Līdz šim nav izstrādāta vienota klasifikācija, kas ir daudzveidības dēļ esošās metodes. Plaši zināmās eksperimentālās metodes materiālu siltumvadītspējas mērīšanai iedala divās lielās grupās: stacionārās un nestacionārās. Pirmajā gadījumā aprēķinu formulas kvalitāte izmanto siltuma vadīšanas vienādojuma daļējus risinājumus

ar nosacījumu, otrajā - ar nosacījumu, kur T ir temperatūra; f - laiks; - termiskās difūzijas koeficients; l - siltumvadītspējas koeficients; AR - īpatnējais siltums; g - materiāla blīvums; - Laplasa operators, rakstīts attiecīgajā koordinātu sistēmā; - tilpuma siltuma avota īpatnējā jauda.

Pirmā metožu grupa ir balstīta uz stacionāra termiskā režīma izmantošanu; otrais - nestacionārs termiskais režīms. Stacionārās metodes siltumvadītspējas koeficienta noteikšanai pēc mērījumu rakstura ir tiešas (t.i., siltumvadītspējas koeficientu nosaka tieši) un iedala absolūtajā un relatīvajā. Absolūtajās metodēs eksperimentāli izmērītie parametri ļauj iegūt, izmantojot aprēķina formulu, nepieciešamo vērtību siltumvadītspējas koeficients. Relatīvās metodēs eksperimentāli izmērītie parametri ļauj iegūt vēlamo siltumvadītspējas koeficienta vērtību, izmantojot aprēķina formulu. Mērīto parametru aprēķina relatīvajās metodēs absolūtā vērtība izrādās, ka nepietiek. Šeit ir iespējami divi gadījumi. Pirmais ir siltumvadītspējas koeficienta izmaiņu uzraudzība attiecībā pret sākotnējo, kas tiek uzskatīta par vienotību. Otrais gadījums ir atsauces materiāla izmantošana ar zināmām termiskām īpašībām. Šajā gadījumā aprēķina formulā tiek izmantots standarta siltumvadītspējas koeficients. Relatīvām metodēm ir dažas priekšrocības salīdzinājumā ar absolūtajām metodēm, jo ​​tās ir vienkāršākas. Tālāku stacionāro metožu iedalījumu var veikt pēc sildīšanas veida (ārējā, tilpuma un kombinētā) un pēc temperatūras lauka izotermu veida paraugos (plakana, cilindriska, sfēriska). Metožu apakšgrupa ar ārējā apkure ietver visas metodes, kurās izmanto ārējos (elektriskos, tilpuma uc) sildītājus un paraugu virsmu karsēšanu ar termisko starojumu vai elektronu bombardēšanu. Metožu apakšgrupa ar tilpuma sildīšanu apvieno visas metodes, kurās izmanto sildīšanu ar strāvu, kas iet caur paraugu, pētāmā parauga karsēšanu no neitronu vai g-starojuma vai īpaši augstas frekvences strāvu. Metožu apakšgrupā ar kombinēto sildīšanu var ietilpt metodes, kurās vienlaikus izmanto paraugu ārējo un tilpuma sildīšanu vai starpsildīšanu (piemēram, ar augstfrekvences strāvām).

Visās trīs stacionāro metožu apakšgrupās temperatūras lauks

var būt dažādi.

Plakanas izotermas veidojas, kad siltuma plūsma tiek virzīta pa parauga simetrijas asi. Metodes, kurās izmanto plakanas izotermas, literatūrā sauc par metodēm ar aksiālo vai garenisko siltuma plūsmu, un pašus eksperimentālos iestatījumus sauc par plakanām ierīcēm.

Cilindriskās izotermas atbilst siltuma plūsmas izplatībai pa cilindriska parauga rādiusu. Gadījumā, ja siltuma plūsma tiek virzīta pa sfēriska parauga rādiusu, rodas sfēriskas izotermas. Metodes, kurās izmanto šādas izotermas, sauc par sfēriskām, un ierīces sauc par sfēriskām.

Fizikālās analīzes metodes ir balstītas uz jebkuras konkrētas fizikālas iedarbības vai noteiktas vielas fizikālās īpašības izmantošanu. Priekš gāzes analīze lietošanas blīvums, viskozitāte, siltumvadītspēja, refrakcijas indekss, magnētiskā jutība, difūzija, absorbcija, emisija, absorbcija elektromagnētiskais starojums, kā arī selektīvā absorbcija, skaņas ātrums, reakcijas termiskais efekts, elektrovadītspēja uc Dažas no šīm fizikālajām īpašībām un parādībām padara iespējamu nepārtrauktu gāzes analīzi un ļauj sasniegt augstu mērījumu jutību un precizitāti. Fiziskā daudzuma vai parādības izvēle ir ļoti svarīga, lai izslēgtu analizējamā maisījuma sastāvā esošo neizmērīto komponentu ietekmi. Specifisku īpašību vai efektu izmantošana ļauj noteikt vēlamās sastāvdaļas koncentrāciju daudzkomponentu gāzu maisījumā. Nespecifiskas fizikālās īpašības, stingri runājot, var izmantot tikai bināro gāzu maisījumu analīzei. Viskozitāte, laušanas koeficients un difūzija gāzu analīzē praktiska nozīme nav.

