Do zdaj enotna klasifikacija ni bila razvita, kar je povezano z raznolikostjo obstoječih metod. Znane eksperimentalne metode za merjenje toplotne prevodnosti materialov delimo v dve veliki skupini: stacionarne in nestacionarne. V prvem primeru kakovost izračunske formule uporablja posebne rešitve enačbe toplotne prevodnosti

pod pogojem, v drugem - pod pogojem, ko je T temperatura; f - čas; - koeficient toplotne difuznosti; l - koeficient toplotne prevodnosti; C - specifična toplotna zmogljivost; g gostota materiala; - Laplaceov operator, zapisan v ustreznem koordinatnem sistemu; - specifična moč volumetričnega vira toplote.

Prva skupina metod temelji na uporabi stacionarnega toplotnega režima; drugi je nestacionarni toplotni režim. Stacionarne metode za določanje koeficienta toplotne prevodnosti po naravi meritev so neposredne (tj. Koeficient toplotne prevodnosti je neposredno določen) in so razdeljene na absolutne in relativne. V absolutnih metodah parametri, izmerjeni v poskusu, omogočajo pridobitev želene vrednosti koeficienta toplotne prevodnosti z uporabo izračunske formule. V relativnih metodah parametri, izmerjeni v poskusu, omogočajo uporabo izračunske formule za pridobitev želene vrednosti koeficienta toplotne prevodnosti. V relativnih metodah izmerjeni parametri ne zadoščajo za izračun absolutne vrednosti. Tu sta možna dva primera. Prvi je opazovati spremembo koeficienta toplotne prevodnosti glede na začetni, vzeti kot enota. Drugi primer je uporaba referenčnega materiala z znanimi toplotnimi lastnostmi. Hkrati se v izračunski formuli uporablja koeficient toplotne prevodnosti standarda. Relativne metode imajo nekaj prednosti pred absolutnimi, ker so enostavnejše. Nadaljnja delitev stacionarnih metod se lahko izvede po naravi ogrevanja (zunanje, volumetrično in kombinirano) in po obliki izoterm temperaturnega polja v vzorcih (ravno, valjasto, sferično). V podskupino metod z zunanjim ogrevanjem spadajo vse metode, ki uporabljajo zunanje (električne, volumetrične itd.) Grelnike in ogrevanje površin vzorcev s toplotnim sevanjem ali elektronskim bombardiranjem. Podskupina metod z volumetričnim ogrevanjem združuje vse metode, ki uporabljajo ogrevanje s tokom, ki gre skozi vzorec, ogrevanje vzorca, ki ga preiskujemo, z nevtronskim ali r-sevanjem ali z mikrovalovnimi tokovi. Podskupina metod s kombiniranim ogrevanjem lahko vključuje metode, ki hkrati uporabljajo zunanje in volumetrično ogrevanje vzorcev ali vmesno ogrevanje (na primer z visokofrekvenčnimi tokovi).

V vseh treh podskupinah stacionarnih metod je temperaturno polje

so lahko drugačne.

Ravne izoterme nastanejo, ko je toplotni tok usmerjen vzdolž simetrijske osi vzorca. Metode, ki uporabljajo ravne izoterme, se v literaturi imenujejo metode z aksialnim ali vzdolžnim toplotnim tokom, same eksperimentalne naprave pa ploske naprave.

Cilindrične izoterme ustrezajo širjenju toplotnega toka v smeri polmera valjastega vzorca. V primeru, ko je toplotni tok usmerjen vzdolž polmera sferičnega vzorca, se pojavijo sferične izoterme. Metode, ki uporabljajo take izoterme, imenujemo sferične, naprave pa sferične.

Fizične metode analize temeljijo na uporabi določenega fizičnega učinka ali določene fizikalne lastnosti snovi. Za analiza plinov uporaba gostote, viskoznosti, toplotne prevodnosti, lomnega količnika, magnetne občutljivosti, difuzije, absorpcije, emisije, absorpcije elektromagnetnega sevanja, pa tudi selektivne absorpcije, hitrosti zvoka, toplotnega učinka reakcije, električne prevodnosti itd. Nekatere od teh fizikalnih lastnosti in pojavi omogočajo neprekinjeno analizo plinov in omogočajo visoko občutljivost in natančnost meritev. Izbira fizikalne količine ali pojava je zelo pomembna, da se izključi vpliv neizmerjenih komponent, ki jih vsebuje analizirana zmes. Uporaba posebnih lastnosti ali učinkov omogoča določitev koncentracije želene komponente v večkomponentni mešanici plinov. Natančneje, nespecifične fizikalne lastnosti se lahko uporabljajo samo za analizo mešanic binarnih plinov. Viskoznost, lomni količnik in difuzija niso praktično pomembni za analizo plinov.

