Şimdiye kadar, mevcut yöntemlerin çeşitliliği ile ilişkili birleşik bir sınıflandırma geliştirilmemiştir. Malzemelerin termal iletkenliğini ölçmek için iyi bilinen deneysel yöntemler iki büyük gruba ayrılır: sabit ve durağan olmayan. İlk durumda, hesaplama formülünün kalitesi, ısı iletim denkleminin özel çözümlerini kullanır.

koşul altında, ikinci durumda - T'nin sıcaklık olduğu koşul altında; f - zaman; - termal yayılma katsayısı; l - termal iletkenlik katsayısı; C özgül ısı kapasitesidir; d malzemenin yoğunluğudur; - ilgili koordinat sisteminde yazılan Laplace operatörü; - hacimsel ısı kaynağının özgül gücü.

İlk yöntem grubu, sabit bir termal rejimin kullanımına dayanmaktadır; ikincisi, durağan olmayan bir termal rejimdir. Ölçümlerin doğası gereği ısıl iletkenlik katsayısını belirlemek için sabit yöntemler doğrudandır (yani, ısıl iletkenlik katsayısı doğrudan belirlenir) ve mutlak ve bağıl olarak ayrılır. Mutlak yöntemlerde, deneyde ölçülen parametreler, istenen termal iletkenlik katsayısı değerini elde etmek için hesaplama formülünün kullanılmasına izin verir. Göreceli yöntemlerde, deneyde ölçülen parametreler, termal iletkenlik katsayısının istenen değerini elde etmek için hesaplama formülünün kullanılmasına izin verir. Göreceli yöntemlerde, ölçülen parametreler mutlak değeri hesaplamak için yeterli değildir. Burada iki durum mümkündür. Birincisi, bir birim olarak alınan ilk ile ilgili olarak termal iletkenlik katsayısındaki değişimi gözlemlemektir. İkinci durum, bilinen termal özelliklere sahip bir referans malzemenin kullanılmasıdır. Bu durumda hesaplama formülünde standardın ısıl iletkenlik katsayısı kullanılır. Göreceli yöntemler, daha basit oldukları için mutlak yöntemlere göre bazı avantajlara sahiptir. Sabit yöntemlerin daha fazla bölünmesi, ısıtmanın doğasına (harici, hacimsel ve birleşik) ve numunelerdeki sıcaklık alanının izotermlerinin biçimine göre (düz, silindirik, küresel) gerçekleştirilebilir. Harici ısıtmalı yöntemlerin alt grubu, harici (elektrikli, hacimsel vb.) ısıtıcılar kullanan ve numune yüzeylerini termal radyasyon veya elektron bombardımanı ile ısıtan tüm yöntemleri içerir. Hacimsel ısıtmalı yöntemlerin alt grubu, numuneden geçen bir akımla ısıtmayı, incelenen numuneyi nötron veya r-radyasyonundan veya mikrodalga akımlarından ısıtmayı kullanan tüm yöntemleri birleştirir. Kombine ısıtmaya sahip yöntemlerin alt grubu, numunelerin harici ve hacimsel ısıtılmasını veya ara ısıtmayı (örneğin, yüksek frekanslı akımlarla) aynı anda kullanan yöntemleri içerebilir.

Durağan yöntemlerin her üç alt grubunda da sıcaklık alanı

farklı olabilir.

Düzlem izotermleri, ısı akısı numunenin simetri ekseni boyunca yönlendirildiği zaman oluşur. Literatürde düz izotermleri kullanan yöntemlere eksenel veya uzunlamasına ısı akısına sahip yöntemler denir ve deney düzeneklerinin kendilerine düz cihazlar denir.

Silindirik izotermler, ısı akışının silindirik numunenin yarıçapı yönünde yayılmasına karşılık gelir. Isı akışının küresel bir numunenin yarıçapı boyunca yönlendirilmesi durumunda, küresel izotermler ortaya çıkar. Bu tür izotermleri kullanan yöntemlere küresel, cihazlara küresel denir.

Fiziksel analiz yöntemleri, bir maddenin belirli bir fiziksel etkisinin veya belirli bir fiziksel özelliğinin kullanımına dayanır. İçin gaz analizi yoğunluk, viskozite, termal iletkenlik, kırılma indisi, manyetik duyarlılık, difüzyon, absorpsiyon, emisyon, elektromanyetik radyasyon absorpsiyonu ve ayrıca seçici absorpsiyon, ses hızı, reaksiyonun termal etkisi, elektriksel iletkenlik vb. kullanın. Bu fiziksel özelliklerden bazıları ve fenomenler sürekli gaz analizi yapar ve yüksek hassasiyet ve ölçüm doğruluğu elde etmenizi sağlar. Fiziksel bir nicelik veya olgunun seçimi, analiz edilen karışımda bulunan ölçülmemiş bileşenlerin etkisini dışlamak için çok önemlidir. Spesifik özelliklerin veya etkilerin kullanılması, çok bileşenli bir gaz karışımında istenen bileşenin konsantrasyonunu belirlemeyi mümkün kılar. Kesin konuşmak gerekirse, spesifik olmayan fiziksel özellikler sadece ikili gaz karışımlarının analizi için kullanılabilir. Gazların analizinde viskozite, kırılma indisi ve difüzyon pratik öneme sahip değildir.