Siltuma pārnese starp diviem punktiem ar atšķirīgu temperatūru notiek trīs veidos: konvekcija, starojums un vadītspēja. Plkst konvekcija siltuma pārnese ir saistīta ar vielas pārnesi (masas pārnesi); siltuma pārnesi starojums notiek bez matērijas līdzdalības. Siltuma pārnese siltumvadītspēja notiek ar matērijas līdzdalību, bet bez masas pārneses. Enerģijas pārnešana notiek molekulu sadursmes dēļ. Siltumvadītspējas koeficients ( X) ir atkarīgs tikai no vielas veida, kas pārnes siltumu. Tā ir īpaša vielas īpašība.

Siltumvadītspējas dimensija CGS sistēmā cal/(s cm K), tehniskajās vienībās - kcalDmch-K), starptautiskajā SI sistēmā - WtDm-K). Šo vienību attiecība ir šāda: 1 cal/(cm s K) = 360 kcalDm h K) = 418,68 WDm-K).

Absolūtā siltumvadītspēja pārejas laikā no cietām vielām uz šķidrām un gāzveida vielām atšķiras no X = 418,68 WDm-K)] (labākā siltumvadītāja siltumvadītspēja - sudrabs) līdz X apmēram 10_6 (vismazāk vadošo gāzu siltumvadītspēja).

Gāzu siltumvadītspēja ievērojami palielinās, palielinoties temperatūrai. Dažām gāzēm (GH 4: NH 3) relatīvā siltumvadītspēja strauji palielinās, paaugstinoties temperatūrai, un dažām (Ne) tā samazinās. Saskaņā ar kinētisko teoriju gāzu siltumvadītspēja nedrīkst būt atkarīga no spiediena. Tomēr dažādi iemesli noved pie tā, ka, palielinoties spiedienam, siltumvadītspēja nedaudz palielinās. Spiediena diapazonā no atmosfēras līdz vairākiem milibāriem siltumvadītspēja nav atkarīga no spiediena, jo vidējā vērtība molekulu brīvais ceļš palielinās, samazinoties molekulu skaitam tilpuma vienībā. Pie -20 mbar spiediena molekulu vidējais brīvais ceļš atbilst mērīšanas kameras izmēram.

Siltumvadītspējas mērīšana ir vecākā gāzes analīzes fizikālā metode. Tas tika aprakstīts 1840. gadā, jo īpaši A. Šleiermahera (1888-1889) darbos un tiek izmantots rūpniecībā kopš 1928. gada. 1913. gadā Siemens izstrādāja ūdeņraža koncentrācijas mērītāju dirižabļiem. Pēc tam daudzus gadu desmitus tika izstrādāti instrumenti, kuru pamatā ir siltumvadītspējas mērījumi, un ar lieliem panākumiem tos plaši izmantoja strauji augošajā ķīmiskajā rūpniecībā. Protams, sākotnēji tika analizēti tikai bināri gāzu maisījumi. Vislabākos rezultātus iegūst ar lielu gāzu siltumvadītspējas atšķirību. Starp gāzēm ūdeņradim ir vislielākā siltumvadītspēja. Praksē ir bijis pamatots arī CO s koncentrācijas mērīšana dūmgāzēs, jo skābekļa, slāpekļa un oglekļa monoksīda siltumvadītspējas ir ļoti tuvas viena otrai, kas ļauj šo četru komponentu maisījumu uzskatīt par kvazi. - binārs.

Dažādu gāzu siltumvadītspējas temperatūras koeficienti nav vienādi, tāpēc var atrast temperatūru, kurā dažādu gāzu siltumvadītspēja ir vienāda (piemēram, 490°C oglekļa dioksīdam un skābeklim, 70°C amonjakam un gaiss, 75°C oglekļa dioksīdam un argonam). Risinot noteiktu analītisko uzdevumu, šīs sakritības var izmantot, trīskāršo gāzu maisījumu ņemot par kvazibināru.

Gāzes analīzē var pieņemt, ka siltumvadītspēja ir papildu īpašība. Izmērot maisījuma siltumvadītspēju un zinot binārā maisījuma tīro komponentu siltumvadītspēju, var aprēķināt to koncentrācijas. Tomēr šo vienkāršo attiecību nevar attiecināt uz jebkuru bināro maisījumu. Piemēram, gaisa – ūdens tvaiku, gaisa – amonjaka, oglekļa monoksīda – amonjaka un gaisa – acetilēna maisījumiem ar noteiktu sastāvdaļu attiecību ir maksimālā siltumvadītspēja. Tāpēc siltumvadītspējas metodes pielietojamība ir ierobežota līdz noteiktam koncentrācijas diapazonam. Daudziem maisījumiem pastāv nelineāra sakarība starp siltumvadītspēju un sastāvu. Tāpēc ir nepieciešams noņemt kalibrēšanas līkni, saskaņā ar kuru būtu jāizveido ierakstīšanas ierīces skala.

Siltumvadītspējas sensori(termokonduktometriskie sensori) sastāv no četrām mazām ar gāzi pildītām maza tilpuma kamerām ar tāda paša izmēra plāniem platīna vadītājiem ar vienādiem elektriskā pretestība. Tas pats plūst caur vadītājiem D.C. stabilu vērtību un uzsilda tos. Vadus – sildelementus – ieskauj gāze. Divās kamerās ir mērāmā gāze, pārējās divās ir standartgāze. Visi sildelementi ir iekļauti Wytheton tiltā, ar kuru nav grūti izmērīt temperatūras starpību aptuveni 0,01°C. Tik augsta jutība prasa precīzu mērīšanas kameru temperatūru vienādību, tāpēc visa mērīšanas sistēma tiek ievietota termostatā vai tilta mērīšanas diagonālē un tiek iekļauta pretestība temperatūras kompensācijai. Kamēr siltuma noņemšana no sildelementi mērīšanas un salīdzināšanas kamerās ir tas pats, tilts ir līdzsvarā. Pievadot mērkamerās gāzi ar atšķirīgu siltumvadītspēju, šis līdzsvars tiek izjaukts, mainās jutīgo elementu temperatūra un vienlaikus arī to pretestība. Iegūtā strāva mērīšanas diagonālē ir proporcionāla izmērītās gāzes koncentrācijai. Lai palielinātu jutību darba temperatūra jutīgie elementi jāpalielina, bet jārūpējas, lai saglabātu pietiekami lielu gāzes siltumvadītspējas starpību. Tādējādi dažādiem gāzu maisījumiem ir optimāla temperatūra siltumvadītspējai un jutībai. Bieži vien starpība starp jutīgo elementu temperatūru un kameras sienu temperatūru tiek izvēlēta no 100 līdz 150°C.

