Մինչ օրս միասնական դասակարգում չի մշակվել, ինչը պայմանավորված է բազմազանությամբ առկա մեթոդները. Նյութերի ջերմահաղորդականության չափման հայտնի փորձարարական մեթոդները բաժանվում են երկու մեծ խմբի՝ անշարժ և ոչ ստացիոնար։ Առաջին դեպքում հաշվարկման բանաձևի որակը օգտագործում է ջերմային հաղորդման հավասարման մասնակի լուծումներ

տրամադրվում է, երկրորդում` տրամադրվում է, որտեղ T-ը ջերմաստիճանն է. f - ժամանակ; - ջերմային դիֆուզիոն գործակից; լ - ջերմային հաղորդունակության գործակից; ՀԵՏ - հատուկ ջերմություն; g - նյութի խտությունը; - Լապլասի օպերատոր՝ գրված համապատասխան կոորդինատային համակարգում; - ծավալային ջերմության աղբյուրի հատուկ հզորություն.

Մեթոդների առաջին խումբը հիմնված է ստացիոնար ջերմային ռեժիմի օգտագործման վրա. երկրորդը՝ ոչ ստացիոնար ջերմային ռեժիմը։ Չափումների բնույթով ջերմային հաղորդունակության գործակիցը որոշելու ստացիոնար մեթոդներն ուղղակի են (այսինքն՝ ուղղակիորեն որոշվում է ջերմային հաղորդունակության գործակիցը) և բաժանվում են բացարձակ և հարաբերական: Բացարձակ մեթոդներում փորձնականորեն չափված պարամետրերը հնարավորություն են տալիս հաշվարկման բանաձևի միջոցով ստանալ. պահանջվող արժեքըջերմային հաղորդունակության գործակիցը. Հարաբերական մեթոդներում փորձարարականորեն չափված պարամետրերը հնարավորություն են տալիս ստանալ ջերմային հաղորդունակության գործակիցի ցանկալի արժեքը՝ օգտագործելով հաշվարկման բանաձևը։ Հաշվարկի չափված պարամետրերի հարաբերական մեթոդներում բացարձակ արժեքպարզվում է, որ բավարար չէ. Այստեղ հնարավոր է երկու դեպք. Առաջինը մոնիտորինգ է ջերմային հաղորդունակության գործակցի փոփոխության մոնիտորինգը սկզբնականի նկատմամբ՝ ընդունված որպես միասնություն։ Երկրորդ դեպքը հայտնի ջերմային հատկություններով տեղեկատու նյութի օգտագործումն է: Միևնույն ժամանակ, ներս հաշվարկման բանաձևօգտագործվում է ստանդարտի ջերմահաղորդականության գործակիցը: Հարաբերական մեթոդները որոշ առավելություններ ունեն բացարձակ մեթոդների նկատմամբ, քանի որ դրանք ավելի պարզ են: Ստացիոնար մեթոդների հետագա բաժանումը կարող է իրականացվել տաքացման բնույթով (արտաքին, ծավալային և համակցված) և նմուշներում ջերմաստիճանի դաշտի իզոթերմների տեսակով (հարթ, գլանաձև, գնդաձև): հետ մեթոդների ենթախումբ արտաքին ջեռուցումներառում է բոլոր մեթոդները, որոնք օգտագործում են արտաքին (էլեկտրական, ծավալային և այլն) տաքացուցիչներ և նմուշների մակերեսների ջեռուցում ջերմային ճառագայթման կամ էլեկտրոնային ռմբակոծման միջոցով: Ծավալային ջեռուցմամբ մեթոդների ենթախումբը միավորում է բոլոր մեթոդները, որոնք օգտագործում են ջեռուցումը նմուշի միջով անցնող հոսանքի միջոցով, ուսումնասիրվող նմուշի տաքացումը նեյտրոնային կամ g ճառագայթումից կամ գերբարձր հաճախականության հոսանքներից: Համակցված ջեռուցմամբ մեթոդների ենթախումբը կարող է ներառել մեթոդներ, որոնք միաժամանակ օգտագործում են նմուշների արտաքին և ծավալային տաքացում կամ միջանկյալ ջեռուցում (օրինակ՝ բարձր հաճախականությամբ հոսանքներով):

Ստացիոնար մեթոդների բոլոր երեք ենթախմբերում ջերմաստիճանի դաշտը

կարող է տարբեր լինել:

Հարթ իզոթերմներ են ձևավորվում, երբ ջերմային հոսքը ուղղվում է նմուշի համաչափության առանցքի երկայնքով: Գրականության մեջ հարթ իզոթերմներ օգտագործող մեթոդները կոչվում են առանցքային կամ երկայնական ջերմային հոսքով մեթոդներ, իսկ փորձարարական կարգավորումներն իրենք՝ հարթ սարքեր:

Գլանաձեւ իզոթերմները համապատասխանում են ջերմային հոսքի տարածմանը գլանաձեւ նմուշի շառավղով։ Այն դեպքում, երբ ջերմային հոսքը ուղղվում է գնդաձև նմուշի շառավղով, առաջանում են գնդաձև իզոթերմներ։ Նման իզոթերմներ օգտագործող մեթոդները կոչվում են գնդաձև, իսկ սարքերը՝ գնդաձև։

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

ՄԵՏԱՂՆԵՐԻ ՆՄԱՆՄԱՆՆԵՐԻ ՋԵՐՄԱհաղորդականության ՉԱՓՈՒՄԸ ՍՏԱՆԻԿ ՋԵՐՄԻ ՀՈՍՔԻ ՄԵԹՈԴՈՎ.

Անոտացիա. Նկարագրված է տեխնիկան և դիզայնի առանձնահատկություններըմետաղական նմուշների ջերմային հաղորդունակության գործակիցը չափելու կայանքներ, որոնք պատրաստված են համասեռ գլանաձև գավազանի կամ բարակ ուղղանկյուն ափսեի տեսքով՝ անշարժ ջերմային հոսքի մեթոդով: Ուսումնասիրվող նմուշը ջեռուցվում է ուղիղ էլեկտրական ջեռուցմամբ՝ կարճ զարկերակով փոփոխական հոսանք, ամրացված զանգվածային պղնձի հոսանքի սեղմակներում, որոնք միաժամանակ ծառայում են որպես ջերմատախտակ։

Բանալի բառեր՝ ջերմահաղորդականության գործակից, նմուշ, Ֆուրիեի օրենք, անշարժ ջերմափոխանակություն, չափիչ սարքավորում, տրանսֆորմատոր, մուլտիմեր, ջերմազույգ:

Ներածություն

Քաոսային շարժվող մասնիկների (էլեկտրոններ, մոլեկուլներ, ատոմներ և այլն) միջոցով պինդ մարմնի ավելի տաքացած տարածքներից ջերմային էներգիայի փոխանցումը դեպի քիչ տաքացած տարածքներ կոչվում է ջերմահաղորդականության երևույթ։ Ջերմահաղորդականության երևույթի ուսումնասիրությունը լայնորեն կիրառվում է տարբեր արդյունաբերություններարդյունաբերություններ, ինչպիսիք են՝ նավթը, օդատիեզերական, ավտոմոբիլաշինությունը, մետաղագործությունը, հանքարդյունաբերությունը և այլն։

Ջերմային փոխանցման երեք հիմնական տեսակ կա՝ կոնվեկցիա, ջերմային ճառագայթում և ջերմահաղորդում։ Ջերմային հաղորդունակությունը կախված է նյութի բնույթից և նրա ֆիզիկական վիճակից: Ընդ որում, հեղուկների մեջ և պինդ նյութեր(դիէլեկտրիկներ) էներգիայի փոխանցումն իրականացվում է առաձգական ալիքներով, գազերում՝ ատոմների (մոլեկուլների) բախման և դիֆուզիայի միջոցով, իսկ մետաղներում՝ ազատ էլեկտրոնների դիֆուզիայի միջոցով և ցանցի ջերմային թրթիռների օգնությամբ։ Մարմնի ջերմության փոխանցումը կախված է նրանից, թե ինչ վիճակում է այն գտնվում՝ գազային, հեղուկ կամ պինդ:

Հեղուկների ջերմային հաղորդունակության մեխանիզմը տարբերվում է գազերում ջերմահաղորդականության մեխանիզմից և շատ ընդհանրություններ ունի պինդ մարմինների ջերմային հաղորդունակության հետ։ հետ տարածքներում բարձր ջերմաստիճանկան մեծ ամպլիտուդով մոլեկուլների թրթռումներ։ Այս թրթռումները փոխանցվում են հարակից մոլեկուլներին, և այդպիսով ջերմային շարժման էներգիան աստիճանաբար փոխանցվում է շերտից շերտ։ Այս մեխանիզմը ապահովում է ջերմային հաղորդունակության գործակիցի համեմատաբար փոքր արժեք: Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ հեղուկների մեծ մասի ջերմային հաղորդունակության գործակիցը նվազում է (բացառություն են կազմում ջուրը և գլիցերինը, որոնց համար ջերմահաղորդականության գործակիցը մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ):

Իդեալական գազերում մոլեկուլային շարժման միջոցով կինետիկ էներգիայի փոխանցման ֆենոմենը պայմանավորված է ջերմության փոխանցմամբ ջերմային հաղորդունակությամբ։ Մոլեկուլային շարժման պատահականության պատճառով մոլեկուլները շարժվում են բոլոր ուղղություններով։ Տեղափոխվելով ավելի շատ վայրերից բարձր ջերմաստիճանիԱվելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող վայրերում մոլեկուլները փոխանցում են շարժման կինետիկ էներգիան զույգ բախումների պատճառով: Մոլեկուլային շարժման արդյունքում տեղի է ունենում ջերմաստիճանի աստիճանական հավասարեցում. անհավասար ջեռուցվող գազում ջերմության փոխանցումը որոշակի քանակությամբ կինետիկ էներգիայի փոխանցումն է մոլեկուլների պատահական (քաոսային) շարժման ժամանակ։ Ջերմաստիճանի նվազման հետ գազերի ջերմահաղորդականությունը նվազում է։

