Determinarea conductibilității termice a materialelor solide prin metoda stratului plat. Metode de determinare a conductibilității termice a metalelor Echipamente și materiale

Pe măsură ce puterea specifică a motoarelor cu ardere internă crește, crește cantitatea de căldură care trebuie îndepărtată din componentele și piesele încălzite. 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 racire

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 modul obișnuit creșterea intensității transferului de căldură aproape și-au 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 dimensiune 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, de exemplu. 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 rezistenta electrica 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 defazarea indusă de 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 schimbării 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, au o influență mult mai mică asupra rezultatelor 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 aparatului, 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, se înregistrează în mod automat valoarea semnalului armonicii 1, 2, 3.

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 în 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%.

Tabelul 2

Rezultatele măsurării coeficientului de conductivitate termică a nanofluidului

Orez. 3. Vedere 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 știință a bugetului federal de stat „Institutul fizico-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. Proba studiată este încălzită direct incalzire electrica impuls scurt de curent alternativ, asigurat 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 acest caz, 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 energiei termice. vibrațiile rețelei. 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, există vibrații moleculare 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 coliziunilor 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 a clădirii și materiale termoizolante 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

Sunt diverse conditii neechivocitate: geometrică - caracterizarea formei și dimensiunilor corpului în care are loc procesul de conductivitate termică; fizic – caracterizant proprietăți fizice corpuri; 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 utilizează 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 conform legii 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%.

Referințe

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. Proprietățile fizice ale metalelor și aliajelor / 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 lui Penza universitate de stat. - 2016. - Nr. 3 (15). -CU. 76-82.

Metodele fizice de analiză se bazează pe utilizarea oricărui efect fizic specific sau a unei anumite proprietăți fizice a unei substanțe. Pentru analiza gazelor utilizați densitatea, vâscozitatea, conductibilitatea termică, indicele de refracție, susceptibilitatea magnetică, difuzia, absorbția, emisia, absorbția radiațiilor electromagnetice, precum și absorbția selectivă, viteza sunetului, efectul termic al reacției, conductibilitatea electrică etc. Unele dintre aceste proprietăți fizice și fenomenele fac o analiză continuă a gazelor și vă permit să obțineți o sensibilitate ridicată și precizie a măsurătorilor. Alegerea mărimii fizice sau a fenomenului este foarte importantă pentru a exclude influența componentelor nemăsurate conținute în amestecul analizat. Utilizarea unor proprietăți sau efecte specifice face posibilă determinarea concentrației componentei dorite într-un amestec de gaz cu mai multe componente. Proprietățile fizice nespecifice pot fi utilizate, strict vorbind, doar pentru analiza amestecurilor de gaze binare. Vâscozitatea, indicele de refracție și difuzia nu au importanță practică în analiza gazelor.

Transferul de căldură între două puncte cu temperaturi diferite are loc în trei moduri: convecție, radiație și conducție. La convecție transferul de căldură este asociat cu transferul de materie (transfer de masă); transfer de căldură radiatii are loc fără participarea materiei. Transfer de căldură conductivitate termică are loc cu participarea materiei, dar fără transfer de masă. Transferul de energie are loc din cauza ciocnirii moleculelor. Coeficientul de conductivitate termică ( X) depinde numai de tipul de substanță care transferă căldura. Este o caracteristică specifică a unei substanțe.

Dimensiunea conductivității termice în sistemul CGS cal/(s cm K), în unități tehnice - kcalDmch-K), în sistemul internațional SI - WtDm-K). Raportul acestor unități este următorul: 1 cal/(cm s K) = 360 kcalDm h K) = 418,68 WDm-K).

Conductivitatea termică absolută în timpul tranziției de la substanțele solide la cele lichide și gazoase variază de la X = 418,68 WDm-K)] (conductivitatea termică a celui mai bun conductor de căldură - argint) până la X aproximativ 10_6 (conductivitatea termică a gazelor cel mai puțin conductoare).

Conductivitatea termică a gazelor crește foarte mult odată cu creșterea temperaturii. Pentru unele gaze (GH 4: NH 3), conductivitatea termică relativă crește brusc odată cu creșterea temperaturii, iar pentru unele (Ne) scade. Conform teoriei cinetice, conductivitatea termică a gazelor nu ar trebui să depindă de presiune. Totuși, diverse motive duc la faptul că odată cu creșterea presiunii conductivitatea termică crește ușor. În intervalul de presiune de la atmosferică la câțiva milibari, conductivitatea termică nu depinde de presiune, deoarece calea liberă medie a moleculelor crește odată cu scăderea numărului de molecule pe unitate de volum. La o presiune de -20 mbar, calea liberă medie a moleculelor corespunde mărimii camerei de măsurare.

Măsurarea conductibilității termice este cea mai veche metoda fizica analiza gazelor. A fost descrisă în 1840, în special, în lucrările lui A. Schleiermacher (1888-1889) și a fost folosită în industrie din 1928. În 1913, Siemens a dezvoltat un contor de concentrație de hidrogen pentru avioane. Ulterior, timp de multe decenii, instrumentele bazate pe măsurători de conductivitate termică au fost dezvoltate și utilizate pe scară largă în industria chimică în creștere rapidă, cu mare succes. Desigur, la început au fost analizate doar amestecuri binare de gaze. Cele mai bune rezultate se obțin cu o diferență mare de conductivitate termică a gazelor. Dintre gaze, hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică. În practică, s-a justificat și măsurarea concentrației de CO din gazele de ardere, deoarece conductivitățile termice ale oxigenului, azotului și monoxidului de carbon sunt foarte apropiate una de cealaltă, ceea ce permite ca amestecul acestor patru componente să fie considerat cvasi. -binar.