Prenos toplote med dvema točkama z različnimi temperaturami poteka na tri načine: konvekcija, sevanje in prevodnost toplote. Kdaj konvekcija prenos toplote je povezan s prenosom snovi (prenos mase); prenos toplote sevanje se zgodi brez sodelovanja snovi. Prenos toplote toplotna prevodnost se pojavi s sodelovanjem snovi, vendar brez prenosa mase. Do prenosa energije pride zaradi trka molekul. Koeficient toplotne prevodnosti ( X) je odvisna samo od vrste snovi, ki prenaša toploto. Je posebna značilnost snovi.

Dimenzija toplotne prevodnosti v sistemu CGS kal / (s cm K), v tehničnih enotah - kcalDmch-K), v mednarodnem sistemu SI - WDm-K). Razmerje teh enot je naslednje: 1 cal / (cm s K) \u003d 360 kcalDm h K) \u003d 418,68 WDm-K).

Absolutna toplotna prevodnost pri prehodu iz trdnih v tekoče in plinaste snovi se razlikuje X \u003d 418,68 WDm-K)] (toplotna prevodnost najboljšega toplotnega vodnika - srebra) do X približno 10_6 (toplotna prevodnost najmanj prevodnih plinov).

Toplotna prevodnost plinov močno narašča z naraščanjem temperature. Pri nekaterih plinih (GH 4: NH 3) relativna toplotna prevodnost močno narašča z naraščanjem temperature, pri nekaterih (Ne) pa se zmanjšuje. Po kinetični teoriji toplotna prevodnost plinov ne sme biti odvisna od tlaka. Vendar različni razlogi vodijo do dejstva, da se s povečanjem tlaka toplotna prevodnost nekoliko poveča. V območju tlaka od atmosferskega do več milibarov toplotna prevodnost ni odvisna od tlaka, saj se povprečna prosta pot molekul poveča z zmanjšanjem števila molekul na enoto prostornine. Pri tlaku -20 mbar prosta pot molekul ustreza velikosti merilne komore.

Merjenje toplotne prevodnosti je najstarejša fizikalna metoda pri analizi plinov. Opisan je bil leta 1840, zlasti v delih A. Schleiermacherja (1888-1889), od leta 1928 pa se uporablja v industriji. Leta 1913 je Siemens razvil merilnik koncentracije vodika za zračne ladje. Od takrat so že vrsto desetletij zelo uspešno razvijali naprave, ki temeljijo na merjenju toplotne prevodnosti in se pogosto uporabljajo v hitro rastoči kemični industriji. Seveda so bile najprej analizirane samo dvokomponentne mešanice plinov. Najboljše rezultate dobimo z veliko razliko v toplotni prevodnosti plinov. Vodik ima najvišjo toplotno prevodnost med plini. V praksi je bilo upravičeno izmeriti tudi koncentracijo CO s v dimnih plinih, saj so toplotne prevodnosti kisika, dušika in ogljikovega monoksida zelo blizu, kar omogoča mešanico teh štirih komponent kot kvazi- binarno.

Temperaturni koeficienti toplotne prevodnosti različnih plinov niso enaki, zato lahko ugotovite, pri kateri temperaturi prevodnosti različnih plinov sovpadajo (na primer 490 ° С - za ogljikov dioksid in kisik, 70 ° С - za amoniak in zrak, 75 ° С - za ogljikov dioksid in argon) ... Pri reševanju določenega analitičnega problema lahko ta naključja uporabimo tako, da trikomponentno mešanico plinov sprejmemo za kvazibinarno.

Pri analizi plinov lahko domnevamo, da toplotna prevodnost je aditivna lastnost. Z merjenjem toplotne prevodnosti mešanice in poznavanjem toplotne prevodnosti čistih komponent binarne mešanice lahko izračunamo njihove koncentracije. Vendar tega preprostega razmerja ni mogoče uporabiti za nobeno binarno mešanico. Tako imajo na primer mešanice zrak - vodna para, zrak - amoniak, ogljikov monoksid - amoniak in zrak - acetilen največjo toplotno prevodnost pri določenem razmerju komponent. Zato je uporabnost metode toplotne prevodnosti omejena na določeno območje koncentracije. Pri mnogih mešanicah obstaja nelinearna odvisnost toplotne prevodnosti in sestave. Zato je treba odstraniti umeritveno krivuljo, v skladu s katero je treba izdelati lestvico snemalne naprave.

Senzorji toplotne prevodnosti (senzorji toplotne prevodnosti) so sestavljeni iz štirih majhnih komor, napolnjenih s plinom, majhne prostornine, s tankimi platinastimi vodniki enake velikosti in električnim uporom, nameščenim v njih, izolirano od telesa. Skozi vodnike teče enak konstantni tok konstantne velikosti in jih segreva. Vodniki - grelni elementi - so obdani s plinom. Dve komori vsebujeta izmerjeni plin, drugi dve pa referenčni plin. Vsi grelni elementi so vključeni v Wheatonov most, s katerim merjenje temperaturne razlike reda 0,01 ° C ni težko. Tako visoka občutljivost zahteva natančno enakost temperatur merilnih komor, zato je celoten merilni sistem postavljen v termostat ali v merilno diagonalo mostu, za kompenzacijo temperature pa se vklopi upor. Dokler je odvajanje toplote iz grelnih elementov v merilni in primerjalni komori enako, je most v ravnovesju. Ko se v merilne komore dovaja plin z drugačno toplotno prevodnostjo, se to ravnotežje poruši, spremeni se temperatura občutljivih elementov in s tem tudi njihova odpornost. Nastali tok v merilni diagonali je sorazmeren koncentraciji izmerjenega plina. Za povečanje občutljivosti je treba povečati delovno temperaturo občutljivih elementov, vendar je treba paziti, da se ohrani dovolj velika razlika v toplotni prevodnosti plina. Torej za različne mešanice plinov obstaja optimalna temperatura glede toplotne prevodnosti in občutljivosti. Pogosto je razlika med temperaturo občutljivih elementov in temperaturo sten komore izbrana med 100 in 150 ° C.

