Stanovení tepelné vodivosti pevných materiálů metodou ploché vrstvy. Metody stanovení tepelné vodivosti kovů Zařízení a materiály

S nárůstem měrného výkonu spalovacích motorů se zvyšuje množství tepla, které je nutné odvádět z ohřívaných součástí a dílů. Účinnost moderní systémy chlazení a způsob zvyšování intenzity přenosu tepla téměř dosáhly svého limitu. Cílem této práce je studovat inovativní chladiva pro chladicí systémy tepelných energetických zařízení na bázi dvoufázových systémů sestávajících ze základního média (vody) a nanočástic. Je zvažována jedna z metod měření tepelné vodivosti kapaliny nazývaná 3ω-hot-wire. Prezentovány jsou výsledky měření koeficientu tepelné vodivosti nanokapaliny na bázi oxidu grafenu při různých koncentracích tohoto oxidu. Bylo zjištěno, že při použití 1,25 % grafenu se koeficient tepelné vodivosti nanokapaliny zvýšil o 70 %.

tepelná vodivost

součinitel tepelné vodivosti

oxid grafenu

nanofluid

chladící systém

zkušební stolice

1. Osipová V.A. Experimentální studium procesů přenosu tepla: učebnice. manuál pro univerzity. – 3. vyd., přepracováno. a doplňkové – M.: Energie, 1979. – 320 s.

2. Přenos tepla / V.P. Isachenko, V.A. Osipová, A.S. Sukomel - M.: Energie, 1975. - 488 s.

3. Anomálně zvýšené efektivní tepelné vodivosti nanofluidů na bázi etylenglykolu obsahujících nanočástice mědi / J.A. Eastman, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson Appl. Phys. Lett. 78,718; 2001.

4. Měření tepelné vodivosti pomocí techniky 3-omega: Aplikace na Power Harvesting Microsystems / David de Koninck; Thesis of Master of Engineering, McGill University, Montreal, Kanada, 2008. – 106 pp.

5. Měření tepelné vodivosti / W.A. Wakeham, M.J. Assael 1999 od CRC Press LLC.

Je známo, že kdy moderní trendy S rostoucím měrným výkonem spalovacích motorů, stejně jako s vyššími otáčkami a menšími rozměry u mikroelektronických zařízení se neustále zvyšuje množství tepla, které je nutné odvádět z ohřívaných součástí a dílů. Použití různých teplovodivých kapalin pro odvod tepla je jednou z nejčastějších a efektivní způsoby. Účinnost moderních konstrukcí chladicích zařízení, stejně jako obvyklým způsobem rostoucí intenzita přenosu tepla téměř dosáhla svého limitu. Je známo, že konvenční chladicí kapaliny (voda, oleje, glykoly, fluorované uhlovodíky) mají poměrně nízkou tepelnou vodivost (tabulka 1), což je limitující faktor moderní designy chladicí systémy. Pro zvýšení jejich tepelné vodivosti je možné vytvořit vícefázové (alespoň dvoufázové) disperzní médium, kde roli disperze hrají částice s výrazně vyšším součinitelem tepelné vodivosti než základní kapalina. Maxwell v roce 1881 navrhl přidání pevných částic s vysokou tepelnou vodivostí do základního teplovodivého chladiva.

Cílem je smíchat kovové materiály stříbro, měď, železo a nekovové materiály, jako je oxid hlinitý, CuO, SiC a uhlíkové trubky, které mají vyšší tepelnou vodivost ve srovnání se základní kapalinou s nižší tepelnou vodivostí. Zpočátku byly pevné částice (jako je stříbro, měď, železo, uhlíkové trubice, které mají vyšší tepelnou vodivost ve srovnání se základní kapalinou) o velikosti mikronů a dokonce milimetrů smíchány se základní kapalinou za vzniku suspenzí. Dost velká velikost používané částice a potíže při výrobě nanočástic se staly limitujícími faktory při použití takových suspenzí. Tento problém vyřešila práce S. Choi a J. Eastmana, zaměstnanců arizonské národní laboratoře, kteří prováděli experimenty s kovovými částicemi o velikosti nanometrů. Kombinovali různé kovové nanočástice a nanočástice oxidů kovů s různými kapalinami a získali velmi zajímavé výsledky. Tyto suspenze nanostrukturních materiálů byly nazývány „nanofluidy“.

stůl 1

Porovnání součinitelů tepelné vodivosti materiálů pro nanokapaliny

Pro vývoj moderních inovativních chladiv pro chladicí systémy vysoce zrychlených tepelných energetických zařízení jsme uvažovali o dvoufázových systémech skládajících se ze základního média (voda, etylenglykol, oleje atd.) a nanočástic, tzn. částice s charakteristickou velikostí od 1 do 100 nm. Důležitou vlastností nanokapalin je, že i při přidání malého množství nanočástic vykazují závažné zvýšení tepelné vodivosti (někdy i více než 10x). Zvýšení tepelné vodivosti nanokapaliny navíc závisí na teplotě - s rostoucí teplotou se zvyšuje součinitel tepelné vodivosti.

Při vytváření takových nanokapalin, které jsou dvoufázovým systémem, je potřeba spolehlivá a dostatečně přesná metoda měření součinitele tepelné vodivosti.

Přezkoumali jsme různé metody měření součinitele tepelné vodivosti kapalin. Jako výsledek analýzy byla zvolena metoda „3ω-wire“ pro měření tepelné vodivosti nanokapalin s poměrně vysokou přesností.

Metoda "3ω-wire" se používá k současnému měření tepelné vodivosti a tepelné difuzivity materiálů. Je založen na měření časově závislého nárůstu teploty ve zdroji tepla, tj. horkém drátu, který je ponořen do zkušební kapaliny. Kovový drát slouží jak jako elektrický odporový ohřívač, tak jako odporový teploměr. Kovové dráty mají extrémně malý průměr (několik desítek mikronů). Nárůst teploty drátu obvykle dosahuje 10 °C a vliv konvekce lze zanedbat.

Kovový drát délky L a poloměru r zavěšený v kapalině funguje jako ohřívač a odporový teploměr, jak je znázorněno na Obr. 1.

Rýže. 1. Schéma instalace metody „3ω horkého drátu“ pro měření tepelné vodivosti kapaliny

Podstata použité metody pro stanovení součinitele tepelné vodivosti je následující. Střídavý proud protéká kovovým drátem (ohřívačem). AC charakteristika je dána rovnicí

kde I 0 je amplituda střídavého sinusového proudu; ω - aktuální frekvence; t - čas.

Drátem protéká střídavý proud, který působí jako ohřívač. V souladu s Joule-Lenzovým zákonem se množství tepla uvolněného při průchodu elektrického proudu vodičem určuje:

a je superpozicí zdroje stejnosměrného proudu a 2ω modulovaného zdroje tepla,

kde je RE elektrický odpor kovového drátu za experimentálních podmínek a je funkcí teploty.

Uvolněný tepelný výkon generuje změnu teploty v ohřívači, která je také superpozicí stejnosměrné složky a složky 2ω AC:

kde ΔT DC je amplituda změny teploty pod vlivem stejnosměrného proudu; ΔT 2ω - amplituda změny teploty pod vlivem střídavého proudu; φ je fázový posun indukovaný zahřátím hmoty vzorku.

Elektrický odpor drátu závisí na teplotě a toto je složka 2ω AC odporu drátu:

kde Crt je teplotní koeficient odporu pro kovový drát; RE0 je referenční odpor ohřívače při teplotě T 0 .

Typicky T0 je teplota hromadného vzorku.

Napětí na kovovém drátu lze získat jako,

(6)

V rovnici (6) napětí na drátu obsahuje: úbytek napětí způsobený stejnosměrným odporem drátu při 1ω a dvě nové složky úměrné nárůstu teploty drátu při 3ω a 1ω. 3ω složka napětí lze extrahovat pomocí zesilovače a poté použít k výstupu amplitudy změny teploty při 2ω:

Frekvenční závislost změny teploty ΔT 2ω byla získána změnou frekvence střídavého proudu při konstantním napětí V 1ω. Současně lze závislost změny teploty ΔT 2ω na frekvenci aproximovat jako

kde α f je koeficient tepelné difuzivity; k f - součinitel tepelné vodivosti základní kapaliny; η je konstanta.

Změnu teploty při frekvenci 2ω v kovovém drátu lze odvodit pomocí složky napětí o frekvenci 3ω, jak ukazuje rovnice (8). Součinitel tepelné vodivosti kapaliny k f je určen sklonem 2ω změny teploty kovového drátu vzhledem k frekvenci ω,

(9)

kde P je aplikovaný výkon; ω je frekvence aplikovaného elektrického proudu; L je délka kovového drátu; ΔT 2ω - amplituda změny teploty při frekvenci 2ω v kovovém drátu.