Coeficienții de temperatură ai conductivității termice a diferitelor gaze nu sunt aceiași, așa că puteți găsi temperatura la care conductivitățile termice ale diferitelor gaze sunt aceleași (de exemplu, 490°C pentru dioxid de carbon și oxigen, 70°C pentru amoniac și aer, 75°C pentru dioxid de carbon și argon) . Atunci când se rezolvă o anumită problemă analitică, aceste coincidențe pot fi folosite luând amestecul ternar de gaze ca unul cvasibinar.

În analiza gazelor se poate presupune că conductivitatea termică este o proprietate aditivă. Măsurând conductibilitatea termică a amestecului și cunoscând conductibilitatea termică a componentelor pure ale amestecului binar se pot calcula concentrațiile acestora. Cu toate acestea, aceasta simpla dependenta nu poate fi aplicat niciunui amestec binar. De exemplu, amestecurile de aer - vapori de apă, aer - amoniac, monoxid de carbon - amoniac și aer - acetilenă la un anumit raport de componente au conductivitate termică maximă. Prin urmare, aplicabilitatea metodei conductibilității termice este limitată la un anumit interval de concentrație. Pentru multe amestecuri există o relație neliniară între conductivitate termică și compoziție. Prin urmare, este necesar să se elimine curba de calibrare, conform căreia trebuie făcută scara dispozitivului de înregistrare.

Senzori de conductivitate termică(senzori termoconductometrici) constau din patru camere mici umplute cu gaz de volum mic cu conductoare subtiri de platina de aceeasi dimensiune si cu aceeasi rezistenta electrica plasate in ele, izolate de corp. Același curent constant de valoare stabilă trece prin conductori și îi încălzește. Conductoarele - elemente de încălzire - sunt înconjurate de gaz. Două camere conţin gazul de măsurat, celelalte două conţin gazul de referinţă. Toate elementele de încălzire sunt incluse într-un pod Wytheton, cu care măsurarea unei diferențe de temperatură de aproximativ 0,01°C nu este dificilă. O astfel de sensibilitate ridicată necesită egalitatea exactă a temperaturilor camerelor de măsurare, astfel încât întregul sistem de măsurare este plasat într-un termostat sau în diagonala de măsurare a podului și este inclusă o rezistență pentru compensarea temperaturii. Atâta timp cât îndepărtarea căldurii de la elementele de încălzire din camerele de măsurare și de comparare este aceeași, puntea este în echilibru. Atunci când camerele de măsurare sunt furnizate cu un gaz cu o conductivitate termică diferită, acest echilibru este perturbat, temperatura elementelor sensibile și, în același timp, rezistența acestora se modifică. Curentul rezultat în diagonala de măsurare este proporțional cu concentrația gazului măsurat. Pentru a crește sensibilitatea, temperatura de funcționare a elementelor sensibile trebuie crescută, dar trebuie avut grijă să se asigure că se menține o diferență suficient de mare în conductibilitatea termică a gazului. Astfel, pentru diferite amestecuri de gaze există o temperatură optimă pentru conductivitate termică și sensibilitate. Adesea, diferența dintre temperatura elementelor sensibile și temperatura pereților camerei este selectată de la 100 la 150°C.

Celulele de măsurare ale analizoarelor termoconductometrice industriale constau, de regulă, dintr-o carcasă metalică masivă în care sunt găurite camere de măsurare. Acest lucru asigură o distribuție uniformă a temperaturii și o bună stabilitate de calibrare. Deoarece citirile contorului de conductivitate termică sunt afectate de debitul de gaz, gazul este introdus în camerele de măsurare printr-un canal de derivație. Soluțiile diferiților proiectanți pentru a asigura schimbul necesar de gaze sunt prezentate mai jos. În principiu, se presupune că fluxul principal de gaz este conectat prin canale de conectare la camere de măsurare prin care gazul curge cu o diferență ușoară. În acest caz, difuzia și convecția termică au o influență decisivă asupra reînnoirii gazului din camerele de măsurare. Volumul camerelor de măsurare poate fi foarte mic (câțiva milimetri cubi), ceea ce asigură o influență mică a transferului de căldură convectiv asupra rezultatului măsurării. Pentru a reduce efectul catalitic al conductorilor de platină, aceștia în diverse moduri topită în capilare de sticlă cu pereți subțiri. Pentru a asigura rezistența camerei de măsurare la coroziune, toate părțile conductei de gaz sunt acoperite cu sticlă. Acest lucru vă permite să măsurați conductibilitatea termică a amestecurilor care conțin clor, acid clorhidric și alte gaze agresive. Analizoarele conductometrice termice cu camere comparative închise sunt comune în principal în industria chimică. Selectarea gazului de referință adecvat simplifică calibrarea instrumentului. În plus, este posibil să se obțină o scară cu un zero suprimat. Pentru a reduce deviația punctului zero, camerele de comparație trebuie să fie bine sigilate. În cazuri speciale, de exemplu, când există fluctuații puternice în compoziția amestecului de gaze, este posibil să se lucreze cu camere comparative cu flux. În acest caz, folosind un reactiv special, unul dintre componente este îndepărtat din amestecul de gaz măsurat (de exemplu, CO și o soluție de potasiu caustic), apoi amestecul de gaz este trimis în camere comparative. Ramurile de măsurare și comparativă diferă în acest caz doar prin absența unuia dintre componente. Această metodă face adesea posibilă analiza amestecurilor complexe de gaze.