Merilne celice industrijskih termokonduktometričnih analizatorjev so običajno sestavljene iz masivnega kovinskega ohišja, v katerega so izvrtane merilne komore. To zagotavlja enakomerno porazdelitev temperature in dobro kalibracijsko stabilnost. Ker na odčitke merilnika toplotne prevodnosti vpliva pretok plina, se plin v obtočni kanal vnese v merilne komore. Rešitve različnih konstruktorjev za zagotovitev zahtevane izmenjave plina so navedene spodaj. Načeloma se predpostavlja, da je glavni pretok plina povezan s povezovalnimi kanali z merilnimi komorami, skozi katere plin teče pod majhnim diferencialom. V tem primeru difuzija in termična konvekcija odločilno vplivata na obnovo plina v merilnih komorah. Prostornina merilnih komor je lahko zelo majhna (nekaj kubičnih milimetrov), kar zagotavlja majhen učinek konvektivnega prenosa toplote na rezultat merjenja. Da bi zmanjšali katalitični učinek platinskih vodnikov, se na različne načine stopijo v tankostenske steklene kapilare. Za zagotovitev odpornosti merilne komore na korozijo pokrijte vse plinovode s steklom. To vam omogoča merjenje toplotne prevodnosti zmesi, ki vsebujejo klor, vodikov klorid in druge jedke pline. Analizatorji toplotne prevodnosti z zaprtimi referenčnimi komorami se uporabljajo predvsem v kemični industriji. Izbira pravilnega referenčnega plina poenostavi kalibracijo instrumenta. Poleg tega je mogoče dobiti lestvico z zatrto ničlo. Da bi zmanjšali ničelni zamik, morajo biti referenčne komore dobro zaprte. V posebnih primerih, na primer pri močnih nihanjih sestave mešanice plinov, je mogoče delati s pretočnimi primerjalnimi komorami. V tem primeru se s pomočjo posebnega reagenta iz izmerjene plinske mešanice odstrani ena od komponent (na primer CO z raztopino kalijevega hidroksida), nato pa se mešanica plinov usmeri v primerjalne komore. Merilna in primerjalna veja se v tem primeru razlikujeta le po odsotnosti ene od komponent. Ta metoda pogosto omogoča analizo kompleksnih mešanic plinov.

V zadnjem času se namesto kovinskih vodnikov včasih kot zaznavni elementi uporabljajo polprevodniški termistorji. Prednost termistorjev je, da je temperaturni koeficient upora 10-krat večji kot kovinski termistor. S tem se močno poveča občutljivost. Vendar pa so hkrati postavljene veliko večje zahteve glede stabilizacije toka mostu in temperature sten komore.

Prej kot drugi in najpogosteje so se za analizo dimnih plinov iz peči začeli uporabljati termokonduktometrični instrumenti. Zaradi visoke občutljivosti, visoke hitrosti, enostavnosti vzdrževanja in zanesljivosti zasnove ter nizke cene so bili tovrstni analizatorji hitro uvedeni v industrijo.

Analizatorji toplotne prevodnosti so najbolj primerni za merjenje koncentracije vodika v mešanicah. Pri izbiri referenčnih plinov je treba upoštevati tudi mešanice različnih plinov. Spodnje podatke lahko uporabimo kot primer najmanjših merilnih območij za različne pline (tabela 6.1).

Preglednica 6.1

Najmanjša merilna območja za različne pline,

% do glasnosti

Največje območje merjenja je najpogosteje območje 0-100%, medtem ko je 90 ali celo 99% mogoče zatreti. V posebnih primerih analizator toplotne prevodnosti omogoča več različnih merilnih območij na eni napravi. To se na primer uporablja pri spremljanju polnjenja in praznjenja vodikov hlajenih turbinskih generatorjev v termoelektrarnah. Zaradi eksplozijske nevarnosti ohišje generatorja ni napolnjeno z zrakom, ampak se najprej vbrizga ogljikov dioksid kot izpušni plin in nato vodik. Na enak način se plin sprošča iz generatorja. Z dovolj visoko obnovljivostjo lahko na enem analizatorju dobimo naslednja merilna območja: 0-100% (vol.) CO (v zraku za prečiščevanje z ogljikovim dioksidom), 100-0% H2 v CO (za polnjenje z vodikom) in 100-80% H2 (v zraku za nadzor čistosti vodika med delovanjem generatorja). To je poceni način merjenja.