Metoda 3ω drátu má oproti tradiční metodě horkého drátu několik výhod:

1) kolísání teploty může být dostatečně malé (pod 1K, ve srovnání s přibližně 5K u metody horkého drátu) ve zkušební kapalině, aby se udržely konstantní vlastnosti kapaliny;

2) Hluk pozadí, jako jsou změny teploty, má mnohem menší vliv na výsledky měření.

Tyto výhody činí tuto metodu ideální pro měření teplotní závislosti tepelné vodivosti nanokapalin.

Instalace pro měření součinitele tepelné vodivosti zahrnuje následující komponenty: Winstonův můstek; generátor signálu; spektrální analyzátor; osciloskop.

Winstonův můstek je obvod používaný k porovnání neznámého odporu R x se známým odporem R 0 . Schéma mostu je na Obr. 2. Čtyři ramena Winstonova můstku AB, BC, AD a DS představují odpory Rx, R0, R1 a R2. Na úhlopříčku VD je připojen galvanometr a na úhlopříčku AC je připojen zdroj energie.

Pokud vhodně zvolíte hodnoty proměnných odporů R1 a R2, pak můžete dosáhnout rovnosti potenciálů bodů B a D: φ B = φ D. V tomto případě galvanometrem neprotéká proud, tzn. , I g = 0. Za těchto podmínek bude můstek vyvážený a můžete najít neznámý odpor Rx. K tomu použijeme Kirchhoffova pravidla pro rozvětvené řetězce. Když použijeme Kirchhoffovo první a druhé pravidlo, dostaneme

Rx = R° R1/R2.

Přesnost určení Rx pomocí této metody do značné míry závisí na volbě odporů R 1 a R 2. Největší přesnosti je dosaženo, když R 1 ≈ R 2 .

Generátor signálu funguje jako zdroj elektrických oscilací v rozsahu 0,01 Hz - 2 MHz s vysokou přesností (s diskrétností 0,01 Hz). Generátor signálu značky G3-110.

Rýže. 2. Schéma Winstonova mostu

Spektrální analyzátor je navržen tak, aby izoloval 3ω složku spektra. Před zahájením prací byl spektrální analyzátor otestován na shodu s napětím třetí harmonické. K tomu je signál z generátoru G3-110 přiveden na vstup spektrálního analyzátoru a paralelně do širokopásmového digitálního voltmetru. Efektivní hodnota amplitudy napětí byla porovnána na spektrálním analyzátoru a voltmetru. Rozdíl mezi hodnotami byl 2 %. Kalibrace spektrálního analyzátoru byla také provedena na interním testu zařízení, na frekvenci 10 kHz. Hodnota signálu na nosné frekvenci byla 80 mV.

Osciloskop C1-114/1 je určen ke studiu tvaru elektrických signálů.

Před zahájením studie musí být ohřívač (drát) umístěn do testovaného kapalného vzorku. Drát by se neměl dotýkat stěn nádoby. Dále bylo provedeno frekvenční skenování v rozsahu od 100 do 1600 Hz. Na spektrálním analyzátoru se na studovaném kmitočtu v automatickém režimu zaznamená hodnota signálu 1., 2., 3. harmonické.

Pro měření amplitudy proudu byl v sérii s obvodem použit rezistor s odporem ~0,47 Ohm. Hodnota by měla být taková, aby nepřesahovala jmenovitou hodnotu měřicího ramene cca 1 Ohm. Pomocí osciloskopu jsme zjistili napětí U. Se znalostí R a U jsme zjistili amplitudu proudu I 0 . Pro výpočet použitého výkonu se měří napětí v obvodu.

Nejprve je zkoumán široký frekvenční rozsah. Tam, kde je linearita grafu nejvyšší, je určen užší frekvenční rozsah. Poté se ve zvoleném frekvenčním rozsahu provádějí měření s menšími frekvenčními kroky.

V tabulce Obrázek 2 ukazuje výsledky měření koeficientu tepelné vodivosti nanokapaliny, což je 0,35% suspenze oxidu grafenu v základní kapalině (vodě), pomocí izolovaného měděného drátu o délce 19 cm, průměru 100 μm, při teplotě 26 °C pro frekvenční rozsah 780...840 Hz

Na Obr. Obrázek 3 ukazuje celkový pohled na stojan pro měření koeficientu tepelné vodivosti kapaliny.

V tabulce Obrázek 3 ukazuje závislost koeficientu tepelné vodivosti suspenze oxidu grafenu na jeho koncentraci v kapalině při teplotě 26 °C. Měření koeficientů tepelné vodivosti nanokapaliny byla provedena při různých koncentracích oxidu grafenu od 0 do 1,25 %.

tabulka 2

Výsledky měření součinitele tepelné vodivosti nanokapaliny

Rýže. 3. Obecná forma stojan pro měření součinitele tepelné vodivosti kapaliny

V tabulce Tabulka 3 také ukazuje hodnoty součinitelů tepelné vodivosti stanovené pomocí Maxwellova vzorce.

(10)

kde k je koeficient tepelné vodivosti nanokapaliny; k f - součinitel tepelné vodivosti základní kapaliny; k p je součinitel tepelné vodivosti dispergované fáze (nanočástice); φ je hodnota objemové fáze každé z disperzních fází.

Tabulka 3

Koeficient tepelné vodivosti suspenze oxidu grafenu

Poměr součinitelů tepelné vodivosti k exp /k teorie a k exp /k tab. vody jsou znázorněny na obr. 4.

Takové odchylky experimentálních dat od těch, které předpovídá klasická Maxwellova rovnice, mohou být podle našeho názoru spojeny s fyzikálními mechanismy zvyšování tepelné vodivosti nanokapaliny, konkrétně:

Kvůli Brownovu pohybu částic; míchání kapaliny vytváří mikrokonvektivní efekt, čímž se zvyšuje energie přenosu tepla;

Přenos tepla perkolačním mechanismem převážně podél klastrových kanálků vzniklých v důsledku aglomerace nanočástic prostupujících celou strukturou rozpouštědla (běžné kapaliny);

Molekuly základní tekutiny tvoří kolem nanočástic vysoce orientované vrstvy, čímž se zvyšuje objemový podíl nanočástic.

Rýže. 4. Závislost poměru koeficientů tepelné vodivosti na koncentraci oxidu grafenu

Práce byly provedeny na zařízení Centra pro kolektivní využití vědecké techniky „Diagnostika mikro- a nanostruktur“ za finanční podpory Ministerstva školství a vědy Ruské federace.

Recenzenti:

Eparkhin O.M., doktor technických věd, profesor, ředitel pobočky v Jaroslavli Moskevské státní dopravní univerzity v Jaroslavli;

Amirov I.I., doktor fyzikálních a matematických věd, výzkumný pracovník Jaroslavské pobočky Federálního státního rozpočtového ústavu vědy „Fyzikální a technologický institut“ Ruská akademie vědy, Jaroslavl.

Práce obdržela redaktorka 28. července 2014.

Bibliografický odkaz

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536 212,2; 536.24.021 A. V. Lužina, A. V. Rudin

MĚŘENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI KOVOVÝCH VZORKŮ METODOU STACIONÁRNÍHO TEPLA

Anotace. Technika je popsána a Designové vlastnosti zařízení pro měření součinitele tepelné vodivosti kovových vzorků vyrobených ve formě homogenní válcové tyče nebo tenké obdélníkové desky metodou stacionárního tepelného toku. Zahřívání zkušebního vzorku se provádí přímo elektrické vytápění krátký pulz střídavého proudu, upevněný v masivních měděných proudových kleštích, které zároveň slouží jako chladič.

Klíčová slova: součinitel tepelné vodivosti, vzorek, Fourierův zákon, stacionární výměna tepla, měřicí sestava, transformátor, multimer, termočlánek.

Úvod

Přenos tepelné energie z více zahřátých oblastí pevného tělesa do méně zahřátých prostřednictvím chaoticky se pohybujících částic (elektrony, molekuly, atomy atd.) se nazývá jev tepelné vodivosti. Studium jevu tepelné vodivosti je široce používáno v různých průmyslových odvětvích, jako je ropa, letecký průmysl, automobilový průmysl, metalurgie, těžba atd.

Existují tři hlavní typy přenosu tepla: konvekce, tepelné záření a vedení tepla. Tepelná vodivost závisí na povaze látky a jejím fyzikálním stavu. Současně se v kapalinách a pevných látkách (dielektrika) přenos energie provádí pružnými vlnami, v plynech - srážkou a difúzí atomů (molekul) a v kovech - difúzí volných elektronů a pomocí tepelné vibrace mřížky. Přenos tepla v tělese závisí na tom, v jakém je skupenství: plynné, kapalné nebo pevné.