Recent, în loc de conductori metalici, termistorii semiconductori sunt uneori folosiți ca elemente sensibile. Avantajul termistorilor este că coeficientul de temperatură al rezistenței este de 10 ori mai mare în comparație cu rezistențele termice ale metalelor. Acest lucru realizează o creștere bruscă a sensibilității. Totuși, în același timp, se impun cerințe mult mai mari pentru stabilizarea curentului de punte și a temperaturii pereților camerei.

Mai devreme decât altele și pe scară largă, instrumentele conductometrice termice au început să fie utilizate pentru analiza gazelor de eșapament din cuptoarele de ardere. Datorită sensibilității ridicate, vitezei mari, ușurinței de întreținere și designului fiabil, precum și costurilor reduse, analizoarele de acest tip au fost introduse ulterior rapid în industrie.

Analizoarele de conductivitate termică sunt cele mai potrivite pentru măsurarea concentrației de hidrogen în amestecuri. La selectarea gazelor de referință, trebuie luate în considerare și amestecurile de gaze diferite. Următoarele date (Tabelul 6.1) pot fi utilizate ca exemplu de intervale minime de măsurare pentru diferite gaze.

Tabelul 6.1

Domenii minime de măsurare pentru diferite gaze,

% la volum

Intervalul maxim de măsurare este cel mai adesea 0-100%, 90 sau chiar 99% fiind suprimat. În cazuri speciale, un analizor de conductivitate termică face posibilă existența mai multor intervale de măsurare diferite pe un singur dispozitiv. Acesta este utilizat, de exemplu, pentru controlul proceselor de umplere și golire a turbogeneratoarelor răcite cu hidrogen din centralele termice. Din cauza pericolului de explozie, carcasa generatorului nu este umplută cu aer, dar dioxidul de carbon este introdus mai întâi ca gaz de purjare, iar apoi hidrogen. Gazul este eliberat din generator în același mod. Următoarele intervale de măsurare pot fi obținute cu reproductibilitate destul de mare pe un singur analizor: 0-100% (vol/vol) CO (în aer pentru purjare cu CO), 100-0% H 2 în CO (pentru umplerea cu hidrogen) și 100 -80% H 2 (în aer pentru a controla puritatea hidrogenului în timpul funcționării generatorului). Acesta este un mod ieftin de măsurare.

Pentru a determina conținutul de hidrogen din clorul eliberat în timpul electrolizei clorurii de potasiu folosind un analizor conductometric termic, puteți lucra atât cu un gaz de referință sigilat (S0 2, Ar) cât și cu un gaz de referință care curge. În acest din urmă caz, un amestec de hidrogen și clor este trimis mai întâi în camera de măsurare și apoi într-un cuptor de post-ardere cu o temperatură > 200°C. Hidrogenul arde cu excesul de clor pentru a forma acid clorhidric. Amestecul rezultat de HC și C12 este alimentat în camera comparativă. În acest caz, concentrația de hidrogen este determinată de diferența de conductivitate termică. Această metodă reduce semnificativ influența cantităților mici de aer.

Pentru a reduce eroarea care apare la analiza gazului umed, gazul trebuie uscat, ceea ce se face fie folosind un absorbant de umiditate, fie coborand temperatura gazului sub punctul de roua. Există o altă posibilitate de a compensa influența umidității, care este aplicabilă numai atunci când se măsoară folosind o schemă de gaz de referință care curge.

Pentru a lucra cu gaze explozive, o serie de companii produc dispozitive antiexplozive. În acest caz, camerele contoarelor de conductivitate termică sunt proiectate pentru presiune înaltă, la intrarea și la ieșirea camerelor sunt instalate descarcatoare, iar semnalul de ieșire este limitat la un nivel intrinsec sigur. Cu toate acestea, astfel de dispozitive nu pot fi folosite pentru a analiza amestecuri de gaze explozive cu oxigen sau hidrogen cu clor.

• Centimetru-gram-secundă este un sistem de unități care a fost utilizat pe scară largă înainte de adoptarea Sistemului internațional de unități (SI).

AGENȚIA FEDERALĂ DE REGLEMENTARE TEHNICĂ ȘI METROLOGIE

NAŢIONAL

STANDARD

RUSĂ

FEDERAŢIE

COMPOZITE

Publicație oficială

Stshdfttftsm

GOST R 57967-2017

Prefaţă

1 PREGĂTIT de Întreprinderea Unitară Federală de Stat „Institutul de Cercetare a Materialelor de Aviație din întreaga Rusie” împreună cu Organizația Autonomă Non-Profit „Centrul de Standardizare, Standardizare și Clasificare a Compozitelor” cu participarea Asociației Entităților Juridice „Uniunea Compozitelor”. Producători" pe baza traducerii oficiale în rusă a versiunii în limba engleză specificată în paragraful 4 al standardului, care este implementată de TC 497

2 INTRODUS de Comitetul Tehnic de Standardizare TC 497 „Compozite, structuri și produse realizate din acestea”

3 APROBAT ȘI INTRAT ÎN VIGOARE prin Ordinul Agenției Federale pentru Reglementare Tehnică și Metrologie din 21 noiembrie 2017 Nr. 1785-st

4 Acest standard este modificat de la ASTM E1225-13 Standard Test Method for Thermal Conductivity of Solids using the Guard ed-Comparative -Longitudinal Heat Flow Technique", MOD) prin modificarea structurii sale pentru a se conforma cu regulile stabilite în GOST 1.5-2001 (subsecțiunile 4.2 și 4.3).