Za določitev vsebnosti vodika v kloru, ki se sprosti med elektrolizo kalijevega klorida s pomočjo termokonduktometričnega analizatorja, je mogoče delati tako z zaprtim referenčnim plinom (SO 2, Ar) kot s tekočim referenčnim plinom. V slednjem primeru se mešanica vodika in klora najprej pošlje v merilno komoro, nato pa v dogorevalnik s temperaturo\u003e 200 ° C. Vodik izgori s presežkom klora in tvori vodikov klorid. Nastala zmes HC in Cl 2 se dovaja v primerjalno komoro. V tem primeru se koncentracija vodika določi iz razlike v toplotni prevodnosti. Ta metoda bistveno zmanjša učinek majhnih količin zraka.

Da bi zmanjšali napako, ki se pojavi pri analizi mokrega plina, ga je treba posušiti, kar se izvede bodisi z absorberjem vlage bodisi z znižanjem temperature plina pod rosiščem. Obstaja še ena možnost za kompenzacijo učinka vlage, ki velja le pri merjenju s tekočim referenčnim plinom.

Številna podjetja proizvajajo eksplozijsko varne naprave za delo z eksplozivnimi plini. V tem primeru so komore merilnikov toplotne prevodnosti zasnovane za visok tlak, odvodniki plamena so nameščeni na vstopu in izstopu komor, izhodni signal pa je omejen na resnično varno raven. Vendar tudi takih naprav ni mogoče uporabiti za analizo mešanic eksplozivnih plinov s kisikom ali vodikom s klorom.

• Centimeter - gram - sekunda je sistem merskih enot, ki se je pogosto uporabljal pred sprejetjem Mednarodnega sistema enot (SI).

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

Merjenje toplotne prevodnosti kovinskih vzorcev z metodo stacionarnega toplotnega toka

Pripis. Opisane so tehnika in konstrukcijske značilnosti naprave za merjenje toplotne prevodnosti kovinskih vzorcev, izdelanih v obliki enotne valjaste palice ali tanke pravokotne plošče z metodo stacionarnega toplotnega toka. Preučeni vzorec se ogreva z neposrednim električnim ogrevanjem s kratkim impulzom izmeničnega toka, pritrjenim v masivne bakrene tokovne spone, ki hkrati opravljajo funkcijo hladilnega telesa.

Ključne besede: koeficient toplotne prevodnosti, vzorec, Fourierjev zakon, stacionarna izmenjava toplote, merilna naprava, transformator, multimer, termočlen.

Uvod

Prenos toplotne energije iz bolj ogrevanih delov trdne snovi na manj ogrevane s pomočjo kaotično premikajočih se delcev (elektroni, molekule, atomi itd.) Imenujemo pojav toplotne prevodnosti. Študija pojava toplotne prevodnosti se pogosto uporablja v različnih panogah, kot so: nafta, vesoljska industrija, avtomobilska industrija, metalurgija, rudarstvo itd.

Obstajajo tri glavne vrste prenosa toplote: konvekcija, toplotno sevanje in toplotna prevodnost. Toplotna prevodnost je odvisna od narave snovi in \u200b\u200bnjenega agregatnega stanja. V tem primeru se v tekočinah in trdnih snoveh (dielektriki) energija prenaša s pomočjo elastičnih valov, v plinih s trčenjem in difuzijo atomov (molekul), v kovinah pa z difuzijo prostih elektronov in s toplotnimi vibracijami rešetke. Prenos toplote v telesu je odvisen od tega, v kakšnem stanju je: plinasti, tekoči ali trdni.

Mehanizem toplotne prevodnosti v tekočinah se razlikuje od mehanizma toplotne prevodnosti v plinih in ima veliko skupnega s toplotno prevodnostjo trdnih snovi. Na območjih z povišanimi temperaturami obstajajo vibracije molekul velike amplitude. Te vibracije se prenesejo na sosednje molekule in tako se energija toplotnega gibanja postopoma prenaša iz plasti v plast. Ta mehanizem zagotavlja razmeroma nizko vrednost koeficienta toplotne prevodnosti. Z naraščajočo temperaturo se pri večini tekočin koeficient toplotne prevodnosti zmanjšuje (z izjemo vode in glicerina se koeficient toplotne prevodnosti z naraščajočo temperaturo povečuje).

Pojav prenosa kinetične energije s pomočjo molekularnega gibanja v idealnih plinih je posledica prenosa toplote s toplotno prevodnostjo. Zaradi naključnosti molekularnega gibanja se molekule premikajo v vse smeri. Ko se molekule premikajo iz krajev z višjo temperaturo v kraje z nižjo temperaturo, molekule prenašajo kinetično energijo gibanja s parnimi trki. Kot posledica molekularnega gibanja pride do postopnega izenačevanja temperature; v neenakomerno ogrevanem plinu je prenos toplote prenos določene količine kinetične energije med neurejenim (kaotičnim) gibanjem molekul. Z zniževanjem temperature se koeficient toplotne prevodnosti plinov zmanjša.