Մետաղներում ջերմության հիմնական հաղորդիչը ազատ էլեկտրոններն են, որոնք կարելի է համեմատել իդեալական միատոմ գազի հետ։ Հետեւաբար, որոշ մոտավորությամբ

Շենքի ջերմահաղորդականության գործակիցը և ջերմամեկուսիչ նյութերայն մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացմամբ, իսկ ծավալային քաշի ավելացմամբ՝ ավելանում։ Ջերմային հաղորդունակության գործակիցը մեծապես կախված է նյութի ծակոտկենությունից և խոնավությունից: Ջերմային ջերմահաղորդություն տարբեր նյութերտատանվում է միջակայքում՝ 2-450 W/(m K):

1. Ջերմային հավասարում

Ջերմային հաղորդունակության օրենքը հիմնված է Ֆուրիեի հիպոթեզի վրա ջերմային հոսքի համաչափության և ջերմաստիճանի տարբերության մեկ միավորի երկարության ջերմության փոխանցման ուղու մեկ միավոր ժամանակում: Թվային առումով ջերմային հաղորդունակության գործակիցը հավասար է միավորի մակերեսով մեկ միավորի ժամանակի ընթացքում հոսող ջերմության քանակին, որի ջերմաստիճանի տարբերությունը մեկ միավորի երկարության նորմայի համար հավասար է մեկ աստիճանի:

Ֆուրիեի օրենքի համաձայն. մակերեսի խտությունըջերմային հոսքը h համամասնական

ջերմաստիճանի գրադիենտ -:

Այստեղ X գործակիցը կոչվում է ջերմահաղորդականության գործակից։ Մինուս նշանը ցույց է տալիս, որ ջերմությունը փոխանցվում է ջերմաստիճանի նվազման ուղղությամբ: Իզոթերմ մակերևույթի միավորի միջով մեկ միավոր ժամանակում անցկացվող ջերմության քանակը կոչվում է ջերմային հոսքի խտություն.

Բ իզոթերմային մակերեսով մեկ միավոր ժամանակի ընթացքում անցնող ջերմության քանակը կոչվում է ջերմային հոսք.

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

Այս մակերևույթի B միջով անցած ջերմության ընդհանուր քանակը t ժամանակի ընթացքում կորոշվի հավասարումից

From=-DL-^t. (1.4)

2. Ջերմահաղորդականության սահմանային պայմաններ

Գոյություն ունենալ տարբեր պայմաններմիանշանակություն. երկրաչափական - բնութագրում է մարմնի ձևը և չափերը, որոնցում տեղի է ունենում ջերմային հաղորդունակության գործընթացը. ֆիզիկական - բնութագրում է մարմնի ֆիզիկական հատկությունները. ժամանակավոր - բնութագրում է մարմնի ջերմաստիճանի բաշխումը ժամանակի սկզբնական պահին. սահման - բնութագրում է մարմնի փոխազդեցությունը շրջակա միջավայրի հետ:

Առաջին տեսակի սահմանային պայմանները. Այս դեպքում մարմնի մակերեսի վրա ջերմաստիճանի բաշխումը նշվում է ժամանակի յուրաքանչյուր պահի համար:

Երկրորդ տեսակի սահմանային պայմաններ. Այս դեպքում նշված արժեքը մարմնի մակերեսի յուրաքանչյուր կետի ջերմային հոսքի խտությունն է ցանկացած պահի.

Յարա = I (X, Y, 2,1):

Երրորդ տեսակի սահմանային պայմաններ. Այս դեպքում նշվում են T0 միջավայրի ջերմաստիճանը և մարմնի մակերեսի հետ այս միջավայրի ջերմափոխանակման պայմանները։

Չորրորդ տեսակի սահմանային պայմանները ձևավորվում են մարմինների շփման մակերեսով անցնող ջերմային հոսքերի հավասարության հիման վրա։

3. Ջերմային հաղորդունակության գործակիցի չափման փորձարարական կարգավորում

Ժամանակակից մեթոդներՋերմային հաղորդունակության գործակիցների որոշումը կարելի է բաժանել երկու խմբի՝ ստացիոնար ջերմային հոսքի մեթոդներ և ոչ ստացիոնար ջերմային հոսքի մեթոդներ:

Մեթոդների առաջին խմբում մարմնի կամ մարմինների համակարգի միջով անցնող ջերմության հոսքը մեծությամբ և ուղղությամբ մնում է անփոփոխ։ Ջերմաստիճանի դաշտը անշարժ է:

Անցումային մեթոդները օգտագործում են ժամանակի փոփոխվող ջերմաստիճանի դաշտ:

IN այս աշխատանքըՕգտագործվել է ստացիոնար ջերմային հոսքի մեթոդներից մեկը՝ Կոլրաուշի մեթոդը։

Մետաղական նմուշների ջերմային հաղորդունակության չափման տեղակայման բլոկային դիագրամը ներկայացված է Նկ. 1.

Բրինձ. 1. Բլոկային դիագրամ չափման կարգավորում

Տեղադրման հիմնական տարրը հոսանքի ներքև տրանսֆորմատոր 7-ն է, որի առաջնային ոլորուն միացված է LATR 10 տիպի ավտոտրանսֆորմատորին, իսկ երկրորդական ոլորուն, որը պատրաստված է վեց պտույտ ունեցող ուղղանկյուն պղնձե ավտոբուսից, ուղղակիորեն միացված է: զանգվածային պղնձի հոսանքի սեղմակներ 2, որոնք միաժամանակ ծառայում են որպես ջերմատախտակ-սառնարան: Փորձարկման նմուշը 1 ամրագրված է զանգվածային պղնձի հոսանքի սեղմակներում 2, օգտագործելով զանգվածային պղնձե պտուտակներ (նկարում ներկայացված չէ), որոնք միաժամանակ ծառայում են որպես ջերմատախտակ: Փորձարկման նմուշի տարբեր կետերում ջերմաստիճանի վերահսկումն իրականացվում է Chromel-Copel 3 և 5 ջերմազույգերի միջոցով, որոնց աշխատանքային ծայրերը ուղղակիորեն ամրացված են գլանաձեւ մակերեսնմուշ 1 - մեկը նմուշի կենտրոնական մասում, իսկ մյուսը նմուշի վերջում: 3 և 5 ջերմազույգների ազատ ծայրերը միացված են DT-838 4 և 6 տիպի մուլտիմերներին, որոնք թույլ են տալիս ջերմաստիճանի չափումներ կատարել 0,5 °C ճշգրտությամբ: Նմուշը ջեռուցվում է ուղղակի էլեկտրական ջեռուցմամբ՝ փոփոխական հոսանքի կարճ իմպուլսով ուժային տրանսֆորմատոր 7-ի երկրորդական ոլորուց: Փորձարկման նմուշում հոսանքը չափվում է անուղղակիորեն՝ չափելով լարումը օղակաձև հոսանքի տրանսֆորմատոր 8-ի երկրորդական ոլորուն վրա, որի առաջնային ոլորունը ուժային տրանսֆորմատորի 7-ի երկրորդական ոլորման ուժային ավտոբուսն է, որն անցել է օղակաձև մագնիսական միջուկի ազատ բացվածքով։ Ընթացիկ տրանսֆորմատորի երկրորդական ոլորման լարումը չափվում է մուլտիմետրով 9:

Ուսումնասիրվող նմուշում իմպուլսային հոսանքի մեծության փոփոխությունն իրականացվում է գծային ավտոտրանսֆորմատոր 10-ի (LATR) միջոցով, որի առաջնային ոլորուն, սերիական միացված ցանցի ապահովիչ 13-ի և 12 կոճակի միջոցով, միացված է փոփոխական հոսանքի: Ցանց 220 Վ լարմամբ: Փորձարկման նմուշի վրա լարման անկումը ուղղակի էլեկտրական ջեռուցման ռեժիմում իրականացվում է մուլտիմետր 14-ի միջոցով, որը զուգահեռաբար միացված է ընթացիկ տերմինալներին 2: Ընթացիկ իմպուլսների տևողությունը չափվում է օգտագործելով էլեկտրական վայրկյանաչափ 11, որը միացված է գծային ավտոտրանսֆորմատոր 10-ի առաջնային ոլորուն: Փորձարկման նմուշի ջեռուցման ռեժիմի միացումը և անջատումը կատարվում է 12 կոճակով:

Վերը նկարագրված տեղադրման միջոցով ջերմային հաղորդունակության գործակիցը չափելիս պետք է պահպանվեն հետևյալ պայմանները.

Փորձարկման նմուշի խաչմերուկի միատեսակությունը ողջ երկարությամբ.

Փորձարկման նմուշի տրամագիծը պետք է լինի 0,5 մմ-ից 3 մմ միջակայքում (հակառակ դեպքում հիմնական ջերմային հզորությունը կթողարկվի ուժային տրանսֆորմատոր, և ոչ ուսումնասիրված նմուշում):

Ջերմաստիճանի դիագրամը նմուշի երկարության համեմատ ներկայացված է Նկ. 2.

Բրինձ. 2. Ջերմաստիճանի կախվածությունը նմուշի երկարությունից

Ինչպես երևում է վերևի գծապատկերից, ջերմաստիճանի կախվածությունը հետազոտվող նմուշի երկարությունից գծային է՝ նմուշի կենտրոնական մասում հստակ արտահայտված առավելագույնով, իսկ ծայրերում այն ​​մնում է նվազագույն (հաստատուն) և հավասար ջերմաստիճանին։ միջավայրըջերմության փոխանցման հավասարակշռության ռեժիմի հաստատման ժամանակային միջակայքում, որը տվյալ փորձարարական կարգավորումչի գերազանցում 3 րոպեն, այսինքն. 180 վայրկյան.

4. Ջերմահաղորդականության գործակցի աշխատանքային բանաձեւի ստացում

Էլեկտրական հոսանքի ընթացքում հաղորդիչում թողարկված ջերմության քանակը կարող է որոշվել Ջուլ-Լենցի օրենքի համաձայն.