Farklı sıcaklıklardaki iki nokta arasındaki ısı transferi üç şekilde gerçekleşir: konveksiyon, radyasyon ve ısı iletimi. Ne zaman konveksiyonısı transferi, maddenin transferi ile ilişkilidir (kütle transferi); ısı transferi radyasyon maddenin katılımı olmadan gerçekleşir. Isı transferi termal iletkenlik maddenin katılımıyla, ancak kütle aktarımı olmadan gerçekleşir. Moleküllerin çarpışması sonucu enerji transferi gerçekleşir. Termal iletkenlik katsayısı ( X) sadece ısı transfer eden maddenin tipine bağlıdır. Bir maddenin belirli bir özelliğidir.

CGS sisteminde termal iletkenliğin boyutu cal / (s cm K), teknik birimlerde - kcalDmch-K), uluslararası SI sisteminde - WDm-K). Bu birimlerin oranı şu şekildedir: 1 cal / (cm s K) = 360 kcalDm h K) = 418.68 WDm-K).

Katıdan sıvıya ve gaz halindeki maddelere geçişteki mutlak ısıl iletkenlik, X = 418.68 WDm-K)] (en iyi ısı iletkeninin termal iletkenliği - gümüş) X yaklaşık 10_6 (en az iletken gazların ısıl iletkenliği).

Gazların termal iletkenliği, artan sıcaklıkla büyük ölçüde artar. Bazı gazlar için (GH 4: NH 3), artan sıcaklıkla bağıl termal iletkenlik keskin bir şekilde artar ve bazıları (Ne) için azalır. Kinetik teoriye göre, gazların ısıl iletkenliği basınca bağlı olmamalıdır. Bununla birlikte, çeşitli nedenler, artan basınçla termal iletkenliğin biraz artmasına neden olur. Atmosferik ila birkaç milibar arasındaki basınç aralığında, termal iletkenlik basınca bağlı değildir, çünkü birim hacim başına molekül sayısındaki azalma ile ortalama serbest molekül yolu artar. -20 mbar'lık bir basınçta, moleküllerin serbest yolu, ölçüm odasının boyutuna karşılık gelir.

Termal iletkenlik ölçümü en eski fiziksel gaz analiz yöntemidir. 1840 yılında, özellikle A. Schleiermacher'in (1888-1889) eserlerinde tanımlanmıştır ve 1928'den beri endüstride kullanılmaktadır. 1913'te Siemens, hava gemileri için bir hidrojen konsantrasyon ölçer geliştirdi. Bundan sonra, uzun yıllar boyunca, termal iletkenlik ölçümüne dayalı cihazlar büyük bir başarı ile geliştirildi ve hızla büyüyen kimya endüstrisinde yaygın olarak kullanıldı. Doğal olarak, ilk başta sadece ikili gaz karışımları analiz edildi. En iyi sonuçlar, gazların termal iletkenliğinde büyük bir farkla elde edilir. Gazlar arasında hidrojen en yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Uygulamada, oksijen, nitrojen ve karbon monoksitin termal iletkenlikleri birbirine çok yakın olduğundan ve bu dört bileşenin bir karışımının yarı olarak kabul edilmesine izin verdiğinden, baca gazlarındaki CO2 konsantrasyonunun ölçülmesi de doğrulanmıştır. ikili.

Farklı gazların termal iletkenlik sıcaklık katsayıları aynı değildir, bu nedenle farklı gazların termal iletkenliklerinin çakıştığı sıcaklığı bulabilirsiniz (örneğin, karbon dioksit ve oksijen için 490 ° С, amonyak için 70 ° С ve hava, 75 ° С - karbondioksit ve argon için) ... Belirli bir analitik problem çözülürken, üçlü gaz karışımı yarı-ikili olarak kabul edilerek bu tesadüfler kullanılabilir.

Gaz analizinde, şu varsayılabilir: termal iletkenlik bir katkı özelliğidir. Karışımın ısıl iletkenliğini ölçtükten ve ikili karışımın saf bileşenlerinin ısıl iletkenliğini bilerek, konsantrasyonlarını hesaplayabiliriz. Ancak bu basit ilişki herhangi bir ikili karışıma uygulanamaz. Bu nedenle, örneğin, belirli bir bileşen oranında hava - su buharı, hava - amonyak, karbon monoksit - amonyak ve hava - asetilen karışımları maksimum termal iletkenliğe sahiptir. Bu nedenle, termal iletkenlik yönteminin uygulanabilirliği belirli bir konsantrasyon aralığı ile sınırlıdır. Birçok karışım için termal iletkenlik ve bileşim arasında doğrusal olmayan bir bağımlılık vardır. Bu nedenle, kayıt cihazının ölçeğinin yapılması gereken kalibrasyon eğrisinin çıkarılması gerekir.

Termal iletkenlik sensörleri(termal iletkenlik sensörleri), aynı boyutta ince platin iletkenlere ve içlerine vücuttan izole edilmiş elektrik direncine sahip, küçük hacimli, gazla dolu dört küçük odadan oluşur. Aynı sabit büyüklükteki sabit akım iletkenlerden geçer ve onları ısıtır. İletkenler - ısıtma elemanları - gazla çevrilidir. İki hazne ölçülen gazı içerir, diğer ikisi referans gazı içerir. Tüm ısıtma elemanları, 0.01 ° C'lik bir sıcaklık farkının ölçülmesinin zor olmadığı Wheaton köprüsüne dahil edilmiştir. Böyle yüksek bir hassasiyet, ölçüm odalarının sıcaklıklarının tam eşitliğini gerektirir; bu nedenle, tüm ölçüm sistemi bir termostata veya köprünün ölçüm köşegenine yerleştirilir ve sıcaklık kompanzasyonu için bir direnç açılır. Ölçme ve karşılaştırma odalarındaki ısıtma elemanlarından ısı çıkışı aynı olduğu sürece köprü dengededir. Ölçüm odalarına farklı ısıl iletkenliğe sahip bir gaz verildiğinde bu denge bozulur, hassas elemanların sıcaklığı ve bununla birlikte dirençleri değişir. Ölçüm diyagonalinde ortaya çıkan akım, ölçülen gazın konsantrasyonu ile orantılıdır. Duyarlılığı arttırmak için hassas elemanların çalışma sıcaklığı arttırılmalıdır, ancak gazın termal iletkenliğinde yeterince büyük bir farkın korunmasına özen gösterilmelidir. Bu nedenle, çeşitli gaz karışımları için termal iletkenlik ve hassasiyet açısından optimum bir sıcaklık vardır. Genellikle hassas elemanların sıcaklığı ile odaların duvarlarının sıcaklığı arasındaki fark 100 ila 150 ° C arasında seçilir.

