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 en même temps, ou un chauffage intermédiaire (par exemple, des 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.

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 la 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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2. Rudin, A.V. Étude des processus de relaxation structurelle dans des installations de formage de verre avec divers modes de refroidissement / A. V. Rudin // Nouvelles des établissements d'enseignement supérieur. Région de Volga. Sciences naturelles. - 2003. - № 6. - P. 123-137.

3. Pavlov, P. V. Physique du solide: études. Manuel pour les étudiants étudiant dans les spécialités de "Physique" / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: plus haut. Shk., 1985. - 384 p.

4. Berman, R. Conductivité thermique de Solid Tel / R. Berman. - M., 1979. - 287 p.

5. LIVSHITS, B. G. Propriétés physiques des métaux et des alliages / B. G. Livvitz, V. S. Krapshin. - M.: Métallurgie, 1980. - 320 p.

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.

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.

Pour mesurer la conductivité thermique, de nombreuses méthodes ont été utilisées dans le passé. Actuellement, certains d'entre eux sont obsolètes, mais leur théorie est désormais intéressante, car elles sont basées sur des solutions d'équations de solidation pour des systèmes simples qui se trouvent souvent dans la pratique.

Tout d'abord, il convient de noter que les propriétés thermiques de tout matériau se manifestent dans une variété de combinaisons; Cependant, si nous les considérons comme les caractéristiques du matériau, elles peuvent être déterminées à partir de diverses expériences. Nous énumérons les principales caractéristiques thermiques des corps et des expériences à partir desquelles elles sont déterminées: a) le coefficient de conductivité thermique est mesuré en mode d'expérimentation stationnaire; b) la capacité de chaleur attribuée à l'unité de volume, qui est mesurée par des méthodes calorimétriques; c) la valeur est mesurée avec du mode d'expériences fixes périodiques; d) Tétérolution X, mesurée lors d'expériences non stationnaires. En fait, la plupart des expériences menées en mode non statistionnaire permettent en principe la définition et la définition

Nous décrivons brièvement ici les méthodes les plus courantes et indiquons les sections dans lesquelles elles sont prises en compte. Essentiellement, ces méthodes sont divisées en celles dans lesquelles des mesures sont effectuées en mode stationnaire (méthodes de mode hospitalier), avec chauffage périodique et en mode non stationnaire (méthodes de mode non stationnaires); Ensuite, ils sont divisés en méthodes utilisées dans l'étude des mauvais conducteurs et lors de l'étude des métaux.

1. Méthodes de régime stationnaire; Mauvais conducteur. Dans cette méthode, les conditions de l'expérience principale suivie au § 1 de ce chapitre devraient être effectuées avec précision et le matériel à l'étude devrait avoir la forme de l'enregistrement. Dans d'autres variantes de la méthode, vous pouvez explorer le matériau sous la forme d'un cylindre creux (voir § 2 CH. VII) ou un champ de sphère (voir § 2 CH. IX). Parfois, le matériau à l'étude sous laquelle les passes de chaleur ont la forme d'une tige épaisse, mais dans ce cas, la théorie est plus complexe (voir §§ 1, 2 ch. VI et § 3 ch. VIII).

2. Méthodes thermiques de régime stationnaire; Métaux. Dans ce cas, un échantillon métallique sous la forme d'une tige est généralement utilisé, dont les extrémités sont maintenues à différentes températures. La tige demi-cadre est considérée dans § 3 ch. IV et le terminal de la longueur finale - § 5 ch. Iv.

3. Méthodes électriques de régime stationnaire, métaux. Dans ce cas, l'échantillon métallique sous forme de fil est chauffé, en passant à travers le courant électrique, et ses extrémités sont maintenues aux températures spécifiées (voir § 11 CH. IV et un exemple d'IX § 3 CH. VIII). Vous pouvez également utiliser le cas de flux de chaleur radial dans le fil chauffé avec un courant électrique (voir exemple V § 2 CH. VII).

4. Méthodes de fluide mobile en mode stationnaire. Dans ce cas, la température du liquide se déplaçant entre les deux réservoirs dans lesquelles des températures différentes sont maintenues (voir § 9, ch. IV).

5. Méthodes de chauffage périodique. Dans ces cas, les conditions aux extrémités de la tige ou des plaques changent avec la période en atteignant l'état stable mesurant les températures à certains points de l'échantillon. Le cas d'une tige semi-réduite est considéré dans § 4 ch. Iv et la tige de longueur de fin est au § 8 du même chapitre. Une méthode similaire est utilisée pour déterminer la température du sol à des fluctuations de température causées par le chauffage solaire (cm, § 12 ch. II).

