Măsurarea conductibilității termice. Determinarea conductibilității termice a materialelor solide prin metoda stratului plat. Pregătirea pentru test

În conformitate cu cerințele Legii federale nr. 261-FZ „Cu privire la economisirea energiei”, cerințele privind conductivitatea termică a clădirii și materiale termoizolanteîn Rusia au fost înăsprite. Astăzi, măsurarea conductibilității termice este unul dintre punctele obligatorii atunci când decideți dacă să folosiți un material ca izolator termic.

De ce este necesară măsurarea conductivității termice în construcții?

Conductivitatea termică a materialelor de construcție și termoizolație este monitorizată în toate etapele certificării și producției acestora în condiții de laborator, când materialele sunt expuse la diverși factori care le afectează proprietățile de performanță. Există mai multe metode comune pentru măsurarea conductibilității termice. Pentru testarea precisă de laborator a materialelor cu conductivitate termică scăzută (sub 0,04 - 0,05 W/m*K), se recomandă utilizarea dispozitivelor care utilizează metoda fluxului de căldură staționar. Utilizarea lor este reglementată de GOST 7076.

Compania Interpribor oferă un termoconductor al cărui preț se compară favorabil cu cele disponibile pe piață și îndeplinește toate cerințe moderne. Este destinat controlului de laborator al calității materialelor de construcție și termoizolare.

Avantajele contorului de conductivitate termică ITS-1

Conductivitatea termică ITS-1 are un design original monobloc și se caracterizează prin următoarele avantaje:

• ciclu automat de măsurare;
• o cale de măsurare de înaltă precizie care vă permite să stabilizați temperaturile frigiderului și încălzitorului;
• capacitatea de a calibra dispozitivul pentru anumite tipuri de materiale testate, ceea ce mărește și mai mult acuratețea rezultatelor;
• evaluarea expresă a rezultatului în timpul procesului de măsurare;
• zona de securitate „fierbinte” optimizată;
• afișaj grafic informativ care simplifică controlul și analiza rezultatelor măsurătorilor.

ITS-1 este furnizat într-o singură modificare de bază, care, la cererea clientului, poate fi completată cu probe de control (plexiglass și penoplex), o cutie pentru materiale vrac și o carcasă de protecție pentru depozitarea și transportul dispozitivului.

Odată cu creșterea puterii specifice a motoarelor cu ardere internă, cantitatea de căldură care trebuie îndepărtată din componentele și piesele încălzite crește. Eficienţă sisteme moderne racirea si metoda de crestere a intensitatii transferului de caldura aproape si-au atins limita. Scopul acestei lucrări este studierea lichidelor de răcire inovatoare pentru sistemele de răcire ale dispozitivelor de putere termică bazate pe sisteme bifazate constând dintr-un mediu de bază (apă) și nanoparticule. Este luată în considerare una dintre metodele de măsurare a conductibilității termice a unui lichid numit 3ω-hot-wire. Sunt prezentate rezultatele măsurării coeficientului de conductivitate termică a unui nanofluid pe bază de oxid de grafen la diferite concentrații ale acestuia din urmă. S-a constatat că atunci când se folosește 1,25% grafen, coeficientul de conductivitate termică al nanofluidului a crescut cu 70%.

conductivitate termică

coeficient de conductivitate termică

oxid de grafen

nanofluid

sistem de răcire

banc de testare

1. Osipova V.A. Studiu experimental al proceselor de transfer de căldură: manual. manual pentru universități. – Ed. a III-a, revizuită. si suplimentare – M.: Energie, 1979. – 320 p.

2. Transfer termic / V.P. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomel - M.: Energie, 1975. - 488 p.

3. Conductivități termice eficiente crescute anormal ale nanofluidelor pe bază de etilenglicol care conțin nanoparticule de cupru / J.A. Eastman, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson Appl. Fiz. Lett. 78,718; 2001.

4. Măsurători de conductivitate termică folosind tehnica 3-Omega: Aplicație la microsisteme de recoltare a energiei / David de Koninck; Teză de Master în Inginerie, Universitatea McGill, Montréal, Canada, 2008. – 106 p.

5. Măsurarea conductibilității termice / W.A. Wakeham, M.J. Assael 1999 de CRC Press LLC.

Se știe că atunci când tendinte moderne Odată cu creșterea puterii specifice a motoarelor cu ardere internă, precum și cu viteze mai mari și dimensiuni mai mici pentru dispozitivele microelectronice, cantitatea de căldură care trebuie îndepărtată din componentele și piesele încălzite crește constant. Utilizarea diferitelor lichide conductoare de căldură pentru îndepărtarea căldurii este una dintre cele mai comune și moduri eficiente. Eficiența designurilor moderne de dispozitive de răcire, precum și metoda convențională de creștere a ratei de transfer de căldură, aproape a atins limita. Se știe că lichidele de răcire convenționale (apă, uleiuri, glicoli, fluorocarburi) au o conductivitate termică destul de scăzută (Tabelul 1), ceea ce este un factor limitator în desene moderne sisteme de racire. Pentru a le crește conductivitatea termică, este posibil să se creeze un mediu dispersat multifazic (cel puțin bifazic), în care rolul dispersiei este jucat de particule cu un coeficient de conductivitate termică semnificativ mai mare decât lichidul de bază. Maxwell în 1881 a propus adăugarea de particule solide cu conductivitate termică ridicată la un lichid de răcire de bază conducător de căldură.