Endüstriyel termal iletkenlik analizörlerinin ölçüm hücreleri, genellikle, ölçüm odalarının delindiği büyük bir metal kasadan oluşur. Bu, eşit bir sıcaklık dağılımı ve iyi bir kalibrasyon kararlılığı sağlar. Termal iletkenlik ölçerin okumaları gaz akış hızından etkilendiğinden, gaz bypass kanalı aracılığıyla ölçüm odalarına enjekte edilir. Gerekli gaz değişimini sağlamak için çeşitli müteahhitlerin çözümleri aşağıda verilmiştir. Prensipte, ana gaz akışının, içinden gazın küçük bir diferansiyel altında aktığı ölçüm odalarına bağlantı kanallarıyla bağlandığı varsayılır. Bu durumda, difüzyon ve termal konveksiyon, ölçüm odalarındaki gazın yenilenmesi üzerinde belirleyici bir etkiye sahiptir. Ölçüm odalarının hacmi çok küçük olabilir (birkaç milimetre küp), bu da ölçüm sonucu üzerinde konvektif ısı transferinin küçük bir etkisini sağlar. Platin iletkenlerin katalitik etkisini azaltmak için çeşitli şekillerde ince duvarlı cam kapilerlere kaynaştırılırlar. Ölçüm odasının korozyona karşı direncini sağlamak için tüm gaz boru hatlarını camla kapatın. Bu, klor, hidrojen klorür ve diğer aşındırıcı gazlar içeren karışımların termal iletkenliğini ölçmenizi sağlar. Kapalı referans odalı termal iletkenlik analizörleri, esas olarak kimya endüstrisinde kullanılmaktadır. Doğru referans gazının seçilmesi, cihaz kalibrasyonunu basitleştirir. Ek olarak, bastırılmış sıfıra sahip bir ölçek elde edilebilir. Sıfır sapmayı azaltmak için referans odaları iyi kapatılmalıdır. Örneğin gaz karışımının bileşimindeki güçlü dalgalanmalar gibi özel durumlarda, akış karşılaştırma odaları ile çalışmak mümkündür. Bu durumda, özel bir reaktif kullanılarak, bileşenlerden biri ölçülen gaz karışımından çıkarılır (örneğin, bir kostik potasyum çözeltisi ile CO) ve ardından gaz karışımı karşılaştırma odalarına yönlendirilir. Ölçme ve karşılaştırma dalları bu durumda yalnızca bileşenlerden birinin olmaması nedeniyle farklılık gösterir. Bu yöntem genellikle karmaşık gaz karışımlarını analiz etmeyi mümkün kılar.

Son zamanlarda, metal iletkenler yerine, bazen algılama elemanları olarak yarı iletken termistörler kullanılmaktadır. Termistörlerin avantajı, sıcaklık direnç katsayısının metal termistörlerden 10 kat daha yüksek olmasıdır. Bu, hassasiyette keskin bir artış sağlar. Bununla birlikte, aynı zamanda, köprü akımının stabilizasyonu ve oda duvarlarının sıcaklığı konusunda çok daha yüksek gereksinimler uygulanır.

Diğerlerinden daha önce ve en yaygın olarak, fırınlardan çıkan baca gazlarının analizi için termal iletkenlik cihazları kullanılmaya başlandı. Yüksek hassasiyetleri, yüksek hızları, bakım kolaylığı ve tasarım güvenilirliğinin yanı sıra düşük maliyetleri nedeniyle bu tip analizörler gelecekte hızla endüstriye tanıtıldı.

Termal iletkenlik analizörleri, karışımlardaki hidrojen konsantrasyonunu ölçmek için en uygunudur. Referans gazları seçerken farklı gazların karışımları da dikkate alınmalıdır. Aşağıdaki veriler, çeşitli gazlar için minimum ölçüm aralıklarına örnek olarak kullanılabilir (Tablo 6.1).

Tablo 6.1

Çeşitli gazlar için minimum ölçüm aralıkları,

% hacme

Maksimum ölçüm aralığı çoğunlukla %0-100 arasındadır, %90 hatta %99 bastırılabilir. Özel durumlarda, termal iletkenlik analizörü, tek bir cihazda birkaç farklı ölçüm aralığına sahip olmayı mümkün kılar. Bu, örneğin, termik santrallerde hidrojen soğutmalı türbin jeneratörlerinin doldurulup boşaltılmasının izlenmesinde kullanılır. Patlama tehlikesi nedeniyle, jeneratör kasası hava ile doldurulmaz, ancak önce karbon dioksit tahliye gazı ve ardından hidrojen verilir. Jeneratörden de aynı şekilde gaz çıkar. Yeterince yüksek tekrarlanabilirlikle, bir analizörde aşağıdaki ölçüm aralıkları elde edilebilir: %0-100 (hacim) CO (karbon dioksit ile temizleme için havada), CO içinde %100-0 H2 (hidrojen ile doldurmak için) ve %100-80 H2 (jeneratör çalışması sırasında hidrojenin saflığını kontrol etmek için havada). Bu, ölçmenin ucuz bir yoludur.