Mechanismus tepelné vodivosti v kapalinách je odlišný od mechanismu tepelné vodivosti v plynech a má mnoho společného s tepelnou vodivostí pevných látek. V oblastech se zvýšenou teplotou dochází k vibracím molekul s velkými amplitudami. Tyto vibrace se přenášejí na sousední molekuly, a tak se energie tepelného pohybu přenáší postupně z vrstvy na vrstvu. Tento mechanismus poskytuje relativně malou hodnotu součinitele tepelné vodivosti. S rostoucí teplotou se součinitel tepelné vodivosti u většiny kapalin snižuje (výjimkou je voda a glycerin, u kterých součinitel tepelné vodivosti roste s rostoucí teplotou).

Fenomén přenosu kinetické energie pomocí pohybu molekul v ideálních plynech je způsoben přenosem tepla tepelnou vodivostí. Díky náhodnosti molekulárního pohybu se molekuly pohybují všemi směry. Pohybující se z míst s vyšší teplotou do míst s nižší teplotou, molekuly přenášejí kinetickou energii pohybu díky srážkám párů. V důsledku pohybu molekul dochází k postupnému vyrovnávání teploty; v nerovnoměrně ohřátém plynu je přenos tepla přenos určitého množství kinetické energie při náhodném (chaotickém) pohybu molekul. S klesající teplotou klesá tepelná vodivost plynů.

V kovech jsou hlavním přenašečem tepla volné elektrony, které lze přirovnat k ideálnímu monatomickému plynu. Proto s určitým přiblížením

Součinitel tepelné vodivosti budovy a tepelně izolační materiály s rostoucí teplotou se zvětšuje a s rostoucí objemovou hmotností se zvyšuje. Součinitel tepelné vodivosti silně závisí na pórovitosti a vlhkosti materiálu. Tepelná vodivost různé materiály se pohybuje v rozmezí: 2-450 W/(m K).

1. Tepelná rovnice

Zákon tepelné vodivosti je založen na Fourierově hypotéze o úměrnosti tepelného toku k rozdílu teplot na jednotku délky dráhy přenosu tepla za jednotku času. Číselně se součinitel tepelné vodivosti rovná množství tepla proudícího za jednotku času jednotkovým povrchem, přičemž teplotní rozdíl na jednotku délky normály se rovná jednomu stupni.

Podle Fourierova zákona je hustota povrchového tepelného toku h úměrná

na teplotní gradient -:

Zde se faktor X nazývá součinitel tepelné vodivosti. Znaménko mínus znamená, že teplo se přenáší ve směru klesající teploty. Množství tepla prošlého za jednotku času jednotkou izotermického povrchu se nazývá hustota tepelného toku:

Množství tepla procházejícího za jednotku času izotermickým povrchem B se nazývá tepelný tok:

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

Celkové množství tepla prošlého tímto povrchem B za dobu t bude určeno z rovnice

Od=-DL-^t. (1.4)

2. Okrajové podmínky pro tepelnou vodivost

Existovat různé podmínky jednoznačnost: geometrická - charakterizující tvar a rozměry tělesa, ve kterém probíhá proces tepelné vodivosti; fyzikální - charakterizující fyzikální vlastnosti těla; dočasné - charakterizující rozložení tělesné teploty v počátečním časovém okamžiku; hranice - charakterizující interakci těla s prostředím.

Okrajové podmínky prvního druhu. V tomto případě je pro každý časový okamžik specifikováno rozložení teploty na povrchu tělesa.

Okrajové podmínky druhého druhu. V tomto případě je zadaná hodnota hustota tepelného toku pro každý bod na povrchu tělesa kdykoli:

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

Okrajové podmínky třetího druhu. V tomto případě je specifikována teplota média T0 a podmínky výměny tepla tohoto média s povrchem tělesa.

Okrajové podmínky čtvrtého druhu jsou tvořeny na základě rovnosti tepelných toků procházejících kontaktní plochou těles.

3. Experimentální uspořádání pro měření součinitele tepelné vodivosti

Moderní metody Stanovení součinitelů tepelné vodivosti lze rozdělit do dvou skupin: stacionární metody tepelného toku a nestacionární metody tepelného toku.

V první skupině metod zůstává tepelný tok procházející tělesem nebo soustavou těles konstantní co do velikosti a směru. Teplotní pole je stacionární.

Přechodové metody využívají časově proměnlivé teplotní pole.

V této práci je použita jedna z metod stacionárního tepelného toku - Kohlrauschova metoda.

Blokové schéma instalace pro měření tepelné vodivosti kovových vzorků je na Obr. 1.

Rýže. 1. Blokové schéma nastavení měření

Hlavním prvkem instalace je výkonový snižovací transformátor 7, jehož primární vinutí je připojeno k autotransformátoru typu LATR 10 a sekundární vinutí, vyrobené z obdélníkové měděné přípojnice se šesti závity, je přímo připojeno k masivní měděné proudové svorky 2, které zároveň slouží jako chladič-chladnička . Zkušební vzorek 1 je upevněn v masivních měděných proudových svorkách 2 pomocí masivních měděných šroubů (neznázorněných na obrázku), které současně slouží jako chladič. Regulace teploty v různých bodech zkoumaného vzorku se provádí pomocí Chromel-Copel termočlánků 3 a 5, jejichž pracovní konce jsou přímo upevněny na válcovém povrchu vzorku 1 - jeden ve střední části vzorku a druhý na konci ukázky. Volné konce termočlánků 3 a 5 jsou připojeny k multimerům typu DT-838 4 a 6, které umožňují měření teploty s přesností 0,5 °C. Vzorek je ohříván přímým elektrickým ohřevem krátkým impulsem střídavého proudu ze sekundárního vinutí výkonového transformátoru 7. Proud ve zkušebním vzorku je měřen nepřímo - měřením napětí na sekundárním vinutí prstencového transformátoru proudu 8, měřením napětí na sekundárním vinutí proudového transformátoru 8. jehož primárním vinutím je výkonová sběrnice sekundárního vinutí výkonového transformátoru 7, procházející volnou mezerou prstencového magnetického jádra. Napětí sekundárního vinutí proudového transformátoru se měří multimetrem 9.

Změna velikosti pulzního proudu ve zkoumaném vzorku se provádí pomocí lineárního autotransformátoru 10 (LATR), jehož primární vinutí je přes sériově zapojenou síťovou pojistku 13 a tlačítko 12 připojeno ke střídavému proudu. sítě s napětím 220 V. Úbytek napětí na zkušebním vzorku v režimu přímého elektrického ohřevu se provádí pomocí multimetru 14, zapojeného paralelně přímo na proudové svorky 2. Doba trvání proudových impulsů se měří pomocí elektrické stopky 11 připojené k primárnímu vinutí lineárního autotransformátoru 10. Zapínání a vypínání režimu ohřevu zkušebního vzorku zajišťuje tlačítko 12.

Při měření součinitele tepelné vodivosti pomocí výše popsané instalace je nutné provést následující podmínky:

Rovnoměrnost průřezu zkušebního vzorku po celé délce;

Průměr zkušebního vzorku musí být v rozsahu od 0,5 mm do 3 mm (jinak se hlavní tepelný výkon uvolní ve výkonovém transformátoru, nikoli ve zkušebním vzorku).

Diagram závislosti teploty na délce vzorku je na Obr. 2.

Rýže. 2. Závislost teploty na délce vzorku

Jak je vidět na výše uvedeném diagramu, závislost teploty na délce zkoumaného vzorku je lineární s výrazným maximem ve střední části vzorku a na koncích zůstává minimální (konstantní) a rovná se okolnímu prostředí. teplota během časového intervalu pro ustavení rovnovážného režimu přenosu tepla, který u této experimentální instalace nepřesáhne 3 minuty, tzn. 180 sekund.

4. Odvození pracovního vzorce pro součinitel tepelné vodivosti

Množství tepla uvolněného ve vodiči při průchodu elektrického proudu lze určit podle Joule-Lenzova zákona:

Qel = 12-I^ = u I I, (4,1)

kde a I jsou napětí a proud ve zkoumaném vzorku; I je odpor vzorku.