Ideea este să amestecăm materiale metalice, cum ar fi argintul, cuprul, fierul și materialele nemetalice precum alumina, CuO, SiC și tuburile de carbon, care au o conductivitate termică mai mare în comparație cu fluidul de bază cu conductivitate termică mai scăzută. Inițial, particulele solide (cum ar fi argint, cupru, fier, tuburi de carbon, care au o conductivitate termică mai mare în comparație cu fluidul de bază) de dimensiuni micron și chiar milimetrice au fost amestecate cu fluidele de bază pentru a forma suspensii. Suficient marime mare particulele utilizate și dificultățile în producerea particulelor de dimensiuni nanometrice au devenit factori limitatori în utilizarea unor astfel de suspensii. Această problemă a fost rezolvată prin munca lui S. Choi și J. Eastman, angajați ai Laboratorului Național din Arizona, care au efectuat experimente cu particule de metal de dimensiuni nanometrice. Au combinat diverse nanoparticule de metal și nanoparticule de oxid de metal cu diverse lichide și au obținut rezultate foarte interesante. Aceste suspensii de materiale nanostructurate au fost numite „nanofluide”.

tabelul 1

Comparația coeficienților de conductivitate termică a materialelor pentru nanofluide

Pentru a dezvolta lichide de răcire moderne inovatoare pentru sistemele de răcire ale dispozitivelor de putere termică foarte accelerată, am luat în considerare sistemele bifazate constând dintr-un mediu de bază (apă, etilenglicol, uleiuri etc.) și nanoparticule, i.e. particule cu dimensiuni caracteristice de la 1 la 100 nm. O caracteristică importantă a nanofluidelor este că, chiar și cu adăugarea de cantități mici de nanoparticule, acestea prezintă o creștere serioasă a conductibilității termice (uneori de peste 10 ori). Mai mult, creșterea conductibilității termice a unui nanofluid depinde de temperatură - cu creșterea temperaturii, creșterea coeficientului de conductivitate termică crește.

Atunci când se creează astfel de nanofluide, care sunt un sistem în două faze, este necesară o metodă fiabilă și suficient de precisă pentru măsurarea coeficientului de conductivitate termică.

Am trecut în revistă diferite metode de măsurare a coeficientului de conductivitate termică pentru lichide. Ca rezultat al analizei, a fost aleasă metoda „3ω-wire” pentru a măsura conductivitatea termică a nanofluidelor cu o precizie destul de mare.

Metoda „3ω-wire” este utilizată pentru a măsura simultan conductivitatea termică și difuzivitatea termică a materialelor. Se bazează pe măsurarea creșterii temperaturii dependente de timp într-o sursă de căldură, adică un fir fierbinte care este scufundat în lichidul de testare. Firul metalic servește atât ca încălzitor de rezistență electrică, cât și ca termometru de rezistență. Firele metalice sunt realizate cu un diametru extrem de mic (câteva zeci de microni). Creșterea temperaturii firului ajunge de obicei la 10 °C și influența convecției poate fi neglijată.

Un fir metalic de lungime L și rază r suspendat într-un lichid acționează ca un încălzitor și un termometru de rezistență, așa cum se arată în Fig. 1.

Orez. 1. Schema de instalare a metodei „3ω fir fierbinte” pentru măsurarea conductivității termice a unui lichid

Esența metodei utilizate pentru determinarea coeficientului de conductivitate termică este următoarea. Curentul alternativ curge printr-un fir metalic (încălzitor). Caracteristica AC este dată de ecuație

unde I 0 este amplitudinea curentului sinusoidal alternativ; ω - frecvența curentă; t - timp.

Curentul alternativ curge prin fir, acționând ca un încălzitor. În conformitate cu legea Joule-Lenz, se determină cantitatea de căldură eliberată atunci când un curent electric trece printr-un conductor:

și este o suprapunere a unei surse de curent continuu și a unei surse de căldură modulată 2ω,

unde R E este rezistență electrică sârmă metalică în condiții experimentale și este o funcție de temperatură.

Puterea termică eliberată generează o schimbare de temperatură în încălzitor, care este, de asemenea, o suprapunere a componentei DC și a componentei 2ω AC:

unde ΔT DC este amplitudinea schimbării temperaturii sub influența curentului continuu; ΔT 2ω - amplitudinea modificării temperaturii sub influența curentului alternativ; φ este defazajul indus prin încălzirea masei probei.

Rezistența electrică a unui fir depinde de temperatură și aceasta este componenta 2ω AC a rezistenței firului:

unde C rt este coeficientul de temperatură al rezistenței pentru un fir metalic; R E0 este rezistența de referință a încălzitorului la temperatura T 0 .

De obicei, T0 este temperatura probei în vrac.