V kovinah so glavni oddajnik toplote prosti elektroni, ki jih lahko primerjamo z idealnim monatomskim plinom. Zato z nekaj približka

Koeficient toplotne prevodnosti gradbenih in toplotnoizolacijskih materialov narašča z naraščanjem temperature, s povečanjem nasipne gostote pa narašča. Toplotna prevodnost je močno odvisna od poroznosti in vsebnosti vlage v materialu. Toplotna prevodnost različnih materialov se giblje v območju: 2-450 W / (m K).

1. Enačba toplotne prevodnosti

Zakon toplotne prevodnosti temelji na Fourierjevi hipotezi o sorazmernosti toplotnega toka s temperaturno razliko na enoto dolžine poti prenosa toplote na enoto časa. Številčno je koeficient toplotne prevodnosti enak količini toplote, ki teče na enoto časa skozi enoto površine, pri čemer je temperaturna razlika na enoto dolžine normale enaka eni stopinji.

Po Fourierjevem zakonu je gostota površinskega toplotnega toka h sorazmerna

je enak temperaturnemu gradientu -:

Tu se faktor X imenuje koeficient toplotne prevodnosti. Znak minus pomeni, da se toplota prenaša v smeri padajoče temperature. Količina toplote, ki je v enoti časa prešla skozi enoto izotermične površine, se imenuje gostota toplotnega toka:

Količina toplote, ki gre na enoto časa skozi izotermično površino B, se imenuje toplotni tok:

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

Skupna količina toplote, ki je v času t prešla skozi to površino B, se določi iz enačbe

Od \u003d -DL- ^ t. (1.4)

2. Mejni pogoji toplotne prevodnosti

Obstajajo različni pogoji za nedvoumnost: geometrijski - označujejo obliko in velikost telesa, v katerem poteka proces prevodnosti toplote; fizična - označuje fizične lastnosti telesa; začasno - označuje porazdelitev telesne temperature v začetnem trenutku; meja - označuje interakcijo telesa z okoljem.

Mejni pogoji prve vrste. V tem primeru se porazdelitev temperature na površini telesa nastavi za vsak trenutek.

Mejni pogoji druge vrste. V tem primeru je navedena vrednost gostota toplotnega toka za vsako točko telesne površine kadar koli:

Yara \u003d I (X, Y, 2,1).

Mejni pogoji III vrste. V tem primeru so določeni temperatura medija T0 in pogoji za izmenjavo toplote tega medija s površino telesa.

Mejni pogoji IV vrste se oblikujejo na podlagi enakovrednosti toplotnih tokov, ki prehajajo skozi kontaktno površino teles.

3. Eksperimentalna naprava za merjenje koeficienta toplotne prevodnosti

Sodobne metode za določanje koeficientov toplotne prevodnosti lahko razdelimo v dve skupini: metode stacionarnega toplotnega toka in metode nestacionarnega toplotnega toka.

V prvi skupini metod toplotni tok, ki prehaja skozi telo ali sistem teles, ostane nespremenjen po velikosti in smeri. Temperaturno polje miruje.

Nestacionarne metode uporabljajo časovno spremenljivo temperaturno polje.

Pri tem delu smo uporabili eno od metod stacionarnega toplotnega toka, metodo Kohlrausch.

Blok diagram nastavitve za merjenje toplotne prevodnosti kovinskih vzorcev je prikazan na sliki. eno.

Slika: 1. Blok diagram merilne naprave

Glavni element naprave je napajalni transformator 7, katerega primarni navit je povezan z avtotransformatorjem tipa LATR 10, sekundarni navit iz pravokotnega bakrenega vodila s šestimi zavoji pa je neposredno povezan z masivne bakrene tokovne spone 2, ki hkrati opravljajo funkcijo hladilnika-hladilnika ... Preiskani vzorec 1 je pritrjen v masivne bakrene tokovne objemke 2 z uporabo masivnih bakrenih vijakov (niso prikazani na sliki), ki hkrati opravljajo funkcijo hladilnega telesa. Nadzor temperature na različnih točkah preiskovanega vzorca se izvaja s pomočjo termočlenov 3 in 5 s kromel-kopelom, katerih delovni konci so neposredno pritrjeni na valjasto površino vzorca 1 - enega v osrednjem delu vzorca in drugega na koncu vzorca. Prosti konci termočlenov 3 in 5 so povezani z multimetri tipa DT-838 4 in 6, ki omogočajo meritve temperature z natančnostjo 0,5 ° C. Vzorec se ogreva z neposrednim električnim ogrevanjem s kratkim izmeničnim impulzom iz sekundarnega navitja močnostnega transformatorja 7. Tok v preskusnem vzorcu se meri posredno - z merjenjem napetosti na sekundarnem navitju obročastega transformatorja 8, primarnega katerega navitje je napajalna vodila sekundarnega navitja močnostnega transformatorja 7, ki je šla skozi prosto režo obročastega magnetnega jedra. Napetost sekundarnega navitja tokovnega transformatorja se meri z multimeterom 9.