Bir termokondüktometrik analizör kullanarak potasyum klorürün elektrolizi sırasında açığa çıkan klordaki hidrojen içeriğini belirlemek için hem kapalı bir referans gazı (SO 2, Ar) hem de akan bir referans gazı ile çalışmak mümkündür. İkinci durumda, hidrojen ve klor karışımı önce ölçüm odasına ve ardından > 200 ° C sıcaklıkta art yakıcıya gönderilir. Hidrojen, hidrojen klorür oluşturmak için fazla klorla yanar. Elde edilen HC ve C12 karışımı karşılaştırma odasına beslenir. Bu durumda, hidrojen konsantrasyonu, termal iletkenlikteki farktan belirlenir. Bu yöntem, az miktarda havanın etkisini önemli ölçüde azaltır.

Islak bir gazı analiz ederken oluşan hatayı azaltmak için, ya bir nem emici yardımıyla ya da gaz sıcaklığı çiğ noktasının altına düşürülerek gerçekleştirilen gaz kurutulmalıdır. Sadece akan bir referans gazı ile ölçüm yaparken geçerli olan nemin etkisini telafi etmek için başka bir olasılık daha vardır.

Patlayıcı gazlarla çalışmak için birçok şirket patlamaya dayanıklı cihazlar üretmektedir. Bu durumda, termal iletkenlik ölçerlerin odaları yüksek basınç için tasarlanmıştır, odaların giriş ve çıkışına alev tutucular takılır ve çıkış sinyali kendinden güvenli bir seviye ile sınırlıdır. Bununla birlikte, bu tür cihazlar bile, patlayıcı gazların oksijen veya hidrojen ile klorin karışımlarını analiz etmek için kullanılamaz.

• Santimetre - gram - saniye, Uluslararası Birimler Sistemi'nin (SI) benimsenmesinden önce yaygın olarak kullanılan bir ölçü birimleri sistemidir.

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

METAL NUMUNELERİNİN ISI İLETKENLİĞİNİN SABİT ISI AKIŞI YÖNTEMİYLE ÖLÇÜLMESİ

Açıklama Sabit ısı akışı yöntemiyle tek tip bir silindirik çubuk veya ince bir dikdörtgen plaka şeklinde yapılmış metal numunelerin ısıl iletkenliğini ölçmek için bir tesisatın teknik ve tasarım özellikleri açıklanmaktadır. İncelenen numune, aynı anda bir soğutucu işlevini yerine getiren büyük bakır akım kelepçelerine sabitlenmiş kısa bir alternatif akım darbesi ile doğrudan elektrikli ısıtma ile ısıtılır.

Anahtar kelimeler: ısıl iletkenlik katsayısı, örnek, Fourier yasası, sabit ısı değişimi, ölçüm cihazı, transformatör, multimer, termokupl.

Giriş

Kaotik olarak hareket eden parçacıklar (elektronlar, moleküller, atomlar, vb.) aracılığıyla bir katının daha ısıtılmış alanlarından daha az ısıtılmış alanlara termal enerjinin aktarılmasına termal iletkenlik olgusu denir. Termal iletkenlik olgusunun incelenmesi, petrol, havacılık, otomotiv, metalurji, madencilik vb. Gibi çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Üç ana ısı transferi türü vardır: konveksiyon, ısı radyasyonu ve termal iletkenlik. Termal iletkenlik, maddenin doğasına ve fiziksel durumuna bağlıdır. Aynı zamanda, sıvılarda ve katılarda (dielektriklerde) enerji, elastik dalgalar aracılığıyla, gazlarda - atomların (moleküllerin) çarpışması ve difüzyonu ile ve metallerde - serbest elektronların difüzyonu ve termal titreşimlerle aktarılır. kafes. Vücuttaki ısı transferi, hangi durumda olduğuna bağlıdır: gaz, sıvı veya katı.

Sıvılardaki ısıl iletkenlik mekanizması, gazlardaki ısıl iletkenlik mekanizmasından farklıdır ve katıların ısıl iletkenliği ile çok ortak yönü vardır. Yüksek sıcaklıklara sahip alanlarda, moleküllerin büyük genlikli titreşimleri vardır. Bu titreşimler komşu moleküllere aktarılır ve böylece termal hareket enerjisi kademeli olarak katmandan katmana aktarılır. Bu mekanizma, termal iletkenlik katsayısının nispeten düşük bir değerini sağlar. Artan sıcaklıkla, çoğu sıvı için termal iletkenlik katsayısı azalır (su ve gliserin hariç, onlar için termal iletkenlik katsayısı artan sıcaklıkla artar).

İdeal gazlarda moleküler hareket yoluyla kinetik enerjinin aktarılması olgusu, ısı iletimi yoluyla ısı aktarımından kaynaklanmaktadır. Moleküler hareketin rastgeleliği nedeniyle, moleküller her yöne hareket eder. Sıcaklığı daha yüksek olan yerlerden daha düşük olan yerlere hareket eden moleküller, çift çarpışmaları nedeniyle hareketin kinetik enerjisini aktarır. Moleküler hareketin bir sonucu olarak, kademeli bir sıcaklık eşitlemesi meydana gelir; eşit olmayan şekilde ısıtılmış bir gazda, ısı transferi, moleküllerin rastgele (kaotik) hareketi sırasında belirli bir miktarda kinetik enerjinin transferidir. Azalan sıcaklıkla, gazların termal iletkenlik katsayısı azalır.