Քել = 12-I^ = u I I, (4.1)

որտեղ և, ես ուսումնասիրվող նմուշի լարումն ու հոսանքն եմ. Ես նմուշի դիմադրությունն է:

Հետազոտվող նմուշի խաչմերուկով փոխանցվող ջերմության քանակությունը t ժամանակային միջակայքում, որը պատրաստված է £ երկարությամբ և 5 հատ հատույթով համասեռ գլանաձև ձողի տեսքով, կարող է հաշվարկվել Ֆուրիեի օրենքով (1.4).

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

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

Այստեղ 2 և 1/2 գործակիցները ցույց են տալիս, որ ջերմային հոսքը ուղղված է

նմուշի կենտրոնը մինչև իր ծայրերը, այսինքն. բաժանվում է երկու հոսքի. Հետո

^^բ = 8-Ի-(Գտահ -Տտ|ն) -Բ^ . (4.3)

5. Ջերմային կորուստների հաշվառում կողային մակերես

§Օժր = 2- Բբոք -ԴԹհա, (5.1)

որտեղ Bbok = n-th-1; a-ն փորձանմուշի մակերևույթի և շրջակա միջավայրի միջև ջերմափոխանակության գործակիցն է, որն ունի չափ

Ջերմաստիճանի տարբերություն

DGx = Tx - T0cr, (5.2)

որտեղ Tx-ը նմուշի մակերեսի տվյալ կետում ջերմաստիճանն է. Hocr - շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը, կարելի է հաշվարկել գծային հավասարումՆմուշի ջերմաստիճանի կախվածությունը դրա երկարությունից.

Tx = T0 + k-x, (5.3)

Որտեղ լանջին k-ն կարող է որոշվել նմուշի ջերմաստիճանի երկարությունից գծային կախվածության թեքության շոշափման միջոցով.

DT T - T T - T

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

(5.2), (5.3) և (5.4) արտահայտությունները փոխարինելով (5.1) հավասարմամբ՝ ստանում ենք.

SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,

որտեղ T0 Тсжр.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)

(5.5) արտահայտությունը ինտեգրելուց հետո մենք ստանում ենք.

Q0Kp = 2-րդ■ dk j jdt■ x■ dx = 2-րդ-a-k■-I - | ■ տ = -4ա^նդ■ կ■ I2 ■ տ. (5.6)

Ստացված արտահայտությունները (4.1), (4.3) և (5.6) փոխարինելով ջերմային հաշվեկշռի aoln = ogr + qs հավասարման մեջ, որտեղ Qtot = QEL, մենք ստանում ենք.

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

Լուծելով ջերմահաղորդականության գործակցի ստացված հավասարումը` ստանում ենք.

u1 a £2, լ

Ստացված արտահայտությունը թույլ է տալիս մեզ որոշել բարակ մետաղական ձողերի ջերմային հաղորդունակության գործակիցը համեմատական ​​սխալով բնորոշ փորձանմուշների համար կատարված հաշվարկներին համապատասխան։

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

ոչ ավելի, քան 1,5%:

Մատենագիտություն

1. Սիվուխին, Դ.Վ. Ընդհանուր դասընթացֆիզիկա / D. V. Sivukhin. - M.: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 p.

2. Ռուդին, Ա. ուսումնական հաստատություններ. Վոլգայի շրջան. Բնական գիտություններ. - 2003. - No 6. - P. 123-137:

3. Պավլով, Պինդ վիճակի ֆիզիկա: Դասագիրք. ձեռնարկ «Ֆիզիկա» մասնագիտությամբ սովորող ուսանողների համար / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - Մ.: Ավելի բարձր: դպրոց, 1985. - 384 էջ.

4. Berman, R. Պինդ մարմինների ջերմային հաղորդունակությունը / R. Berman. - Մ., 1979. - 287 էջ.

5. Լիվշից, Բ.Գ. Ֆիզիկական հատկություններմետաղներ և համաձուլվածքներ / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - Մ.: Մետալուրգիա, 1980. - 320 էջ.

Լուզինա Աննա Վյաչեսլավովնա Լուզինա Աննա Վյաչեսլավովնա

բակալավրիատի, մագիստրատուրայի ուսանող,

Պենզայի պետական ​​համալսարան Պենզայի պետական ​​համալսարան Էլ. [էլփոստը պաշտպանված է]

Ռուդին Ալեքսանդր Վասիլևիչ

Պենզայի պետական ​​համալսարանի ֆիզիկամաթեմատիկական գիտությունների թեկնածու, դոցենտ, ֆիզիկայի ամբիոնի վարիչի տեղակալ Էլ. [էլփոստը պաշտպանված է]

Ռուդին Ալեքսանդր Վասիլևիչ

ֆիզիկամաթեմատիկական գիտությունների թեկնածու, դոցենտ,

Պենզայի պետական ​​համալսարանի ֆիզիկայի ենթաբաժնի պետի տեղակալ

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 Լուզինա, Ա.Վ.

Մետաղական նմուշների ջերմային հաղորդունակության չափում ստացիոնար ջերմային հոսքի մեթոդով /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Պենզայի տեղեկագիր պետական ​​համալսարան. - 2016. - Թիվ 3 (15). - ՀԵՏ. 76-82 թթ.

Ըստ պահանջների դաշնային օրենքԹիվ 261-FZ «Էներգախնայողության մասին» Ռուսաստանում շենքերի և ջերմամեկուսիչ նյութերի ջերմահաղորդականության պահանջները խստացվել են։ Այսօր ջերմահաղորդականության չափումը մեկն է պարտադիր իրերնյութը որպես ջերմամեկուսիչ օգտագործելու որոշում կայացնելիս:

Ինչու՞ է անհրաժեշտ շինարարության մեջ չափել ջերմային հաղորդունակությունը:

Շենքերի և ջերմամեկուսիչ նյութերի ջերմահաղորդականությունը վերահսկվում է լաբորատոր պայմաններում դրանց սերտիֆիկացման և արտադրության բոլոր փուլերում, երբ նյութերը ենթարկվում են ազդեցության. տարբեր գործոններ, ազդելով դրա գործառնական հատկությունների վրա: Ջերմային հաղորդունակության չափման մի քանի ընդհանուր մեթոդներ կան. Ցածր ջերմային հաղորդունակությամբ (0,04 - 0,05 W/m*K-ից ցածր) նյութերի ճշգրիտ լաբորատոր փորձարկումների համար խորհուրդ է տրվում օգտագործել սարքեր՝ օգտագործելով ստացիոնար ջերմային հոսքի մեթոդը: Դրանց օգտագործումը կարգավորվում է ԳՕՍՏ 7076-ով:

Interpribor ընկերությունը առաջարկում է ջերմային հաղորդունակության հաշվիչ, որի գինը բարենպաստորեն համեմատվում է շուկայում առկաների հետ և համապատասխանում է բոլորին. ժամանակակից պահանջներ. Այն նախատեսված է շինությունների և ջերմամեկուսիչ նյութերի լաբորատոր որակի վերահսկման համար։

ITS-1 ջերմահաղորդականության հաշվիչի առավելությունները

ITS-1 ջերմահաղորդականության հաշվիչը ունի օրիգինալ մոնոբլոկ դիզայն և բնութագրվում է հետևյալ առավելություններով.

• ավտոմատ չափման ցիկլ;
• բարձր ճշգրտության չափման ուղի, որը թույլ է տալիս կայունացնել սառնարանի և ջեռուցիչի ջերմաստիճանը.
• սարքի տրամաչափման հնարավորությունը առանձին տեսակներուսումնասիրվող նյութեր, ինչը ավելի է մեծացնում արդյունքների ճշգրտությունը.
• չափման գործընթացում արդյունքի արտահայտիչ գնահատում.
• օպտիմիզացված «տաք» անվտանգության գոտի;
• տեղեկատվական գրաֆիկական էկրան, որը հեշտացնում է չափումների արդյունքների վերահսկումն ու վերլուծությունը:

ITS-1-ը մատակարարվում է մեկ հիմնական ձևափոխմամբ, որը հաճախորդի ցանկությամբ կարող է համալրվել հսկիչ նմուշներով (պլեքսիգլաս և պենոպլեքս), զանգվածային նյութերի տուփ և սարքը պահելու և տեղափոխելու համար պաշտպանիչ պատյան:

Ջերմային հաղորդունակությունը չափելու համար նախկինում կիրառվել են բազմաթիվ մեթոդներ։ Ներկայումս դրանցից մի քանիսը հնացած են, բայց դրանց տեսությունը դեռևս հետաքրքրություն է ներկայացնում, քանի որ դրանք հիմնված են ջերմահաղորդման հավասարումների լուծումների վրա։ պարզ համակարգեր, որոնք հաճախ են հանդիպում գործնականում։

Նախևառաջ պետք է նշել, որ ցանկացած նյութի ջերմային հատկությունները հայտնվում են տարբեր համակցություններով. սակայն, եթե դիտարկվեն որպես նյութական բնութագրեր, դրանք կարող են որոշվել տարբեր փորձերից: Թվարկենք մարմինների հիմնական ջերմային բնութագրերը և փորձերը, որոնցից դրանք որոշվում են. բ) ջերմային հզորությունը մեկ միավորի ծավալով, որը չափվում է կալորիմետրիկ մեթոդներով. գ) փորձերի պարբերական անշարժ ռեժիմում չափված քանակությունը. դ) ջերմային դիֆուզիոն x՝ չափված անկայուն փորձարարական պայմաններում: Իրականում, ոչ ստացիոնար ռեժիմով կատարված փորձերի մեծ մասը, սկզբունքորեն, թույլ է տալիս և՛ որոշում, և՛ որոշում

Այստեղ մենք հակիրճ կնկարագրենք ամենատարածված մեթոդները և կնշենք դրանք ընդգրկող բաժինները: Ըստ էության, այս մեթոդները բաժանվում են նրանց, որոնցում չափումները կատարվում են անշարժ ռեժիմով (կայուն ռեժիմի մեթոդներ), պարբերական ջեռուցմամբ և ոչ ստացիոնար ռեժիմով (ոչ ստացիոնար եղանակով մեթոդներ). Նրանք հետագայում բաժանվում են մեթոդների, որոնք օգտագործվում են վատ հաղորդիչների և մետաղների ուսումնասիրության մեջ:

1. Ստացիոնար ռեժիմի մեթոդներ; վատ դիրիժորներ. Այս մեթոդով սույն գլխի § 1-ում սահմանված հիմնական փորձի պայմանները պետք է խստորեն պահպանվեն, և ուսումնասիրվող նյութը պետք է ունենա ափսեի ձև: Մեթոդի այլ տարբերակներում դուք կարող եք ուսումնասիրել նյութը խոռոչ գլանի տեսքով (տես § 2, Գլուխ VII) կամ սնամեջ գունդ (տես § 2, Գլուխ IX): Երբեմն փորձարկվող նյութը, որի միջով անցնում է ջերմությունը, ունի հաստ ձողի ձև, բայց ներս այս դեպքումտեսությունը պարզվում է, որ ավելի բարդ է (տե՛ս Գլուխ VI-ի §§ 1, 2 և VIII գլխի § 3):

2. Ջերմային մեթոդներստացիոնար ռեժիմ; մետաղներ. Այս դեպքում սովորաբար օգտագործվում է ձողի տեսքով մետաղական նմուշ, որի ծայրերը պահպանվում են տարբեր ջերմաստիճաններում։ Գլխի 3-րդ կետում դիտարկվում է կիսասահմանափակ ձողը: IV, իսկ ձողը վերջավոր երկարություն- § 5 գլխ. IV.