Rūpniecisko siltumvadītspējas analizatoru mērīšanas šūnas parasti sastāv no masīva metāla korpusa, kurā ir urbtas mērīšanas kameras. Tas nodrošina vienmērīgs sadalījums temperatūras un laba kalibrēšanas stabilitāte. Tā kā siltumvadītspējas mērītāja rādījumus ietekmē gāzes plūsmas ātrums, gāze tiek ievadīta mērīšanas kamerās caur apvada kanālu. Zemāk ir doti dažādu konstruktoru risinājumi, lai nodrošinātu nepieciešamo gāzu apmaiņu. Principā tiek pieņemts, ka galvenā gāzes plūsma ir savienota, savienojot kanālus ar mērīšanas kamerām, caur kurām gāze plūst ar nelielu atšķirību. Šajā gadījumā difūzijai un termiskajai konvekcijai ir izšķiroša ietekme uz gāzes atjaunošanos mērīšanas kamerās. Mērkameru tilpums var būt ļoti mazs (vairāki kubikmilimetri), kas nodrošina nelielu konvektīvās siltuma pārneses ietekmi uz mērījuma rezultātu. Lai samazinātu platīna vadītāju katalītisko efektu, tie dažādos veidos izkusis plānsienu stikla kapilāros. Lai nodrošinātu mērīšanas kameras izturību pret koroziju, visas gāzes cauruļvada daļas ir pārklātas ar stiklu. Tas ļauj izmērīt hloru, hlorūdeņradi un citas agresīvas gāzes saturošu maisījumu siltumvadītspēju. Termovadometriskie analizatori ar slēgtām salīdzinošām kamerām ir izplatīti galvenokārt ķīmiskajā rūpniecībā. Atbilstošās atsauces gāzes izvēle vienkāršo instrumenta kalibrēšanu. Turklāt ir iespējams iegūt skalu ar nomāktu nulli. Lai samazinātu novirzi nulles punkts Jānodrošina labs salīdzināšanas kameru blīvējums. IN īpaši gadījumi, piemēram, ja ir spēcīgas gāzu maisījuma sastāva svārstības, varat strādāt ar caurplūdes salīdzinošām kamerām. Šajā gadījumā, izmantojot īpašu reaģentu, no izmērītā gāzu maisījuma tiek noņemts viens no komponentiem (piemēram, CO un kaustiskā kālija šķīdums), un pēc tam gāzes maisījums tiek nosūtīts uz salīdzināmajām kamerām. Mērīšanas un salīdzināšanas zari šajā gadījumā atšķiras tikai ar vienas sastāvdaļas neesamību. Šī metode bieži ļauj analizēt sarežģītus gāzu maisījumus.

IN pēdējā laikā Metāla vadītāju vietā kā jutīgi elementi dažreiz tiek izmantoti pusvadītāju termistori. Termistoru priekšrocība ir 10 reizes lielāka termiskā pretestība, salīdzinot ar metāla temperatūras koeficients pretestība. Tādējādi tiek panākts straujš jutīguma pieaugums. Taču tajā pašā laikā daudz augstākas prasības tiek izvirzītas tilta strāvas un kameras sienu temperatūras stabilizēšanai.

Agrāk nekā citi un visplašāk siltuma vadītspējas mērinstrumentus sāka izmantot sadedzināšanas krāšņu izplūdes gāzu analīzei. Pateicoties augstajai jutībai, lielajam ātrumam, vieglai apkopei un uzticamam dizainam, kā arī zemajām izmaksām, šāda veida analizatori pēc tam tika ātri ieviesti rūpniecībā.

Ūdeņraža koncentrācijas mērīšanai maisījumos ir vislabāk piemēroti siltumvadītometriskie analizatori. Izvēloties standartgāzes, jāņem vērā arī dažādu gāzu maisījumi. Kā piemēru minimālajiem mērījumu diapazoniem dažādām gāzēm var izmantot šādus datus (6.1. tabula).

6.1. tabula

Minimālie mērījumu diapazoni dažādām gāzēm,

% uz skaļumu

Maksimālais mērījumu diapazons visbiežāk ir 0–100%, un 90 vai pat 99% tiek nomākti. Īpašos gadījumos siltumvadītspējas analizators ļauj vienā ierīcē izmantot vairākus dažādus mērījumu diapazonus. To izmanto, piemēram, lai kontrolētu termoelektrostaciju ar ūdeņradi dzesējamo turboģeneratoru uzpildes un iztukšošanas procesus. Sprādzienbīstamības dēļ ģeneratora korpuss nav piepildīts ar gaisu, bet vispirms kā izplūdes gāze tiek ievadīts oglekļa dioksīds un pēc tam ūdeņradis. Gāze tiek atbrīvota no ģeneratora tādā pašā veidā. Ar diezgan augstu reproducējamību ar vienu analizatoru var sasniegt šādus mērījumu diapazonus: 0-100% (tilp./til.) CO (izplūdes gaisā oglekļa dioksīds), 100-0% H 2 CO (uzpildīšanai ar ūdeņradi) un 100-80% H 2 (gaisā, lai kontrolētu ūdeņraža tīrību ģeneratora darbības laikā). Šis lēts veids mērījumi.