Acest standard nu include clauzele 5. 12. subclauzele 1.2, 1.3 din standardul ASTM aplicat. care sunt nepotrivite pentru a fi utilizate în standardizarea națională rusă din cauza redundanței lor.

Paragrafele și subparagrafele specificate care nu sunt incluse în partea principală a acestui standard sunt date în apendicele suplimentar DA.

Denumirea acestui standard a fost schimbată în raport cu numele standardului ASTM specificat pentru a-l aduce în conformitate cu GOST R 1.5-2012 (subsecțiunea 3.5).

O comparație a structurii acestui standard cu structura standardului ASTM specificat este dată în apendicele suplimentar DB.

Informații privind conformitatea standardului național de referință cu standardul ASTM. utilizat ca referință în standardul ASTM aplicat. sunt date în anexa suplimentară DV

5 INTRODUS PENTRU PRIMA Oara

Regulile de aplicare a acestui standard sunt stabilite în articolul 26 din Legea federală din 29 iunie 2015 N9 162-FZ „Cu privire la standardizarea în Federația Rusă" Informațiile despre modificările aduse acestui standard sunt publicate în indexul de informații anual (de la 1 ianuarie a anului curent) „Standarde naționale”, iar textul oficial al modificărilor și instrucțiunilor este publicat în indexul lunar de informații „Standarde naționale”. În cazul revizuirii (înlocuirii) sau anulării acestui standard, avizul corespunzător va fi publicat în numărul următor al indexului lunar de informare „Standarde naționale”. Informații relevante. notificarea și textele sunt postate și în sistemul informațional uz public- pe site-ul oficial al Agenției Federale pentru Reglementare Tehnică și Metrologie pe Internet ()

© Stamdartinform. 2017

Acest standard nu poate fi reprodus integral sau parțial, replicat sau distribuit ca publicație oficială fără permisiunea Agenției Federale pentru Reglementare Tehnică și Metrologie.

GOST R 57967-2017

1 Domeniul de aplicare.................................................. ...... ...................1

3 Termeni, definiții și denumiri .................................................. ....... .......1

4 Esența metodei.............................................................. ...... .................2

5 Echipamente și materiale.................................................. ...... .............4

6 Pregătirea pentru testare.................................................. ...... ......11

7 Efectuarea testelor.................................................. ..... ...............12

8 Prelucrarea rezultatelor testelor.............................................. .................... .......13

9 Raport de testare.................................................. ....................................................13

Anexă DA (referință) Textul original al elementelor structurale nu este inclus

standard ASTM aplicat .................................................. ....15

Anexa DB (informativ) Compararea structurii acestui standard cu structura

Standardul ASTM aplicat în acesta.................................................. .......18

Anexa DV (referință) Informații privind conformitatea standardului național de referință cu standardul ASTM. utilizat ca referință în standardul ASTM aplicat ................................................ ........... .............19

GOST R 57967-2017

STANDARDUL NAȚIONAL AL ​​FEDERAȚIA RUSĂ

COMPOZITE

Determinarea conductivității termice a solidelor folosind metoda fluxului de căldură unidimensional staționar cu un încălzitor de protecție

Compozite. Determinarea conductivității termice a soHd-urilor prin flux de căldură unidimensional staționar

cu o tehnică de încălzire de gardă

Data introducerii - 2018-06-01

1 Zona de aplicare

1.1 Acest standard specifică determinarea conductivității termice a compozitelor polimerice solide omogene opace, ceramice și metale, utilizând o metodă de curgere a căldurii unidimensionale în stare constantă cu un încălzitor de protecție.

1.2 Acest standard este destinat utilizării la testarea materialelor cu o conductivitate termică eficientă în intervalul de la 0,2 la 200 W/(m-K) în intervalul de temperatură de la 90 K la 1300 K.

1.3 Acest standard poate fi utilizat și la testarea materialelor cu conductivitate termică eficientă în afara intervalelor specificate, cu o precizie mai mică.

2 Referințe normative

Acest standard folosește referințe normative la următoarele standarde:

GOST 2769 Rugozitatea suprafeței. Parametri și caracteristici

GOST R 8.585 Sistem de stat pentru asigurarea uniformității măsurătorilor. Termocupluri. Caracteristici nominale de conversie statică

Notă - Când utilizați acest standard, este recomandabil să verificați valabilitatea standardelor de referință în sistemul de informare publică - pe site-ul oficial al Agenției Federale pentru Reglementare Tehnică și Metrologie pe Internet sau folosind indexul anual de informații „Standarde naționale” , care a fost publicată de la 1 ianuarie a anului curent, și pe problemele indexului lunar de informare „Standarde naționale” pentru anul în curs. Dacă se înlocuiește un standard de referință nedatat, se recomandă utilizarea versiunii curente a acelui standard, ținând cont de orice modificări aduse versiunii respective. Dacă se înlocuiește un standard de referință datat, se recomandă utilizarea versiunii acelui standard cu anul aprobării (adopției) indicat mai sus. În cazul în care, după aprobarea acestui standard, se face o modificare a standardului de referință la care este dat ecretul datat, care afectează prevederea la care se face referire, atunci se recomandă ca această prevedere să fie aplicată fără a ține cont de această modificare. . Dacă standardul de referință este anulat fără înlocuire, atunci prevederea în care este dată o referire la acesta se recomandă să fie aplicată în partea care nu afectează această referință.