Sprememba jakosti impulznega toka v preskusnem vzorcu se izvede z uporabo linearnega avtotransformatorja 10 (LATR), katerega primarni navit je zaporedno priključen na omrežno varovalko 13 V AC in gumb 12. Padec napetosti na preskusni vzorec v načinu neposrednega električnega ogrevanja se izvede z uporabo multimetra 14, ki je vzporedno priključen neposredno na tokovne spone 2. Trajanje tokovnih impulzov se meri z električno štoparico 11, priključeno na primarni navit linearnega avtotransformatorja 10 Vklop in izklop načina ogrevanja preskusnega vzorca omogoča gumb 12.

Pri merjenju koeficienta toplotne prevodnosti na zgoraj opisani instalaciji morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji:

Enakomernost preseka preskusnega vzorca po celotni dolžini;

Premer preskusnega vzorca mora biti v območju od 0,5 mm do 3 mm (sicer se glavna toplotna moč sprosti v močnostnem transformatorju in ne v preskusnem vzorcu).

Diagram temperature glede na dolžino vzorca je prikazan na sliki. 2.

Slika: 2. Odvisnost temperature od dolžine vzorca

Kot je razvidno iz zgornjega diagrama, je odvisnost temperature od dolžine preskusnega vzorca linearna z izrazitim maksimumom v osrednjem delu vzorca, na koncih pa ostane minimalna (konstantna) in enaka temperaturi okolice v časovnem intervalu za vzpostavitev ravnotežnega režima prenosa toplote, ki za to eksperimentalno napravo ne presega 3 minut, tj. 180 sekund.

4. Izpeljava delovne formule za koeficient toplotne prevodnosti

Količino toplote, ki se sprosti v vodniku med prehodom električnega toka, lahko določimo po zakonu Joule-Lenz:

Qel \u003d 12-Я ^ \u003d in I I, (4.1)

kjer in, I - napetost in tok v preskusnem vzorcu; Sem odpornost vzorca.

Količino toplote, ki se prenaša skozi prerez preučevanega vzorca v časovnem intervalu t, izdelanega v obliki homogene valjaste palice dolžine t in odseka 5, lahko izračunamo po Fourierjevem zakonu (1.4):

Qs \u003d R-dT- 5- t, (4.2)

kjer je 5 \u003d 2-5osn, 5osn \u003d ^ 4-, pri \u003d 2-DT \u003d 2- (Gmax -Gtk1); d £ \u003d A £ \u003d 1 - £.

Tu koeficienta 2 in 1/2 kažeta, da je toplotni tok usmerjen iz

središče vzorca do njegovih koncev, tj. razdeli v dva toka. Potem

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

5. Obračunavanje toplotnih izgub na stranski površini

§Ozhr \u003d 2-Bbok -DTkha, (5.1)

kjer je Bbok \u003d n-th-1; a je koeficient prenosa toplote površine preskusnega vzorca z okoljem, ki ima dimenzijo

Temperaturna razlika

DGx \u003d Tx - T0cr, (5.2)

kjer je Tx temperatura na določeni točki na površini vzorca; Gokr - temperatura okolice, se lahko izračuna iz linearne enačbe odvisnosti temperature vzorca od njegove dolžine:

Tx \u003d T0 + k-x, (5.3)

kjer je naklon k mogoče določiti s pomočjo tangente naklona linearne odvisnosti temperature vzorca od njegove dolžine:

DT T - T T - T

k \u003d f \u003d MT * \u003d Tmax Tmt \u003d 2 "max Vp. (5.4)

Z nadomestitvijo izrazov (5.2), (5.3) in (5.4) v enačbo (5.1) dobimo:

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

kjer je T0 Tszhr.

8Q0Kp \u003d 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5,5)

Po integraciji izraza (5.5) dobimo:

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

Z nadomestitvijo dobljenih izrazov (4.1), (4.3) in (5.6) v enačbo toplotne bilance aoln \u003d obr + qs, kjer je Qtot \u003d QEL, dobimo:

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

Rešitev dobljene enačbe za koeficient toplotne prevodnosti dobimo:

u1 a 2 £, l

Iz tega izhajajočega izraza je mogoče določiti koeficient toplotne prevodnosti tankih kovinskih palic v skladu z izračuni, opravljenimi za tipične preskusne vzorce z relativno napako

AU f (AI f (Л (ЛГ) ^ (At2

ne več kot 1,5%.

Seznam referenc

1. Sivukhin, DV Splošni tečaj fizike / DV Sivukhin. - M .: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 str.

2. Rudin, AV Raziskovanje procesov strukturne relaksacije v steklenih predmetih pri različnih načinih hlajenja / AV Rudin // Zbornik visokošolskih zavodov. Povolžje. Naravne znanosti. - 2003. - št. 6. - S. 123-137.