3. Էլեկտրական մեթոդներանշարժ ռեժիմ, մետաղներ. Այս դեպքում մետաղալարի տեսքով մետաղական նմուշը տաքացվում է դրա միջով էլեկտրական հոսանք անցնելու միջոցով, և դրա ծայրերը պահպանվում են տվյալ ջերմաստիճանում (տե՛ս § 11, Գլուխ IV և օրինակ IX, § 3, Գլուխ VIII): Դուք կարող եք նաև օգտագործել շառավղային ջերմային հոսքի դեպքը տաքացվող մետաղալարում էլեկտրական ցնցում(տե՛ս օրինակ V § 2 գլուխ VII):

4. Հեղուկների շարժման ստացիոնար ռեժիմի մեթոդներ: Այս դեպքում չափվում է երկու ջրամբարների միջև շարժվող հեղուկի ջերմաստիճանը, որոնցում պահպանվում են տարբեր ջերմաստիճաններ (տես § 9, Գլուխ IV):

5. Պարբերական ջեռուցման մեթոդներ. Այս դեպքերում գավազանի կամ ափսեի ծայրերում պայմանները փոխվում են որոշակի ժամանակահատվածի հետ կայուն վիճակի հասնելուց հետո, ջերմաստիճանը չափվում է նմուշի որոշակի կետերում. Կիսաշրջափակված ձողի դեպքը դիտարկվում է գլխի 4-րդ կետում: IV, իսկ վերջավոր երկարությամբ ձող՝ նույն գլխի § 8-ում։ Նմանատիպ մեթոդ օգտագործվում է հողի ջերմային դիֆուզիոն որոշելու համար՝ պայմանավորված ջերմաստիճանի տատանումների ժամանակ արևային ջեռուցում(տե՛ս, § 12, Գլուխ II):

IN Վերջերսայս մեթոդները սկսեցին կարևոր դեր խաղալ ցածր ջերմաստիճանի չափումների մեջ. նրանք ունեն նաև այն առավելությունը, որ տեսականորեն համեմատաբար բարդ համակարգերդուք կարող եք օգտագործել էլեկտրական ալիքատարների ուսումնասիրության մշակված մեթոդները (տես § 6, Գլուխ I):

6. Ոչ ստացիոնար ռեժիմի մեթոդներ. Նախկինում անցողիկ մեթոդները որոշ չափով ավելի քիչ են օգտագործվել, քան կայուն վիճակի մեթոդները: Նրանց թերությունն այն է, որ դժվարությունն է պարզել, թե ինչպես են փորձի իրական սահմանային պայմանները համապատասխանում տեսության կողմից հաստատված պայմաններին: Հաշվի առեք նման անհամապատասխանությունը (օրինակ, երբ մենք խոսում ենքսահմանին շփման դիմադրության մասին) շատ դժվար է, և սա ավելի կարևոր է այս մեթոդների համար, քան ստացիոնար եղանակների համար (տես § 10, Գլուխ II): Միևնույն ժամանակ, ոչ ստացիոնար ռեժիմի մեթոդներն իրենք ունեն հայտնի առավելություններ: Այսպիսով, այս մեթոդներից մի քանիսը հարմար են շատ արագ չափումներ կատարելու և ջերմաստիճանի փոքր փոփոխությունները հաշվի առնելու համար. Բացի այդ, մի շարք մեթոդներ կարող են կիրառվել «in situ»՝ առանց նմուշը լաբորատորիա տեղափոխելու, ինչը շատ ցանկալի է, հատկապես այնպիսի նյութեր, ինչպիսիք են հողերը և ապարները ուսումնասիրելիս: Ավելի հին մեթոդներից շատերը օգտագործում են ջերմաստիճանի համեմատ ժամանակի գրաֆիկի միայն վերջին մասը. այս դեպքում համապատասխան հավասարման լուծումն արտահայտվում է մեկ էքսպոնենցիալ անդամով: § 7 գլ. IV, § 5 գլ. VI, § 5 գլ. VIII և § 5 գլ. IX Դիտարկվում է պարզ երկրաչափական ձևի մարմնի սառեցման դեպքը նրա մակերեսից գծային ջերմափոխադրմամբ։ § 14 գլ. IV, դիտարկվում է էլեկտրական հոսանքով տաքացվող լարում ոչ ստացիոնար ջերմաստիճանի դեպքը։ Որոշ դեպքերում օգտագործվում է մի կետում ջերմաստիճանի փոփոխությունների ամբողջ գրաֆիկը (տես § 10, Գլուխ II և § 3, Գլուխ III):

Աշխատանքի նպատակըգործակիցի փորձարարական որոշման մեթոդաբանության ուսումնասիրություն

Պինդ նյութերի ջերմային հաղորդունակությունը թիթեղային մեթոդով.

Զորավարժություններ:1. Որոշեք ուսումնասիրվող նյութի ջերմահաղորդականության գործակիցը:

2. Որոշեք ջերմահաղորդականության գործակիցի կախվածությունը ջերմաստիճանից

ուսումնասիրվող նյութը.

ՀԻՄՆԱԿԱՆ ԴՐՈՒՅԹՆԵՐ.

Ջերմափոխանակությունջերմության փոխանցման ինքնաբուխ անշրջելի գործընթաց է տիեզերքում՝ ջերմաստիճանի տարբերության առկայության դեպքում։ Գոյություն ունեն ջերմության փոխանցման երեք հիմնական եղանակ, որոնք էապես տարբերվում են իրենց ֆիզիկական բնույթով.

ջերմային ջերմահաղորդություն;

կոնվեկցիա;

ջերմային ճառագայթում.

Գործնականում ջերմությունը, որպես կանոն, միաժամանակ փոխանցվում է մի քանի եղանակներով, սակայն այդ գործընթացների իմացությունն անհնար է առանց ջերմության փոխանցման տարրական գործընթացների ուսումնասիրության։

Ջերմային ջերմահաղորդությունմիկրոմասնիկների ջերմային շարժման հետևանքով առաջացած ջերմության փոխանցման գործընթացն է։ Գազերում և հեղուկներում ջերմության փոխանցումը ջերմահաղորդականությամբ տեղի է ունենում ատոմների և մոլեկուլների դիֆուզիայի միջոցով։ Պինդ մարմիններում ատոմների և մոլեկուլների ազատ տեղաշարժը նյութի ողջ ծավալով անհնար է և կրճատվում է միայն նրանց թրթռումային շարժման նկատմամբ՝ որոշակի հավասարակշռության դիրքերի նկատմամբ։ Հետևաբար, պինդ մարմիններում ջերմային հաղորդունակության պրոցեսը պայմանավորված է այս տատանումների ամպլիտուդի մեծացմամբ, որը տարածվում է մարմնի ամբողջ ծավալով՝ տատանվող մասնիկների միջև ուժային դաշտերի խախտման պատճառով։ Մետաղներում ջերմային հաղորդունակությամբ ջերմային փոխանցումը տեղի է ունենում ոչ միայն բյուրեղային ցանցի հանգույցներում տեղակայված իոնների և ատոմների թրթռումների պատճառով, այլև ազատ էլեկտրոնների շարժման պատճառով՝ ձևավորելով այսպես կոչված «էլեկտրոն գազ»: Մետաղներում ազատ էլեկտրոնների տեսքով լրացուցիչ ջերմային էներգիայի կրիչների առկայության պատճառով մետաղների ջերմային հաղորդունակությունը զգալիորեն ավելի բարձր է, քան պինդ դիէլեկտրիկներինը։

Ջերմային հաղորդունակության գործընթացն ուսումնասիրելիս օգտագործվում են հետևյալ հիմնական հասկացությունները.

Ջերմության քանակը (Ք  ) – ջերմային էներգիա, անցնելով ողջ գործընթացի ընթացքում կամայական F տարածքի մակերեսով։ SI համակարգում այն ​​չափվում է ջոուլներով (J):

Ջերմային հոսք (ջերմային հզորություն) (Ք) - F կամայական տարածքի մակերեսով մեկ միավոր ժամանակի ընթացքում անցնող ջերմության քանակը.

SI համակարգում ջերմային հոսքը չափվում է վտ-ով (Վտ):

Ջերմային հոսքի խտությունը (ք) - միավորի մակերեսով մեկ միավոր ժամանակի ընթացքում անցնող ջերմության քանակը:

SI համակարգում այն ​​չափվում է W/m2-ով:

Ջերմաստիճանի դաշտ- մարմնի կողմից զբաղեցրած տարածության բոլոր կետերում ժամանակի տվյալ պահին ջերմաստիճանի արժեքների մի շարք: Եթե ​​ջերմաստիճանի դաշտի բոլոր կետերում ջերմաստիճանը ժամանակի ընթացքում չի փոխվում, ապա այդպիսի դաշտ է կոչվում ստացիոնար, եթե փոխվի, ապա – ոչ ստացիոնար.