Množství tepla přeneseného průřezem zkoumaného vzorku během časového intervalu t, vyrobeného ve formě homogenní válcové tyče délky £ a průřezu 5, lze vypočítat pomocí Fourierova zákona (1.4):

Qs = R-yT- 5- t, (4,2)

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

Zde koeficienty 2 a 1/2 udávají, že tepelný tok je směrován z

střed vzorku k jeho koncům, tzn. se rozdvojuje na dva proudy. Pak

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

5. Zohlednění tepelných ztrát na boční ploše

§Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

kde Bbok = n-th-1; a je součinitel výměny tepla mezi povrchem zkušebního vzorku a okolím, mající rozměr

Teplotní rozdíl

DGx = Tx – T0cr, (5.2)

kde Tx je teplota v daném bodě na povrchu vzorku; Hocr - teplota okolí, lze vypočítat z lineární rovnice závislosti teploty vzorku na jeho délce:

Tx = T0 + k-x, (5,3)

kde úhlový koeficient k lze určit pomocí tečny sklonu lineární závislosti teploty vzorku na jeho délce:

DT T - T T - T

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

Dosazením výrazů (5.2), (5.3) a (5.4) do rovnice (5.1) získáme:

SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,

kde T0 Тсжр.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)

Po integraci výrazu (5.5) získáme:

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

Dosazením výsledných výrazů (4.1), (4.3) a (5.6) do rovnice tepelné bilance aoln = ogr + qs, kde Qtot = QEL, získáme:

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

Řešením výsledné rovnice pro součinitel tepelné vodivosti získáme:

u1 a 2 £, l

Výsledný výraz nám umožňuje určit součinitel tepelné vodivosti tenkých kovových tyčí v souladu s výpočty provedenými pro typické zkušební vzorky s relativní chybou

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

nepřesahující 1,5 %.

Bibliografie

1. Sivukhin, D. V. Obecný kurz fyzika / D. V. Sivukhin. - M.: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 s.

2. Rudin, A. V. Studium strukturních relaxačních procesů ve sklotvorných objektech při různých režimech chlazení / A. V. Rudin // Novinky vysokých škol. Povolží. Přírodní vědy. - 2003. - č. 6. - S. 123-137.

3. Pavlov, P. V. Fyzika pevných látek: učebnice. příručka pro studenty studující v oboru „Fyzika“ / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: Vyšší. škola, 1985. - 384 s.

4. Berman, R. Tepelná vodivost pevných látek / R. Berman. - M., 1979. - 287 s.

5. Livshits, B. G. Fyzikální vlastnosti kovů a slitin / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - M.: Hutnictví, 1980. - 320 s.

Luzina Anna Vjačeslavovna Luzina Anna Vjačeslavovna

vysokoškolák, student magisterského studia,

Penza State University Penza State University E-mail: [e-mail chráněný]

Rudin Alexander Vasilievič

Kandidát fyzikálních a matematických věd, docent, zástupce vedoucího katedry fyziky, Penza State University E-mail: [e-mail chráněný]

Rudin Aleksandr Vasil"evič

kandidát fyzikálních a matematických věd, docent,

zástupce vedoucího subkatedry fyziky Penza State University

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

Měření tepelné vodivosti kovových vzorků metodou stacionárního tepelného toku /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Bulletin of Penza státní univerzita. - 2016. - č. 3 (15). -S. 76-82.

Fyzikální metody analýzy jsou založeny na použití jakéhokoli specifického fyzikálního účinku nebo určité fyzikální vlastnosti látky. Pro analýza plynu využívat hustotu, viskozitu, tepelnou vodivost, index lomu, magnetickou susceptibilitu, difúzi, absorpci, emisi, pohlcování elektromagnetického záření, dále selektivní pohlcování, rychlost zvuku, tepelný efekt reakce, elektrickou vodivost atd. Některé z těchto fyzikálních vlastností a jevy umožňují nepřetržitou analýzu plynů a umožňují vám dosáhnout vysoké citlivosti a přesnosti měření. Volba fyzikální veličiny nebo jevu je velmi důležitá pro vyloučení vlivu neměřených složek obsažených v analyzované směsi. Použití specifických vlastností nebo účinků umožňuje stanovit koncentraci požadované složky ve vícesložkové plynné směsi. Nespecifické fyzikální vlastnosti lze přísně vzato použít pouze pro analýzu binárních směsí plynů. Viskozita, index lomu a difúze nemají při analýze plynů žádný praktický význam.

Přenos tepla mezi dvěma body s různými teplotami probíhá třemi způsoby: konvekcí, sáláním a vedením. Na proudění přenos tepla je spojen s přenosem hmoty (přenos hmoty); přenos tepla záření dochází bez účasti hmoty. Přenos tepla tepelná vodivost dochází za účasti hmoty, ale bez přenosu hmoty. K přenosu energie dochází v důsledku srážky molekul. Součinitel tepelné vodivosti ( X) závisí pouze na druhu látky přenášející teplo. Je to specifická vlastnost látky.

Dimenze tepelné vodivosti v soustavě ČGS cal/(s cm K), v technických jednotkách - kcalDmch-K), v mezinárodní soustavě SI - WtDm-K). Poměr těchto jednotek je následující: 1 cal/(cm s K) = 360 kcalDm h K) = 418,68 WDm-K).

Absolutní tepelná vodivost při přechodu z pevných látek na kapalné a plynné se mění od X = 418,68 WDm-K)] (tepelná vodivost nejlepšího tepelného vodiče - stříbra) až X asi 10_6 (tepelná vodivost nejméně vodivých plynů).

Tepelná vodivost plynů se s rostoucí teplotou výrazně zvyšuje. U některých plynů (GH 4: NH 3) relativní tepelná vodivost s rostoucí teplotou prudce roste a u některých (Ne) klesá. Podle kinetické teorie by tepelná vodivost plynů neměla záviset na tlaku. Různé důvody však vedou k tomu, že se zvyšujícím se tlakem se tepelná vodivost mírně zvyšuje. V tlakovém rozsahu od atmosférického do několika milibarů tepelná vodivost nezávisí na tlaku, protože průměrná volná dráha molekul se zvyšuje s poklesem počtu molekul na jednotku objemu. Při tlaku -20 mbar odpovídá střední volná dráha molekul velikosti měřící komory.

Měření tepelné vodivosti je nejstarší fyzikální metoda analýza plynu. Byl popsán v roce 1840 zejména v dílech A. Schleiermachera (1888-1889) a v průmyslu se používá od roku 1928. V roce 1913 Siemens vyvinul měřič koncentrace vodíku pro vzducholodě. Poté byly po mnoho desetiletí vyvíjeny přístroje založené na měření tepelné vodivosti a široce používány v rychle rostoucím chemickém průmyslu s velkým úspěchem. Přirozeně byly nejprve analyzovány pouze binární směsi plynů. Nejlepších výsledků se dosáhne s velkým rozdílem v tepelné vodivosti plynů. Mezi plyny má největší tepelnou vodivost vodík. V praxi bylo také opodstatněné měřit koncentraci CO ve spalinách, protože tepelné vodivosti kyslíku, dusíku a oxidu uhelnatého jsou velmi blízko sebe, což umožňuje považovat směs těchto čtyř složek za kvazi -binární.

Teplotní koeficienty tepelné vodivosti různých plynů nejsou stejné, takže můžete najít teplotu, při které jsou tepelné vodivosti různých plynů stejné (například 490 ° C - pro oxid uhličitý a kyslík, 70 ° C - pro čpavek a vzduch, 75 °C - pro oxid uhličitý a argon) . Při řešení určitého analytického problému lze tyto koincidence využít tak, že ternární směs plynů budeme brát jako kvazibinární.

Při analýze plynů lze předpokládat, že tepelná vodivost je aditivní vlastností. Na základě měření tepelné vodivosti směsi a znalosti tepelné vodivosti čistých složek binární směsi lze vypočítat jejich koncentrace. Nicméně, toto jednoduchá závislost nelze aplikovat na žádnou binární směs. Například směsi vzduch - vodní pára, vzduch - čpavek, oxid uhelnatý - čpavek a vzduch - acetylén při určitém poměru složek mají maximální tepelnou vodivost. Proto je použitelnost metody tepelné vodivosti omezena na určité koncentrační rozmezí. U mnoha směsí existuje nelineární vztah mezi tepelnou vodivostí a složením. Proto je nutné odstranit kalibrační křivku, podle které by se mělo udělat měřítko záznamového zařízení.