3 Termeni, definiții și denumiri

3.1 Următorii termeni cu definiții corespunzătoare sunt utilizați în acest standard:

3.1.1 conductivitate termică /.. W/(m K): Raportul dintre densitatea fluxului de căldură în condiții staționare printr-o unitate de suprafață și un gradient de temperatură unitar pe o direcție perpendiculară pe suprafață.

Publicație oficială

GOST R 57967-2017

3.1.2 conductivitate termică aparentă: Când există metode de transfer de căldură printr-un material, altul decât conductibilitatea termică, rezultatele măsurătorilor efectuate folosind această metodă de încercare. reprezintă conductivitatea termică aparentă sau efectivă.

3.2 8 din prezentul standard sunt utilizate următoarele simboluri:

3.2.1 X M (T), W/(m K) - conductivitatea termică a probelor de referință în funcție de temperatură.

3.2.2 Oetzi, W/(m K) - conductivitatea termică a probei de referință superioare.

3.2.3 Xjj’. 8t/(m K) - conductivitatea termică a probei de referință inferioare.

3.2.4 edT), W/(m K) - conductivitatea termică a probei de testat, ajustată pentru transfer de căldură dacă este necesar.

3.2.5 X"$(T), W/(m K) - conductivitatea termică a probei de testat, calculată fără a lua în considerare corecția pentru transferul de căldură.

3.2.6 >у(7), W/(m K) - conductivitatea termică a izolației în funcție de temperatură.

3,2,7 G, K - temperatura absolută.

3.2.8 Z, m - distanța măsurată de la capătul superior al pachetului.

3.2.9 /, m - lungimea probei de testat.

3.2.10 G (, K - temperatura la Z r

3.2.11 q", W/m 2 - debit de căldură pe unitate de suprafață.

3.2.12 ZH LT etc. - abateri X. G. etc.

3.2.13 g A, m - raza probei de testat.

3.2.14 g in, m - raza internă a carcasei de securitate.

3.2.15 f 9 (Z), K - temperatura carcasei de protecție în funcție de distanța Z.

4 Esența metodei

4.1 Schema generala metoda de flux de căldură unidimensional staționar folosind un încălzitor de securitate este prezentată în Figura 1. Probă de testare cu conductivitate termică necunoscută X s. având o conductivitate termică estimată X s // s . instalat sub sarcină între două probe de referință cu conductivitate termică X m, având aceeași arie de secțiune transversală și conductivitate termică specifică X^//^. Designul este un pachet format dintr-un încălzitor cu disc cu o probă de testare și mostre de referință pe fiecare parte dintre încălzitor și radiator. Un gradient de temperatură este creat în pachetul studiat; pierderile de căldură sunt minimizate prin utilizarea unui încălzitor longitudinal de securitate, care are aproximativ același gradient de temperatură. Aproximativ jumătate din energie curge prin fiecare probă. În starea de echilibru, coeficientul de conductivitate termică este determinat pe baza gradienților de temperatură măsurați ai probei de testat și a probelor de referință corespunzătoare și a conductivității termice a materialelor de referință.

4.2 Aplicați forță pe pungă pentru a asigura un contact bun între probe. Pachetul este înconjurat de un material izolator cu conductivitate termică Izolația este închisă într-o carcasă de protecție cu raza r 8, situată la temperatura T d (2). În pungă se stabilește un gradient de temperatură prin menținerea părții superioare la temperatura Tm și a părții inferioare la temperatura Tb. Temperatura T 9 (Z) este de obicei un gradient de temperatură liniar care corespunde aproximativ cu gradientul stabilit în ambalajul testat. Un încălzitor izotermic de securitate cu o temperatură T ? (Z). egală cu temperatura medie a probei de testat. Nu se recomandă utilizarea designului celulei de măsurare a dispozitivului fără încălzitoare de siguranță din cauza posibilelor pierderi mari de căldură, în special la temperaturi ridicate. În starea de echilibru, gradienții de temperatură de-a lungul secțiunilor sunt calculate pe baza temperaturilor măsurate de-a lungul a două eșantioane de referință și a probei de testare. Valoarea lui X" s fără a lua în considerare corecția pentru transferul de căldură este calculată folosind formula ( simboluri prezentat în figura 2).

T4-G32U2-Z, Ze-Z5

unde Г, este temperatura la Z,. K T 2 - temperatura la Z 2, K G 3 - temperatura la Z 3. LA

GOST R 57967-2017

G4 - temperatura la Z4. LA;

Г 5 - temperatura la Z s. LA:

Гв - temperatura la Z e. LA:

Z, - coordonata primului senzor de temperatură, m;

Zj - coordonata celui de-al 2-lea senzor de temperatură, m;

Z 3 - coordonata celui de-al 3-lea senzor de temperatură, m;

Z 4 - coordonata celui de-al 4-lea senzor de temperatură, m;

Z 5 - coordonata celui de-al 5-lea senzor de temperatură, m;

Z e - coordonata celui de-al 6-lea senzor de temperatură, m.

Această schemă este idealizată, deoarece nu ia în considerare schimbul de căldură dintre ambalaj și izolație în fiecare punct și transferul uniform de căldură la fiecare interfață dintre probele de referință și proba de testat. Erorile cauzate de aceste două ipoteze pot varia foarte mult. Din cauza acestor doi factori, trebuie să existe restricții această metodă teste. dacă trebuie să obțineți precizia necesară.

1 - gradient de temperatură în carcasa de protecție: 2 - gradient de temperatură în ambalaj; 3 - termocuplu: 4 - clema.