Metallerde ana ısı vericisi, ideal bir monatomik gaza benzetilebilecek serbest elektronlardır. Bu nedenle, bazı yaklaşımlarla

Bina ve ısı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenlik katsayısı, artan sıcaklıkla artar, hacimsel ağırlıktaki artışla artar. Termal iletkenlik katsayısı, malzemenin gözenekliliğine ve nem içeriğine büyük ölçüde bağlıdır. Çeşitli malzemelerin termal iletkenliği şu aralıkta değişir: 2-450 W / (m K).

1. Termal iletkenlik denklemi

Isıl iletkenlik yasası, ısı akışının birim zaman başına ısı transfer yolunun birim uzunluğu başına sıcaklık farkıyla orantılılığının Fourier hipotezine dayanır. Sayısal olarak, termal iletkenlik katsayısı, normal uzunluktaki birim başına bir dereceye eşit sıcaklık farkıyla, bir yüzey birimi boyunca birim zaman başına akan ısı miktarına eşittir.

Fourier yasasına göre, yüzey ısı akısı yoğunluğu h ile orantılıdır.

sıcaklık gradyanına eşittir -:

Burada X faktörüne termal iletkenlik katsayısı denir. Eksi işareti, ısının azalan sıcaklık yönünde aktarıldığını gösterir. Bir birim izotermal yüzeyden birim zamanda geçen ısı miktarına ısı akısı yoğunluğu denir:

B izotermal yüzeyinden birim zamanda geçen ısı miktarına ısı akısı denir:

О = | chib = -1 -cdP ^ B. (1.3)

t zamanında bu B yüzeyinden geçen toplam ısı miktarı denklemden belirlenecektir.

= -DL- ^ t'den. (1.4)

2. Termal iletkenliğin sınır koşulları

Belirsizlik için çeşitli koşullar vardır: geometrik - ısı iletim sürecinin gerçekleştiği vücudun şeklini ve boyutunu karakterize etmek; fiziksel - vücudun fiziksel özelliklerini karakterize etmek; geçici - zamanın ilk anında vücut sıcaklığının dağılımını karakterize etmek; sınır - vücudun çevre ile etkileşimini karakterize eder.

Birinci türden sınır koşulları. Bu durumda, vücut yüzeyindeki sıcaklık dağılımı her an için ayarlanır.

İkinci türün sınır koşulları. Bu durumda, belirtilen değer, herhangi bir zamanda vücut yüzeyinin her noktası için ısı akısı yoğunluğudur:

Yara = I (X, Y, 2.1).

III türünden sınır koşulları. Bu durumda, T0 ortamının sıcaklığı ve bu ortamın vücut yüzeyi ile ısı alışverişi için koşullar belirtilir.

IV türünün sınır koşulları, cisimlerin temas yüzeyinden geçen ısı akılarının eşitliği temelinde oluşturulur.

3. Termal iletkenlik katsayısını ölçmek için deneysel kurulum

Termal iletkenlik katsayılarını belirlemek için modern yöntemler iki gruba ayrılabilir: sabit ısı akışı yöntemleri ve durağan olmayan ısı akışı yöntemleri.

Birinci yöntem grubunda, bir cisim veya cisimler sisteminden geçen ısı akısı büyüklük ve yön olarak sabit kalır. Sıcaklık alanı sabittir.

Durağan olmayan yöntemler zamanla değişen bir sıcaklık alanı kullanır.

Bu çalışmada, durağan ısı akısı yöntemlerinden biri olan Kohlrausch yöntemini kullandık.

Metal numunelerin ısıl iletkenliğini ölçmek için kurulumun blok şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. bir.

İncir. 1. Ölçüm kurulumunun blok şeması

Kurulumun ana elemanı, birincil sargısı LATR 10 tipi bir ototransformatöre bağlı olan bir güç düşürme transformatörü 7'dir ve altı dönüşlü dikdörtgen bir bakır baradan yapılmış ikincil sargı doğrudan bağlı olan bir güç azaltma transformatörüdür. aynı anda bir ısı emici-soğutucu işlevini yerine getiren büyük bakır akım kelepçeleri 2 ... İncelenen numune 1, aynı anda bir ısı emici görevi gören masif bakır cıvatalar (şekilde gösterilmemiştir) kullanılarak masif bakır akım kıskaçlarına 2 sabitlenir. İncelenen numunenin çeşitli noktalarında sıcaklık kontrolü, çalışma uçları doğrudan numune 1'in silindirik yüzeyine sabitlenmiş olan kromel-kopel termokupl 3 ve 5 kullanılarak gerçekleştirilir - biri numunenin orta kısmında ve diğeri numunenin sonunda. Termokupl 3 ve 5'in serbest uçları, 0,5 ° C hassasiyetle sıcaklık ölçümlerine izin veren DT-838 4 ve 6 tipi multimetrelere bağlanır. Numune, güç trafosunun 7 sekonder sargısından gelen kısa bir AC darbesi ile doğrudan elektrikli ısıtma ile ısıtılır. Test numunesindeki akım dolaylı olarak ölçülür - halka akım trafosunun 8 sekonder sargısındaki voltaj ölçülerek, birincil sargısı, halka şeklindeki manyetik çekirdeğin serbest boşluğundan geçen güç transformatörünün (7) sekonder sargısının güç barası olan. Akım trafosunun sekonder sargısının voltajı, bir multimetre 9 ile ölçülür.

