la température à ce stade de la surface de l'échantillon; GOCR - La température ambiante peut être calculée à partir de l'équation linéaire de la dépendance de la température de l'échantillon de sa longueur:

Tx \u003d t0 + kkh, (5.3)

lorsque le coefficient angulaire K peut être déterminé à travers l'angle tangent d'inclinaison de la dépendance linéaire de la température de l'échantillon de sa longueur:

Dt t - t t - t

k \u003d f \u003d mt * \u003d tttt ttt \u003d 2 "Taxe VR. (5.4)

Substitution d'expressions (5.2), (5.3) et (5.4) à l'équation (5.1), nous obtenons:

Sqauup \u003d 2A-ND ■ DX ■ (+ KX-T0KR) DT,

où t0 tszhr.

8Q0KP \u003d 2A.ND ■ KX ■ DX ■ DT. (5.5)

Après avoir intégré l'expression (5.5), nous obtenons:

Q0kp \u003d 2ème ■ DK J JDT ■ x ■ DX \u003d 2ND-A-K ■ -I - | ■ t \u003d -4a ^ nd ■ k ■ i2 ■ t. (5.6)

Substituer les expressions obtenues (4.1), (4.3) et (5.6) dans l'équation de la balance thermique de l'animation \u003d le rugissement du + qs, où Quill \u003d Qal, nous obtenons:

Uit \u003d 8 ■ x ■ s ^ ^^ - o ■ t + -a ^ n ■ D ■ - (Tmax - à) ■ T.

Résoudre l'équation résultante concernant le coefficient de conductivité thermique, nous obtenons:

and1 a £ 2, l

L'expression résultante permet de déterminer le coefficient de conductivité thermique de tiges métalliques minces conformément aux calculs des échantillons typiques à l'étude avec l'erreur relative

Au f (ai f (l (lh) ^ (AT2

ne dépassant pas 1,5%.

Bibliographie

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Luzina Anna Vyacheslavovna Luzina Anna Vyacheslavovna

maître, étudiant de maîtrise,

Université de Penza State de Penza State University E-mail: [Email protégé]

Rudin Alexander Vasilyevich

candidat des sciences physiques et mathématiques, professeure agrégée, chef adjoint du département de physique, Penza State University E-mail: [Email protégé]

Rudin Aleksandr Vasil "Evich

candidat des scénarios physiques et mathématiques, professeur agrégé,

directeur adjoint du sous-ministère de la physique, l'Université Penza State

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 Luzina, A.V.

Mesurer la conductivité thermique des échantillons métalliques par flux de chaleur stationnaire /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Bulletin de l'Université d'État de Penza. - 2016. - № 3 (15). -DE. 76-82.

Pour étudier la conductivité thermique de la substance, utilisez deux groupes de méthodes: stationnaire et non stationnaire.

La théorie des méthodes stationnaires est plus simple et conçue plus complètement. Mais des méthodes non stationnaires en principe, en plus du coefficient de conductivité thermique, apportent des informations sur le coefficient de température et de capacité de chaleur. Par conséquent, récemment, une grande attention est accordée au développement de méthodes non stationnaires pour déterminer les propriétés thermophysiques des substances.

Voici des méthodes fixes pour déterminer le coefficient de conductivité thermique des substances.

mais) Méthode de couche plate. Avec un écoulement de chaleur monocensionnel à travers une couche plate, le coefficient de conductivité thermique est déterminé par la formule

où rÉ -épaisseur, T. 1 I. T. 2 - températures chaudes et froides de l'échantillon.

Pour étudier la conductivité thermique, cette méthode doit créer près du flux de chaleur unidimensionnel.

En règle générale, les températures ne sont pas mesurées non sur la surface de l'échantillon et à une certaine distance d'eux (voir fig. 2.), il est donc nécessaire d'introduire des modifications à la chute de température dans le chauffage et du réfrigérateur, afin de minimiser la résistance thermique des contacts.