Միևնույն ջերմաստիճան ունեցող կետերով ձևավորված մակերեսները կոչվում են իզոթերմային.

Ջերմաստիճանի գրադիենտ (gradՏ) – վեկտոր, որն ուղղված է նորմալից մինչև իզոթերմ մակերեսը ջերմաստիճանի բարձրացման ուղղությամբ և թվայինորեն սահմանվում է որպես երկու իզոթերմային մակերևույթների միջև ջերմաստիճանի փոփոխության հարաբերակցության սահմանը նրանց միջև եղած հեռավորությանը նորմալ երկայնքով, երբ այդ հեռավորությունը ձգտում է զրոյի: Կամ այլ կերպ ասած, ջերմաստիճանի գրադիենտը այս ուղղությամբ ջերմաստիճանի ածանցյալն է:

Ջերմաստիճանի գրադիենտը բնութագրում է ջերմաստիճանի փոփոխության արագությունը իզոթերմային մակերեսին նորմալ ուղղությամբ:

Ջերմային հաղորդունակության գործընթացը բնութագրվում է ջերմային հաղորդունակության հիմնական օրենքով. Ֆուրիեի օրենքը(1822)։ Համաձայն այս օրենքի՝ ջերմային հաղորդունակության միջոցով փոխանցվող ջերմային հոսքի խտությունը ուղիղ համեմատական ​​է ջերմաստիճանի գրադիենտին.

որտեղ  նյութի ջերմահաղորդականության գործակիցն է՝ W/(mdeg):

(-) նշանը ցույց է տալիս, որ ջերմային հոսքը և ջերմաստիճանի գրադիենտը հակառակ ուղղությամբ են:

Ջերմային հաղորդունակության գործակիցըցույց է տալիս, թե որքան ջերմություն է փոխանցվում ժամանակի մեկ միավորի մակերեսով, որի ջերմաստիճանի գրադիենտը հավասար է միասնությանը:

Ջերմային հաղորդունակության գործակիցը նյութի կարևոր ջերմաֆիզիկական բնութագիր է, և դրա իմացությունը անհրաժեշտ է ջերմային հաշվարկներ կատարելիս՝ կապված շենքերի և շինությունների պարսպապատ կառույցների, մեքենաների և ապարատների պատերի միջոցով ջերմային կորուստների որոշման ժամանակ, ջերմամեկուսացումը հաշվարկելիս, ինչպես նաև լուծելիս: շատ այլ ինժեներական խնդիրներ:

Ջերմային հաղորդունակության մեկ այլ կարևոր օրենք է Ֆուրիե-Կիրխհոֆի օրենքը, որը որոշում է ջերմահաղորդականության ընթացքում տարածության և ժամանակի ջերմաստիճանի փոփոխությունների բնույթը։ Նրա մյուս անունն է դիֆերենցիալ ջերմային հավասարում, քանի որ այն ստացվել է Ֆուրիեի օրենքի հիման վրա մաթեմատիկական վերլուծության տեսության մեթոդներով։ Եռաչափ ոչ կայուն ջերմաստիճանի դաշտի համար ջերմային հաղորդունակության դիֆերենցիալ հավասարումն ունի հետևյալ ձևը.

,

Որտեղ
- ջերմային դիֆուզիոն գործակից, որը բնութագրում է նյութի ջերմային իներցիոն հատկությունները,

,C p , - համապատասխանաբար ջերմային հաղորդունակության գործակիցը, իզոբարային ջերմային հզորությունը և նյութի խտությունը.

- Լապլասի օպերատոր:

Միաչափ կայուն ջերմաստիճանի դաշտի համար (
) ջերմային հաղորդունակության դիֆերենցիալ հավասարումը ստանում է պարզ ձև

Ինտեգրելով (1) և (2) հավասարումները՝ հնարավոր է որոշել ջերմային հոսքի խտությունը մարմնի միջով և մարմնի ներսում ջերմաստիճանի փոփոխության օրենքը հաղորդման միջոցով ջերմության փոխանցման ժամանակ։ Լուծում ստանալու համար պահանջվում է առաջադրանք միանշանակության պայմանները.

Եզակի պայմաններ– սա դիտարկվող խնդիրը բնութագրող լրացուցիչ մասնավոր տվյալներ են: Դրանք ներառում են.

Մարմնի ձևն ու չափը բնութագրող երկրաչափական պայմաններ.

Մարմնի ֆիզիկական հատկությունները բնութագրող ֆիզիկական պայմաններ.

ժամանակավոր (նախնական) պայմաններ, որոնք բնութագրում են ջերմաստիճանի բաշխումը ժամանակի սկզբնական պահին.

մարմնի սահմաններում ջերմափոխանակության առանձնահատկությունները բնութագրող սահմանային պայմաններ. Կան 1-ին, 2-րդ և 3-րդ տեսակի սահմանային պայմաններ։

ժամը 1-ին տեսակի սահմանային պայմաններնշված է մարմնի մակերեսի վրա ջերմաստիճանի բաշխումը. Այս դեպքում անհրաժեշտ է որոշել ջերմային հոսքի խտությունը մարմնի միջով:

ժամը 2-րդ տեսակի սահմանային պայմաններնշվում են ջերմային հոսքի խտությունը և մարմնի մակերեսներից մեկի ջերմաստիճանը: Անհրաժեշտ է որոշել մեկ այլ մակերեսի ջերմաստիճանը:

3-րդ տեսակի սահմանային պայմաններումպետք է հայտնի լինեն մարմնի մակերևույթների և դրանք դրսում լվացող կրիչների միջև ջերմության փոխանցման պայմանները։ Այս տվյալների հիման վրա որոշվում է ջերմային հոսքի խտությունը: Այս դեպքը վերաբերում է հաղորդման և կոնվեկցիայի միջոցով ջերմության փոխանցման համակցված գործընթացին, որը կոչվում է ջերմահաղորդում.

Դիտարկենք հարթ պատի միջով ջերմության փոխանցման դեպքի ամենապարզ օրինակը։ Հարթկոչվում է պատ, որի հաստությունը զգալիորեն պակաս է իր մյուս երկու չափերից՝ երկարությունից և լայնությունից: Այս դեպքում եզակիության պայմանները կարող են սահմանվել հետևյալ կերպ.

երկրաչափական: հայտնի է պատի հաստությունը։

Ջերմաստիճանի դաշտը միաչափ է, հետևաբար ջերմաստիճանը փոխվում է միայն X առանցքի ուղղությամբ, և ջերմային հոսքը ուղղվում է նորմալ պատի մակերեսին.ֆիզիկական

հայտնի են պատի նյութը և դրա ջերմահաղորդականության գործակիցը, իսկ ամբողջ մարմնի համար=const;ժամանակավոր

ջերմաստիճանի դաշտը ժամանակի ընթացքում չի փոխվում, այսինքն. անշարժ է;սահմանային պայմանները

1-ին տեսակ, պատերի ջերմաստիճանները T 1 և T 2 են:

Պահանջվում է որոշել T=f(X) պատի հաստության երկայնքով ջերմաստիճանի փոփոխության օրենքը և պատի միջով ջերմային հոսքի խտությունը:

,

Խնդիրը լուծելու համար օգտագործում ենք (1) և (3) հավասարումները։ Հաշվի առնելով ընդունված սահմանային պայմանները (x=0T=T 1; x=T=T 2-ում) (3) հավասարման կրկնակի ինտեգրումից հետո մենք ստանում ենք պատի հաստության երկայնքով ջերմաստիճանի փոփոխության օրենքը.

Ջերմաստիճանի բաշխումը հարթ պատում ներկայացված է Նկար 1-ում:

Նկ.1. Ջերմաստիճանի բաշխումը հարթ պատի մեջ:

,

Այնուհետև ջերմային հոսքի խտությունը որոշվում է արտահայտության համաձայն

Ջերմային հաղորդունակության գործակիցը որոշելը տեսականորեն չի կարող տալ ժամանակակից ինժեներական պրակտիկայի համար անհրաժեշտ արդյունքի ճշգրտությունը, հետևաբար միակ հուսալի միջոցը մնում է դրա փորձարարական որոշումը: -ի որոշման հայտնի փորձարարական մեթոդներից էհարթ շերտի մեթոդ

;

. Այս մեթոդի համաձայն, հարթ պատի նյութի ջերմահաղորդականության գործակիցը կարող է որոշվել (5) հավասարման հիման վրա:

Չնայած իր ֆիզիկական պարզությանը, այս մեթոդի գործնական իրականացումն ունի իր դժվարությունները՝ կապված ուսումնասիրվող նմուշներում միաչափ կայուն ջերմաստիճանի դաշտ ստեղծելու և ջերմային կորուստները հաշվի առնելու դժվարության հետ:

ԼԱԲՈՐԱՏՈՐԻԱՅԻ ՍՏԱՆԳԻ ՆԿԱՐԱԳՐՈՒԹՅՈՒՆԸ.

Ջերմահաղորդականության գործակիցի որոշումը կատարվում է լաբորատոր տեղադրման վրա՝ հիմնվելով իրական ֆիզիկական պրոցեսների մոդելավորման մեթոդի վրա։ Տեղադրումը բաղկացած է ԱՀ-ից, որը միացված է աշխատանքային տարածքի դասավորությանը, որը ցուցադրվում է մոնիտորի էկրանին: Աշխատանքային տարածքը ստեղծվել է իրականի հետ անալոգիայով և դրա դիագրամը ներկայացված է Նկ. 2.