Test örneğindeki darbe akımının büyüklüğündeki değişiklik, birincil sargısı seri bağlı bir şebeke sigortası 13 ve bir düğme aracılığıyla 220 V'luk bir alternatif akım şebekesine bağlı olan doğrusal bir ototransformatör 10 (LATR) kullanılarak gerçekleştirilir. 12. Doğrudan akım terminallerine paralel bağlı bir multimetre 14 kullanarak 2. Akım darbelerinin süresi, lineer ototransformatörün 10 birincil sargısına bağlı bir elektrikli kronometre 11 kullanılarak ölçülür. test örneği, düğme 12 ile sağlanır.

Yukarıda açıklanan kurulumda termal iletkenlik katsayısı ölçülürken aşağıdaki koşullar yerine getirilmelidir:

Tüm uzunluk boyunca test numunesinin enine kesitinin tekdüzeliği;

Test numunesinin çapı 0,5 mm ila 3 mm arasında olmalıdır (aksi takdirde ana termal güç, test numunesinde değil, güç transformatöründe serbest bırakılır).

Numune uzunluğuna karşı sıcaklığın diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 2.

İncir. 2. Sıcaklığın numune uzunluğuna bağımlılığı

Yukarıdaki diyagramda görülebileceği gibi, sıcaklığın test numunesinin uzunluğuna bağımlılığı, numunenin orta kısmında belirgin bir maksimum ile doğrusaldır ve uçlarda minimum (sabit) ve ortam sıcaklığına eşit kalır. Bu deneysel kurulum için 3 dakikayı geçmeyen bir denge ısı transfer rejiminin oluşturulması için zaman aralığı boyunca sıcaklık, yani. 180 saniye.

4. Termal iletkenlik katsayısı için çalışma formülünün türetilmesi

Bir elektrik akımının geçişi sırasında bir iletkende açığa çıkan ısı miktarı Joule-Lenz yasasına göre belirlenebilir:

Qel = 12-Я ^ = ve I I, (4.1)

nerede ve, I - test örneğindeki voltaj ve akım; Ben numunenin direnciyim.

t uzunluğunda homojen bir silindirik çubuk ve bölüm 5 şeklinde yapılan t zaman aralığı sırasında incelenen örneğin enine kesitinden aktarılan ısı miktarı Fourier yasasına (1.4) göre hesaplanabilir:

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

burada 5 = 2-5osn, 5osn = ^ 4-, at = 2-DT = 2- (Gmax -Gtk1); d £ = A £ = 1 - £.

Burada 2 ve 1/2 katsayıları, ısı akışının

örneğin merkezi uçlarına kadar, yani. iki akıma ayrılır. Sonra

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

5. Yan yüzeye ısı kayıplarının muhasebeleştirilmesi

§Ozhr = 2-Bbok -DTkha, (5.1)

burada Bbok = n-th-1; a, boyuta sahip olan test numunesinin yüzeyinin çevre ile ısı transfer katsayısıdır.

Sıcaklık farkı

DGx = Tx - T0cr, (5.2)

burada Tx, numune yüzeyinde belirli bir noktadaki sıcaklıktır; Gokr - ortam sıcaklığı, örneğin sıcaklığının uzunluğuna bağımlılığının doğrusal denkleminden hesaplanabilir:

Tx = T0 + k-x, (5.3)

burada k eğimi, numunenin sıcaklığının uzunluğuna doğrusal bağımlılığının eğiminin tanjantı yoluyla belirlenebilir:

DT T - T T - T

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

(5.2), (5.3) ve (5.4) ifadelerini denklem (5.1) ile değiştirerek şunları elde ederiz:

SQaup = 2a-nd ■ dx ■ (+ kx-Т0Кр) dt,

nerede T0 Tszhr.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)

(5.5) ifadesini entegre ettikten sonra şunu elde ederiz:

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

Elde edilen (4.1), (4.3) ve (5.6) ifadelerini aoln = obr + qs ısı dengesi denkleminde yerine koyarak, burada Qtot = QEL, şunu elde ederiz:

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

Termal iletkenlik katsayısı için elde edilen denklemi çözerek şunları elde ederiz:

u1 bir £ 2, l

Ortaya çıkan ifade, göreceli bir hata ile tipik test numuneleri için yapılan hesaplamalara göre ince metal çubukların termal iletkenlik katsayısının belirlenmesini mümkün kılar.

AU f (AI f (Л (ЛГ) ^ (At2)

%1,5'i geçemez.

bibliyografya

1. Sivukhin, DV Genel fizik kursu / DV Sivukhin. - M.: Nauka, 1974 .-- T. 2. - 551 s.

2. Rudin, AV Farklı soğutma modları altında cam oluşturan nesnelerde yapısal gevşeme süreçlerinin incelenmesi / AV Rudin // Yüksek öğretim kurumlarının bildirileri. Volga bölgesi. Doğa Bilimleri. - 2003. - No. 6. - S. 123-137.

3. Pavlov, P. V. Katı Hal Fiziği: ders kitabı. "Fizik" uzmanlık alanlarında okuyan öğrenciler için el kitabı / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: Daha yüksek. shk., 1985 .-- 384 s.