Dans l'étude des liquides pour éliminer le phénomène de convection, le gradient de température doit être dirigé le long du champ de gravité (vers le bas).

Figure. 2. Schéma des méthodes de couche d'avion pour mesurer la conductivité thermique.

1 - l'échantillon à l'étude; 2 - chauffage; 3 - réfrigérateur; 4, 5 - Anneaux isolants; 6 - Chauffages de sécurité; 7 - Thermocouples; 8, 9 - Thermocouples différentiels.

b) Méthode de Eger. La méthode est basée sur la résolution d'une équation unidimensionnelle de conductivité thermique, qui décrivait la propagation de la chaleur le long de la tige chauffée par choc électrique. La difficulté d'utiliser cette méthode consiste à créer une impossibilité de créer des conditions adiabatiques strictes sur la surface extérieure de l'échantillon, qui perturbe l'entablie du flux de chaleur.

La formule estimée a la forme:

(14)

où s. - conductivité électrique de l'échantillon à l'étude, U. - chute de tension entre des points extrêmes aux extrémités de la tige, Dt. - la différence de température entre la tige centrale et le point à l'extrémité de la tige.

Figure. 3. Le schéma de la méthode Eger.

1 - Four électrique; 2 - échantillon; 3 - broche de fixation d'échantillon; T 1 ¸ T 6 - Lieux de sceller le thermocouple.

Cette méthode est utilisée dans l'étude des matériaux électriquement conducteurs.

dans) La méthode de la couche cylindrique. Le fluide à l'étude (matériau en vrac remplit la couche cylindrique formée de deux cylindres coaxiaux. L'un des cylindres, le plus souvent interne, est un radiateur (Fig. 4).

Fig.4.Chemem Méthode de la couche cylindrique

1 - cylindre interne; 2 - le radiateur principal; 3 - Couche de la substance étudiée; 4 - cylindre externe; 5 - Thermocouples; 6 - Cylindres de sécurité; 7 - des radiateurs supplémentaires; 8 - Logement.

Considérez plus en détail le processus fixe de conductivité thermique dans la paroi cylindrique, la température des surfaces extérieures et internes est maintenue par constante et égale à 1 et t 2 (dans notre cas, il s'agit d'une couche de la substance à l'étude. 5). Nous définissons le flux de chaleur à travers la paroi sous la condition que le diamètre intérieur de la paroi cylindrique D 1 \u003d 2R 1 et l'extérieur D 2 \u003d 2R 2, L \u003d Cons et la chaleur ne sont distribués que dans la direction radiale.

Pour résoudre le problème, nous utilisons l'équation (12). Dans les coordonnées cylindriques lorsque ; L'équation (12), selon (1O), prend de la Vit:

. (15)

Nous introduisons la désignation dt./dr.\u003d 0, nous obtenons

Après l'intégration et la potentialisation de cette expression, passons aux variables initiales, nous obtenons:

. (16)

Comme on peut le voir de l'équation, la dépendance t \u003d f (r) est logarithmique.

L'intégration permanente C 1 et C 2 peut être déterminée si cette équation substitue les conditions limites:

pour r \u003d r 1 t \u003d t 1 et T 1 \u003d c 1ln. r 1 + C 2,

pour r \u003d r 2 t \u003d t 2et T 2 \u003d c 1ln. r 2 + C 2.

La solution de ces équations est relative DE 1 I. Avec 2 Donne:

;

Substituer ces expressions à la place Avec 1. et Avec 2 Dans l'équation (1b), nous obtenons

(17)

Écoulement thermique à travers la zone de la surface cylindrique du rayon r et la longueur est déterminée à l'aide de la loi de Fourier (5)

.

Après la substitution, nous obtenons

. (18)

Conductivité thermique L avec des valeurs connues Q., T. 1 , T. 2 , rÉ. 1 , rÉ. 2, calculé par la formule

. (19)

Pour supprimer la convection (en cas de liquide), la couche cylindrique doit avoir une petite épaisseur, généralement les actions d'un millimètre.