Senzory tepelné vodivosti(termokonduktometrické senzory) se skládají ze čtyř malých plynem plněných komor malého objemu s tenkými platinovými vodiči stejné velikosti a se stejným elektrickým odporem v nich umístěným, izolovaným od těla. Stejný konstantní proud stabilní hodnoty protéká vodiči a ohřívá je. Vodiče - topná tělesa - jsou obklopeny plynem. Dvě komory obsahují měřený plyn, další dvě obsahují referenční plyn. Všechna topná tělesa jsou zahrnuta ve Wythetonově můstku, se kterým není obtížné měřit teplotní rozdíl cca 0,01°C. Takto vysoká citlivost vyžaduje přesnou rovnost teplot měřicích komor, proto je celý měřicí systém umístěn v termostatu nebo v měřicí diagonále můstku a pro teplotní kompenzaci je zařazen odpor. Dokud je odvod tepla z topných těles v měřicí a srovnávací komoře stejný, je můstek v rovnováze. Při přivádění plynu s jinou tepelnou vodivostí do měřicích komor se tato rovnováha naruší, změní se teplota citlivých prvků a zároveň jejich odpor. Výsledný proud v měřicí diagonále je úměrný koncentraci měřeného plynu. Pro zvýšení citlivosti by se měla zvýšit provozní teplota citlivých prvků, ale je třeba dbát na to, aby byl zachován dostatečně velký rozdíl v tepelné vodivosti plynu. Pro různé směsi plynů tedy existuje optimální teplota pro tepelnou vodivost a citlivost. Často se rozdíl mezi teplotou citlivých prvků a teplotou stěn komory volí od 100 do 150 °C.

Měřicí cely průmyslových tepelně kondukometrických analyzátorů sestávají zpravidla z masivního kovového pouzdra, ve kterém jsou vyvrtány měřicí komory. To zajišťuje rovnoměrné rozložení teploty a dobrou stabilitu kalibrace. Protože údaje měřiče tepelné vodivosti jsou ovlivněny průtokem plynu, je plyn přiváděn do měřicích komor obtokovým kanálem. Níže jsou uvedena řešení různých konstruktérů pro zajištění požadované výměny plynů. V zásadě se předpokládá, že hlavní proud plynu je propojen spojovacími kanály s měřicími komorami, kterými plyn proudí s nepatrným rozdílem. V tomto případě má na obnovu plynu v měřicích komorách rozhodující vliv difúze a tepelná konvekce. Objem měřicích komor může být velmi malý (několik kubických milimetrů), což zajišťuje malý vliv přenosu tepla konvekcí na výsledek měření. Aby se snížil katalytický účinek platinových vodičů, oni různé způsoby roztavený do tenkostěnných skleněných kapilár. Pro zajištění odolnosti měřicí komory proti korozi jsou všechny části plynovodu zakryty sklem. To umožňuje měřit tepelnou vodivost směsí obsahujících chlór, chlorovodík a další agresivní plyny. Tepelně konduktometrické analyzátory s uzavřenými srovnávacími komorami jsou běžné především v chemickém průmyslu. Výběr vhodného referenčního plynu zjednodušuje kalibraci přístroje. Navíc je možné získat stupnici s potlačenou nulou. Aby se snížil posun nulového bodu, musí být srovnávací komory dobře utěsněny. Ve speciálních případech, například při silných výkyvech ve složení plynné směsi, je možné pracovat s průtokovými srovnávacími komorami. V tomto případě se pomocí speciálního činidla odstraní z měřené směsi plynů jedna ze složek (například CO a roztok žíravého draslíku) a poté se směs plynů odešle do srovnávacích komor. Měřicí a srovnávací větev se v tomto případě liší pouze absencí jedné ze složek. Tato metoda často umožňuje analyzovat složité směsi plynů.

V poslední době se místo kovových vodičů někdy jako citlivé prvky používají polovodičové termistory. Výhodou termistorů je, že teplotní koeficient odporu je 10x vyšší ve srovnání s kovovými tepelnými odpory. Tím je dosaženo prudkého zvýšení citlivosti. Zároveň jsou však kladeny mnohem vyšší nároky na stabilizaci můstkového proudu a teploty stěn komory.

Dříve než jiné a nejrozšířenější se pro analýzu výfukových plynů ze spalovacích pecí začaly používat tepelně konduktometrické přístroje. Díky vysoké citlivosti, vysoké rychlosti, snadné údržbě a spolehlivé konstrukci a také nízké ceně byly analyzátory tohoto typu následně rychle zavedeny do průmyslu.

Pro měření koncentrace vodíku ve směsích jsou nejvhodnější analyzátory tepelné vodivosti. Při výběru referenčních plynů je třeba vzít v úvahu také směsi různých plynů. Následující údaje (tabulka 6.1) lze použít jako příklad minimálních rozsahů měření pro různé plyny.

Tabulka 6.1

Minimální rozsahy měření pro různé plyny,

% na objem

Maximální rozsah měření je nejčastěji 0-100 %, přičemž 90 nebo dokonce 99 % je potlačeno. Ve speciálních případech umožňuje analyzátor tepelné vodivosti mít na jednom zařízení několik různých rozsahů měření. Toho se využívá například pro řízení procesů plnění a vyprazdňování vodíkem chlazených turbogenerátorů v tepelných elektrárnách. Kvůli nebezpečí výbuchu není skříň generátoru naplněna vzduchem, ale nejprve se jako čisticí plyn přivádí oxid uhličitý a poté vodík. Plyn se uvolňuje z generátoru stejným způsobem. Následující rozsahy měření lze získat s poměrně vysokou reprodukovatelností na jediném analyzátoru: 0-100 % (obj./obj.) CO (ve vzduchu pro vypouštění CO), 100-0 % H2 v CO (pro plnění vodíkem) a 100 -80 % H 2 (ve vzduchu pro kontrolu čistoty vodíku během provozu generátoru). Jedná se o levný způsob měření.

Pro stanovení obsahu vodíku v chloru uvolněném při elektrolýze chloridu draselného pomocí tepelně konduktometrického analyzátoru můžete pracovat jak s uzavřeným referenčním plynem (S0 2, Ar), tak s proudícím referenčním plynem. V druhém případě je směs vodíku a chloru nejprve odeslána do měřicí komory a poté do dopalovací pece o teplotě > 200 °C. Vodík hoří s přebytkem chlóru za vzniku chlorovodíku. Výsledná směs HC a C12 se přivádí do srovnávací komory. V tomto případě je koncentrace vodíku určena z rozdílu tepelné vodivosti. Tato metoda výrazně snižuje vliv malého množství vzduchu.

Aby se snížila chyba, ke které dochází při analýze vlhkého plynu, musí se plyn vysušit, což se provádí buď pomocí absorbéru vlhkosti, nebo snížením teploty plynu pod rosný bod. Existuje další možnost kompenzace vlivu vlhkosti, která je použitelná pouze při měření pomocí schématu proudícího referenčního plynu.

Pro práci s výbušnými plyny vyrábí řada společností nevýbušná zařízení. V tomto případě jsou komory měřičů tepelné vodivosti dimenzovány na vysoký tlak, na vstupu a výstupu komor jsou instalovány požární pojistky a výstupní signál je omezen na jiskrově bezpečnou úroveň. Taková zařízení však nelze použít k analýze směsí výbušných plynů s kyslíkem nebo vodíku s chlorem.

• Centimetr-gram-sekunda je systém jednotek, který byl široce používán před přijetím Mezinárodní soustavy jednotek (SI).

FEDERÁLNÍ AGENTURA PRO TECHNICKOU REGULACI A METROLOGII

NÁRODNÍ

STANDARD

RUŠTINA

FEDERACE

KOMPOZITY

Oficiální publikace

Stshdfttftsm

GOST R 57967-2017

Předmluva

1 PŘIPRAVIL Spolkový státní jednotný podnik „Celoruský výzkumný ústav leteckých materiálů“ spolu s autonomní neziskovou organizací „Centrum pro standardizaci, standardizaci a klasifikaci kompozitů“ za účasti Sdružení právnických osob „Union of Composite“ Výrobci“ na základě oficiálního překladu do ruštiny anglické verze uvedené v odstavci 4 normy, kterou implementuje TC 497

2 PŘEDSTAVENO Technickým výborem pro normalizaci TC 497 „Kompozity, struktury a výrobky z nich“

3 SCHVÁLENO A NABYLO V ÚČINNOST nařízením Spolkové agentury pro technickou regulaci a metrologii ze dne 21. listopadu 2017 č. 1785-st

4 Tato norma je modifikována ze standardní zkušební metody ASTM E1225-13 pro tepelnou vodivost pevných látek s použitím Guard ed-Comparative - Longitudinal Heat Flow Technique, MOD) změnou její struktury tak, aby vyhovovala pravidlům stanoveným v GOST 1.5-2001 (pododdíly 4.2 a 4.3).

Tato norma nezahrnuje články 5. 12. články 1.2, 1.3 použité normy ASTM. které jsou nevhodné pro použití v ruské národní normalizaci kvůli jejich redundanci.

Specifikované odstavce a pododstavce nezahrnuté v hlavní části této normy jsou uvedeny v dodatku ANO.

Název této normy byl změněn vzhledem k názvu specifikované normy ASTM, aby byl v souladu s GOST R 1.5-2012 (pododdíl 3.5).