Tensiunea pe un fir metalic poate fi obținută ca:

(6)

În ecuația (6), tensiunea pe fir conține: căderea de tensiune datorită rezistenței DC a firului la 1ω și două componente noi proporționale cu creșterea temperaturii în fir la 3ω și la 1ω. componenta de stres 3ω poate fi extras folosind un amplificator și apoi folosit pentru a scoate amplitudinea schimbării de temperatură la 2ω:

Dependența de frecvență a schimbării temperaturii ΔT 2ω a fost obținută prin modificarea frecvenței curentului alternativ la o tensiune constantă V 1ω. În același timp, dependența schimbării temperaturii ΔT 2ω de frecvență poate fi aproximată ca

unde α f este coeficientul de difuzivitate termică; k f - coeficientul de conductivitate termică a fluidului de bază; η este o constantă.

Modificarea temperaturii la frecvența 2ω într-un fir metalic poate fi dedusă folosind componenta de tensiune a frecvenței 3ω, așa cum se arată în ecuația (8). Coeficientul de conductivitate termică a lichidului k f este determinat de panta 2ω a modificării temperaturii firului metalic în raport cu frecvența ω,

(9)

unde P este puterea aplicată; ω este frecvența curentului electric aplicat; L este lungimea firului metalic; ΔT 2ω - amplitudinea modificării temperaturii la frecvența 2ω într-un fir metalic.

Metoda 3ω-fire are mai multe avantaje față de metoda tradițională a firului cald:

1) fluctuațiile de temperatură pot fi suficient de mici (sub 1K, comparativ cu aproximativ 5K pentru metoda firului fierbinte) în fluidul de testare pentru a menține proprietățile fluidului constante;

2) zgomotul de fond, cum ar fi schimbările de temperatură, influențează mult mai puțin rezultatele măsurătorilor.

Aceste avantaje fac ca aceasta metoda sa fie ideala pentru masurarea dependentei de temperatura a conductibilitatii termice a nanofluidelor.

Instalatia de masurare a coeficientului de conductivitate termica cuprinde urmatoarele componente: Podul Winston; generator de semnal; analizor de spectru; osciloscop.

O punte Winston este un circuit folosit pentru a compara o rezistență necunoscută R x cu o rezistență cunoscută R 0 . Diagrama podului este prezentată în fig. 2. Cele patru brațe ale podului Winston AB, BC, AD și DS reprezintă rezistențele Rx, R0, R1 și respectiv R2. Un galvanometru este conectat la diagonala VD, iar o sursă de alimentare este conectată la diagonala AC.

Dacă selectați în mod corespunzător valorile rezistențelor variabile R1 și R2, atunci puteți obține egalitatea potențialelor punctelor B și D: φ B = φ D. În acest caz, curentul nu va curge prin galvanometru, adică , I g = 0. În aceste condiții, puntea va fi echilibrată și puteți găsi rezistența necunoscută Rx. Pentru a face acest lucru, vom folosi regulile lui Kirchhoff pentru lanțurile ramificate. Aplicând prima și a doua reguli ale lui Kirchhoff, obținem

Rx = R0 · R1/R2.

Precizia determinării Rx folosind această metodă depinde în mare măsură de alegerea rezistențelor R1 și R2. Cea mai mare precizie este atinsă atunci când R 1 ≈ R 2 .

Generatorul de semnal acționează ca o sursă de oscilații electrice în intervalul 0,01 Hz - 2 MHz cu precizie ridicată (cu discretitate la 0,01 Hz). Generator de semnal marca G3-110.

Orez. 2. Schema podului Winston

Analizorul de spectru este proiectat pentru a izola componenta 3ω a spectrului. Înainte de a începe lucrul, analizatorul de spectru a fost testat pentru conformitatea cu tensiunea a treia armonică. Pentru a face acest lucru, un semnal de la generatorul G3-110 este furnizat la intrarea analizorului de spectru și, în paralel, la un voltmetru digital de bandă largă. Valoarea efectivă a amplitudinii tensiunii a fost comparată pe un analizor de spectru și un voltmetru. Discrepanța dintre valori a fost de 2%. Calibrarea analizorului de spectru a fost efectuată și pe testul intern al dispozitivului, la o frecvență de 10 kHz. Valoarea semnalului la frecvența purtătoare a fost de 80 mV.

Osciloscopul C1-114/1 este conceput pentru a studia forma semnalelor electrice.

Înainte de începerea studiului, încălzitorul (firul) trebuie plasat în proba de lichid care se testează. Sârma nu trebuie să atingă pereții vasului. Apoi, scanarea în frecvență a fost efectuată în intervalul de la 100 la 1600 Hz. Pe analizorul de spectru, la frecvența studiată, valoarea semnalului armonicii 1, 2, 3 se înregistrează în mod automat.

Pentru a măsura amplitudinea curentului, a fost folosit un rezistor cu o rezistență de ~ 0,47 Ohm în serie cu circuitul. Valoarea trebuie să fie astfel încât să nu depășească valoarea nominală a brațului de măsurare de aproximativ 1 Ohm. Folosind un osciloscop, am găsit tensiunea U. Cunoscând R și U, am găsit amplitudinea curentului I 0 . Pentru a calcula puterea aplicată, se măsoară tensiunea din circuit.

În primul rând, este examinată o gamă largă de frecvențe. Un interval de frecvență mai restrâns este determinat acolo unde liniaritatea graficului este cea mai mare. Apoi, în intervalul de frecvență selectat, măsurătorile se fac cu pași de frecvență mai mici.