4. Berman, R. Katıların ısıl iletkenliği / R. Berman. - M., 1979 .-- 287 s.

5. Livshits, BG Metallerin ve alaşımların fiziksel özellikleri / BG Livshits, VS Kraposhin. - M.: Metalurji, 1980 .-- 320 s.

Luzina Anna Vyacheslavovna

yüksek lisans öğrencisi, yüksek lisans öğrencisi,

Penza Eyalet Üniversitesi Penza Eyalet Üniversitesi E-posta: [e-posta korumalı]

Rudin Alexander Vasilievich

Fizik ve Matematik Doktora, Doçent, Fizik Bölüm Başkan Yardımcısı, Penza State Üniversitesi E-posta: [e-posta korumalı]

Rudin Aleksandr Vasil "eviç

fizik ve matematik bilimleri adayı, doçent,

fizik alt bölüm başkan yardımcısı, Penza Eyalet Üniversitesi

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

Metal numunelerin ısıl iletkenliğinin sabit ısı akısı yöntemiyle ölçülmesi /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Penza Eyalet Üniversitesi Bülteni. - 2016. - Sayı 3 (15). -FROM. 76-82.

Bir maddenin termal iletkenliğini incelemek için iki grup yöntem kullanılır: sabit ve durağan olmayan.

Durağan yöntemler teorisi daha basit ve daha tam gelişmiştir. Ancak durağan olmayan yöntemler, prensip olarak, ısıl iletkenlik katsayısına ek olarak, ısıl yayılım ve ısı kapasitesi katsayıları hakkında bilgi elde edilmesini sağlar. Bu nedenle, son yıllarda maddelerin termofiziksel özelliklerini belirlemek için durağan olmayan yöntemlerin geliştirilmesine çok dikkat edilmiştir.

Burada maddelerin ısıl iletkenlik katsayısını belirlemek için bazı sabit yöntemler ele alınmaktadır.

fakat) Düz katman yöntemi. Düz bir tabakadan tek boyutlu bir ısı akışı ile, termal iletkenlik katsayısı formülle belirlenir.

Nerede g - kalınlık, T 1 ve T 2 - numunenin "sıcak" ve "soğuk" yüzeyinin sıcaklıkları.

Bu yöntemle termal iletkenliği incelemek için tek boyutluya yakın bir ısı akısı oluşturmak gerekir.

Tipik olarak, sıcaklıklar numunenin yüzeyinde değil, onlardan belirli bir mesafede ölçülür (bkz. Şekil 2), bu nedenle, ısıtıcı ve buzdolabı katmanlarındaki sıcaklık farkı için düzeltmelerin ölçülen sıcaklık farkına dahil edilmesi gerekir. , kontakların termal direncini en aza indirmek için.

Sıvıların incelenmesinde, konveksiyon olgusunu ortadan kaldırmak için, sıcaklık gradyanı yerçekimi alanı boyunca (aşağıya doğru) yönlendirilmelidir.

İncir. 2. Termal iletkenliği ölçmek için düz tabaka yöntemlerinin şeması.

1 - test örneği; 2 - ısıtıcı; 3 - buzdolabı; 4, 5 - yalıtım halkaları; 6 - güvenlik ısıtıcıları; 7 - termokupllar; 8, 9 - diferansiyel termokupllar.

b) Jaeger yöntemi. Yöntem, bir elektrik akımıyla ısıtılan bir çubuk boyunca ısının yayılmasını tanımlayan tek boyutlu bir ısı iletim denkleminin çözülmesine dayanmaktadır. Bu yöntemi kullanmanın zorluğu, numunenin dış yüzeyinde, ısı akışının tek boyutluluğunu ihlal eden katı adyabatik koşullar yaratmanın imkansızlığından kaynaklanmaktadır.

Hesaplama formülü:

(14)

Nerede s- test örneğinin elektriksel iletkenliği, sen- çubuğun uçlarındaki uç noktalar arasındaki voltaj düşüşü, DT- çubuğun ortası ile çubuğun ucundaki bir nokta arasındaki sıcaklık farkı.

İncir. 3. Jaeger yönteminin şeması.

1 - elektrikli fırın; 2 - örnek; 3 - numuneyi sabitlemek için pimler; Т 1 ¸ Т 6 - termokupl sonlandırma noktaları.

Bu yöntem, elektriksel olarak iletken malzemelerin incelenmesinde kullanılır.

içinde) Silindirik tabaka yöntemi.İncelenen sıvı (dökme malzeme, eş eksenli olarak yerleştirilmiş iki silindirden oluşan silindirik bir tabakayı doldurur. Silindirlerden biri, çoğunlukla iç kısım, bir ısıtıcıdır (Şekil 4).

Şekil 4 Silindirik katman yönteminin şematik diyagramı

1 - iç silindir; 2 - ana ısıtıcı; 3 - araştırılan maddenin tabakası; 4 - dış silindir; 5 - termokupllar; 6 - güvenlik silindirleri; 7 - ek ısıtıcılar; 8 - durum.

Dış ve iç yüzeylerinin sıcaklığı sabit tutulan ve T 1 ve T 2'ye eşit olan silindirik bir duvardaki sabit termal iletkenlik sürecini daha ayrıntılı olarak ele alalım (bizim durumumuzda bu, incelenen madde 5). Silindirik duvarın iç çapının d 1 = 2r 1 ve dış çapın d 2 = 2r 2, l = const olması ve ısının sadece radyal yönde yayılması şartıyla duvardan geçen ısı akışını belirleyelim. .