Lai noteiktu ūdeņraža saturu hlorā, kas izdalās kālija hlorīda elektrolīzes laikā, izmantojot siltumvadītspējas analizatoru, var strādāt gan ar noslēgtu standartgāzi (S0 2, Ar), gan ar plūstošu standartgāzi. Pēdējā gadījumā ūdeņraža un hlora maisījumu vispirms nosūta uz mērīšanas kameru un pēc tam uz pēcsadedzināšanas krāsni ar temperatūru > 200°C. Ūdeņradis sadedzina ar hlora pārpalikumu, veidojot hlorūdeņradi. Iegūtais HC un C1 2 maisījums tiek ievadīts salīdzināmajā kamerā. Šajā gadījumā ūdeņraža koncentrāciju nosaka no siltumvadītspējas starpības. Šī metode ievērojami samazina neliela gaisa daudzuma ietekmi.

Lai samazinātu kļūdu, kas rodas, analizējot slapjo gāzi, gāze ir jāžāvē, ko veic vai nu izmantojot mitruma absorbētāju, vai pazeminot gāzes temperatūru zem rasas punkta. Ir vēl viena iespēja kompensēt mitruma ietekmi, kas ir piemērojama tikai, veicot mērījumus, izmantojot plūstošu etalongāzes shēmu.

Lai strādātu ar sprādzienbīstamām gāzēm, vairāki uzņēmumi ražo sprādziendrošas ierīces. Šajā gadījumā siltumvadītspējas mērīšanas kameras ir paredzētas augsts asinsspiediens, pie kameru ieejas un izejas ir uzstādīti ugunsdrošības bloki, un izejas signāls ir ierobežots līdz iekšēji drošam līmenim. Tomēr šādas ierīces nevar izmantot, lai analizētu sprādzienbīstamu gāzu maisījumus ar skābekli vai ūdeņradi ar hloru.

• Centimetrs-grams-sekunde ir mērvienību sistēma, kas tika plaši izmantota pirms Starptautiskās mērvienību sistēmas (SI) pieņemšanas.

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

METĀLU PARAUGU SILTUMVADĪTĪBAS MĒRĪŠANA AR STACIONĀRĀS SILTUMA PLŪSMAS METODI

Anotācija. Tehnika ir aprakstīta un dizaina iezīmes iekārtas siltumvadītspējas koeficienta mērīšanai metāla paraugiem, kas izgatavoti homogēna cilindriska stieņa vai plānas taisnstūra plāksnes veidā, izmantojot stacionāras siltuma plūsmas metodi. Pētāmais paraugs tiek uzkarsēts ar tiešu elektrisko sildīšanu ar īsu impulsu AC, fiksēts masīvās vara strāvas skavās, kas vienlaikus kalpo kā siltuma izlietne.

Atslēgas vārdi: siltumvadītspējas koeficients, paraugs, Furjē likums, stacionāra siltuma apmaiņa, mērīšanas iekārta, transformators, multimērs, termopāris.

Ievads

Siltumenerģijas pārnesi no cieta ķermeņa vairāk apsildāmām zonām uz mazāk uzkarsētām caur haotiski kustīgām daļiņām (elektroniem, molekulām, atomiem utt.) sauc par siltumvadītspējas fenomenu. Siltumvadītspējas fenomena izpēte tiek plaši izmantota dažādas nozares nozares, piemēram: nafta, kosmosa rūpniecība, automobiļu rūpniecība, metalurģija, kalnrūpniecība utt.

Ir trīs galvenie siltuma pārneses veidi: konvekcija, termiskais starojums un siltumvadītspēja. Siltumvadītspēja ir atkarīga no vielas īpašībām un tās fizikālā stāvokļa. Šajā gadījumā šķidrumos un cietās vielās (dielektriķos) enerģijas pārnešana notiek ar elastīgiem viļņiem, gāzēs - ar atomu (molekulu) sadursmes un difūzijas palīdzību, bet metālos - caur brīvo elektronu difūziju un ar siltuma palīdzību. režģa vibrācijas. Siltuma pārnese organismā ir atkarīga no tā, kādā stāvoklī tas atrodas: gāzveida, šķidrā vai cietā.

Siltumvadītspējas mehānisms šķidrumos atšķiras no siltumvadītspējas mehānisma gāzēs, un tam ir daudz kopīga ar cieto vielu siltumvadītspēju. Teritorijās ar paaugstināta temperatūra ir molekulu vibrācijas ar lielu amplitūdu. Šīs vibrācijas tiek pārnestas uz blakus esošajām molekulām, un tādējādi siltuma kustības enerģija pakāpeniski tiek pārnesta no slāņa uz slāni. Šis mehānisms nodrošina salīdzinoši nelielu siltumvadītspējas koeficienta vērtību. Palielinoties temperatūrai, siltumvadītspējas koeficients lielākajai daļai šķidrumu samazinās (izņēmums ir ūdens un glicerīns, kuriem siltumvadītspējas koeficients palielinās, palielinoties temperatūrai).