În tabel Figura 2 prezintă rezultatele măsurării coeficientului de conductivitate termică al unui nanofluid, care este o suspensie 0,35% de oxid de grafen într-un lichid de bază (apă), folosind un fir de cupru izolat de 19 cm lungime, 100 μm diametru, la o temperatură de 26 °C pentru domeniul de frecvență 780...840 Hz

În fig. Figura 3 prezintă o vedere generală a suportului pentru măsurarea coeficientului de conductivitate termică a unui lichid.

În tabel Figura 3 arată dependența coeficientului de conductivitate termică al unei suspensii de oxid de grafen de concentrația sa în lichid la o temperatură de 26 °C. Măsurătorile coeficienților de conductivitate termică ai nanofluidului au fost efectuate la diferite concentrații de oxid de grafen de la 0 la 1,25%.

masa 2

Rezultatele măsurării coeficientului de conductivitate termică a nanofluidului

Orez. 3. Forma generală suport pentru măsurarea coeficientului de conductivitate termică a lichidului

În tabel Tabelul 3 prezintă, de asemenea, valorile coeficienților de conductivitate termică determinate folosind formula lui Maxwell.

(10)

unde k este coeficientul de conductivitate termică al nanofluidului; k f - coeficientul de conductivitate termică a fluidului de bază; k p este coeficientul de conductivitate termică al fazei dispersate (nanoparticule); φ este valoarea fazei de volum a fiecăreia dintre fazele de dispersie.

Tabelul 3

Coeficientul de conductivitate termică al suspensiei de oxid de grafen

Raportul coeficienților de conductivitate termică k exp /k theor și k exp /k tab. apele sunt prezentate în fig. 4.

Astfel de abateri ale datelor experimentale de la cele prezise de ecuația clasică Maxwelliană, în opinia noastră, pot fi asociate cu mecanisme fizice de creștere a conductivității termice a unui nanofluid, și anume:

Datorită mișcării browniene a particulelor; amestecarea lichidului creează un efect micro-convectiv, crescând astfel energia de transfer de căldură;

Transferul de căldură prin mecanismul de percolare predominant de-a lungul canalelor cluster formate ca urmare a aglomerării nanoparticulelor care pătrund în întreaga structură a solventului (lichid obișnuit);

Moleculele fluidului de bază formează straturi foarte orientate în jurul nanoparticulelor, crescând astfel fracția de volum a nanoparticulelor.

Orez. 4. Dependența raportului coeficienților de conductivitate termică de concentrația de oxid de grafen

Lucrarea a fost realizată folosind echipamentul Centrului de Utilizare Colectivă a Echipamentelor Științifice „Diagnosticarea micro și nanostructurilor” cu sprijin financiar din partea Ministerului Educației și Științei al Federației Ruse.

Recenzători:

Eparkhin O.M., doctor în științe tehnice, profesor, director al filialei Yaroslavl a Universității de Stat de Transport din Moscova, Yaroslavl;

Amirov I.I., doctor în științe fizice și matematice, cercetător la filiala Yaroslavl a Instituției de Științe pentru Bugetul Federal de Stat „Institutul Fizic și Tehnologic” Academia RusăȘtiințe, Yaroslavl.

Lucrarea a fost primită de redactor pe 28 iulie 2014.

Link bibliografic

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

MĂSURAREA CONDUCTIVITĂȚII TERMICE A EȘANTIBLOR DE METAL PRIN METODA DEBUTULUI DE CĂLDURĂ STATIONARĂ

Adnotare. Se descrie tehnica si caracteristici de proiectare instalatii de masurare a coeficientului de conductivitate termica a probelor de metal realizate sub forma unei tije cilindrice omogene sau a unei placi dreptunghiulare subtiri folosind metoda fluxului de caldura stationar. Încălzirea probei de testat se realizează direct incalzire electrica impuls scurt de curent alternativ, fixat în cleme masive de cupru, care servesc simultan ca radiator.

Cuvinte cheie: coeficient de conductivitate termică, probă, legea lui Fourier, schimb de căldură staționar, configurație de măsurare, transformator, multimer, termocuplu.

Introducere

Transferul de energie termică din zonele mai încălzite ale unui corp solid către cele mai puțin încălzite prin particule care se mișcă haotic (electroni, molecule, atomi etc.) se numește fenomenul conductivității termice. Studiul fenomenului de conductivitate termică este utilizat pe scară largă în diverse industrii, cum ar fi petrol, aerospațial, auto, metalurgie, minerit etc.

Există trei tipuri principale de transfer de căldură: convecție, radiație termică și conducție termică. Conductivitatea termică depinde de natura substanței și de starea sa fizică. În același timp, în lichide și solide (dielectrice) transferul de energie se realizează prin unde elastice, în gaze - prin ciocnirea și difuzia atomilor (molecule), iar în metale - prin difuzia electronilor liberi și cu ajutorul vibraţiile termice ale reţelei. Transferul de căldură într-un corp depinde de starea în care se află: gazos, lichid sau solid.

Mecanismul conductivității termice în lichide este diferit de mecanismul conductivității termice în gaze și are multe în comun cu conductivitatea termică a solidelor. În zonele cu temperaturi ridicate apar vibrații ale moleculelor cu amplitudini mari. Aceste vibrații sunt transmise moleculelor adiacente și astfel energia mișcării termice este transferată treptat de la strat la strat. Acest mecanism oferă o valoare relativ mică a coeficientului de conductivitate termică. Odată cu creșterea temperaturii, coeficientul de conductivitate termică pentru majoritatea lichidelor scade (excepția este apa și glicerina, pentru care coeficientul de conductivitate termică crește odată cu creșterea temperaturii).