Srovnání struktury této normy se strukturou stanovené normy ASTM je uvedeno v doplňkové příloze DB.

Informace o shodě referenční národní normy s normou ASTM. používá se jako reference v použité normě ASTM. jsou uvedeny v doplňkové příloze DV

5 POPRVÉ PŘEDSTAVENO

Pravidla pro použití této normy jsou stanovena v článku 26 federálního zákona ze dne 29. června 2015 N9 162-FZ „O normalizaci v Ruská Federace" Informace o změnách tohoto standardu jsou zveřejňovány v ročním (k 1. lednu běžného roku) informačním indexu „Národní standardy“ a oficiální znění změn a pokynů je zveřejněno v měsíčním informačním indexu „Národní standardy“. V případě revize (náhrady) nebo zrušení tohoto standardu bude odpovídající upozornění zveřejněno v příštím vydání měsíčního informačního indexu „Národní standardy“. Relevantní informace. oznámení a texty jsou také vyvěšeny v informačním systému běžné použití- na oficiálních stránkách Federální agentury pro technickou regulaci a metrologii na internetu ()

© Stamdartinform. 2017

Tato norma nemůže být zcela nebo částečně reprodukována, replikována nebo distribuována jako oficiální publikace bez povolení Federální agentury pro technickou regulaci a metrologii.

GOST R 57967-2017

1 oblast použití ................................................ ....................1

3 Termíny, definice a označení................................................................ ...........1

4 Podstata metody................................................................ ......................2

5 Vybavení a materiály ................................................................ ..............4

6 Příprava na testování ................................................................ ........jedenáct

7 Provádění testů ................................................ ...............12

8 Zpracování výsledků testů ................................................................ ........................ 13

9 Protokol o zkoušce ................................................ ...................................... 13

Příloha ANO (odkaz) Původní text konstrukčních prvků není zahrnut

aplikovaný standard ASTM................................................ ....15

Příloha DB (informativní) Porovnání struktury této normy se strukturou

Použitý standard ASTM v něm ................................................ ........18

Dodatek DV (reference) Informace o shodě referenční národní normy s normou ASTM. používá se jako reference v použité normě ASTM................................................ .............. 19

GOST R 57967-2017

NÁRODNÍ STANDARD RUSKÉ FEDERACE

KOMPOZITY

Stanovení tepelné vodivosti pevných látek metodou stacionárního jednorozměrného tepelného toku s ochranným ohřívačem

Kompozity. Stanovení tepelné vodivosti soHds stacionárním jednorozměrným tepelným tokem

s technikou ochranného ohřívače

Datum zavedení - 2018-06-01

1 oblast použití

1.1 Tato norma specifikuje stanovení tepelné vodivosti homogenních opakních pevných polymerních, keramických a kovových kompozitů pomocí ustálené jednorozměrné metody tepelného toku s ochranným ohřívačem.

1.2 Tato norma je určena pro použití při zkoušení materiálů s efektivní tepelnou vodivostí v rozsahu od 0,2 do 200 W/(m-K) v teplotním rozsahu od 90 K do 1300 K.

1.3 Tato norma může být také použita při zkoušení materiálů s účinnou tepelnou vodivostí mimo specifikované rozsahy s nižší přesností.

2 Normativní odkazy

Tato norma používá normativní odkazy na následující normy:

GOST 2769 Drsnost povrchu. Parametry a charakteristiky

GOST R 8.585 Státní systém pro zajištění jednotnosti měření. Termočlánky. Nominální statické převodní charakteristiky

Poznámka - Při používání této normy je vhodné zkontrolovat platnost referenčních norem ve veřejném informačním systému - na oficiálních stránkách Spolkové agentury pro technickou regulaci a metrologii na internetu nebo pomocí ročního informačního indexu „Národní normy“ , která byla zveřejněna k 1. lednu běžného roku, a o vydáních měsíčního informačního indexu „Národní standardy“ pro aktuální rok. Pokud je nahrazena nedatovaná referenční norma, doporučuje se použít aktuální verzi této normy s přihlédnutím ke všem změnám provedeným v této verzi. Pokud je nahrazena datovaná referenční norma, doporučuje se použít verzi této normy s rokem schválení (přijetí) uvedeným výše. Pokud je po schválení této normy provedena změna v odkazované normě, ke které je uvedena datovaná stěrka, ovlivňující ustanovení, na které je uveden odkaz, pak se doporučuje použít toto ustanovení bez zohlednění této změny . Pokud je referenční norma zrušena bez náhrady, pak se ustanovení, ve kterém je na ni uveden odkaz, doporučuje použít v části, která nemá vliv na tento odkaz.

3 Termíny, definice a označení

3.1 V této normě se používají následující termíny s odpovídajícími definicemi:

3.1.1 tepelná vodivost /.. W/(m K): Poměr hustoty tepelného toku za stacionárních podmínek přes jednotku plochy k jednotkovému teplotnímu gradientu ve směru kolmém k povrchu.

Oficiální publikace

GOST R 57967-2017

3.1.2 zdánlivá tepelná vodivost: Pokud existují metody přenosu tepla jiným materiálem než tepelná vodivost, výsledky měření provedených pomocí této zkušební metody. představují zdánlivou nebo efektivní tepelnou vodivost.

3.2 8 této normy jsou použity následující symboly:

3.2.1 X M (T), W/(m K) - tepelná vodivost referenčních vzorků v závislosti na teplotě.

3.2.2 Oetzi, W/(m K) - tepelná vodivost horního referenčního vzorku.

3.2.3 Xjj’. 8t/(m K) - tepelná vodivost spodního referenčního vzorku.

3.2.4 edT), W/(m K) - tepelná vodivost zkušebního vzorku, v případě potřeby upravená pro přenos tepla.

3.2.5 X"$(T), W/(m K) - tepelná vodivost zkušebního vzorku, vypočtená bez zohlednění korekce na přestup tepla.

3.2.6 >у(7), W/(m K) - tepelná vodivost izolace v závislosti na teplotě.

3,2,7 G, K - absolutní teplota.

3.2.8 Z, m - vzdálenost měřená od horního konce zásilky.

3.2.9 /, m - délka zkušebního vzorku.

3.2.10 G (, K - teplota při Z r

3.2.11 q", W/m 2 - tepelný tok na jednotku plochy.

3.2.12 ZH LT atd. - odchylky X. G. atd.

3,2,13 g A, m - poloměr zkušebního vzorku.

3,2,14 g in, m - vnitřní poloměr bezpečnostního pláště.

3.2.15 f 9 (Z), K - teplota ochranného pláště v závislosti na vzdálenosti Z.

4 Podstata metody

4.1 Obecné schéma metoda stacionárního jednorozměrného tepelného toku pomocí bezpečnostního ohřívače je znázorněna na obrázku 1. Zkušební vzorek s neznámou tepelnou vodivostí X s. mající odhadovanou tepelnou vodivost X s // s . instalované pod zatížením mezi dva referenční vzorky s tepelnou vodivostí X m, které mají stejnou plochu průřezu a měrnou tepelnou vodivost X^//^. Konstrukčně se jedná o balíček skládající se z kotoučového ohřívače se zkušebním vzorkem a referenčních vzorků na každé straně mezi ohřívačem a chladičem. Ve zkoumaném obalu je vytvořen teplotní gradient, tepelné ztráty jsou minimalizovány použitím podélného bezpečnostního ohřívače, který má přibližně stejný teplotní gradient. Každým vzorkem proteče asi polovina energie. V rovnovážném stavu je koeficient tepelné vodivosti stanoven na základě naměřených teplotních gradientů zkušebního vzorku a odpovídajících referenčních vzorků a tepelné vodivosti referenčních materiálů.

4.2 Aplikujte na sáček sílu, abyste zajistili dobrý kontakt mezi vzorky. Obal je obklopen tepelně vodivým izolačním materiálem Izolace je uzavřena v ochranném plášti o poloměru r 8, umístěném při teplotě T d (2). Teplotní gradient se ve vaku ustaví udržováním horní části na teplotě Tm a spodní části na teplotě Tb. Teplota T 9 (Z) je obvykle lineární teplotní gradient přibližně odpovídající gradientu stanovenému ve zkoušeném kusu. Izotermický bezpečnostní ohřívač s teplotou T ? (Z). rovna průměrné teplotě zkušebního vzorku. Nedoporučuje se používat provedení měřicí cely zařízení bez bezpečnostních ohřívačů z důvodu možných velkých tepelných ztrát, zejména při zvýšených teplotách. V ustáleném stavu se teplotní gradienty podél řezů vypočítávají na základě naměřených teplot podél dvou referenčních vzorků a zkušebního vzorku. Hodnota X" s bez zohlednění korekce na prostup tepla se vypočítá pomocí vzorce ( symboly znázorněno na obrázku 2).