Kinētiskās enerģijas pārneses fenomens, izmantojot molekulāro kustību ideālās gāzēs, ir saistīts ar siltuma pārnesi caur siltumvadītspēju. Molekulārās kustības nejaušības dēļ molekulas pārvietojas visos virzienos. Pārcelšanās no vietām, kur ir vairāk augsta temperatūra uz vietām ar zemāku temperatūru, molekulas pārnes kustības kinētisko enerģiju pāru sadursmju dēļ. Molekulārās kustības rezultātā notiek pakāpeniska temperatūras izlīdzināšana; nevienmērīgi uzkarsētā gāzē siltuma pārnese ir noteikta daudzuma kinētiskās enerģijas pārnešana nejaušas (haotiskas) molekulu kustības laikā. Pazeminoties temperatūrai, samazinās gāzu siltumvadītspēja.

Metālos galvenais siltuma raidītājs ir brīvie elektroni, ko var pielīdzināt ideālai monatomiskai gāzei. Tāpēc ar zināmu tuvinājumu

Ēkas siltumvadītspējas koeficients un siltumizolācijas materiāli tas palielinās, palielinoties temperatūrai, un, palielinoties tilpuma svaram, tas palielinās. Siltumvadītspējas koeficients lielā mērā ir atkarīgs no materiāla porainības un mitruma. Siltumvadītspēja dažādi materiāli mainās diapazonā: 2-450 W/(m K).

1. Siltuma vienādojums

Siltumvadītspējas likums ir balstīts uz Furjē hipotēzi par siltuma plūsmas proporcionalitāti temperatūras starpībai uz siltuma pārneses ceļa garuma vienību laika vienībā. Skaitliski siltumvadītspējas koeficients ir vienāds ar siltuma daudzumu, kas laika vienībā plūst caur virsmas vienības temperatūru, un temperatūras starpība uz normas garuma vienību ir vienāda ar vienu grādu.

Saskaņā ar Furjē likumu, virsmas blīvums siltuma plūsma h proporcionāla

līdz temperatūras gradientam -:

Šeit koeficientu X sauc par siltumvadītspējas koeficientu. Mīnusa zīme norāda, ka siltums tiek nodots temperatūras pazemināšanās virzienā. Siltuma daudzumu, kas iziet cauri izotermiskās virsmas vienībai laika vienībā, sauc par siltuma plūsmas blīvumu:

Siltuma daudzumu, kas laika vienībā iet caur izotermisko virsmu B, sauc par siltuma plūsmu:

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

Kopējais siltuma daudzums, kas iziet caur šo virsmu B laikā t, tiks noteikts pēc vienādojuma

No=-DL-^t. (1.4)

2. Siltumvadītspējas robežnosacījumi

Ir dažādi apstākļi nepārprotamība: ģeometrisks - raksturo ķermeņa formu un izmērus, kurā notiek siltumvadītspējas process; fizikāls - raksturo ķermeņa fizikālās īpašības; pagaidu - raksturo ķermeņa temperatūras sadalījumu sākotnējā laika momentā; robeža - raksturo ķermeņa mijiedarbību ar vidi.

Pirmā veida robežnosacījumi. Šajā gadījumā temperatūras sadalījums uz ķermeņa virsmas ir norādīts katram laika momentam.

Otrā veida robežnosacījumi. Šajā gadījumā norādītā vērtība ir siltuma plūsmas blīvums katram ķermeņa virsmas punktam jebkurā laikā:

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

Trešā veida robežnosacījumi. Šajā gadījumā tiek noteikta vides temperatūra T0 un nosacījumi šīs vides siltuma apmaiņai ar ķermeņa virsmu.

Ceturtā veida robežnosacījumi tiek veidoti, pamatojoties uz siltuma plūsmu vienādību, kas iet caur ķermeņu saskares virsmu.

3. Eksperimentālā iekārta siltumvadītspējas koeficienta mērīšanai

Mūsdienu metodes Siltumvadītspējas koeficientu noteikšanu var iedalīt divās grupās: stacionārās siltuma plūsmas metodes un nestacionārās siltuma plūsmas metodes.

Pirmajā metožu grupā siltuma plūsma, kas iet caur ķermeni vai ķermeņu sistēmu, paliek nemainīga lieluma un virziena ziņā. Temperatūras lauks ir stacionārs.

Pārejošas metodes izmanto laikā mainīgu temperatūras lauku.

Šajā darbā tiek izmantota viena no stacionārās siltuma plūsmas metodēm - Kolrauša metode.

Metāla paraugu siltumvadītspējas mērīšanas iekārtas blokshēma ir parādīta attēlā. 1.

Rīsi. 1. Blokshēma mērīšanas iestatīšana

Instalācijas galvenais elements ir jaudas pazeminošs transformators 7, kura primārais tinums ir savienots ar LATR 10 tipa autotransformatoru, bet sekundārais tinums, kas izgatavots no taisnstūra vara kopnes ar sešiem pagriezieniem, ir tieši savienots ar masīvas vara strāvas skavas 2, kas vienlaikus kalpo kā siltuma izlietne-ledusskapis . Testa paraugs 1 ir fiksēts masīvās vara strāvas skavās 2, izmantojot masīvas vara skrūves (nav parādītas attēlā), kas vienlaikus kalpo kā siltuma izlietne. Temperatūras kontrole dažādos pētāmā parauga punktos tiek veikta, izmantojot Chromel-Copel termopārus 3 un 5, kuru darba gali ir tieši fiksēti uz 1. parauga cilindriskās virsmas - viens parauga centrālajā daļā, bet otrs izlases beigās. Termopāru 3 un 5 brīvie gali ir savienoti ar DT-838 4 un 6 tipa multimēriem, kas ļauj veikt temperatūras mērījumus ar precizitāti līdz 0,5 °C. Paraugu karsē ar tiešu elektrisko karsēšanu ar īsu maiņstrāvas impulsu no jaudas transformatora 7 sekundārā tinuma. Strāvu pārbaudāmajā paraugā mēra netieši - mērot spriegumu uz gredzenveida strāvas transformatora 8 sekundārā tinuma, kura primārais tinums ir jaudas transformatora 7 sekundārā tinuma jaudas kopne, kas izlaista caur gredzenveida magnētiskā serdeņa brīvo spraugu. Strāvas transformatora sekundārā tinuma spriegumu mēra ar multimetru 9.