Problemi çözmek için denklem (12) kullanıyoruz. Silindirik koordinatlarda, ; denklem (12), (10'a göre) vit'i alır:

. (15)

Notasyonu tanıtalım dT/doktor= 0, alırız

Bu ifadeyi entegre ettikten ve güçlendirdikten sonra, orijinal değişkenlere geçerek şunu elde ederiz:

. (16)

Bu denklemden görülebileceği gibi, T = f (r) bağımlılığı logaritmiktir.

Entegrasyon sabitleri C1 ve C2, sınır koşulları bu denklemde ikame edilirse belirlenebilir:

de r = r 1 T = T 1 ve T1 = C1 içinde r1 + C2,

de r = r 2 T = T 2 ve T2 = C1 içinde r2 + C2.

Bu denklemlerin çözümü DAN 1 ve C2 verir:

;

Bu ifadelerin yerine C1 ve C2(1b) denkleminde, elde ederiz

(17)

yarıçaplı silindirik bir yüzey alanı boyunca ısı akısı r ve uzunluk Fourier yasası (5) kullanılarak belirlenir.

.

Değiştirmeden sonra, alırız

. (18)

Bilinen değerlerde termal iletkenlik katsayısı l S, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, formülle hesaplanır

. (19)

Konveksiyonu bastırmak için (bir sıvı durumunda), silindirik tabaka küçük bir kalınlığa, genellikle bir milimetrenin bir kısmına sahip olmalıdır.

Silindirik tabaka yönteminde uç kayıplarda azalma oranı / oranı artırılarak elde edilir. d ve güvenlik ısıtıcıları.

d) Isıtmalı tel yöntemi. Bu yöntemde, oran / d azaldıkça artar d... İç silindir, hem ısıtıcı hem de dirençli termometre olan ince bir tel ile değiştirilir (Şekil 5). Tasarımın göreceli basitliği ve teorinin ayrıntılı gelişimi sonucunda, ısıtılmış tel yöntemi en gelişmiş ve doğru yöntemlerden biri haline geldi. Sıvıların ve gazların termal iletkenliği ile ilgili deneysel çalışmaların pratiğinde lider bir yer tutar.

İncir. 5. Isıtmalı tel yöntemine göre yapılan ölçüm hücresinin şeması. 1 - ölçüm kablosu, 2 - tüp, 3 - test maddesi, 4 - akım uçları, 5 - potansiyel çıkışlar, 6 - harici termometre.

AB bölümünden gelen tüm ısı akışının radyal olarak yayılması ve T 1 - T 2 sıcaklık farkının büyük olmaması, böylece l = const bu sınırlar içinde kabul edilebilmesi koşuluyla, maddenin ısıl iletkenlik katsayısı şu şekilde belirlenir: formül

, (20)

Nerede S AB = T × U AB, kabloda harcanan güçtür.

e) Top yöntemi. Sıvıların ve dökme malzemelerin termal iletkenliğini araştırma pratiğinde kullanılır. Test maddesine, prensipte kontrolsüz ısı kaybını dışlamaya izin veren küresel bir tabaka şekli verilir. Teknik olarak, bu yöntem oldukça karmaşıktır.

261-FZ sayılı “Enerji Tasarrufu” Federal Yasasının gerekliliklerine uygun olarak, Rusya'daki bina ve ısı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenliği gereklilikleri sıkılaştırıldı. Günümüzde ısı yalıtkanı olarak bir malzeme kullanılıp kullanılmayacağına karar verirken ısıl iletkenlik ölçümü zorunlu noktalardan biridir.

İnşaatta termal iletkenliği ölçmek neden gereklidir?

Yapı ve ısı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenliğinin kontrolü, malzemelerin operasyonel özelliklerini etkileyen çeşitli faktörlere maruz kaldığında, laboratuvar koşullarında sertifikalandırılması ve üretiminin tüm aşamalarında gerçekleştirilir. Termal iletkenliği ölçmek için birkaç yaygın yöntem vardır. Düşük ısıl iletkenliğe sahip (0,04 - 0,05 W / m * K'nin altında) malzemelerin doğru laboratuvar testleri için, sabit ısı akışı yöntemini kullanan cihazların kullanılması önerilir. Kullanımları GOST 7076 tarafından düzenlenir.

Interpribor şirketi, fiyatı piyasadakilerle olumlu bir şekilde karşılaştıran ve tüm modern gereksinimleri karşılayan bir termal iletkenlik ölçer sunmaktadır. Bina ve ısı yalıtım malzemelerinin laboratuvar kalite kontrolü için tasarlanmıştır.

ITS-1 termal iletkenlik ölçerin avantajları

ITS-1 termal iletkenlik ölçer, orijinal bir monoblok tasarıma sahiptir ve aşağıdaki avantajlarla karakterize edilir:

• otomatik ölçüm döngüsü;
• buzdolabının ve ısıtıcının sıcaklıklarının dengelenmesini sağlayan yüksek hassasiyetli ölçüm yolu;
• sonuçların doğruluğunu daha da artıran, incelenen belirli malzeme türleri için cihazı kalibre etme yeteneği;
• ölçümler sırasında sonucun değerlendirilmesini ifade etmek;
• optimize edilmiş "sıcak" güvenlik bölgesi;
• Ölçüm sonuçlarının kontrolünü ve analizini basitleştiren bilgilendirici grafik ekran.

ITS-1, müşterinin talebi üzerine kontrol numuneleri (pleksiglas ve penoplex), dökme malzemeler için bir kutu ve cihazın saklanması ve taşınması için koruyucu bir kılıf ile desteklenebilen tek bir temel modifikasyonda sağlanır.