T4-G32U2-Z, Ze-Z5

kde Г, je teplota v Z,. K T 2 - teplota v Z 2, K G 3 - teplota v Z 3. NA

GOST R 57967-2017

G 4 - teplota při Z 4. NA;

Г 5 - teplota při Z s. NA:

Гв - teplota při Z e. NA:

Z, - souřadnice 1. teplotního čidla, m;

Zj - souřadnice 2. teplotního čidla, m;

Z 3 - souřadnice 3. teplotního čidla, m;

Z 4 - souřadnice 4. teplotního čidla, m;

Z 5 - souřadnice 5. teplotního čidla, m;

Z e - souřadnice 6. teplotního čidla, m.

Toto schéma je idealizované, protože nebere v úvahu výměnu tepla mezi obalem a izolací v každém bodě a rovnoměrný přenos tepla na každém rozhraní mezi referenčními vzorky a zkušebním vzorkem. Chyby způsobené těmito dvěma předpoklady se mohou značně lišit. Kvůli těmto dvěma faktorům musí existovat omezení tato metoda testy. pokud potřebujete dosáhnout požadované přesnosti.

1 - teplotní gradient v ochranném obalu: 2 - teplotní gradient v obalu; 3 - termočlánek: 4 - svorka.

S - horní topné těleso. b - horní referenční vzorek: 7 - spodní referenční vzorek, c - spodní ohřívač: c - lednička. 10 - horní bezpečnostní topidlo: I - bezpečnostní topidlo

Obrázek 1 - Schéma typického zkušebního obalu a ochranného obalu ukazující shodu teplotních gradientů

GOST R 57967-2017

7

b

Chlazený

Oai oimshprmi

Izolace; 2 - bezpečnostní topení. E - kovový nebo keramický ochranný plášť: 4 - topné těleso. S - referenční vzorek, b - zkušební vzorek, x - přibližné umístění termočlánků

Obrázek 2 - Schéma jednorozměrné metody stacionárního tepelného toku pomocí bezpečnostního ohřívače s vyznačením možných míst pro instalaci teplotních čidel

5 Vybavení a materiály

5.1 Referenční vzorky

5.1.1 Pro referenční vzorky by měly být použity referenční materiály nebo standardní materiály se známými hodnotami tepelné vodivosti. Tabulka 1 ukazuje některé z obecně uznávaných referenčních materiálů. Obrázek 3 ukazuje přibližnou změnu >. m s teplotou.

GOST R 57967-2017

Typlofoaodoost, EGL^m-K)

Obrázek 3 - Referenční hodnoty tepelné vodivosti referenčních materiálů

Poznámka - Materiál vybraný pro referenční vzorky by měl mít tepelnou vodivost, která se nejvíce blíží tepelné vodivosti měřeného materiálu.

5.1.2 Tabulka 1 není vyčerpávající a jako referenční materiály mohou být použity jiné materiály. Referenční materiál a zdroj hodnot X m musí být uvedeny ve zkušebním protokolu.

Tabulka 1 - Referenční údaje pro charakteristiky referenčních materiálů

GOST R 57967-2017

Konec tabulky 1

Tabulka 2 - Tepelná vodivost elektrolytického železa

GOST R 57967-2017

Tabulka 3 - Tepelná vodivost wolframu

GOST R 57967-2017

Tabulka 4 - Tepelná vodivost austenitické oceli

GOST R 57967-2017

Konec tabulky 4

5.1.3 Požadavky na jakékoli referenční materiály zahrnují stabilitu vlastností v celém rozsahu provozních teplot, kompatibilitu s ostatními součástmi měřicí cely přístroje, snadnost montáže teplotního senzoru a přesně známou tepelnou vodivost. Protože chyby způsobené tepelnými ztrátami pro konkrétní zvýšení k jsou úměrné změně k a Jks, měl by být pro referenční vzorky použit referenční materiál c). m nejblíže >. s.

5.1.4 Pokud je tepelná vodivost zkušebního vzorku ks mezi hodnotami tepelné vodivosti dvou referenčních materiálů, měl by být použit referenční materiál s vyšší tepelnou vodivostí k u. ke snížení celkového poklesu teploty podél obalu.

5.2 Izolační materiály

Práškové, disperzní a vláknité materiály se používají jako izolační materiály pro snížení radiálního tepelného toku do prstencového prostoru obklopujícího obal a tepelných ztrát podél obalu. Při výběru izolace je třeba vzít v úvahu několik faktorů:

Izolace musí být stabilní v očekávaném teplotním rozsahu, mít nízkou hodnotu tepelné vodivosti a snadno se s ní manipulovat;

Izolace nesmí kontaminovat součásti přístrojové buňky, jako jsou teplotní senzory, musí mít nízkou toxicitu a nesmí vést elektrický proud.

Běžně se používají prášky a pevné látky, protože se snadno zhutňují. Lze použít rohože z vláken s nízkou hustotou.

5.3 Teplotní čidla

5.3.1 Na každém referenčním vzorku a dva na zkušebním vzorku musí být instalovány alespoň dva snímače teploty. Pokud je to možné, měly by referenční vzorky a zkušební vzorek obsahovat každý tři teplotní čidla. K potvrzení linearity rozložení teploty podél balení nebo k detekci chyby v důsledku nekalibrovaného teplotního senzoru jsou zapotřebí další senzory.

5.3.2 Typ snímače teploty závisí na velikosti měřicí cely přístroje, teplotním rozsahu a prostředí v měřicí cele přístroje, které je určeno izolací, referenčními vzorky, zkušebním vzorkem a plynem. K měření teploty lze použít jakékoli čidlo s dostatečnou přesností a měřicí cela zařízení musí být dostatečně velká, aby narušení tepelného toku z teplotních čidel bylo nevýznamné. Obvykle se používají termočlánky. Jejich malé rozměry a snadné zapínání jsou jasnou výhodou.

5.3.3 Termočlánky musí být vyrobeny z drátu o průměru nejvýše 0,1 mm. Všechny studené spoje musí být udržovány na konstantní teplotě. Tato teplota je udržována chlazenou suspenzí, termostatem nebo elektronickou kompenzací referenčního bodu. Všechny termočlánky musí být vyrobeny buď z kalibrovaného drátu nebo drátu, který byl certifikován dodavatelem, aby byly zajištěny limity chyb specifikované v GOST R 8.585.

5.3.4 Způsoby připevnění termočlánků jsou znázorněny na obrázku 4. Vnitřní kontakty lze získat v kovech a slitinách přivařením jednotlivých termočlánků k povrchům (obrázek 4a). Spoje termočlánků, buď svařené na tupo nebo s objímkou, mohou být pevně připevněny kováním, cementováním nebo svařováním do úzkých drážek nebo malých otvorů (obrázky 4b, 4c a 4

5.3.5 Na obrázku 46 je termočlánek umístěn v radiální štěrbině a na obrázku 4c je termočlánek protažen radiálním otvorem v materiálu. 8 v případě použití termočlánku v ochranném obalu nebo termočlánku, jehož oba termočlánky jsou umístěny v elektrickém izolátoru se dvěma

GOST R 57967-2017

otvory, lze použít držák termočlánku znázorněný na obrázku 4d. V posledních třech případech musí být termočlánek tepelně spojen s pevným povrchem pomocí vhodného lepidla nebo vysokoteplotního cementu. Všechny čtyři postupy zobrazené na obrázku 4 by měly zahrnovat kalení drátů na površích, obalování drátů v izotermických zónách, tepelně uzemňovací dráty na ochranném krytu nebo kombinaci všech tří.

5.3.6 Protože nepřesnost v umístění teplotního čidla vede k velkým chybám. Zvláštní pozornost je třeba věnovat určení správné vzdálenosti mezi snímači a výpočtu možné chyby vyplývající z jakékoli nepřesnosti.

c - vnitřní sýrová botka s oddělenými termočlánky přivařenými ke zkušebnímu vzorku nebo referenčním vzorkům tak, aby signál procházel materiálem. 6 - radiální drážka na rovné ploše upevnění holého drátu nebo termočlánkového čidla s keramickou izolací; c - malý radiální otvor vyvrtaný skrz zkušební kus nebo referenční vzorky a holý (přípustný, pokud je materiálem elektrický izolátor) nebo izolovaný termočlánek protažený otvorem: d - malý radiální otvor vyvrtaný skrz zkušební kus nebo referenční vzorky a termočlánek umístěný na otvoru

Obrázek 4 - Montáž termočlánků

POZNÁMKA Ve všech případech by termočlánky měly být tepelně vytvrzeny nebo tepelně uzemněny k ochrannému obalu, aby se minimalizovala chyba měření způsobená tepelným tokem do nebo z horkého spoje.