S - încălzitor superior. b - proba de referință superioară: 7 - proba de referință inferioară, c - încălzitor inferior: c - frigider. 10 - încălzitor de securitate superior: I - încălzitor de securitate

Figura 1 - Diagrama unui pachet de testare tipic și a carcasei de reținere care arată corespondența gradienților de temperatură

GOST R 57967-2017

7

b

Refrigerat

Oai oimshprmi

Izolare; 2 - incalzitor de securitate. E - carcasă de protecție metalică sau ceramică: 4 - încălzitor. S - proba de referință, b - proba de testare, x - locația aproximativă a termocuplurilor

Figura 2 - Schema metodei unidimensionale a fluxului de căldură staționar folosind un încălzitor de securitate, indicând posibilele locații pentru instalarea senzorilor de temperatură

5 Echipamente și materiale

5.1 Mostre de referință

5.1.1 Pentru mostrele de referință, trebuie utilizate materiale de referință sau materiale standard cu valori cunoscute de conductivitate termică. Tabelul 1 prezintă unele dintre materialele de referință general acceptate. Figura 3 arată modificarea aproximativă >. m cu temperatura.

GOST R 57967-2017

Typlofoaodoost, EGL^m-K)

Figura 3 - Valori de referință ale conductivității termice a materialelor de referință

Notă - Materialul selectat pentru probele de referință trebuie să aibă o conductivitate termică care este cea mai apropiată de conductibilitatea termică a materialului măsurat.

5.1.2 Tabelul 1 nu este exhaustiv și alte materiale pot fi folosite ca materiale de referință. Materialul de referință și sursa valorilor X m trebuie specificate în raportul de testare.

Tabelul 1 - Date de referință pentru caracteristicile materialelor de referință

GOST R 57967-2017

Sfârșitul tabelului 1

Tabelul 2 - Conductivitatea termică a fierului electrolitic

GOST R 57967-2017

Tabelul 3 - Conductivitatea termică a wolframului

GOST R 57967-2017

Tabelul 4 - Conductibilitatea termică a oțelului austenitic

GOST R 57967-2017

Sfârșitul tabelului 4

5.1.3 Cerințele pentru orice materiale de referință includ stabilitatea proprietăților pe întregul interval de temperatură de funcționare, compatibilitatea cu alte componente ale celulei de măsurare a instrumentului, ușurința de montare a senzorului de temperatură și conductivitatea termică cunoscută cu precizie. Deoarece erorile datorate pierderii de căldură pentru o anumită creștere a k sunt proporționale cu modificarea k și Jk s, materialul de referință c) ar trebui utilizat pentru probele de referință. m cel mai apropiat de >. s.

5.1.4 Dacă conductivitatea termică a probei de testat k s este între valorile conductibilității termice a două materiale de referință, trebuie utilizat materialul de referință cu o conductivitate termică mai mare k și. pentru a reduce scăderea generală a temperaturii de-a lungul pachetului.

5.2 Materiale izolante

Pulbere, materiale dispersate și fibroase sunt utilizate ca materiale izolatoare pentru a reduce fluxul radial de căldură în spațiul inelar din jurul pachetului și pierderea de căldură de-a lungul pachetului. Există mai mulți factori de care trebuie să luați în considerare atunci când alegeți izolația:

Izolația trebuie să fie stabilă în intervalul de temperatură așteptat, să aibă o valoare scăzută a conductibilității termice și să fie ușor de manevrat;

Izolația nu trebuie să contamineze componentele celulei instrumentului, cum ar fi senzorii de temperatură, trebuie să aibă toxicitate scăzută și nu trebuie să conducă curentul electric.

Pulberile și solidele sunt utilizate în mod obișnuit, deoarece sunt ușor de compactat. Pot fi utilizate covorașe din fibre de densitate scăzută.

5.3 Senzori de temperatură

5.3.1 Trebuie instalați cel puțin doi senzori de temperatură pe fiecare probă de referință și doi pe proba de testare. Dacă este posibil, probele de referință și proba de testare trebuie să conțină fiecare trei senzori de temperatură. Sunt necesari senzori suplimentari pentru a confirma liniaritatea distribuției temperaturii de-a lungul pachetului sau pentru a detecta o eroare din cauza unui senzor de temperatură necalibrat.

5.3.2 Tipul senzorului de temperatură depinde de dimensiunea celulei de măsurare a instrumentului, de domeniul de temperatură și de mediul din celula de măsurare a instrumentului, determinate de izolație, probe de referință, proba de testare și gaz. Pentru măsurarea temperaturii poate fi utilizat orice senzor cu suficientă precizie, iar celula de măsurare a dispozitivului trebuie să fie suficient de mare, astfel încât perturbarea fluxului de căldură de la senzorii de temperatură să fie nesemnificativă. De obicei se folosesc termocupluri. Dimensiunile lor mici și ușurința de prindere sunt avantaje clare.

5.3.3 Termocuplurile trebuie să fie realizate din sârmă cu un diametru de cel mult 0,1 mm. Toate joncțiunile reci trebuie menținute la o temperatură constantă. Această temperatură este menținută printr-o suspensie răcită, un termostat sau compensare electronică a punctului de referință. Toate termocuplurile trebuie să fie fabricate fie din sârmă calibrată, fie din sârmă care a fost certificată de furnizor pentru a asigura limitele de eroare specificate în GOST R 8.585.