Նկ.2. Տեղադրման աշխատանքային տարածքի դիագրամ

Աշխատանքային հատվածը բաղկացած է 2 ֆտորոպլաստիկ նմուշներից 12, որոնք պատրաստված են  = 5 մմ հաստությամբ և d = 140 մմ տրամագծով սկավառակների տեսքով: Նմուշները տեղադրվում են 10 h = 12 մմ բարձրությամբ և d n = 146 մմ տրամագծով տաքացուցիչի և ջրով սառեցված սառնարանի 11 միջև: Ջերմային հոսքի ստեղծումն իրականացվում է R = 41 Ohm էլեկտրական դիմադրությամբ ջեռուցման տարրով և սառնարան 11 պարուրաձև ակոսներով հովացման ջրի ուղղորդված շրջանառության համար: Այսպիսով, ուսումնասիրվող ֆտորոպլաստիկ նմուշների միջով անցնող ջերմային հոսքը տարվում է սառնարանով հոսող ջրի միջոցով: Ջեռուցիչից ջերմության մի մասը դուրս է գալիս ծայրամասային մակերևույթների միջով դեպի շրջակա միջավայր, հետևաբար, այդ շառավղային կորուստները նվազեցնելու համար տրամադրվում է ասբեստցեմենտից պատրաստված ջերմամեկուսիչ պատյան 13 (k = 0,08 W/(mdeg)): h k = 22 մմ բարձրությամբ պատյանը պատրաստված է d n = 146 մմ ներքին տրամագծով և d k = 190 մմ արտաքին տրամագծով խոռոչ գլանաձևով: Ջերմաստիճանը չափվում է յոթ Chromel-Copel ջերմազույգերի (տիպ XK) pos-ի միջոցով: 1…7, տեղադրված է աշխատանքային տարածքի տարբեր կետերում: Ջերմաստիճանի սենսորային անջատիչ 15-ը թույլ է տալիս հաջորդաբար չափել բոլոր յոթ ջերմաստիճանի տվիչների ջերմա-EMF-ը: Ջերմազույգ 7-ը տեղադրվում է ջերմամեկուսիչ պատյանի արտաքին մակերեսին՝ դրա միջով ջերմության արտահոսքը որոշելու համար:

ԱՇԽԱՏԱՆՔԻ ԿԱՐԳԸ.

3.1. Տեղադրման ջերմաստիճանի ռեժիմը ընտրվում է սալերի տաք մակերևույթի Tg ջերմաստիճանը սահմանելով 35°C-ից մինչև 120°C միջակայքում:

3.2. Տեղադրման վահանակի վրա հաջորդաբար միացված են ցուցիչ սարքերի էլեկտրամատակարարման անջատիչները, որոնք գրանցում են լարումը էլեկտրական տաքացուցիչի U-ի վրա, ջերմաստիճանի տվիչների ջերմա-EMF-ը և ջեռուցումը միացնելու համար անջատիչի անջատիչը:

3.3. Սահուն կերպով պտտելով ռեոստատի գլխիկը, ջեռուցիչի վրա դրվում է ցանկալի լարումը: Ռեոստատը պատրաստված է քայլային տարբերակով, ուստի լարումը փոխվում է աստիճաններով: Լարումը U-ը և ջերմաստիճանը T g-ը պետք է համապատասխանեն միմյանց՝ ըստ Նկար 3-ում ներկայացված կախվածության։

Նկ.3. Աշխատանքային գոտիջեռուցում

3.4. Անջատիչ 15-ի միջոցով ջերմաստիճանի սենսորների հաջորդական հարցման միջոցով որոշվում են յոթ ջերմազույգերի ջերմա-EMF արժեքները, որոնք U արժեքի հետ միասին մուտքագրվում են փորձի արձանագրություն (տես Աղյուսակ 1): Ընթերցումների գրանցումն իրականացվում է կառավարման վահանակի վրա գտնվող ցուցիչ սարքերի միջոցով, որոնց ընթերցումները կրկնօրինակվում են ԱՀ մոնիտորի վրա:

3.5. Փորձի ավարտին տեղադրման բոլոր կարգավորող մարմինները տեղափոխվում են իրենց սկզբնական դիրքը։

3.6. Կատարվում են կրկնվող փորձեր (դրանց ընդհանուր թիվը պետք է լինի առնվազն 3) և Tg-ի այլ արժեքներով՝ պարբերություններում սահմանված կարգով: 3.1…3.5.

Չափագրման ԱՐԴՅՈՒՆՔՆԵՐԻ ՄՇԱԿՈՒՄԸ.

4.1. Համաձայն Chromel-Copel ջերմազույգի տրամաչափման բնութագրի, ջերմաստիճանի տվիչների ընթերցումները փոխակերպվում են աստիճանների Քելվինի սանդղակով: .

4.2. Որոշվում են նմուշների ներքին տաք և արտաքին սառը մակերեսների միջին ջերմաստիճանները

որտեղ i-ն ջերմազույգի համարն է:

4.3. Որոշվում է էլեկտրական տաքացուցիչի կողմից առաջացած ընդհանուր ջերմային հոսքը

, Վ

որտեղ U-ն էլեկտրական հոսանքի լարումն է, V;

R= 41 Ohm – էլեկտրական տաքացուցիչի դիմադրություն:

4.4. Որոշվում է պատյանով ջերմության փոխանցման արդյունքում կորցրած ջերմային հոսքը

որտեղ k-ը պատյանով ջերմության փոխանցման գործընթացը բնութագրող գործակից է:

, W/(m 2 deg)

որտեղ  k = 0.08 W/(mdeg) – պատյան նյութի ջերմահաղորդականության գործակիցը;

dn = 0,146 մ – արտաքին տրամագիծըջեռուցիչ;

dк = 0,190 մ – պատյանի արտաքին տրամագիծը;

h n = 0,012 մ - ջեռուցիչի բարձրությունը;

h k = 0,022 մ – պատյանների բարձրությունը:

T t - պատյանի արտաքին մակերեսի ջերմաստիճանը, որը որոշվում է 7-րդ ջերմազույգով

4.5. Ուսումնասիրվող նմուշների միջով անցնող ջերմային հոսքը որոշվում է ջերմահաղորդականությամբ

, Վ

4.6. Որոշվում է ուսումնասիրվող նյութի ջերմահաղորդականության գործակիցը

, W/(mdeg)

որտեղ Q  ջերմային հոսքն է, որն անցնում է փորձանմուշի միջով ջերմահաղորդականությամբ, W;

 = 0,005 մ – նմուշի հաստություն;

- մեկ նմուշի մակերես, մ2;

d= 0,140 մ – նմուշի տրամագիծը;

T g, T x – նմուշի տաք և սառը մակերեսների ջերմաստիճանները, համապատասխանաբար, Կ.

4.7. Ջերմային հաղորդունակության գործակիցը կախված է ջերմաստիճանից, հետևաբար ստացված արժեքները  վերաբերում են նմուշի միջին ջերմաստիճանին

Փորձարարական տվյալների մշակման արդյունքները մուտքագրված են Աղյուսակ 1-ում:

Աղյուսակ 1

Չափումների և փորձարարական տվյալների մշակման արդյունքներ

4.8. Օգտագործելով ստացված արդյունքների մշակման գրաֆիկա-վերլուծական մեթոդը, մենք ստանում ենք ուսումնասիրվող նյութի ջերմահաղորդականության գործակիցի կախվածությունը նմուշի T m միջին ջերմաստիճանից.

որտեղ  0 և b-ը որոշվում են գրաֆիկորեն՝ կախվածության գրաֆիկի վերլուծության հիման վրա =f(T m):

ՎԵՐԱՀՍԿՈՂԱԿԱՆ ՀԱՐՑԵՐ

Որո՞նք են ջերմության փոխանցման հիմնական մեթոդները:

Ի՞նչ է ջերմային հաղորդունակությունը:

Որո՞նք են ջերմահաղորդականության մեխանիզմի առանձնահատկությունները հաղորդիչների և պինդ դիէլեկտրիկների մեջ:

Ո՞ր օրենքներն են նկարագրում ջերմության փոխանցման գործընթացը:

Ի՞նչ է հարթ պատը:

Որոնք են սահմանային պայմանները:

Ո՞րն է հարթ պատի ջերմաստիճանի փոփոխության բնույթը:

Ո՞րն է ջերմային հաղորդունակության գործակիցի ֆիզիկական նշանակությունը:

Ինչու՞ է անհրաժեշտ իմանալ տարբեր նյութերի ջերմահաղորդականության գործակիցը և ինչպես է որոշվում դրա արժեքը:

Որոնք են մեթոդաբանական առանձնահատկություններհարթ շերտի մեթոդ.

ՋԵՐՄԱՓՈԽԱՑՄԱՆ ՈՒՍՈՒՄՆԱՍԻՐՈՒԹՅՈՒՆ ԱՆՎՃԱՐ ԿՈՆՎԵԿՑԻԱՅԻ ԺԱՄԱՆԱԿ

Աշխատանքի նպատակըուսումնասիրել կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման օրինաչափությունները՝ օգտագործելով ջերմափոխանակման օրինակը ազատ կոնվեկցիայի ժամանակ տաքացվող մակերեսի շուրջ լայնակի և երկայնական հոսքի դեպքերի համար: Ձեռք բերեք փորձարարական արդյունքները մշակելու և դրանք ընդհանրացված տեսքով ներկայացնելու հմտություններ:

Զորավարժություններ:

1. Որոշեք ջերմության փոխանցման գործակիցների փորձնական արժեքները հորիզոնական բալոնից և ուղղահայաց գլանից դեպի միջավայր ազատ կոնվեկցիայի ժամանակ:

2. Փորձարարական տվյալների մշակմամբ ստացեք հորիզոնական և ուղղահայաց մակերեսի նկատմամբ ազատ կոնվեկցիայի գործընթացը բնութագրող չափանիշային հավասարումների պարամետրերը:

ՀԻՄՆԱԿԱՆ ՏԵՍԱԿԱՆ ԴՐՈՒՅԹՆԵՐ.

Գոյություն ունեն ջերմության փոխանցման երեք հիմնական եղանակ, որոնք միմյանցից զգալիորեն տարբերվում են իրենց ֆիզիկական բնույթով.

ջերմային ջերմահաղորդություն;

կոնվեկցիա;

ջերմային ճառագայթում.

Ջերմային հաղորդունակությամբ ջերմային էներգիայի կրողներն են նյութի միկրոմասնիկները՝ ատոմները և մոլեկուլները, ջերմային ճառագայթում- էլեկտրամագնիսական ալիքներ.