Fenomenul de transfer de energie cinetică folosind mișcarea moleculară în gazele ideale se datorează transferului de căldură prin conductivitate termică. Datorită caracterului aleatoriu al mișcării moleculare, moleculele se mișcă în toate direcțiile. Deplasându-se din locuri cu o temperatură mai mare în locuri cu o temperatură mai scăzută, moleculele transferă energia cinetică a mișcării din cauza ciocnirilor de perechi. Ca urmare a mișcării moleculare, are loc o egalizare treptată a temperaturii; într-un gaz încălzit neuniform, transferul de căldură este transferul unei anumite cantități de energie cinetică în timpul mișcării aleatorii (haotice) a moleculelor. Pe măsură ce temperatura scade, conductivitatea termică a gazelor scade.

În metale, principalul transmițător de căldură sunt electronii liberi, care pot fi asemănați cu un gaz monoatomic ideal. Prin urmare, cu o oarecare aproximare

Coeficientul de conductivitate termică al materialelor de construcție și termoizolare crește odată cu creșterea temperaturii, iar odată cu creșterea greutății volumetrice crește. Coeficientul de conductivitate termică depinde puternic de porozitatea și umiditatea materialului. Conductivitate termică diverse materiale variază în intervalul: 2-450 W/(m K).

1. Ecuația căldurii

Legea conductivității termice se bazează pe ipoteza Fourier despre proporționalitatea fluxului de căldură cu diferența de temperatură pe unitate de lungime a traseului de transfer de căldură pe unitatea de timp. Din punct de vedere numeric, coeficientul de conductivitate termică este egal cu cantitatea de căldură care curge pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață, cu o diferență de temperatură pe unitatea de lungime a normalului egală cu un grad.

Conform legii lui Fourier, densitatea fluxului termic de suprafață h este proporțională

nal la gradientul de temperatură -:

Aici factorul X se numește coeficient de conductivitate termică. Semnul minus indică faptul că căldura este transferată în direcția scăderii temperaturii. Cantitatea de căldură trecută pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață izotermă se numește densitate de flux de căldură:

Cantitatea de căldură care trece pe unitatea de timp prin suprafața izotermă B se numește flux de căldură:

O = | hjB = -1 -kdP^B. (1,3)

Cantitatea totală de căldură trecută prin această suprafață B în timpul t va fi determinată din ecuație

De la=-DL-^t. (1,4)

2. Condiții limită pentru conductivitatea termică

Exista diverse conditii neechivocitate: geometrică - caracterizarea formei și dimensiunilor corpului în care are loc procesul de conductivitate termică; fizic - caracterizarea proprietăților fizice ale corpului; temporară - caracterizarea distribuției temperaturii corpului în momentul inițial de timp; limita – caracterizarea interacțiunii corpului cu mediul.

Condiții la limită de primul fel. În acest caz, distribuția temperaturii pe suprafața corpului este specificată pentru fiecare moment de timp.

Condiții limită de al doilea fel. În acest caz, valoarea specificată este densitatea fluxului de căldură pentru fiecare punct de pe suprafața corpului în orice moment:

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

Condiții limită de al treilea fel. În acest caz, se precizează temperatura mediului T0 și condițiile de schimb de căldură al acestui mediu cu suprafața corpului.

Condițiile limită de al patrulea fel se formează pe baza egalității fluxurilor de căldură care trec prin suprafața de contact a corpurilor.

3. Configurare experimentală pentru măsurarea coeficientului de conductivitate termică

Metode moderne Determinarea coeficienților de conductivitate termică poate fi împărțită în două grupe: metode cu flux staționar de căldură și metode cu flux termic nestaționar.

În primul grup de metode, fluxul de căldură care trece printr-un corp sau un sistem de corpuri rămâne constant în mărime și direcție. Câmpul de temperatură este staționar.

Metodele tranzitorii folosesc un câmp de temperatură care variază în timp.

În această lucrare, se folosește una dintre metodele fluxului staționar de căldură - metoda Kohlrausch.

Schema bloc a instalației pentru măsurarea conductibilității termice a probelor de metal este prezentată în Fig. 1.

Orez. 1. Schema bloc a configurației de măsurare

Elementul principal al instalației este un transformator coborâtor de putere 7, a cărui înfășurare primară este conectată la un autotransformator de tip LATR 10, iar înfășurarea secundară, realizată dintr-o bară de cupru dreptunghiulară cu șase spire, este conectată direct la cleme de curent masive din cupru 2, care servesc simultan ca un radiator-frigider. Eșantionul de testare 1 este fixat în cleme de curent masiv de cupru 2 folosind șuruburi masive de cupru (nu sunt prezentate în figură), care servesc simultan ca radiator. Controlul temperaturii în diferite puncte ale probei studiate se realizează cu ajutorul termocuplurilor Chromel-Copel 3 și 5, ale căror capete de lucru sunt fixate direct pe suprafața cilindrică a probei 1 - unul în partea centrală a probei, iar celălalt la finalul probei. Capetele libere ale termocuplurilor 3 și 5 sunt conectate la multimeri tip DT-838 4 și 6, care permit măsurători de temperatură cu o precizie de 0,5 °C. Proba este încălzită prin încălzire electrică directă cu un impuls scurt de curent alternativ de la înfășurarea secundară a transformatorului de putere 7. Curentul din proba de testare este măsurat indirect - prin măsurarea tensiunii pe înfășurarea secundară a transformatorului de curent inel 8, a cărei înfășurare primară este magistrala de putere a înfășurării secundare a transformatorului de putere 7, trecută prin golul liber al miezului magnetic inelar. Tensiunea înfășurării secundare a transformatorului de curent este măsurată cu multimetrul 9.