Récemment, ces méthodes ont commencé à jouer un rôle important dans la mesure de la basses températures; Ils ont également l'avantage que, en théorie des systèmes relativement complexes, vous pouvez utiliser des méthodes développées pour l'étude des guides d'ondes électriques (voir § 6 CH. Et).

6. Méthodes de régime non statistionnaires. Dans le passé, les méthodes de régime non stationnaire ont été légèrement utilisées moins que les méthodes de régime stationnaire. Leur inconvénient réside dans la difficulté d'établir la manière dont les conditions de frontière valides dans l'expérience sont compatibles avec les conditions postulées par la théorie. Prendre en compte cette divergence (par exemple, lorsqu'il s'agit de la résistance de contact à la frontière) est très difficile, ce qui est plus important pour les méthodes spécifiées que pour les méthodes de mode stationnaires (voir § 10 CH. II). Dans le même temps, les méthodes de régime non stationnaire elles-mêmes ont des avantages bien connus. Ainsi, certaines de ces méthodes conviennent à la réalisation de mesures très rapides et à rendre compte des changements de petite température; De plus, un certain nombre de méthodes peuvent être utilisées sur place, sans livrer l'échantillon au laboratoire, qui est très souhaitable, en particulier dans l'étude des matériaux tels que les sols et les roches. Dans la plupart des anciennes méthodes, seul le dernier segment des graphiques est utilisé; dépendance de la température à temps; Dans ce cas, la solution de l'équation correspondante est exprimée par un membre exponentiel. Au § 7 ch. IV, § 5 ch. VI, § 5 ch. VIII et § 5 CH. IX considère le cas de refroidissement du corps d'une forme géométrique simple avec un transfert de chaleur linéaire de sa surface. Au § 14 ch. IV considère le cas de la température non stationnaire dans un fil chauffé avec un choc électrique. Dans certains cas, l'ensemble du changement de température est utilisé au point (voir § 10 CH. II et § 3 CH. III).

but du travail: Étude de la technique de définition expérimentale du coefficient

conductivité thermique des matériaux solides par la méthode de la plaque.

La tâche:une. Déterminez le coefficient de conductivité thermique du matériau à l'étude.

2. Déterminez la dépendance du coefficient de conductivité thermique sur la température

le matériel à l'étude.

Dispositions de base.

Échange de chaleur- Il s'agit d'un processus irréversible spontané de transfert de chaleur dans l'espace en présence de différence de température. Il existe trois principales méthodes de transfert de chaleur, différentes différences entre elles dans leur nature physique:

conductivité thermique;

convection;

rayonnement thermique.

En pratique, la chaleur, en règle générale, est transférée simultanément de plusieurs manières, mais la connaissance de ces processus est impossible sans étudier les processus d'échange de chaleur élémentaire.

Conductivité thermiqueil s'appelle le processus de transfert de chaleur en raison du mouvement thermique des microparticules. Dans les gaz et les liquides, la conductivité thermique de transfert de chaleur est effectuée par diffusion d'atomes et de molécules. En solides, la libre circulation des atomes et des molécules tout au long du volume de la substance est impossible et réduite uniquement à leur mouvement oscillatoire par rapport à certaines positions d'équilibre. Par conséquent, le processus de conductivité thermique dans des solides est due à l'augmentation de l'amplitude de ces oscillations réparties dans le volume du corps en raison de la perturbation des champs de puissance entre les particules oscillantes. Dans les métaux, la conductivité thermique de transfert de chaleur se produit non seulement due aux oscillations d'ions et d'atomes situés dans les nœuds du réseau cristallin, mais également du mouvement des électrons libres formant le "gaz électronique". En raison de la présence de supports d'énergie thermique supplémentaires dans les métaux sous forme d'électrons libres, la conductivité thermique des métaux est nettement supérieure à celle des diélectriques solides.

Lors de l'étude du processus de conductivité thermique, les concepts de base suivants sont utilisés:

Quantité de chaleur (Q.  ) - énergie thermique, passant sur tout le processus de la surface d'une zone arbitraire. Dans le système SI mesuré dans des joules (J).

Stream thermique (puissance thermique) (Q.) - la quantité de chaleur passant par unité de temps à travers la surface d'une zone arbitraire.

Dans le système, le flux de chaleur est mesuré en watts (W).

La densité du flux de chaleur (q.) - la quantité de chaleur passant par unité de temps à travers l'unité de surface.

Dans le système Si est mesuré en w / m 2.