Impulsa strāvas lieluma izmaiņas pētāmajā paraugā tiek veiktas, izmantojot lineāro autotransformatoru 10 (LATR), kura primārais tinums caur virkni savienotu tīkla drošinātāju 13 un pogu 12 ir savienots ar maiņstrāvu. tīkls ar spriegumu 220 V. Sprieguma kritumu pārbaudāmajā paraugā tiešā elektriskā sildīšanas režīmā veic, izmantojot multimetru 14, kas paralēli savienots tieši ar strāvas spailēm 2. Strāvas impulsu ilgumu mēra, izmantojot elektriskais hronometrs 11, kas savienots ar lineārā autotransformatora primāro tinumu 10. Pārbaudāmā parauga sildīšanas režīma ieslēgšana un izslēgšana tiek nodrošināta ar pogu 12.

Mērot siltumvadītspējas koeficientu, izmantojot iepriekš aprakstīto iekārtu, ir jāievēro šādi nosacījumi:

Pārbaudāmā parauga šķērsgriezuma vienmērīgums visā garumā;

Testa parauga diametram jābūt diapazonā no 0,5 mm līdz 3 mm (pretējā gadījumā galvenā siltuma jauda tiks atbrīvota strāvas transformators, nevis pētītajā izlasē).

Temperatūras un parauga garuma diagramma ir parādīta attēlā. 2.

Rīsi. 2. Temperatūras atkarība no parauga garuma

Kā redzams diagrammā iepriekš, temperatūras atkarība no pētāmā parauga garuma ir lineāra ar izteiktu maksimumu parauga centrālajā daļā, un galos tā paliek minimāla (konstanta) un vienāda ar temperatūru. vidi laika intervālā līdzsvara siltuma pārneses režīma izveidošanai, kas šim eksperimentālajam uzstādījumam nepārsniedz 3 minūtes, t.i. 180 sekundes.

4. Siltumvadītspējas koeficienta darba formulas atvasināšana

Siltuma daudzumu, kas vadītājā izdalās elektriskās strāvas pārejas laikā, var noteikt saskaņā ar Džoula-Lenca likumu:

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

kur un I ir spriegums un strāva pētāmajā paraugā; I ir izlases pretestība.

Caur nodotais siltuma daudzums šķērsgriezums pētāmā parauga lielumu laika intervālam t, kas izgatavots homogēna cilindriska stieņa formā ar garumu £ un šķērsgriezumu 5, var aprēķināt saskaņā ar Furjē likumu (1.4):

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

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

Šeit koeficienti 2 un 1/2 norāda, ka siltuma plūsma tiek virzīta no

parauga centrs līdz tā galiem, t.i. sadalās divās plūsmās. Tad

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

5. Siltuma zudumu uzskaite sānu virsma

§Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

kur Bbok = n-th-1; a ir siltuma apmaiņas koeficients starp testa parauga virsmu un vidi, kam ir izmērs

Temperatūras starpība

DGx = Tx — T0cr, (5.2)

kur Tx ir temperatūra noteiktā parauga virsmas punktā; Hocr - apkārtējās vides temperatūra, var aprēķināt no lineārais vienādojums parauga temperatūras atkarība no tā garuma:

Tx = T0 + k-x, (5.3.)

Kur slīpums k var noteikt, izmantojot parauga temperatūras lineārās atkarības slīpuma tangensu no tā garuma:

DT T - T T - T

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

Aizvietojot izteiksmes (5.2), (5.3) un (5.4) vienādojumā (5.1), mēs iegūstam:

SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,

kur T0 Tszhr.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)

Pēc izteiksmes (5.5) integrēšanas iegūstam:

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

Aizvietojot iegūtās izteiksmes (4.1), (4.3) un (5.6) siltuma bilances vienādojumā aoln = ogr + qs, kur Qtot = QEL, iegūstam:

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

Atrisinot iegūto siltumvadītspējas koeficienta vienādojumu, iegūstam:

u1 a £2, l

Iegūtā izteiksme ļauj noteikt plānu metāla stieņu siltumvadītspējas koeficientu saskaņā ar aprēķiniem, kas veikti tipiskiem testa paraugiem ar relatīvu kļūdu

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

nepārsniedzot 1,5%.

Atsauces

1. Sivuhins, D. V. Vispārējais kurss fizika / D. V. Sivuhins. - M.: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 lpp.

2. Rudins, A. V. Stiklu veidojošo objektu strukturālo relaksācijas procesu izpēte dažādos dzesēšanas režīmos / A. V. Rudin // Augstākās izglītības izvestija izglītības iestādēm. Volgas reģions. Dabaszinātnes. - 2003. - Nr.6. - P. 123-137.