Modificarea amplitudinii curentului de impuls în proba studiată este efectuată folosind un autotransformator liniar 10 (LATR), a cărui înfășurare primară, printr-o siguranță de rețea 13 și butonul 12 conectate în serie, este conectată la un curent alternativ. rețea cu o tensiune de 220 V. Căderea de tensiune pe eșantionul de testat în modul de încălzire electrică directă se realizează cu ajutorul unui multimetru 14, conectat în paralel direct la bornele de curent 2. Durata impulsurilor de curent se măsoară cu ajutorul unui cronometrul electric 11 conectat la înfășurarea primară a autotransformatorului liniar 10. Pornirea și oprirea modului de încălzire a probei de testat este asigurată de butonul 12.

La măsurarea coeficientului de conductivitate termică folosind instalația descrisă mai sus, este necesar să se efectueze urmatoarele conditii:

Uniformitatea secțiunii transversale a probei de testat pe toată lungimea;

Diametrul probei de testat trebuie să fie în intervalul de la 0,5 mm la 3 mm (în caz contrar, puterea termică principală va fi eliberată în transformatorul de putere și nu în proba de testare).

O diagramă a temperaturii în funcție de lungimea probei este prezentată în Fig. 2.

Orez. 2. Dependența temperaturii de lungimea probei

După cum se poate observa în diagrama de mai sus, dependența temperaturii de lungimea probei studiate este liniară cu un maxim pronunțat în partea centrală a probei, iar la capete rămâne minimă (constant) și egală cu mediul ambiant. temperatura în intervalul de timp pentru stabilirea unui mod de transfer de căldură de echilibru, care pentru această instalație experimentală nu depășește 3 minute, adică. 180 de secunde.

4. Derivarea formulei de lucru pentru coeficientul de conductivitate termică

Cantitatea de căldură eliberată într-un conductor în timpul trecerii curentului electric poate fi determinată conform legii Joule-Lenz:

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

unde și, I sunt tensiunea și curentul din eșantionul studiat; I este rezistența eșantionului.

Cantitatea de căldură transferată prin secțiunea transversală a probei studiate în intervalul de timp t, realizată sub forma unei tije cilindrice omogene de lungime £ și secțiune transversală 5, poate fi calculată folosind legea lui Fourier (1.4):

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

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

Aici coeficienții 2 și 1/2 indică faptul că fluxul de căldură este direcționat din

centrul probei până la capete, adică se bifurcă în două fluxuri. Apoi

^^b = 8-I-(Gtah -Tt|n) -B^ . (4,3)

5. Tinand cont de pierderile de caldura pe suprafata laterala

§Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

unde Bbok = n-th-1; a este coeficientul de schimb de căldură între suprafața probei de testat și mediu, având dimensiunea

Diferența de temperatură

DGx = Tx - T0cr, (5,2)

unde Tx este temperatura într-un punct dat de pe suprafața probei; Hocr - temperatura ambiantă, poate fi calculată din ecuația liniară a dependenței temperaturii probei de lungimea acesteia:

Tx = T0 + k-x, (5.3)

unde coeficientul unghiular k poate fi determinat prin tangenta pantei dependenței liniare a temperaturii probei de lungimea sa:

DT T - T T - T

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

Înlocuind expresiile (5.2), (5.3) și (5.4) în ecuația (5.1), obținem:

SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,

unde T0 Тсжр.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5,5)

După integrarea expresiei (5.5) obținem:

Q0Kp = 2nd■ dk j jdt■ x■ dx = 2nd-a-k■-I - | ■ t = -4a^nd■ k■ I2 ■ t. (5,6)

Înlocuind expresiile rezultate (4.1), (4.3) și (5.6) în ecuația de echilibru termic aoln = ogr + qs, unde Qtot = QEL, obținem:

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

Rezolvând ecuația rezultată pentru coeficientul de conductivitate termică, obținem:

u1 a £2, l

Expresia rezultată ne permite să determinăm coeficientul de conductivitate termică a tijelor subțiri de metal în conformitate cu calculele efectuate pentru probele de testare tipice cu o eroare relativă

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

nu depășește 1,5%.

Bibliografie

1. Sivukhin, D. V. Curs general fizică / D. V. Sivukhin. - M.: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 p.

2. Rudin, A. V. Studiul proceselor de relaxare structurală în obiectele de formare a sticlei în diverse moduri de răcire / A. V. Rudin // Noutăți ale instituțiilor de învățământ superior. Regiunea Volga. Stiintele Naturii. - 2003. - Nr. 6. - P. 123-137.