Կոնվեկցիաջերմություն փոխանցելու միջոց՝ նյութի մակրոսկոպիկ քանակությունը տարածության մի կետից մյուսը տեղափոխելու միջոցով։

Այսպիսով, կոնվեկցիան հնարավոր է միայն այն միջավայրերում, որոնք ունեն հեղուկության հատկություն՝ գազեր և հեղուկներ: Ջերմային փոխանցման տեսության մեջ դրանք սովորաբար նշանակվում են տերմինով "հեղուկ", առանց տարբերություն դնելու, եթե հատուկ նշված չէ, կաթիլային հեղուկների և գազերի միջև։ Կոնվեկցիայի միջոցով ջերմության փոխանցման գործընթացը սովորաբար ուղեկցվում է ջերմային հաղորդունակությամբ: Այս գործընթացը կոչվում է կոնվեկտիվ ջերմափոխանակություն.

Կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցումկոնվեկցիայի և հաղորդման միջոցով ջերմության փոխանցման համակցված գործընթաց է:

Ինժեներական պրակտիկայում նրանք ամենից հաճախ զբաղվում են պինդ մարմնի մակերևույթի (օրինակ՝ վառարանի պատի մակերեսի, ջեռուցման սարքի և այլն) և այս մակերեսը շրջապատող հեղուկի միջև կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործընթացի հետ։ Այս գործընթացը կոչվում է ջերմահաղորդում.

Ջերմության ցրում– հատուկ դեպքԿոշտ մարմնի (պատի) մակերեսի և այն շրջապատող հեղուկի միջև կոնվեկտիվ ջերմափոխանակություն։

Տարբերել հարկադիր և ազատ (բնական)կոնվեկցիա.

Հարկադիր կոնվեկցիատեղի է ունենում ճնշման ուժերի ազդեցության տակ, որոնք ստեղծվում են բռնի ուժով, օրինակ՝ պոմպի, օդափոխիչի և այլնի միջոցով։

Ազատ կամ բնական կոնվեկցիաառաջանում է տարբեր բնույթի զանգվածային ուժերի ազդեցությամբ՝ գրավիտացիոն, կենտրոնախույս, էլեկտրամագնիսական և այլն։

Երկրի վրա ազատ կոնվեկցիան տեղի է ունենում գրավիտացիայի ազդեցության տակ, ինչի պատճառով էլ կոչվում է ջերմային գրավիտացիոն կոնվեկցիա. Գործընթացի շարժիչ ուժն այս դեպքում բարձրացնող ուժն է, որն առաջանում է միջավայրում՝ դիտարկվող ծավալի ներսում խտության բաշխման մեջ տարասեռության առկայության դեպքում։ Ջերմության փոխանցման ժամանակ նման տարասեռություն առաջանում է այն պատճառով, որ միջավայրի առանձին տարրերը կարող են լինել տարբեր ջերմաստիճաններում։ Այս դեպքում միջավայրի ավելի տաքացած և, հետևաբար, ավելի քիչ խիտ տարրերը բարձրացնող ուժի ազդեցությամբ դեպի վեր կշարժվեն՝ դրանցով փոխանցելով ջերմություն, և միջավայրի ավելի սառը և, հետևաբար, ավելի խիտ տարրերը կհոսեն դեպի թափուր տարածք, ինչպես ցույց է տրված Նկ. 1.

Բրինձ. 1. Ազատ կոնվեկցիայի ժամանակ հեղուկի մեջ հոսքերի շարժման բնույթը

Եթե ​​այս վայրում գտնվում է ջերմության մշտական ​​աղբյուր, ապա երբ ջեռուցվում է, միջավայրի ջեռուցվող տարրերի խտությունը կնվազի, և դրանք նույնպես կսկսեն լողալ դեպի վեր: Այսպիսով, քանի դեռ կա շրջակա միջավայրի առանձին տարրերի խտությունների տարբերություն, դրանց շրջանառությունը կշարունակվի, այսինքն. ազատ կոնվեկցիան կշարունակվի: Ազատ կոնվեկցիան, որը տեղի է ունենում միջավայրի մեծ ծավալներում, որտեղ ոչինչ չի խանգարում կոնվեկտիվ հոսքերի զարգացմանը, կոչվում է. ազատ կոնվեկցիա անսահմանափակ տարածության մեջ. Ազատ կոնվեկցիա անսահմանափակ տարածության մեջ, օրինակ, տեղի է ունենում տարածքի ջեռուցման, տաք ջրի կաթսաներում ջրի տաքացման և շատ այլ դեպքերում: Եթե ​​կոնվեկտիվ հոսքերի զարգացումը կանխում են ալիքների կամ շերտերի պատերը, որոնք լցված են հեղուկ միջավայրով, ապա գործընթացը այս դեպքում կոչվում է. ազատ կոնվեկցիա սահմանափակ տարածքում. Այս գործընթացը տեղի է ունենում, օրինակ, ջերմափոխանակության ժամանակ պատուհանների շրջանակների միջև օդային բացերի ներսում:

Հիմնական օրենքը, որը նկարագրում է կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման գործընթացը Նյուտոն-Ռիչմանի օրենքը. Ջերմային փոխանցման ստացիոնար ջերմաստիճանի ռեժիմի վերլուծական ձևով այն ունի հետևյալ ձևը.

,

Որտեղ
- տարրական ժամանակի ընթացքում արտանետվող ջերմության տարրական քանակությունը
տարրական մակերեսից
;

- պատի ջերմաստիճանը;

- հեղուկ ջերմաստիճան;

- ջերմության փոխանցման գործակիցը.

Ջերմային փոխանցման գործակիցըցույց է տալիս, թե որքան ջերմություն է արտանետվում միավոր ժամանակի մեկ միավորի մակերեսից, երբ պատի և հեղուկի միջև ջերմաստիճանի տարբերությունը մեկ աստիճան է: SI համակարգում ջերմային փոխանցման գործակիցի չափման միավորը W/m 2 ∙deg է: Կայուն անշարժ գործընթացում ջերմության փոխանցման գործակիցը կարող է որոշվել հետևյալ արտահայտությունից.

, W/m 2∙deg

Որտեղ - ջերմային հոսք, W;

- ջերմափոխանակման մակերեսը, մ 2;

- մակերեսի և հեղուկի ջերմաստիճանի տարբերություն, աստիճաններ:

Ջերմային փոխանցման գործակիցը բնութագրում է պատի և այն լվացող հեղուկի միջև ջերմափոխանակության ինտենսիվությունը: Իր ֆիզիկական բնույթով կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցումը շատ բարդ գործընթաց է: Ջերմային փոխանցման գործակիցը կախված է շատ մեծ թվով տարբեր պարամետրերից՝ հեղուկի ֆիզիկական հատկություններից, հեղուկի հոսքի բնույթից, հեղուկի հոսքի արագությունից, ալիքի չափից և ձևից, ինչպես նաև բազմաթիվ այլ գործոններից: Այս առումով անհնար է ընդհանուր կախվածություն տալ ջերմության փոխանցման գործակիցը տեսականորեն գտնելու համար

Ջերմային փոխանցման գործակիցը կարող է առավել ճշգրիտ և հուսալիորեն որոշվել փորձարարական եղանակով՝ հիմնվելով (2) հավասարման վրա: Այնուամենայնիվ, ինժեներական պրակտիկայում ջերմափոխանակման գործընթացները հաշվարկելիս տարբեր տեխնիկական սարքերՈրպես կանոն, հնարավոր չէ փորձարարականորեն որոշել ջերմության փոխանցման գործակիցի արժեքը իրական լայնածավալ օբյեկտի պայմաններում նման փորձի տեղադրման բարդության և բարձր արժեքի պատճառով: Այս դեպքում -ի որոշման խնդիրը լուծելու համար օգնության է հասնում նմանության տեսություն.

Հիմունքներ գործնական նշանակությունՆմանության տեսությունը կայանում է նրանում, որ այն թույլ է տալիս լաբորատոր պայմաններում մոդելի վրա իրականացված մեկ փորձի արդյունքները ընդհանրացնել մոդելի վրա ուսումնասիրված գործընթացին նման իրական գործընթացների և օբյեկտների ամբողջ դասին: Նմանության հայեցակարգը, որը լավ հայտնի է առնչությամբ երկրաչափական ձևեր, կարող է տարածվել ցանկացած ֆիզիկական գործընթացների և երևույթների վրա։

Ֆիզիկական երևույթների դասերևույթների ամբողջություն է, որը կարելի է նկարագրել հավասարումների մեկ ընդհանուր համակարգով և ունեն նույն ֆիզիկական բնույթը։

Մեկ դեպք- սա ֆիզիկական երևույթների դասի մի մասն է, որոնք առանձնանում են եզակիության որոշակի պայմաններով (երկրաչափական, ֆիզիկական, սկզբնական, սահմանային):

Նմանատիպ երեւույթներ– նույն դասի երևույթների խումբ միանշանակության նույն պայմաններով, բացառությամբ թվային արժեքներայդ պայմաններում պարունակվող քանակությունները:

Նմանության տեսությունը հիմնված է այն փաստի վրա, որ երևույթը բնութագրող ծավալային ֆիզիկական մեծությունները կարող են համակցվել անչափ կոմպլեքսներ, և այնպես, որ այդ կոմպլեքսների թիվը փոքր լինի ծավալային մեծությունների թվից։ Ստացված անչափ կոմպլեքսները կոչվում են նմանության չափանիշներ. Նմանության չափանիշներն ունեն որոշակի ֆիզիկական նշանակություն և արտացոլում են ոչ թե մեկ ֆիզիկական մեծության, այլ չափանիշում ներառված դրանց ամբողջ հավաքածուի ազդեցությունը, ինչը զգալիորեն հեշտացնում է ուսումնասիրվող գործընթացի վերլուծությունը: Գործընթացն ինքնին այս դեպքում կարող է ներկայացվել վերլուծական հարաբերությունների տեսքով
նմանության չափանիշների միջև
, բնութագրելով նրա անհատական ​​կողմերը։ Նման կախվածությունները կոչվում են չափանիշի հավասարումներ. Նմանության չափանիշներն անվանվել են հիդրոդինամիկայի և ջերմության փոխանցման տեսության զարգացման մեջ զգալի ներդրում ունեցած գիտնականների անուններով՝ Նուսելտ, Պրանդտլ, Գրաշոֆ, Ռեյնոլդս, Կիրպիչև և այլք։

Նմանության տեսությունը հիմնված է 3 նմանության թեորեմների վրա.