3. Pavlovs, P.V. Cietvielu fizika: mācību grāmata. rokasgrāmata studentiem, kas studē specialitātē “Fizika” / P. V. Pavlovs, A. F. Khokhlov. - M.: Augstāk. skola, 1985. - 384 lpp.

4. Bermans, R. Cietvielu siltumvadītspēja / R. Berman. - M., 1979. - 287 lpp.

5. Livšits, B. G. Fizikālās īpašības metāli un sakausējumi / B. G. Livšits, V. S. Krapošins. - M.: Metalurģija, 1980. - 320 lpp.

Luzina Anna Vjačeslavovna Luzina Anna Vjačeslavovna

bakalaura, maģistrantūras students,

Penzas štata universitāte Penzas štata universitātes e-pasts: [aizsargāts ar e-pastu]

Rudins Aleksandrs Vasiļjevičs

Fizikas un matemātikas zinātņu kandidāts, asociētais profesors, Penzas Valsts universitātes Fizikas katedras vadītāja vietnieks E-pasts: [aizsargāts ar e-pastu]

Rudins Aleksandrs Vasiļjevičs

fizisko un matemātikas zinātņu kandidāts, asociētais profesors,

Penzas Valsts universitātes Fizikas apakšnodaļas vadītāja vietnieks

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

Metāla paraugu siltumvadītspējas mērīšana, izmantojot stacionārās siltuma plūsmas metodi /

A. V. Luzina, A. V. Rudins // Penzas biļetens valsts universitāte. - 2016. - Nr.3 (15). -AR. 76-82.

Lai pētītu vielas siltumvadītspēju, tiek izmantotas divas metožu grupas: stacionāra un nestacionāra.

Stacionāro metožu teorija ir vienkāršāka un pilnīgāk attīstīta. Bet nestacionāras metodes principā papildus siltumvadītspējas koeficientam ļauj iegūt informāciju par siltuma difūzijas koeficientu un siltuma jaudu. Tāpēc pēdējā laikā liela uzmanība tiek pievērsta nestacionāru metožu izstrādei vielu termofizikālo īpašību noteikšanai.

Šeit aplūkotas dažas stacionāras metodes vielu siltumvadītspējas noteikšanai.

A) Plakanā slāņa metode. Viendimensijas siltuma plūsmai cauri plakans slānis Siltumvadītspējas koeficientu nosaka pēc formulas

Kur d- biezums, T 1 un T 2 - parauga “karstās” un “aukstās” virsmas temperatūra.

Lai pētītu siltumvadītspēju, izmantojot šo metodi, ir jāizveido siltuma plūsma, kas ir tuvu viendimensionālai.

Parasti temperatūras mēra nevis uz parauga virsmas, bet kādā attālumā no tām (skat. 2. att.), tāpēc ir nepieciešams ieviest korekcijas izmērītajā temperatūras starpībā temperatūras starpībai sildītāja un dzesētāja slānī, lai minimizēt termiskā pretestība kontaktpersonas.

Pētot šķidrumus, lai novērstu konvekcijas fenomenu, temperatūras gradients jāvirza pa gravitācijas lauku (uz leju).

Rīsi. 2. Siltumvadītspējas mērīšanas plakano slāņu metožu diagramma.

1 – pētāmais paraugs; 2 – sildītājs; 3 – ledusskapis; 4, 5 – izolācijas gredzeni; 6 – drošības sildītāji; 7 – termopāri; 8, 9 – diferenciālie termopāri.

b) Jēgera metode. Metodes pamatā ir viendimensijas siltuma vienādojuma atrisināšana, kas apraksta siltuma izplatīšanos pa stieni, ko silda ar elektrisko strāvu. Šīs metodes izmantošanas grūtības ir tas, ka parauga ārējā virsmā nav iespējams izveidot stingrus adiabātiskus apstākļus, kas pārkāpj siltuma plūsmas viendimensionalitāti.

Aprēķina formula ir šāda forma:

(14)

Kur s- testa parauga elektrovadītspēja, U– sprieguma kritums starp galējiem punktiem stieņa galos, D.T.– temperatūras starpība starp stieņa vidu un punktu stieņa galā.

Rīsi. 3. Jēgera metodes shēma.

1 – elektriskā krāsns; 2 – paraugs; 3 – kronšteini parauga stiprināšanai; T 1 ¸ T 6 – termopāru blīvēšanas vietas.

Šo metodi izmanto elektriski vadošu materiālu izpētē.

V) Cilindriskā slāņa metode. Pētāmais šķidrums (beztaras materiāls) aizpilda cilindrisku slāni, ko veido divi koaksiāli izvietoti cilindri Viens no cilindriem, visbiežāk iekšējais, ir sildītājs (4. att.).

4. att. Cilindriskā slāņa metodes shēma

1 - iekšējais cilindrs; 2 - galvenais sildītājs; 3 - testējamās vielas slānis; 4 – ārējais cilindrs; 5 - termopāri; 6 – drošības cilindri; 7 - papildu sildītāji; 8 - ķermenis.

Sīkāk aplūkosim stacionāro siltumvadītspējas procesu cilindriskā sienā, kuras ārējās un iekšējās virsmas temperatūra tiek uzturēta nemainīga un vienāda ar T 1 un T 2 (mūsu gadījumā tas ir vielas slānis tiek pētīts 5). Noteiksim siltuma plūsmu caur sienu ar nosacījumu iekšējais diametrs cilindriskā siena d 1 = 2r 1, un ārsiena d 2 = 2r 2, l = const un siltums izplatās tikai radiālā virzienā.