3. Pavlov, P.V. Fizica stării solide: manual. manual pentru studenții care studiază la specialitatea „Fizică” / P. V. Pavlov, A. F. Khohlov. - M.: Mai sus. şcoală, 1985. - 384 p.

4. Berman, R. Thermal conductivity of solids / R. Berman. - M., 1979. - 287 p.

5. Livshits, B. G. Proprietăți fizice metale și aliaje / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - M.: Metalurgie, 1980. - 320 p.

Luzina Anna Vyacheslavovna Luzina Anna Vyacheslavovna

universitar, student la master,

Universitatea de Stat Penza Universitatea de Stat Penza E-mail: [email protected]

Rudin Alexandru Vasilievici

Candidat la științe fizice și matematice, profesor asociat, șef adjunct al Departamentului de Fizică, Universitatea de Stat Penza E-mail: [email protected]

Rudin Aleksandr Vasil"evici

candidat la științe fizice și matematice, conferențiar,

șef adjunct al subdepartamentului de fizică, Universitatea de Stat Penza

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

Măsurarea conductivității termice a probelor de metal folosind metoda fluxului de căldură staționar /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Buletinul Universității de Stat Penza. - 2016. - Nr 3 (15). -CU. 76-82.

Până în prezent, nu a fost elaborată o clasificare unificată, ceea ce se datorează varietății metodelor existente. Metodele experimentale binecunoscute pentru măsurarea conductibilității termice a materialelor sunt împărțite în două mari grupe: staționare și nestaționare. În primul caz, calitatea formulei de calcul utilizează soluții parțiale ale ecuației de conducție a căldurii

prevăzut, în al doilea - prevăzut, unde T este temperatura; f - timp; - coeficient de difuzivitate termică; l - coeficientul de conductivitate termică; C - capacitatea termică specifică; g - densitatea materialului; - operator Laplace, scris în sistemul de coordonate corespunzător; - puterea specifica a sursei volumetrice de caldura.

Primul grup de metode se bazează pe utilizarea unui regim termic staționar; al doilea - regim termic nestaţionar. Metodele staționare pentru determinarea coeficientului de conductivitate termică după natura măsurătorilor sunt directe (adică, coeficientul de conductivitate termică este determinat direct) și sunt împărțite în absolute și relative. În metodele absolute, parametrii măsurați experimental fac posibilă obținerea valorii dorite a coeficientului de conductivitate termică folosind o formulă de calcul. În metodele relative, parametrii măsurați experimental fac posibilă obținerea valorii dorite a coeficientului de conductivitate termică folosind o formulă de calcul. În metodele relative, parametrii măsurați nu sunt suficienți pentru a calcula valoarea absolută. Există două cazuri posibile aici. Prima este monitorizarea modificării coeficientului de conductivitate termică în raport cu cel inițial, luat ca unitate. Al doilea caz este utilizarea unui material de referință cu proprietăți termice cunoscute. În acest caz, coeficientul de conductivitate termică al standardului este utilizat în formula de calcul. Metodele relative au unele avantaje față de metodele absolute, deoarece sunt mai simple. Împărțire în continuare metode staţionare poate fi realizată după natura încălzirii (externă, volumetrică și combinată) și după tipul de izoterme ale câmpului de temperatură din probe (plate, cilindrice, sferice). Subgrupul de metode cu încălzire externă include toate metodele care utilizează încălzitoare externe (electrice, volumetrice etc.) și încălzirea suprafețelor probei prin radiație termică sau bombardament electronic. Un subgrup de metode cu încălzire volumetrică combină toate metodele care utilizează încălzirea printr-un curent trecut printr-o probă, încălzirea probei studiate din neutroni sau radiații g sau curenți de ultra-înaltă frecvență. Un subgrup de metode cu încălzire combinată poate include metode care utilizează simultan încălzirea externă și volumetrică a probelor sau încălzirea intermediară (de exemplu, cu curenți de înaltă frecvență).

În toate cele trei subgrupe de metode staționare, câmpul de temperatură

poate fi diferit.

Izotermele plate se formează atunci când fluxul de căldură este direcționat de-a lungul axei de simetrie a probei. Metodele care utilizează izoterme plate în literatură sunt numite metode cu flux de căldură axial sau longitudinal, iar configurațiile experimentale în sine sunt numite dispozitive plate.

Izotermele cilindrice corespund propagării fluxului de căldură de-a lungul razei unei probe cilindrice. În cazul în care fluxul de căldură este direcționat de-a lungul razei unei probe sferice, apar izoterme sferice. Metodele care utilizează astfel de izoterme sunt numite sferice, iar dispozitivele sunt numite sferice.

Indiferent de amploarea construcției, primul pas este dezvoltarea unui proiect. Desenele reflectă nu numai geometria structurii, ci și calculul principalelor caracteristici termice. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți conductivitatea termică materiale de construcții. Scopul principal al construcției este de a construi structuri durabile, structuri durabile care sunt confortabile, fără costuri excesive de încălzire. În acest sens, cunoașterea coeficienților de conductivitate termică a materialelor este extrem de importantă.

Cărămida are o conductivitate termică mai bună

Caracteristicile indicatorului

Termenul de conductivitate termică se referă la transferul de energie termică de la obiecte mai încălzite la cele mai puțin încălzite. Schimbul continuă până când apare echilibrul de temperatură.