Champ de température- L'ensemble des valeurs de température au moment du temps dans tous les points d'espace occupés par le corps. Si la température à tous les points du champ de température au fil du temps ne change pas, ce champ est appelé. stationnaireSi changer, alors - non statistionnaire.

Les surfaces formées par des points ayant la même température sont appelées isothermique.

Gradient de température (grad.T.) - Le vecteur dirigé par la normale à la surface isothermale vers l'augmentation de la température et de manière numérique, définie comme la limite du rapport du changement de température entre deux surfaces isothermes par la distance entre elles par normale, lorsque cette distance tend à zéro. Ou en d'autres termes, le gradient de température est dérivé de la température dans cette direction.

Le gradient de température caractérise la vitesse de température dans la direction de normale à la surface isothermale.

Le processus de conductivité thermique caractérise la loi principale de la conductivité thermique - loi de Fourier(1822). Selon cette loi, la densité du flux de chaleur transmise au moyen de conductivité thermique est directement proportionnelle au gradient de température:

où -conductivité thermique de la substance, avec (mgrad).

Le signe (-) montre que le flux de chaleur et le gradient de température sont opposés à la direction.

Coefficient de conductivité thermiquemontre quelle quantité de chaleur est transmise par unité de temps à travers l'unité de la surface à un gradient de température égal à un.

Le coefficient de conductivité thermique est une caractéristique thermophysique importante du matériau et ses connaissances sont nécessaires lors de la réalisation de calculs thermiques associés à la définition des pertes de chaleur à travers les structures englobantes des bâtiments et des structures, des murs de machines et des dispositifs, le calcul de l'isolation thermique, car ainsi que lors de la résolution d'une pluralité d'autres problèmes d'ingénierie.

Une autre loi importante de la conductivité thermique - fourier-KirchhoffDéterminer la nature des changements de température dans l'espace et dans le temps avec la conductivité thermique. Autre son nom - Équation différentielle de conductivité thermiqueParce qu'il est obtenu par des méthodes de théorie de l'analyse mathématique basée sur la loi de Fourier. Pour un champ de température non statistionnaire en 3 dimensions, l'équation différentielle de la conductivité thermique est la suivante:

,

où
- coefficient de température caractérisant les propriétés thermiques du matériau,

, C P,, respectivement, le coefficient de conductivité thermique, la chaleur isobare et la densité de la substance;

- Opérateur Laplace.

Pour un champ de température stationnaire unidimensionnel (
) L'équation de conductivité thermique différentielle acquiert une forme simple

Intégration d'équations (1) et (2), il est possible de déterminer la densité du flux de chaleur à travers le corps et la loi des modifications de la température à l'intérieur du corps avec transfert de chaleur de transfert de chaleur. Pour obtenir une solution, vous devez une tâche conditions d'une ambiguïté.

Termes de non ambiguïté- Ce sont des données privées supplémentaires caractérisant la tâche en question. Ils incluent:

Conditions géométriques caractérisant la forme et la taille du corps;

Conditions physiques caractérisant les propriétés physiques du corps;

conditions temporaires (initiales) caractérisant la distribution de la température au moment initial du temps;

conditions de limites caractérisant les caractéristiques de l'échange de chaleur aux frontières du corps. Distinguer les conditions limites du 1er, 2e et 3ème clan.

Pour conditions frontalières du 1er genrela distribution de la température sur la surface du corps est définie. Dans ce cas, il est nécessaire de déterminer la densité du flux de chaleur à travers le corps.

Pour conditions de limites du 2ème typela densité du flux de chaleur et la température de l'une des surfaces du corps est donnée. Il est nécessaire de déterminer la température d'une autre surface.

Dans les conditions limites du 3ème typeconditions de transfert de chaleur entre les surfaces du corps et les supports qui les lavent à l'extérieur sont connus. Selon ces données, la densité du flux de chaleur est déterminée. Cette affaire fait référence au processus de transfert de chaleur articulaire avec conductivité thermique et convection, appelé transfert de chaleur.

Considérez l'exemple le plus simple pour le cas de conductivité thermique à travers une paroi plate. Platils appellent le mur, dont l'épaisseur est nettement inférieure à deux autres tailles - longueur et largeur. Dans ce cas, les conditions d'une ambiguïté peuvent être données comme suit:

géométrique: Épaisseur de paroi connue. Le champ de température est unidimensionnel, par conséquent, la température varie que dans la direction de l'axe X et le flux de chaleur est dirigé par la normale aux surfaces de la paroi;

physique: Matériau mural connu et son coefficient de conductivité thermique, et pour tout le corps \u003d const;

temporaire: Le champ de température dans le temps ne change pas, c'est-à-dire est stationnaire;

conditions frontalières: 1er genre, composants de température du mur de 1 IT 2.