5.3.4 Metodele de atașare a termocuplurilor sunt prezentate în Figura 4. Contactele interne pot fi obținute în metale și aliaje prin sudarea termoelementelor individuale pe suprafețe (Figura 4a). Joncțiunile termocuplurilor, fie sudate cap la cap sau cu cordon, pot fi atașate rigid prin forjare, cimentare sau sudare în caneluri înguste sau găuri mici (Figurile 4b, 4c și 4

5.3.5 În Figura 46, termocuplul este situat într-o fantă radială, iar în Figura 4c, termocuplul este tras printr-un orificiu radial din material. 8 în cazul utilizării unui termocuplu într-o carcasă de protecție sau a unui termocuplu, ambele termoelemente fiind amplasate într-un izolator electric cu două

GOST R 57967-2017

orificii, poate fi utilizat suportul de termocuplu prezentat în Figura 4d. În ultimele trei cazuri, termocuplul trebuie să fie lipit termic de suprafața solidă cu un adeziv adecvat sau ciment la temperatură ridicată. Toate cele patru proceduri prezentate în Figura 4 ar trebui să includă firele de întărire pe suprafețe, înfășurarea firelor în zone izoterme, firele de împământare termică pe protecție sau o combinație a tuturor celor trei.

5.3.6 Deoarece inexactitatea locației senzorului de temperatură duce la erori mari. Trebuie avută o grijă deosebită pentru a determina distanța corectă dintre senzori și pentru a calcula eventuala eroare rezultată din orice inexactitate.

c - pantof de brânză interioară cu termocupluri separate sudate pe proba de testat sau probele de referință astfel încât semnalul să treacă prin material. 6 - canelura radială pe suprafața plană a prinderii unui fir gol sau senzor termocuplu cu izolație ceramică; c - gaură radială mică găurită prin piesa de testare sau mostrele de referință și un termocuplu gol (permis dacă materialul este un izolator electric) sau izolat tras prin orificiu: d - gaură radială mică găurită prin piesa de testare sau probele de referință și termocuplu, plasat pe orificiu

Figura 4 - Montarea termocuplurilor

NOTĂ În toate cazurile, termocuplurile trebuie să fie întărite termic sau împământate termic la rezervor pentru a minimiza eroarea de măsurare datorată fluxului de căldură către sau dinspre joncțiunea fierbinte.

5.4 Sistem de încărcare

5.4.1 Metoda de încercare necesită un transfer uniform de căldură pe interfața dintre epruvetele de referință și eșantionul de testat atunci când senzorii de temperatură sunt localizați în r k de interfață. Pentru a face acest lucru, este necesar să se asigure o rezistență uniformă de contact

GOST R 57967-2017

topirea zonelor adiacente ale epruvetelor de referință și ale probei de testare, care poate fi creată prin aplicarea unei sarcini axiale în combinație cu un mediu conductiv la interfețe. Nu este recomandat să efectuați măsurătorile în vid decât dacă este necesar în scopuri de protecție.

5.4.2 Când se testează materiale cu conductivitate termică scăzută, se folosesc eșantioane de testare subțiri, astfel încât senzorii de temperatură trebuie instalați aproape de suprafață. În astfel de cazuri, la interfețe trebuie introdus un strat foarte subțire de lichid foarte conductiv termic, pastă, folie de metal moale sau ecran.

5.4.3 Proiectarea instrumentului de măsurare trebuie să prevadă mijloace pentru impunerea unei sarcini repetabile și constante de-a lungul stivei pentru a minimiza rezistențele interfațiale la interfețele dintre probele de referință și proba de testare. Sarcina poate fi aplicată pneumatic, hidraulic, prin acțiunea arcului sau prin plasarea unei sarcini. Mecanismele de aplicare a sarcinii de mai sus sunt constante pe măsură ce temperatura pachetului se modifică. În unele cazuri, rezistența la compresiune a epruvetei poate fi atât de scăzută încât forța aplicată trebuie să fie limitată de greutatea probei de referință superioare. În acest caz, o atenție deosebită trebuie acordată erorilor care pot fi cauzate de un contact slab, pentru care senzorii de temperatură trebuie să fie amplasați departe de orice perturbare a fluxului de căldură la interfețe.

5.5 Acoperire de securitate

5.5.1 Pachetul constând din proba de testat și mostrele de referință trebuie să fie închis într-o carcasă de protecție cu simetrie circulară corectă. Învelișul de reținere poate fi din metal sau ceramică, iar raza sa interioară trebuie să fie astfel încât raportul r^r A să fie în intervalul de la 2,0 la 3,5. Carcasa de izolare trebuie să conțină cel puțin un încălzitor de siguranță pentru a regla profilul temperaturii de-a lungul carcasei.

5.5.2 Învelișul de reținere trebuie să fie proiectat și exploatat astfel încât temperatura suprafeței sale să fie fie izotermă și aproximativ egală cu temperatura medie a probei de testat, fie să aibă un profil liniar aproximativ consecvent la capetele de sus și de jos ale carcasei de reținere cu pozițiile corespunzătoare de-a lungul părții laterale a pachetului. În fiecare caz, cel puțin trei senzori de temperatură trebuie instalați pe carcasa de reținere în puncte precoordonate (vezi Figura 2) pentru a măsura profilul temperaturii.

5.6 Echipamente de măsurare

5.6.1 Combinația dintre senzorul de temperatură și instrumentul de măsurare utilizat pentru măsurarea ieșirii senzorului trebuie să fie adecvată pentru a oferi o precizie de măsurare a temperaturii de ±0,04 K și o eroare absolută mai mică de ±0,5%.

5.6.2 Echipamentul de măsurare pentru această metodă trebuie să mențină temperatura necesară și să măsoare toate tensiunile de ieșire asociate cu o precizie proporțională cu precizia de măsurare a temperaturii a senzorilor de temperatură.