Transferul de căldură este determinat de durata de timp în care temperatura din încăperi este în concordanță cu temperatura ambiantă. Cu cât acest interval este mai mic, cu atât conductivitatea termică a materialului de construcție este mai mare.

Pentru a caracteriza conductivitatea căldurii se folosește conceptul de coeficient de conductivitate termică, care arată câtă căldură trece printr-o suprafață într-un anume timp. Cu cât acest indicator este mai mare, cu atât schimbul de căldură este mai mare, iar clădirea se răcește mult mai repede. Astfel, la construirea structurilor, se recomandă utilizarea materialelor de construcție cu conductivitate termică minimă.

În acest videoclip veți afla despre conductivitatea termică a materialelor de construcție:

Cum se determină pierderea de căldură

Principalele elemente ale clădirii prin care scapă căldura:

• uși (5-20%);
• gen (10-20%);
• acoperiș (15-25%);
• pereți (15-35%);
• ferestre (5-15%).

Nivelul de pierdere de căldură este determinat cu ajutorul unei camere termice. Roșu indică zonele cele mai dificile, galbenul și verdele indică mai puține pierderi de căldură. Zonele cu cele mai mici pierderi sunt evidențiate cu albastru. Valoarea conductibilității termice este determinată în condiții de laborator, iar materialului i se eliberează un certificat de calitate.

Valoarea conductibilității termice depinde de următorii parametri:

1. Porozitate. Porii indică eterogenitatea structurii. Când căldura trece prin ele, răcirea va fi minimă.
2. Umiditate. Un nivel ridicat de umiditate provoacă deplasarea aerului uscat prin picături de lichid din pori, motiv pentru care valoarea crește de multe ori.
3. Densitate. Densitatea mai mare promovează o interacțiune mai activă între particule. Ca rezultat, schimbul de căldură și echilibrarea temperaturii decurg mai rapid.

Coeficient de conductivitate termică

Pierderea de căldură într-o casă este inevitabilă și apare atunci când temperatura exterioară este mai mică decât în ​​interior. Intensitatea este variabilă și depinde de mulți factori, principalii fiind următorii:

1. Aria suprafețelor implicate în schimbul de căldură.
2. Indicator de conductivitate termică a materialelor și elementelor de construcție.
3. Diferența de temperatură.

Litera greacă λ este folosită pentru a desemna conductivitatea termică a materialelor de construcție. Unitate de măsură – W/(m×°C). Calculul se face pentru 1 m² de perete gros de un metru. Aici se presupune o diferență de temperatură de 1°C.

Studiu de caz

În mod convențional, materialele sunt împărțite în izolație termică și structurală. Acestea din urmă au cea mai mare conductivitate termică; sunt folosite pentru a construi pereți, tavane și alte garduri. Conform tabelului de materiale, la construirea pereților din beton armat, pentru a asigura un schimb scăzut de căldură cu mediul, grosimea acestora ar trebui să fie de aproximativ 6 m. Dar apoi structura va fi voluminoasă și costisitoare.

Dacă conductivitatea termică este calculată incorect în timpul proiectării, locuitorii viitoarei locuințe se vor mulțumi cu doar 10% din căldură din surse de energie. Prin urmare, se recomandă izolarea suplimentară a caselor din materiale de construcție standard.

La impermeabilizarea corectă a izolației, umiditatea ridicată nu afectează calitatea izolației termice, iar rezistența structurii la transferul de căldură va deveni mult mai mare.

Cel mai cea mai buna varianta– folosiți izolație

Cea mai comună opțiune este o combinație a unei structuri de susținere din materiale de înaltă rezistență cu izolație termică suplimentară. De exemplu:

1. Casă cu cadru. Izolația este plasată între știfturi. Uneori, cu o ușoară scădere a transferului de căldură, este necesar izolare suplimentarăîn afara cadrului principal.
2. Construcție din materiale standard. Când pereții sunt din cărămidă sau bloc de cemento, izolarea se face din exterior.

Materiale de constructii pentru pereti exteriori

Zidurile de astăzi sunt construite din diferite materiale, dar cele mai populare rămân: lemn, cărămidă și blocuri de construcție. Principalele diferențe sunt în densitatea și conductibilitatea termică a materialelor de construcție. Analiza comparativa vă permite să găsiți media de aur în relația dintre acești parametri. Cu cât densitatea este mai mare, cu atât mai mult capacitate portantă materialul și, prin urmare, întreaga structură. Dar rezistenta termica devine mai mică, adică costurile cu energia cresc. De obicei, la densități mai mici există porozitate.

Coeficientul de conductivitate termică și densitatea acestuia.

Izolație pentru pereți

Materialele de izolare sunt utilizate atunci când rezistența termică a pereților exteriori nu este suficientă. De obicei, o grosime de 5-10 cm este suficientă pentru a crea un microclimat interior confortabil.

Valoarea coeficientului λ este dată în tabelul următor.

Conductivitatea termică măsoară capacitatea unui material de a transmite căldură prin el însuși. Depinde foarte mult de compoziție și structură. Materialele dense precum metalele și piatra sunt buni conductori de căldură, în timp ce substanțele cu densitate scăzută, cum ar fi gazele și izolația poroasă, sunt conductoare slabe.