1-ին թեորեմ.

Իրար նման երեւույթներն ունեն նույն նմանության չափանիշները.

Այս թեորեմը ցույց է տալիս, որ փորձերի ժամանակ անհրաժեշտ է չափել միայն այն ֆիզիկական մեծությունները, որոնք պարունակվում են նմանության չափանիշներում։

2-րդ թեորեմ.

Տվյալ ֆիզիկական երևույթը բնութագրող բնօրինակ մաթեմատիկական հավասարումները միշտ կարող են ներկայացվել այս երևույթը բնութագրող նմանության չափանիշների միջև կապի տեսքով:

Այս հավասարումները կոչվում են չափանիշներով. Այս թեորեմը ցույց է տալիս, որ փորձերի արդյունքները պետք է ներկայացվեն չափանիշի հավասարումների տեսքով։

3-րդ թեորեմ.

Նման են այն երևույթները, որոնց համար եզակիության պայմաններից կազմված նմանության չափանիշները հավասար են.

Այս թեորեմը սահմանում է ֆիզիկական նմանություն հաստատելու համար անհրաժեշտ պայմանը։ Միանշանակության պայմաններից կազմված նմանության չափանիշները կոչվում են սահմանելով. Նրանք որոշում են բոլոր մյուսների հավասարությունը կամ որոշվածնմանության չափանիշ, որն իրականում հանդիսանում է 1-ին նմանության թեորեմի առարկան։ Այսպիսով, 3-րդ նմանության թեորեմը զարգացնում և խորացնում է 1-ին թեորեմը։

Կոնվեկտիվ ջերմափոխանակումն ուսումնասիրելիս առավել հաճախ օգտագործվում են նմանության հետևյալ չափանիշները.

Ռեյնոլդսի չափանիշ (Re) - բնութագրում է իներցիայի ուժերի և հեղուկում գործող մածուցիկ շփման ուժերի միջև կապը: Ռեյնոլդսի չափանիշի արժեքը բնութագրում է հեղուկի հոսքի ռեժիմը հարկադիր կոնվեկցիայի ժամանակ:

,

Որտեղ - հեղուկի շարժման արագություն;

- հեղուկի կինեմատիկական մածուցիկության գործակիցը.

- չափի որոշում.

Գրաշոֆ չափանիշ (Գր) - բնութագրում է կապը մածուցիկ շփման ուժերի և հեղուկում ազատ կոնվեկցիայի ժամանակ գործող բարձրացնող ուժի միջև: Grashof չափանիշի արժեքը բնութագրում է հեղուկի հոսքի ռեժիմը ազատ կոնվեկցիայի ժամանակ:

,

Որտեղ - ձգողականության արագացում;

- չափի որոշում;

- հեղուկի ծավալային ընդլայնման ջերմաստիճանի գործակիցը (գազերի համար
, Որտեղ - ջերմաստիճանի որոշում Քելվինի սանդղակով);

- ջերմաստիճանի տարբերություն պատի և հեղուկի միջև;

- պատի և հեղուկի ջերմաստիճանը, համապատասխանաբար;

- հեղուկի կինեմատիկական մածուցիկության գործակիցը.

Նուսելտի չափանիշ (Նու) - բնութագրում է ջերմային հաղորդունակության միջոցով փոխանցվող ջերմության քանակի և պինդ (պատի) և հեղուկի մակերևույթի միջև կոնվեկտիվ ջերմափոխանակության ընթացքում կոնվեկցիայի միջոցով փոխանցվող ջերմության քանակի միջև կապը, այսինքն. ջերմության փոխանցման ժամանակ.

,

Որտեղ - ջերմության փոխանցման գործակիցը;

- չափի որոշում;

- հեղուկի ջերմային հաղորդունակության գործակիցը պատի և հեղուկի սահմանին.

Պեկլետի չափանիշ (Պե) - բնութագրում է հեղուկի հոսքով ստացված (տրված) ջերմության քանակի և կոնվեկտիվ ջերմափոխանակության միջոցով փոխանցված (տրված) ջերմության քանակի միջև կապը:

,

Որտեղ - հեղուկի հոսքի արագություն;

- չափի որոշում;

- ջերմային դիֆուզիոն գործակից;

- համապատասխանաբար, ջերմային հաղորդունակության գործակիցը, իզոբարային ջերմունակությունը և հեղուկի խտությունը:

Պրանդտի չափանիշ (Պր) - բնութագրում է հեղուկի ֆիզիկական հատկությունները.

,

Որտեղ - կինեմատիկական մածուցիկության գործակից;

- հեղուկի ջերմային դիֆուզիոն գործակիցը.

Դիտարկված նմանության չափանիշներից պարզ է դառնում, որ կոնվեկտիվ ջերմափոխանակման գործընթացների հաշվարկման ամենակարևոր պարամետրը, որը բնութագրում է գործընթացի ինտենսիվությունը, այն է, ջերմային փոխանցման գործակիցը , ներառված է Նուսելտի չափանիշի արտահայտության մեջ: Սա որոշեց, որ կոնվեկտիվ ջերմության փոխանցման խնդիրները լուծելու համար, օգտագործելով ինժեներական մեթոդներ, որոնք հիմնված են նմանության տեսության կիրառման վրա, այս չափանիշը որոշված ​​չափանիշներից ամենակարևորն է: Ջերմային փոխանցման գործակիցի արժեքը այս դեպքում որոշվում է հետևյալ արտահայտության համաձայն

Այս առումով, չափանիշի հավասարումները սովորաբար գրվում են լուծման տեսքով՝ Նուսելտի չափանիշի նկատմամբ և ունեն հզորության ֆունկցիայի ձև։

Որտեղ
- դիտարկվող գործընթացի տարբեր ասպեկտները բնութագրող նմանության չափանիշների արժեքներ.

- թվային հաստատուններ, որոնք որոշվում են փորձարարական տվյալների հիման վրա, որոնք ստացվել են նմանատիպ երևույթների դասի ուսումնասիրությամբ՝ օգտագործելով մոդելները փորձարարական եղանակով:

Կախված կոնվեկցիայի տեսակից և գործընթացի հատուկ պայմաններից, չափանիշի հավասարման մեջ ներառված նմանության չափանիշների շարքը, հաստատունների և ուղղիչ գործակիցների արժեքները կարող են տարբեր լինել:

ժամը գործնական կիրառությունՉափանիշի հավասարումներ, կարևոր խնդիրը որոշիչ չափի և ջերմաստիճանի ճիշտ ընտրությունն է։ Որոշիչ ջերմաստիճանը անհրաժեշտ է հեղուկի ֆիզիկական հատկությունների արժեքների ճիշտ որոշման համար, որոնք օգտագործվում են նմանության չափանիշների արժեքները հաշվարկելիս: Որոշիչ չափի ընտրությունը կախված է հեղուկի հոսքի և լվացվող մակերեսի հարաբերական դիրքից, այսինքն՝ դրա հոսքի բնույթից: Այս դեպքում դուք պետք է առաջնորդվեք առկա առաջարկություններով հետևյալ բնորոշ դեպքերի համար.

Հարկադիր կոնվեկցիա, երբ հեղուկը շարժվում է ներսում կլոր խողովակ.

- ներքին տրամագիծըխողովակներ.

Հարկադիր կոնվեկցիա հեղուկի շարժման ժամանակ կամայական խաչմերուկի ալիքներում:

- համարժեք տրամագիծ,

Որտեղ - քառակուսի խաչաձեւ հատվածըալիք;

- հատվածի պարագիծը.

Ազատ կոնվեկցիայով կլոր խողովակի շուրջ լայնակի հոսք (հորիզոնական խողովակ (տես նկ. 2) ջերմային գրավիտացիոն կոնվեկցիայով)

- խողովակի արտաքին տրամագիծը.

Նկ.2. Ջերմային գրավիտացիոն կոնվեկցիայի ժամանակ հորիզոնական խողովակի շուրջ հոսքի բնույթը

Հարթ պատի (խողովակի) շուրջ երկայնական հոսք (տես նկ. 3) ջերմային գրավիտացիոն կոնվեկցիայի ժամանակ։

- պատի բարձրությունը (խողովակի երկարությունը):

Բրինձ. 3. Ջերմային գրավիտացիոն կոնվեկցիայի ժամանակ ուղղահայաց պատի (խողովակի) շուրջ հոսքի բնույթը:

Ջերմաստիճանի սահմանում անհրաժեշտ է միջավայրի ջերմաֆիզիկական հատկությունների ճիշտ որոշման համար, որոնց արժեքները տարբերվում են՝ կախված ջերմաստիճանից:

Երբ ջերմության փոխանցումը տեղի է ունենում, պատի և հեղուկի ջերմաստիճանների միջև միջին թվաբանականը վերցվում է որպես որոշիչ ջերմաստիճան

Քննարկվող ծավալի ներսում միջավայրի առանձին տարրերի միջև կոնվեկտիվ ջերմափոխանակության դեպքում որպես որոշիչ ջերմաստիճան ընդունվում է միջին թվաբանականը ջերմափոխանակությանը մասնակցող միջավայրի տարրերի ջերմաստիճանների միջև։

Այս աշխատությունը քննարկում է լաբորատոր փորձի անցկացման կարգը և չափորոշիչ հավասարումների ստացման մեթոդաբանությունը տաքացվող մակերևույթի շուրջ (լայնակի և երկայնական) հոսքի 2 բնորոշ դեպքերի համար՝ հորիզոնական և ուղղահայաց բալոնների նկատմամբ տարբեր գազերի ազատ կոնվեկցիայով:

ՓՈՐՁԱՐԱՐ ՄԱՍ.