Il est nécessaire de déterminer la loi du changement de température de l'épaisseur du mur T \u003d F (x) et de la densité du flux de chaleur à travers le Wallq.

Pour résoudre le problème, utilisez des équations (1) et (3). Compte tenu des conditions limites reçues (x \u003d 0t \u003d t 1; à x \u003d t \u003d t 2) après une double intégration de l'équation (3), nous obtenons la loi des changements de l'épaisseur du mur

,

La distribution de température dans la paroi plate est représentée à la Fig. 1.

Fig. 1. Distribution de la température dans une paroi plate.

La densité du flux de chaleur est ensuite déterminée selon l'expression

,

La détermination du coefficient de conductivité thermique ne peut donner la précision du résultat requis pour la pratique de l'ingénierie moderne, de sorte que sa définition expérimentale reste la seule manière fiable.

L'une des méthodes expérimentales connues de détermination est méthode de couche plate. Selon cette méthode, le coefficient de conductivité thermique du matériau de la paroi plan peut être déterminé sur la base de l'équation (5)

;

Dans ce cas, la valeur obtenue du coefficient de conductivité thermique fait référence à la valeur de température moyenne t m \u003d 0,5 (t 1 + t 2).

Malgré sa simplicité physique, la mise en œuvre pratique de cette méthode a ses propres difficultés liées à la difficulté de créer un champ de température stationnaire unidimensionnel dans les échantillons étudiés et de prendre en compte des pertes thermiques.

Description du stand de laboratoire.

La détermination du coefficient de conductivité thermique est effectuée sur une configuration de laboratoire basée sur la méthode de modélisation de la simulation de processus physiques réels. L'installation est constituée d'un PEVM associé à la disposition de tracé de fonctionnement, qui est affichée sur l'écran du moniteur. L'intrigue de travail a été créée par analogie avec le réel et son schéma présenté à la Fig. 2.

Fig.2. Installation du schéma d'installation

La parcelle de travail est composée de 2 échantillons fluoroplastiques 12, réalisés sous forme de disques épais  \u003d 5 mm et diamètre \u003d 140 mm. Les échantillons sont placés entre le radiateur 10 hauteur \u003d 12 mm et le diamètre de H \u003d 146 mm et le réfrigérateur 11, refroidi avec de l'eau. La création d'un flux de chaleur est effectuée par un élément chauffant avec une résistance électrique \u003d 41 ohm et un réfrigérateur 11 avec des rainures en spirale pour la circulation directionnelle de l'eau de refroidissement. Ainsi, le flux de chaleur traversant les échantillons fluoroplastiques étudiés est effectué à travers le réfrigérateur avec de l'eau. Une partie de la chaleur de l'appareil de chauffage traverse les surfaces d'extrémité dans l'environnement, par conséquent pour réduire ces pertes radiales, le boîtier isolant de la chaleur 13, fabriqué en basse (K \u003d 0,08 W / (mgrad)), est fourni. . La hauteur de boîtier к \u003d 22 mm est faite sous la forme d'un cylindre creux avec un diamètre intérieur de H \u003d 146 mm et un diamètre extérieur de K \u003d 190 mm. La température est mesurée par sept thermocouple chromel-copel (type de HC) pos. 1 ... 7, installé à différents points de la zone de travail. Le commutateur de capteur de température 15 vous permet de mesurer successivement le thermo-emf des sept capteurs de température. Thermocouple 7 est installé sur la surface extérieure du boîtier isolant de chaleur pour déterminer les fuites thermiques à travers elle.

La procédure d'exécution du travail.

3.1. Le mode de température de l'installation est sélectionné en réglant la température de la surface chaude des plaques TG allant de 35 ° C à 120 ° C.

3.2. Sur la télécommande d'installation, les dispositifs d'alimentation des dispositifs indicateurs enregistrent la tension sur l'appareil de chauffage électrique U, les capteurs de température thermo-EMF sont allumés sur le commutateur à bascule chauffant.

3.3. En tournant sans heurts le tapis du rhéostat, la tension souhaitée est installée sur le chauffage. Le reprise est effectué dans la version pas de pas, de sorte que la tension change étape par étape. La tension de la température doit être conforme à l'autre en fonction de la dépendance à la figure 3.

Fig.3. Zone de travail du chauffage.