3. Pavlov, P. V. Fizika trdne snovi: učbenik. priročnik za študente, ki študirajo na specialnosti "Fizika" / PV Pavlov, AF Khokhlov. - M .: Višje. šk., 1985. - 384 str.

4. Berman, R. Toplotna prevodnost trdnih snovi / R. Berman. - M., 1979. - 287 str.

5. Livshits, BG Fizikalne lastnosti kovin in zlitin / BG Livshits, VS Kraposhin. - M .: Metalurgija, 1980. - 320 str.

Luzina Anna Vyacheslavovna

magistrski študij,

Penza State University Penza State University E-pošta: [e-pošta zaščitena]

Rudin Aleksander Vasilievič

doktor fizike in matematike, izredni profesor, namestnik predstojnika oddelka za fiziko Penza State University E-pošta: [e-pošta zaščitena]

Rudin Aleksander Vasil "evich

kandidat fizikalnih in matematičnih znanosti, izredni profesor,

namestnik vodje oddelka za fiziko Penza State University

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

Merjenje toplotne prevodnosti kovinskih vzorcev z metodo stacionarnega toplotnega toka /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Bilten Penza State University. - 2016. - številka 3 (15). -FROM. 76-82.

Za preučevanje toplotne prevodnosti snovi se uporabljata dve skupini metod: stacionarne in nestacionarne.

Teorija stacionarnih metod je enostavnejša in celoviteje razvita. Toda nestacionarne metode načeloma poleg koeficienta toplotne prevodnosti omogočajo pridobivanje informacij o toplotni difuzivnosti in toplotni zmogljivosti. Zato se v zadnjih letih veliko pozornosti namenja razvoju nestacionarnih metod za določanje termofizičnih lastnosti snovi.

Tu so obravnavane nekatere stacionarne metode za določanje toplotne prevodnosti snovi.

in) Metoda ravne plasti. Pri enodimenzionalnem toplotnem toku skozi ravno plast koeficient toplotne prevodnosti določimo s formulo

kje d -debelina, T 1 in T 2 - temperature "vroče" in "hladne" površine vzorca.

Za preučevanje toplotne prevodnosti s to metodo je treba ustvariti toplotni tok, ki je blizu enodimenzionalni.

Običajno se temperature ne merijo na površini vzorca, temveč na določeni razdalji od njih (glej sliko 2.), zato je treba v izmerjeno temperaturno razliko vnesti popravke za temperaturno razliko v plasteh grelnika in hladilnika , da zmanjšate toplotno upornost kontaktov.

Pri preučevanju tekočin je treba za odpravo pojava konvekcije temperaturni gradient usmeriti vzdolž gravitacijskega polja (navzdol).

Slika: 2. Diagram ploskoplastnih metod za merjenje toplotne prevodnosti.

1 - testni vzorec; 2 - grelec; 3 - hladilnik; 4, 5 - izolacijski obroči; 6 - varnostni grelci; 7 - termočleni; 8, 9 - diferencialni termočleni.

b) Jaegerjeva metoda. Metoda temelji na reševanju enodimenzionalne enačbe prevodnosti toplote, ki opisuje širjenje toplote vzdolž palice, ogrevane z električnim tokom. Težava pri uporabi te metode je v nezmožnosti ustvarjanja strogih adijabatskih pogojev na zunanji površini vzorca, kar krši enodimenzionalnost toplotnega toka.

Formula za izračun je:

(14)

kje s - električna prevodnost preskusnega vzorca, U - padec napetosti med skrajnimi točkami na koncih palice, DT - temperaturna razlika med sredino palice in točko na koncu palice.

Slika: 3. Shema Jaegerjeve metode.

1 - električna peč; 2 - vzorec; 3 - zatiči za pritrditev vzorca; Т 1 ¸ Т 6 - zaključne točke termočlenov.

Ta metoda se uporablja pri pregledu elektro prevodnih materialov.

v) Metoda valjaste plasti. Preiskana tekočina (razsuti material napolni cilindrično plast, ki jo tvorita dva koaksialno nameščena valja. Eden od jeklenk, najpogosteje notranji, je grelec (slika 4).

Slika 4 Shematski diagram metode valjaste plasti

1 - notranji valj; 2 - glavni grelec; 3 - plast preiskovane snovi; 4 - zunanji valj; 5 - termočleni; 6 - varnostni valji; 7 - dodatni grelci; 8 - primer.

Podrobneje si oglejmo stacionarni postopek toplotne prevodnosti v valjasti steni, katere temperatura zunanje in notranje površine je konstantna in enaka T 1 in T 2 (v našem primeru je to plast preiskovane snov 5). Določimo toplotni tok skozi steno pod pogojem, da je notranji premer cilindrične stene d 1 \u003d 2r 1, zunanji premer pa d 2 \u003d 2r 2, l \u003d const in se toplota širi samo v radialni smeri.