Réduire les pertes finales dans la méthode de la couche cylindrique est obtenue en augmentant la relation / rÉ. et des chauffages de sécurité.

ré) La méthode de fil chauffant. Dans cette méthode, la relation / rÉ. augmente en réduisant rÉ.. Le cylindre intérieur est remplacé par un fil mince, qui était simultanément au radiateur et le thermomètre de la résistance (Fig. 5). À la suite de la simplicité relative de la conception et de développement détaillé de la théorie, la méthode du fil chauffé est devenue l'un des plus parfaits et les plus précis. Dans la pratique des études expérimentales de la conductivité thermique des fluides d'igzes, il occupe une place de premier plan.

Figure. 5. Schéma de la cellule de mesure, faite par le procédé de fil chauffant. 1 - Fil de mesure, Tube 2 - Tube, 3 - Substance étudiée, 4 courants, 5 - Tapis potentiels, 6 - Thermomètre extérieur.

Avec les conditions que l'ensemble du débit thermique de la section AV est distribué radialement et que la différence de température T 1 - t 2 n'est pas grande, de sorte que l \u003d const, le coefficient de conductivité thermique peut être considéré par la formule.

, (20)

où Q. UN B \u003d T × u AB - Puissance allouée sur le fil.

e) Méthode bol. Trouve une utilisation dans la pratique des études de conductivité thermique des liquides et des matériaux en vrac. La substance étudiée est fixée à la forme d'une couche sphérique, qui permet, en principe, d'exclure des pertes de chaleur incontrôlées. Techniquement, cette méthode est assez compliquée.

Conformément aux exigences de la loi fédérale n ° 261-FZ "sur l'économie d'énergie", les exigences relatives à la conductivité thermique des matériaux de construction et d'isolation thermique en Russie ont été resserrées. Aujourd'hui, la mesure de la conductivité thermique est l'un des éléments obligatoires lors de la prise de décision sur l'utilisation du matériau comme isolant thermique.

Pourquoi est-il nécessaire de mesurer la conductivité thermique dans la construction?

Le contrôle de la conductivité thermique des matériaux de construction et d'isolation thermique est effectué à toutes les étapes de leur certification et de sa production dans des conditions de laboratoire, lorsque des matériaux sont exposés à divers facteurs affectant ses propriétés opérationnelles. Il existe plusieurs méthodes courantes pour mesurer la conductivité thermique. Pour des tests de laboratoire précis de matériaux de conductivité thermique basse (inférieure à 0,04 - 0,05 W / m * K), il est recommandé d'utiliser des instruments utilisant la méthode de flux de chaleur stationnaire. Leur application est réglementée par GOST 7076.

Interpribor propose un conductivité thermique, dont le prix est bénéfique du marché disponible et répond à toutes les exigences modernes. Il est destiné au contrôle de laboratoire de la qualité des matériaux de construction et d'isolation thermique.

Avantages de la conductivité thermique de son-1

Le compteur de conductivité thermique STI-1 possède une performance monobloc originale et se caractérise par les avantages suivants:

• cycle de mesure automatique;
• chemin de mesure de haute précision qui vous permet de stabiliser la température du réfrigérateur et de l'appareil de chauffage;
• la possibilité de diplômée de l'appareil pour des types individuels de matériaux à l'étude, qui améliore davantage l'exactitude des résultats;
• Évaluation expresse du résultat dans le processus de mesure;
• zone de sécurité "chaude" optimisée;
• affichage graphique informatif, simplifiant le contrôle et l'analyse des résultats de mesure.

STI-1 est fourni dans une seule modification de base, qui, à la demande du client, peut être complétée par des échantillons de contrôle (plexiglas et Penplex), une boîte de matériaux en vrac et un coofer protecteur pour stocker et transporter l'instrument.