3.4. Par un bonding séquentiel des capteurs de température à l'aide du commutateur 15, des valeurs thermo-EMF de sept thermocouples sont déterminées, ce qui, avec la valeur, sont inscrits dans le protocole d'expérimentation (voir tableau 1). L'enregistrement des lectures est effectué par des dispositifs indicateurs du panneau de commande, dont les lectures sont dupliquées sur le moniteur PEVM.

3.5 À la fin de l'expérience, toutes les autorités d'installation réglementaires sont transférées à sa position initiale.

3.6. Des expériences répétées sont effectuées (leur nombre doit être d'au moins 3) et avec d'autres valeurs de T R de la manière prescrite par P.P. 3.1 ... 3.5.

Traitement des résultats de la mesure.

4.1. Par caractéristiques de graduation d'un capteur de capteur de température thermocouple chromel-copiel ils sont transférés à des degrés sur l'échelle de Kelvin. .

4.2. Les températures moyennes des surfaces internes à chaud et à froid des échantillons sont déterminées.

où je suis le numéro de thermocouple.

4.3. Le flux thermique complet créé par un appareil de chauffage électrique est déterminé.

, T.

où vous êtes la tension du courant électrique, dans;

R \u003d 41 ohm - la résistance du chauffage électrique.

4.4. Le courant thermique est déterminé en raison du transfert de chaleur à travers le boîtier

lorsque le coefficient de K, caractérisant le processus de transfert de chaleur à travers le boîtier.

, W / (m 2 grad)

où  k \u003d 0,08 w / (mgrad) est le coefficient de conductivité thermique du matériau du boîtier;

d h \u003d 0,146 m - le diamètre extérieur du radiateur;

d k \u003d 0,190 m - le diamètre extérieur du boîtier;

h \u003d 0,012 m - Hauteur de chauffage;

h k \u003d 0,022 m - la hauteur du boîtier.

T T - la température de la surface extérieure du boîtier, déterminée par le 7ème thermocouple

4.5. Le courant thermique traversant les échantillons à l'étude est déterminé par conductivité thermique

, T.

4.6. Le coefficient de conductivité thermique du matériau de test est déterminé.

, W / (mgrad)

où q  est un flux de chaleur traversant l'échantillon étudié au moyen de conductivité thermique, W;

 \u003d 0,005 m - Épaisseur de l'échantillon;

- surface d'un échantillon, m 2;

d \u003d 0,140 m - diamètre de l'échantillon;

T g, t x - température, respectivement, surfaces chaudes et froides de l'échantillon, K.

4.7. Le coefficient de conductivité thermique dépend de la température, de sorte que les valeurs obtenues sont connectées à la température moyenne de l'échantillon.

Les résultats du traitement de données expérimenté sont enregistrés dans le tableau 1.

Tableau 1

Résultats des mesures et des données expérimentées

4.8. En utilisant la méthode grafoanalytique de traitement des résultats obtenus, la dépendance du coefficient de conductivité thermique du matériau étudié de la température moyenne de l'échantillon M sous la forme de

où  0 IB - sont déterminés par graphiquement sur la base de l'analyse de la caractérisation de la dépendance \u003d F (t m).

Questions de contrôle

Quelles sont les principales méthodes de transfert de chaleur?

Qu'est-ce qu'on appelle la conductivité thermique?

Quelles sont les caractéristiques du mécanisme de conductivité thermique chez les conducteurs et les diélectriques solides?

Quelles sont les lois décrivent le processus de conduction thermique?

Qu'est-ce qu'on appelle le mur plat?

Quelles sont les conditions limites?

Quel est le caractère de changement de température dans un mur plat?

Quelle est la signification physique du coefficient de conductivité thermique?

Quelle est la connaissance du coefficient de conductivité thermique de divers matériaux et de la manière dont sa valeur est déterminée?

Quelles sont les caractéristiques méthodologiques de la méthode de la couche plate?

Procédure en convection gratuite

but du travail: Étudier les schémas de l'échange de chaleur convectif sur l'exemple de transfert de chaleur à la convection libre pour les cas d'écoulement transversal et longitudinal d'une surface chauffée. Achetez les compétences du traitement des résultats des expériences et de les représenter sous une forme généralisée.

La tâche:

1. Déterminer les valeurs expérimentales des coefficients de transfert de chaleur à partir du cylindre horizontal et du cylindre vertical au milieu avec convection libre.

2. En traitant des données expérimentales pour obtenir les paramètres des équations de critères caractérisant le processus de convection libre par rapport à la surface horizontale et verticale.

Dispositions théoriques de base.

Il existe trois principales méthodes de transfert de chaleur, de manière significativement différente de l'autre de leur nature physique:

conductivité thermique;

convection;

rayonnement thermique.