Za rešitev problema uporabimo enačbo (12). V valjastih koordinatah, kdaj ; enačba (12) po (10) zavzame vit:

. (15)

Uvedimo zapis dT/dr\u003d 0, dobimo

Po integraciji in potenciranju tega izraza, prehodu na izvirne spremenljivke, dobimo:

. (16)

Kot je razvidno iz te enačbe, je odvisnost T \u003d f (r) logaritmična.

Integracijske konstante C 1 in C 2 lahko določimo, če v to enačbo nadomestimo robne pogoje:

ob r \u003d r 1 T \u003d T 1 in T 1 \u003d C 1ln r 1 + C 2,

ob r \u003d r 2 T \u003d T 2in T 2 \u003d C 1ln r 2 + C 2.

Rešitev teh enačb za OD 1 in C 2 daje:

;

Nadomestitev teh izrazov namesto C 1 in C 2 v enačbo (1b), dobimo

(17)

toplotni tok skozi območje valjaste površine polmera r in dolžina se določi z uporabo Fourierjevega zakona (5)

.

Po zamenjavi dobimo

. (18)

Koeficient toplotne prevodnosti l pri znanih vrednostih V, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, izračunano po formuli

. (19)

Za zatiranje konvekcije (v primeru tekočine) mora imeti cilindrična plast majhno debelino, ponavadi delček milimetra.

Zmanjšanje končnih izgub pri metodi valjaste plasti se doseže s povečanjem razmerja / d in varnostni grelci.

d) Metoda ogrevane žice. Pri tej metodi je razmerje / d poveča z zmanjšanjem d... Notranji valj je nadomeščen s tanko žico, ki je hkrati grelec in uporovni termometer (slika 5). Zaradi sorazmerne enostavnosti zasnove in natančnega razvoja teorije je metoda ogrevane žice postala ena najbolj naprednih in natančnih. V praksi eksperimentalnih študij toplotne prevodnosti tekočin in plinov zavzema vodilno mesto.

Slika: 5. Diagram merilne celice, narejen po metodi ogrevane žice. 1 - merilna žica, 2 - cev, 3 - preskusna snov, 4 - tokovni vodniki, 5 - potencialni izhodi, 6 - zunanji termometer.

Pod pogojem, da se celotni toplotni tok iz odseka AB širi radialno in temperaturna razlika T 1 - T 2 ni velika, tako da je v teh mejah mogoče upoštevati l \u003d const, koeficient toplotne prevodnosti snovi določimo z formula

, (20)

kje V AB \u003d T × U AB je moč, ki se odvaja na žici.

e) Metoda žoge. Najde uporabo v praksi raziskav toplotne prevodnosti tekočin in razsutih materialov. Preskusna snov dobi obliko sferične plasti, ki načeloma omogoča izključitev nenadzorovanih toplotnih izgub. Tehnično je ta metoda precej zapletena.

V skladu z zahtevami zveznega zakona št. 261-FZ "O varčevanju z energijo" so se zahteve po toplotni prevodnosti gradbenih in toplotnoizolacijskih materialov v Rusiji poostrile. Danes je merjenje toplotne prevodnosti ena od obveznih točk pri odločanju, ali bomo material uporabili kot toplotni izolator.

Zakaj je treba meriti toplotno prevodnost v gradbeništvu?

Nadzor toplotne prevodnosti gradbenih in toplotnoizolacijskih materialov se izvaja v vseh fazah njihovega certificiranja in izdelave v laboratorijskih pogojih, ko so materiali izpostavljeni različnim dejavnikom, ki vplivajo na njegove obratovalne lastnosti. Obstaja več običajnih metod za merjenje toplotne prevodnosti. Za natančno laboratorijsko preskušanje materialov z nizko toplotno prevodnostjo (pod 0,04 - 0,05 W / m * K) je priporočljivo uporabljati naprave, ki uporabljajo metodo stacionarnega toplotnega toka. Njihovo uporabo ureja GOST 7076.

Podjetje "Interpribor" ponuja merilnik toplotne prevodnosti, katerega cena je ugodno primerljiva s tržnimi in ustreza vsem sodobnim zahtevam. Zasnovan je za laboratorijski nadzor kakovosti gradbenih in toplotnih izolacijskih materialov.

Prednosti merilnika toplotne prevodnosti ITS-1

Merilnik toplotne prevodnosti ITS-1 je izvirno monoblok zasnovan in ima naslednje prednosti:

• avtomatski merilni cikel;
• visoko natančna merilna pot, ki omogoča stabilizacijo temperature hladilnika in grelnika;
• sposobnost kalibracije naprave za določene vrste preiskovanih materialov, kar še poveča natančnost rezultatov;
• ekspresna ocena rezultata med meritvami;
• optimizirano "vroče" varnostno območje;
• informativni grafični zaslon, ki poenostavlja nadzor in analizo merilnih rezultatov.

ITS-1 je dobavljen v eni sami osnovni modifikaciji, ki jo lahko na zahtevo naročnika dopolnimo z nadzornimi vzorci (pleksi steklo in penoplex), škatlo za razsute materiale in zaščitno torbico za shranjevanje in prevoz naprave.