Lai atrisinātu problēmu, mēs izmantojam vienādojumu (12). Cilindriskās koordinātēs, kad ; vienādojums (12) saskaņā ar (1O) ir šāds:

. (15)

Iepazīstinām ar apzīmējumu dT/dr= 0, mēs iegūstam

Pēc šīs izteiksmes integrēšanas un pastiprināšanas, pārejot uz sākotnējiem mainīgajiem, mēs iegūstam:

. (16)

Kā redzams no šī vienādojuma, atkarība T=f(r) ir logaritmiska.

Integrācijas konstantes C 1 un C 2 var noteikt, ja šajā vienādojumā tiek aizstāti robežnosacījumi:

plkst r=r 1 T = T 1 Un T 1 = C 1 ln r 1 + C 2,

plkst r=r 2 T=T 2 Un T 2 = C 1 ln r 2 + C 2.

Šo vienādojumu risinājums ir relatīvs AR 1 un C 2 dod:

;

Tā vietā aizstājot šos izteicienus C 1 Un C 2 vienādojumā (1b), mēs iegūstam

(17)

siltuma plūsma caur rādiusa cilindriskās virsmas laukumu r un garums tiek noteikts, izmantojot Furjē likumu (5)

.

Pēc aizstāšanas mēs iegūstam

. (18)

Siltumvadītspējas koeficients l zināmām vērtībām J, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, aprēķināts pēc formulas

. (19)

Lai nomāktu konvekciju (šķidruma gadījumā), cilindriskajam slānim jābūt nelielam biezumam, parasti milimetra daļai.

Galīgo zudumu samazināšana cilindriskā slāņa metodē tiek panākta, palielinot attiecību / d un drošības sildītāji.

G) Karstās stieples metode.Šajā metodē attiecība / d pieaug samazināšanās dēļ d. Iekšējais cilindrs tiek aizstāts ar plānu stiepli, kas vienlaikus ir gan sildītājs, gan pretestības termometrs (5. att.). Dizaina relatīvās vienkāršības rezultātā un detalizēta izstrāde teorija, apsildāmās stieples metode ir kļuvusi par vienu no vismodernākajām un precīzākajām. Praksē eksperimentālie pētījumi Tas ieņem vadošo pozīciju šķidrumu un gāzu siltumvadītspējas ziņā.

Rīsi. 5. Mērelementa diagramma, kas izgatavota, izmantojot apsildāmās stieples metodi. 1 – mērvads, 2 – caurule, 3 – testējamā viela, 4 – strāvas vadi, 5 – potenciālie vadi, 6 – ārējais termometrs.

Pie nosacījuma, ka visa siltuma plūsma no posma AB stiepjas radiāli un temperatūras starpība T 1 – T 2 nav liela, tā ka šajās robežās var uzskatīt l = const, vielas siltumvadītspējas koeficientu nosaka pēc formulas.

, (20)

Kur J AB = T × U AB ir stieple atbrīvotā jauda.

d) Bumbu metode. Atrod pielietojumu šķidrumu un beztaras materiālu siltumvadītspējas pētīšanas praksē. Pētītajai vielai ir piešķirta sfēriska slāņa forma, kas principā ļauj novērst nekontrolētus siltuma zudumus. Tehniski šī metode ir diezgan sarežģīta.

Saskaņā ar prasībām federālais likums Nr.261-FZ “Par enerģijas taupīšanu” ir stingrākas prasības ēku un siltumizolācijas materiālu siltumvadītspējai Krievijā. Mūsdienās siltumvadītspējas mērīšana ir viena no obligātās preces lemjot, vai izmantot materiālu kā siltumizolatoru.

Kāpēc būvniecībā ir jāmēra siltumvadītspēja?

Ēku un siltumizolācijas materiālu siltumvadītspēja tiek uzraudzīta visos to sertifikācijas un ražošanas posmos laboratorijas apstākļos, kad materiāli tiek pakļauti dažādi faktori, kas ietekmē tā darbības īpašības. Ir vairākas izplatītas metodes siltumvadītspējas mērīšanai. Precīzai laboratoriskai materiālu pārbaudei ar zemu siltumvadītspēju (zem 0,04 - 0,05 W/m*K) ieteicams izmantot ierīces, izmantojot stacionārās siltuma plūsmas metodi. To izmantošanu regulē GOST 7076.

Uzņēmums Interpribor piedāvā siltumvadītspējas mērītāju, kura cena ir izdevīga salīdzinājumā ar tirgū pieejamajiem un atbilst visiem mūsdienu prasībām. Tā paredzēta ēku un siltumizolācijas materiālu laboratoriskai kvalitātes kontrolei.

Siltumvadītspējas mērītāja ITS-1 priekšrocības

Siltumvadītspējas mērītājam ITS-1 ir oriģināls monobloka dizains, un to raksturo šādas priekšrocības:

• automātiskais mērīšanas cikls;
• augstas precizitātes mērīšanas ceļš, kas ļauj stabilizēt ledusskapja un sildītāja temperatūru;
• ierīces kalibrēšanas iespēja atsevišķas sugas pētāmie materiāli, kas vēl vairāk palielina rezultātu precizitāti;
• izteiktu rezultāta novērtējumu mērīšanas procesā;
• optimizēta “karstā” drošības zona;
• informatīvs grafiskais displejs, kas vienkāršo mērījumu rezultātu kontroli un analīzi.

ITS-1 tiek piegādāts vienā pamata modifikācijā, kuru pēc klienta pieprasījuma var papildināt ar kontroles paraugiem (plexiglass un penoplekss), kasti beramajiem materiāliem un aizsargmaciņu ierīces uzglabāšanai un transportēšanai.