Avec la conductivité thermique, les supports d'énergie thermique sont des microparticules de la substance - atomes et molécules, avec rayonnement thermique - ondes électromagnétiques.

Convection- Il s'agit d'une méthode de transfert de chaleur en raison de la déplacement des quantités macroscopiques d'une substance d'un point d'espace à un autre.

Ainsi, la convection n'est possible que dans des environnements avec la propriété de fluidité - gaz et liquides. Dans la théorie de l'échange de chaleur, ils sont généralement indiqués par le terme "liquide"Sans mener des différences s'il n'est pas nécessaire de négocier, entre les liquides d'égouttement et les gaz. Le processus de transfert de la convection de chaleur, en règle générale, est accompagné de conductivité thermique. Un tel processus est appelé échange de chaleur convectif.

Échange de chaleur convectif- Il s'agit d'un processus conjoint de convection de transfert de chaleur et de conductivité thermique.

Dans la pratique de l'ingénierie, il traite le plus souvent du processus d'échange de chaleur convectif entre la surface solide (par exemple, la surface de la paroi du four, du dispositif de chauffage, etc.) et un fluide lave cette surface. Ce processus est appelé presse chauffée.

Chauffer le pot.- un cas particulier d'échange de chaleur convectif entre la surface du solide (mur) et le fluide de rinçage.

Distinguer forcé et libre (naturel)convection.

Convection forcéeil se produit sous l'action des forces de pression, qui sont créées de force, par exemple une pompe, un ventilateur, etc.

Convection gratuite ou naturelleil se produit sous l'action des forces de masse ayant une nature différente: gravitationnel, centrifuge, électromagnétique, etc.

Sur Terre, la convection libre se produit dans les conditions de gravité, elle est donc appelée convection de gravité thermique. La force motrice du processus dans ce cas est la force de levage, qui se produit dans le milieu en présence d'inhomogénéité dans la répartition de la densité dans le volume considéré. Avec échange de chaleur, une telle inhomogénéité se produit en raison du fait que des éléments individuels du support peuvent être à différentes températures. En même temps, plus chauffé, et par conséquent, des éléments moins denses du milieu sous l'action de la force de levage se déplaceront vers le haut, transportant avec elles la chaleur et les plus cool, et donc, plus les éléments denses du milieu s'écouleront à la Placé libéré, comme le montre la Fig. une.

Figure. 1. La nature du mouvement des ruisseaux en fluide pendant la convection libre

Si une source de chaleur permanente est située dans cet endroit, une fois chauffée, la densité d'éléments chauffants du milieu diminuera et commencera également à apparaître. Ainsi, bien que la différence de densités d'éléments individuels du support aura lieu, leur cycle continuera, c'est-à-dire Convection gratuite continuera. Convection gratuite se produisant dans de grandes zones de l'environnement, où rien n'empêche le développement de flux convectifs, est appelé convection gratuite dans un espace illimité. Convection gratuite dans un espace illimitée, par exemple, a lieu lors du chauffage des locaux, de l'eau de chauffage dans des chaudières à eau chaude et de nombreux autres cas. Si le développement de flux convectifs empêchait les murs des canaux ou des motifs, qui sont remplis d'un fluide, le processus dans ce cas est appelé convection gratuite dans un espace limité. Un tel processus a lieu, par exemple, avec un échange de chaleur à l'intérieur des avions entre les cadres de la fenêtre.

La loi principale décrivant le processus d'échange de chaleur convectif - law Newton Richmana. Sous forme analytique pour le régime de température stationnaire de l'échange de chaleur, il a la forme suivante:

,

où
- quantité élémentaire de chaleur, donnée pour une période de temps élémentaire
de la surface élémentaire
;

- température du mur;

- température fluide;

- le coefficient de transfert de chaleur.

Le coefficient de transfert de chaleurmontre comment la quantité de chaleur est donnée par unité de temps de l'unité de la surface avec la différence de température entre la paroi et le liquide dans un degré. L'unité de mesure du coefficient de transfert de chaleur dans le système C - W / m 2 ∙ Grad. Avec le processus constant stable, le coefficient de transfert de chaleur peut être déterminé à partir de l'expression:

, W / m 2 ∙ grêle

où - flux thermique, w;

- surface de l'échange de chaleur, m 2;

- Pression de la température entre la surface et le liquide, grêle.