5.4 Nakládací systém

5.4.1 Zkušební metoda vyžaduje rovnoměrný přenos tepla přes rozhraní mezi referenčními vzorky a zkušebním vzorkem, když jsou teplotní snímače umístěny v r k rozhraní. K tomu je nutné zajistit rovnoměrný přechodový odpor

GOST R 57967-2017

natavení přilehlých oblastí referenčních těles a zkušebního tělesa, které lze vytvořit působením axiálního zatížení v kombinaci s vodivým prostředím na rozhraních. Nedoporučuje se provádět měření ve vakuu, pokud to není nutné z ochranných důvodů.

5.4.2 Při zkoušení materiálů s nízkou tepelnou vodivostí se používají tenké zkušební vzorky, takže snímače teploty musí být instalovány blízko povrchu. V takových případech musí být na rozhraní zavedena velmi tenká vrstva vysoce tepelně vodivé kapaliny, pasty, měkké kovové fólie nebo síta.

5.4.3 Konstrukce měřicího přístroje musí poskytovat prostředky pro uložení opakovatelného a konstantního zatížení podél svazku, aby se minimalizovaly mezipovrchové odpory na rozhraních mezi referenčními vzorky a zkušebním vzorkem. Zátěž může být aplikována pneumaticky, hydraulicky, působením pružiny nebo umístěním zátěže. Výše uvedené mechanismy aplikace zatížení jsou konstantní, jak se mění teplota balení. V některých případech může být pevnost v tlaku zkušebního vzorku tak nízká, že použitá síla musí být omezena hmotností horního referenčního vzorku. V tomto případě je třeba věnovat zvláštní pozornost chybám, které mohou být způsobeny špatným kontaktem, pro které musí být snímače teploty umístěny mimo jakékoli narušení toku tepla na rozhraních.

5.5 Bezpečnostní kryt

5.5.1 Balení sestávající ze zkušebního vzorku a referenčních vzorků musí být uzavřeno v ochranném obalu se správnou kruhovou symetrií. Plášť ochranného obalu může být kovový nebo keramický a jeho vnitřní poloměr by měl být takový, aby poměr r^rA byl v rozmezí 2,0 až 3,5. Plášť kontejnmentu musí obsahovat alespoň jeden bezpečnostní ohřívač pro regulaci teplotního profilu podél pláště.

5.5.2 Kontejnment musí být navržen a provozován tak, aby jeho povrchová teplota byla buď izotermická a přibližně rovna průměrné teplotě zkušebního vzorku, nebo měl přibližný lineární profil konzistentní na horním a spodním konci kontejnmentu s odpovídajícími polohami. po straně obalu. V každém případě musí být na plášti kontejnmentu instalovány alespoň tři teplotní čidla v předem koordinovaných bodech (viz obrázek 2) pro měření teplotního profilu.

5.6 Měřící zařízení

5.6.1 Kombinace snímače teploty a měřicího přístroje použitá k měření výstupu snímače musí být přiměřená k zajištění přesnosti měření teploty ±0,04 K a absolutní chyby menší než ±0,5 %.

5.6.2 Měřicí zařízení pro tuto metodu musí udržovat požadovanou teplotu a měřit všechna související výstupní napětí s přesností úměrnou přesnosti měření teploty teplotních čidel.

6 Příprava na testování

6.1 Požadavky na zkušební vzorky

6.1.1 Zkušební vzorky zkoumané pomocí této metody nejsou omezeny na geometrii cukroví. Nejvýhodnější je použít válcové nebo prizmatické vzorky. Plochy vodivosti zkušebního vzorku a referenčních vzorků musí být shodné s přesností 1 % a při výpočtu výsledku je třeba vzít v úvahu jakýkoli rozdíl v ploše. U válcové konfigurace musí být poloměry zkušebního vzorku a referenčního vzorku shodné s přesností ± 1 %. a poloměr zkušebního vzorku rA by měl být takový, že rBfrA je od 2,0 do 3,5. Každý rovný povrch zkušebního a referenčního vzorku musí být rovný s drsností povrchu ne větší než R a 32 v souladu s GOST 2789. a normály každého povrchu musí být rovnoběžné s osou vzorku s přesností ± 10 min.

POZNÁMKA V některých případech není tento požadavek nutný. Některé přístroje mohou například sestávat z referenčních vzorků a zkušebních vzorků s vysokými hodnotami >. ma >. s. kde jsou chyby způsobené tepelnými ztrátami u dlouhých úseků zanedbatelné. Takové úseky mohou mít dostatečnou délku, aby to umožnily

GOST R 57967-2017

která montuje teplotní čidla v dostatečné vzdálenosti od kontaktních bodů, čímž zajišťuje rovnoměrný tepelný tok. Délka zkušebního kusu by měla být zvolena na základě informací o poloměru a tepelné vodivosti. Když). a vyšší než tepelná vodivost nerezové oceli, lze použít dlouhé zkušební kusy o délce 0g A » 1. Takto dlouhé zkušební kusy umožňují použití velkých vzdáleností mezi teplotními čidly a tím se snižuje chyba vyplývající z nepřesnosti v umístění senzoru. Když). m nižší než tepelná vodivost nerezové oceli, musí být délka zkušebního kusu zkrácena, protože chyba měření v důsledku tepelných ztrát je příliš velká.

6.1.2 Pokud není v regulačním dokumentu nebo technické dokumentaci pro materiál uvedeno jinak. Pro testování se používá jeden zkušební vzorek.

6.2 Nastavení zařízení

6.2.1 Kalibrace a ověření zařízení se provádí v následujících případech:

Po sestavení zařízení:

Pokud je poměr Xm k Xs menší než 0,3. nebo více než 3. a není možné zvolit hodnoty tepelné vodivosti;

Pokud je tvar zkušebního vzorku složitý nebo je zkušební vzorek malý:

Pokud byly provedeny změny geometrických parametrů měřicí cely zařízení;

Pokud bylo rozhodnuto použít referenční materiály nebo izolační materiály jiné než ty, které jsou uvedeny v oddílech 6.3 a 6.4:

Pokud bylo zařízení dříve provozováno při dostatečně vysoké teplotě, že se mohou změnit vlastnosti součástí, jako např. například citlivost termočlánku.

6.2.2 Tyto kontroly musí být provedeny porovnáním alespoň dvou referenčních materiálů takto:

Vyberte referenční materiál, jehož tepelná vodivost je nejbližší očekávané tepelné vodivosti zkušebního vzorku:

Tepelná vodivost X zkušebního kusu vyrobeného z referenčního materiálu se měří pomocí referenčních kusů vyrobených z jiného referenčního materiálu, který má hodnotu X nejbližší hodnotě zkušebního kusu. Test může být například proveden na skleněném vzorku. s použitím referenčních vzorků vyrobených z nerezové oceli. Pokud naměřená tepelná vodivost vzorku po aplikaci korekce prostupu tepla nesouhlasí s hodnotou v tabulce 1, musí být identifikovány zdroje chyb.

7 Testování

7.1 Referenční vzorky vybírejte tak, aby jejich tepelná vodivost byla stejného řádu, jak se očekává u zkušebního vzorku. Po vybavení potřebných referenčních vzorků snímači teploty a jejich instalaci do měřicí cely je zkušební vzorek vybaven podobnými prostředky. Zkušební vzorek se vloží do vaku tak, aby se vešel mezi referenční vzorky a byl v kontaktu se sousedními referenčními vzorky alespoň na 99 % každé povrchové plochy. Pro snížení povrchového odporu lze použít měkkou fólii nebo jiná kontaktní média. Pokud musí být měřicí cela během testování chráněna před oxidací nebo pokud měření vyžaduje specifický plyn nebo tlak plynu pro řízení X/t, pak se měřicí cela naplní a propláchne pracovním plynem při nastaveném tlaku. K zatížení souvrství by měla být aplikována síla potřebná ke snížení účinků nestejnoměrného tepelného odporu na rozhraní.

7.2 Zapněte horní a spodní ohřívač na obou koncích balení a upravte, dokud. zatímco teplotní rozdíl mezi body 2 a Zj. Z3 a Z4. a Z s a 2^ nebudou větší než 200násobek chyby snímače teploty, ale ne větší než 30 K. a zkušební vzorek nebude mít průměrnou teplotu požadovanou pro měření. I přes. že přesný teplotní profil podél ochranného pláště není vyžadován pro 3. Výkon bezpečnostních ohřívačů se upravuje až do teplotního profilu podél pláště T g)