6 Pregătirea pentru testare

6.1 Cerințe pentru probele de testare

6.1.1 Probele de testare examinate folosind această metodă nu se limitează la geometria bomboanelor. Cel mai de preferat este să se utilizeze mostre cilindrice sau prismatice. Zonele de conductivitate ale probei de testat și ale probelor de referință trebuie să fie identice cu 1% și orice diferență de suprafață trebuie luată în considerare la calcularea rezultatului. Pentru o configurație cilindrică, razele eșantionului de încercare și ale specimenelor de referință trebuie să fie consecvente cu ± 1 %. iar raza probei de testat r A trebuie să fie astfel încât r B fr A să fie de la 2,0 la 3,5. Fiecare suprafață plană a probelor de testare și de referință trebuie să fie plană, cu o rugozitate a suprafeței de cel mult R a 32 în conformitate cu GOST 2789. iar normalele fiecărei suprafețe trebuie să fie paralele cu axa probei cu o precizie de ± 10. min.

NOTĂ În unele cazuri, această cerință nu este necesară. De exemplu, unele instrumente pot consta din eșantioane de referință și probe de testare cu valori > mari. m și >. s. unde erorile datorate pierderilor de căldură sunt neglijabile pentru secțiuni lungi. Astfel de secțiuni pot avea o lungime suficientă pentru a permite

GOST R 57967-2017

care montează senzori de temperatură la o distanță suficientă de punctele de contact, asigurând astfel un flux uniform de căldură. Lungimea piesei de testare trebuie selectată pe baza informațiilor despre rază și conductivitate termică. Când). și mai mare decât conductivitatea termică a oțelului inoxidabil, pot fi utilizate piese de testare lungi cu o lungime de 0g A » 1 Astfel de piese de testare lungi permit utilizarea unor distanțe mari între senzorii de temperatură, iar acest lucru reduce eroarea obținută din cauza inexactității. locația senzorului. Când). m mai mică decât conductivitatea termică a oțelului inoxidabil, lungimea piesei de testat trebuie redusă deoarece eroarea de măsurare datorată pierderii de căldură devine prea mare.

6.1.2 Dacă nu se prevede altfel în documentul de reglementare sau în documentația tehnică a materialului. Pentru testare se folosește un eșantion de testare.

6.2 Configurarea echipamentului

6.2.1 Calibrarea și verificarea echipamentelor se efectuează în următoarele cazuri:

După asamblarea echipamentului:

Dacă raportul dintre X m și X s este mai mic de 0,3. sau mai mult de 3. și nu este posibilă selectarea valorilor de conductivitate termică;

Dacă forma probei de testat este complexă sau proba de testat este mică:

Dacă s-au făcut modificări parametrilor geometrici ai celulei de măsurare a dispozitivului;

Dacă s-a decis să se utilizeze materiale de referință sau materiale de izolare, altele decât cele menționate în secțiunile 6.3 și 6.4:

Dacă echipamentul a fost operat anterior la o temperatură suficient de mare încât proprietățile componentelor se pot schimba, cum ar fi. de exemplu, sensibilitatea unui termocuplu.

6.2.2 Aceste verificări trebuie efectuate prin compararea a cel puțin două materiale de referință, după cum urmează:

Selectați un material de referință a cărui conductivitate termică este cel mai apropiată de conductibilitatea termică așteptată a probei de testat:

Conductivitatea termică X a unei piese de testare realizată dintr-un material de referință este măsurată folosind piese de referință fabricate dintr-un alt material de referință care are o valoare X cea mai apropiată de cea a piesei de testare. De exemplu, testul poate fi efectuat pe o probă de sticlă. folosind mostre de referință din oțel inoxidabil. Dacă conductivitatea termică măsurată a unei probe nu este în acord cu valoarea din tabelul 1 după aplicarea unei corecții de transfer termic, sursele de eroare trebuie identificate.

7 Testare

7.1 Selectați mostrele de referință astfel încât conductivitatea lor termică să fie de același ordin de mărime ca cea de așteptat pentru proba de testat. După echiparea probelor de referință necesare cu senzori de temperatură și instalarea acestora în celula de măsurare, proba de testare este echipată cu mijloace similare. Proba de testat este introdusă în pungă astfel încât să se potrivească între probele de referință și să fie în contact cu probele de referință adiacente pentru cel puțin 99% din fiecare suprafață. Pentru a reduce rezistența la suprafață, se poate folosi folie moale sau alte medii de contact. Dacă celula de măsurare trebuie protejată de oxidare în timpul testării sau dacă măsurarea necesită o anumită presiune a gazului sau a gazului pentru a controla X/t, atunci celula de măsurare este umplută și purjată cu un gaz de lucru la o presiune stabilită. Pentru a încărca stiva, trebuie aplicată forța necesară pentru a reduce efectele rezistenței termice neuniforme la interfață.

7.2 Porniți încălzitoarele superioare și inferioare la ambele capete ale pachetului și reglați până când. în timp ce diferenţa de temperatură dintre punctele 2 şi Zj. Z3 și Z4. iar Z s și 2^ nu vor fi mai mari de 200 de ori eroarea senzorului de temperatură, dar nu mai mult de 30 K. iar proba de testat nu va fi la temperatura medie necesară pentru măsurare. În ciuda. că profilul de temperatură exact de-a lungul carcasei de protecție nu este necesar pentru 3. Puterea încălzitoarelor de securitate este ajustată până când profilul de temperatură de-a lungul carcasei T g)