Le coefficient de transfert de chaleur caractérise l'intensité de l'échange de chaleur entre la paroi et le liquide le lavant. Dans sa nature physique, l'échange de chaleur convectif est un processus très complexe. Le coefficient de transfert de chaleur dépend du très grand nombre de paramètres différents - les propriétés physiques du fluide, la nature de l'écoulement de fluide, le débit du fluide, la taille et la forme du canal, ainsi que de nombreux autres facteurs. À cet égard, il est impossible de donner une dépendance globale pour trouver le coefficient de transfert de chaleur théorique

Le coefficient de transfert de chaleur est déterminé le plus précis et de manière fiable par une voie expérimentale basée sur l'équation (2). Cependant, dans la pratique de l'ingénierie, lors du calcul des processus d'échange de chaleur dans divers dispositifs techniques, il n'est pas possible d'effectuer une détermination expérimentale de la valeur du coefficient de transfert de chaleur dans une installation de terrain réelle en raison de la complexité et du coût élevé de Cette expérience. Dans ce cas, pour résoudre la tâche de déterminer l'assistance vient théorie de la similitude.

La principale importance pratique de la théorie de la similitude est qu'elle nous permet de résumer les résultats d'une expérience distincte menée sur le modèle dans des conditions de laboratoire, sur l'ensemble de processus réels et d'objets similaires au processus étudié sur le modèle. Le concept de similitude, bien connu pour les formes géométriques, peut également être distribué à tout processus physique et phénomènes.

Classe de phénomènes physiques- Il s'agit d'une combinaison de phénomènes pouvant être décrites par un système commun d'équations et ayant la même nature physique.

Phénomène de l'unité- Cela fait partie de la classe de phénomènes physiques distingués par certaines conditions d'une ambiguïté (géométrique, physique, initiale, limite).

Phénomènes similaires- un groupe de phénomènes d'une classe avec les mêmes conditions sans ambigue, à l'exception des valeurs numériques des valeurs contenues dans ces conditions.

La théorie de la similitude est basée sur le fait que les quantités physiques dimensionnelles caractérisant le phénomène peuvent être combinées dans complexes dimensionnels, Donc, de sorte que le nombre de ces complexes sera inférieur au nombre de valeurs dimensionnelles. Les complexes de la dimension reçus sont appelés critères comme. Les critères de similarité ont une certaine signification physique et reflètent l'effet d'une quantité physique et de toute leur combinaison, qui est incluse dans le critère, qui simplifie considérablement l'analyse du processus étudié. Le processus lui-même dans ce cas peut être représenté comme une dépendance analytique.
entre les critères de similitude
caractériser ses côtés individuels. De telles dépendances sont appelées Équations de critères. Les critères de similitude ont reçu des noms sur les noms des scientifiques qui ont apporté une contribution significative au développement de l'hydrodynamique et de la théorie de l'échange thermique - Nusselt, Prandtle, Graolsgof, Reynolds, Kirpicheva et d'autres.

La théorie de la similitude est basée sur les 3e théorèmes de similarité.

1er théorème:

Des phénomènes similaires ont les mêmes critères de similitude.

Ce théorème montre que dans les expériences, seules ces quantités physiques contenues dans les critères de similarité doivent être mesurées.

2ème théorème:

Les équations mathématiques initiales caractérisant ce phénomène physique peuvent toujours être représentées comme une relation entre les critères de similarité caractérisant ce phénomène.

Ces équations sont appelées critères. Ce théorème montre que des expériences doivent être soumises sous forme d'équations de critères.

3ème théorème.

Ces phénomènes dans lesquels les critères de similarité établis par les conditions de définition sont égaux.

Ce théorème définit la condition nécessaire pour établir une similitude physique. Les critères des similitudes compilées à partir des conditions d'une ambiguïté sont appelées déterminant. Ils déterminent l'égalité de tous les autres ou définiles critères de similitude, qui font déjà l'objet du 1er théorème de similarité. Ainsi, le théorème 3ème de similarité se développe et approfondit le 1er théorème.

Lors de l'étude de l'échange de chaleur convectif, les critères de similarité suivants sont le plus souvent utilisés.

Critère Reynolds (Ré.) - caractérise le rapport entre les forces d'inertie et les forces de frottement visqueuses agissant dans le liquide. La valeur du critère Reynolds caractérise le flux de flux de fluide pendant la convection forcée.

,

où - vitesse fluide;

- le coefficient de la viscosité cinématique du liquide;

- Détermination de la taille.

Critère grasique (Gr.) - caractérise le rapport entre les forces de friction visqueuses et la force de levage agissant dans le liquide, lors de la convection gratuite. La valeur du critère graspood caractérise le flux de flux de fluide pendant la convection libre.

,

où - Accélération de la gravité;

- déterminer la taille;

- Coefficient de température d'expansion du volume du fluide (pour les gaz
où - déterminer la température sur la balance de Kelvin);

- Tête de température entre le mur et le liquide;

- respectivement, la température du mur et du liquide;

- le coefficient de la viscosité cinématique du fluide.

Critère de Nusselt (Nu.) - caractérise la relation entre la quantité de chaleur transmise au moyen de la conductivité thermique et la quantité de chaleur transmise par convection sous un échange de chaleur convectif entre la surface du solide (mur) et liquide, c'est-à-dire. Avec transfert de chaleur.

,

où - coefficient de transfert de chaleur;

- déterminer la taille;

- le coefficient de conductivité thermique du liquide sur le bord de la paroi et du liquide.

Critère de Pakele (PE) - caractérise la relation entre la quantité de chaleur prise (donnée) par le flux de fluide et la quantité de chaleur transmise (donnée) au moyen d'un échange de chaleur convectif.

,

où - débit de fluide;

- déterminer la taille;

- coéfficent de température;

- respectivement, le coefficient de conductivité thermique, la chaleur isobare, la densité du liquide.

Critère PRANDTL (Pr.) - caractérise les propriétés physiques du liquide.

,

où - coefficient de viscosité cinématique;

- le coefficient de liquide de température.

Parmi les critères considérés, la similarité montre que le paramètre le plus important caractérisant l'intensité du processus, à savoir que le taux de transfert de chaleur est dans l'expression du critère de la NUsselt dans le calcul des processus de transfert de chaleur convectif. Cela a conduit au fait que de résoudre les problèmes de méthodes d'ingénierie de transfert de chaleur convective basées sur l'utilisation de la théorie de la similitude, ce critère est le plus important des critères définis. La valeur du coefficient de transfert de chaleur dans ce cas est déterminée selon l'expression suivante

À cet égard, les équations de critères sont généralement écrites sous la forme d'une solution par rapport au critère de Nusselt et ont un type de fonction de puissance.

où
- les valeurs des critères de similitude caractérisant différents côtés du processus considéré;

- Constantes numériques définies sur la base de données expérimentales obtenues lors de l'étude de la classe de phénomènes similaires sur des modèles par des moyens expérimentaux.

Selon le type de convection et les conditions spécifiques du processus, l'ensemble de critères de similarité inclus dans l'équation de critères, les valeurs des constantes et le facteur de correction peuvent être différentes.

Avec l'application pratique des équations de critères, la question du bon choix de la taille décisive et de la température décisive est importante. La température déterminante est nécessaire pour déterminer correctement les valeurs des propriétés physiques du liquide utilisé dans le calcul des valeurs des critères de similarité. Le choix de la taille de détermination dépend de l'emplacement mutuel de l'écoulement de fluide et de la surface lavée, c'est-à-dire sur la nature de son écoulement. Cela devrait être guidé par les recommandations existantes pour les cas caractéristiques suivants.

Convection forcée lors du déplacement du liquide à l'intérieur d'un tube rond.

- le diamètre intérieur du tuyau.

Convection forcée lorsque le fluide se déplace dans les canaux d'une section arbitraire.

- diamètre équivalent,

où - la zone transversale du canal;

- périmètre de la section.

Écoulement transversal d'un tube rond avec convection libre (tuyau horizontal (voir fig. 2) avec convection de gravitation thermique)

- Diamètre extérieur du tuyau.

Fig.2. La nature du flux autour du tuyau horizontal avec une convection gravitationnelle thermique

Écoulement longitudinal autour d'une paroi plate (tuyau) (voir Fig. 3) avec convection gravitationnelle thermique.

- Hauteur de mur (longueur de tuyau).

Figure. 3. La nature du flux autour de la paroi verticale (tuyau) avec convection de gravitation thermique.

Détermination de la température il est nécessaire que la détermination correcte des propriétés thermophysiques du support, dont les valeurs varient en fonction de la température.

Dans le transfert de chaleur comme une température décisive, la moyenne arithmétique de la température de la paroi et du liquide est prise.

Dans un échange de chaleur convectif entre les éléments individuels du milieu dans le volume du volume considéré, la température arithmétique entre les températures des éléments moyens participant à l'échange de chaleur est prise comme la température déterminante.

Dans cet article, la procédure de conduite d'une expérience de laboratoire et de la méthode d'obtention d'équations de critères pour 2 cas caractéristiques d'écoulement autour de la surface chauffée (transversale et longitudinale) avec convection gratuite de divers gaz par rapport aux cylindres horizontaux et verticaux ont été considérés.

Partie expérimentale.