Problemi moderni della scienza e dell'educazione. Alcuni metodi per determinare la conducibilità termica Misurare la conducibilità termica di un materiale in casa
AGENZIA FEDERALE PER LA REGOLAMENTAZIONE TECNICA E LA METROLOGIA
NAZIONALE
STANDARD
RUSSO
FEDERAZIONE
COMPOSITI
Pubblicazione ufficiale
Stshdfttftsm
GOST R57967-2017
Prefazione
1 PREPARATO dall'impresa unitaria dello Stato federale “Istituto panrusso di ricerca sui materiali aeronautici” insieme all'organizzazione autonoma senza scopo di lucro “Centro per la standardizzazione, standardizzazione e classificazione dei compositi” con la partecipazione dell'Associazione persone giuridiche"Unione dei produttori di compositi" basata sulla traduzione ufficiale in russo della versione inglese della norma specificata nel paragrafo 4, effettuata da TC 497
2 INTRODOTTO dal Comitato Tecnico di Normazione TC 497 “Compositi, strutture e prodotti da essi costituiti”
3 APPROVATO ED ENTRATO IN EFFETTO con Ordinanza dell'Agenzia federale per la regolamentazione tecnica e la metrologia del 21 novembre 2017 n. 1785-st
4 Questo standard è modificato dal metodo di prova standard ASTM E1225-13 per la conducibilità termica dei solidi utilizzando la tecnica Guard ed-Comparative -Longitudinal Heat Flow, MOD) modificandone la struttura per conformarsi alle regole stabilite in GOST 1.5-2001 (sottosezioni 4.2 e 4.3).
Questo standard non include le clausole 5. 12. sottoclausole 1.2, 1.3 dello standard ASTM applicato. che non sono appropriati da utilizzare nella standardizzazione nazionale russa a causa della loro ridondanza.
I paragrafi e sottoparagrafi specificati non inclusi nella parte principale del presente standard sono riportati nell'Appendice Aggiuntiva SÌ.
Il nome di questo standard è stato modificato rispetto al nome dello standard ASTM specificato per renderlo conforme a GOST R 1.5-2012 (sottosezione 3.5).
Un confronto tra la struttura di questa norma e la struttura della norma ASTM specificata è riportato nell'appendice aggiuntiva DB.
Informazioni sulla conformità della norma nazionale di riferimento con la norma ASTM. utilizzato come riferimento nello standard ASTM applicato. sono riportati nell'appendice aggiuntiva DV
5 INTRODOTTO PER LA PRIMA VOLTA
Le regole per l’applicazione di questo principio sono stabilite all’articolo 26 Legge federale del 29 giugno 2015 N9 162-FZ “Sulla standardizzazione in Federazione Russa" Le informazioni sulle modifiche a questo standard sono pubblicate nell'indice informativo annuale (dal 1 gennaio dell'anno corrente) "Norme nazionali" e il testo ufficiale delle modifiche e delle istruzioni è pubblicato nell'indice informativo mensile "Norme nazionali". In caso di revisione (sostituzione) o cancellazione della presente norma, il corrispondente avviso sarà pubblicato nel prossimo numero dell'indice informativo mensile “Norme Nazionali”. Informazioni rilevanti. avvisi e testi vengono inoltre inseriti nel sistema informativo uso comune- sul sito web ufficiale dell'Agenzia federale per la regolamentazione tecnica e la metrologia su Internet ()
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Questo standard non può essere riprodotto, replicato o distribuito completamente o parzialmente come pubblicazione ufficiale senza il permesso dell'Agenzia federale per la regolamentazione tecnica e la metrologia
GOST R57967-2017
1 ambito di utilizzo............................................ ....................1
3 Termini, definizioni e designazioni................................................ ....... .......1
4 Essenza del metodo................................................ ......................................2
5 Attrezzature e materiali............................................... ......................4
6 Preparazione per il test................................................ .......undici
7 Esecuzione delle prove.................................... .....................12
8 Elaborazione dei risultati dei test................................................ ................... .......13
9 Rapporto di prova.................................... .................... ................13
Appendice SI (riferimento) Testo originale degli elementi strutturali non incluso
Norma ASTM applicata............................................ ....15
Appendice DB (informativa) Confronto della struttura della presente norma con la struttura
Norma ASTM applicata in esso............................................ .......18
Appendice DV (riferimento) Informazioni sulla conformità della norma nazionale di riferimento alla norma ASTM. utilizzato come riferimento nello standard ASTM applicato................................ ...........................19
GOST R57967-2017
STANDARD NAZIONALE DELLA FEDERAZIONE RUSSA
COMPOSITI
Determinazione della conducibilità termica solidi metodo del flusso di calore unidimensionale stazionario con un riscaldatore di sicurezza
Compositi. Determinazione della conducibilità termica dei soHd mediante flusso di calore stazionario unidimensionale
con una tecnica di riscaldamento della guardia
Data di introduzione - 2018-06-01
1 zona di utilizzo
1.1 La presente norma specifica la determinazione della conduttività termica di compositi polimerici solidi opachi omogenei, ceramici e metallici utilizzando un metodo di flusso di calore unidimensionale a stato stazionario con un riscaldatore di protezione.
1.2 La presente norma è destinata all'uso durante il test di materiali aventi una conduttività termica effettiva compresa tra 0,2 e 200 W/(m-K) nell'intervallo di temperature compreso tra 90 K e 1300 K.
1.3 Questo standard può essere utilizzato anche quando si testano materiali aventi conduttività termica effettiva al di fuori degli intervalli specificati con precisione inferiore.
2 Riferimenti normativi
Questo standard utilizza riferimenti normativi ai seguenti standard:
GOST 2769 Rugosità superficiale. Parametri e caratteristiche
GOST R 8.585 Sistema statale per garantire l'uniformità delle misurazioni. Termocoppie. Caratteristiche nominali di conversione statica
Nota - Quando si utilizza questo standard, è consigliabile verificare la validità degli standard di riferimento nel sistema informativo pubblico - sul sito web ufficiale dell'Agenzia federale per la regolamentazione tecnica e la metrologia su Internet o utilizzando l'indice informativo annuale "Norme nazionali" , pubblicato a partire dal 1 gennaio dell'anno in corso, e sulle questioni dell'indice informativo mensile “Norme nazionali” per l'anno in corso. Se una norma di riferimento non datata viene sostituita, si raccomanda di utilizzare la versione corrente di quella norma, tenendo conto di eventuali modifiche apportate a tale versione. Qualora venga sostituita una norma di riferimento datata, si consiglia di utilizzare la versione di tale norma con l'anno di approvazione (adozione) sopra indicato. Se, dopo l'approvazione della presente norma, viene apportata una modifica alla norma di riferimento a cui è dato il documento datato, influenzando la disposizione a cui viene dato il riferimento, allora si raccomanda di applicare tale disposizione senza tenere conto di tale modifica . Se la norma di riferimento viene annullata senza sostituzione, si raccomanda di applicare la disposizione in cui ad essa viene fatto riferimento nella parte che non pregiudica tale riferimento.
3 Termini, definizioni e designazioni
3.1 Nella presente norma vengono utilizzati i seguenti termini con le corrispondenti definizioni:
3.1.1 conduttività termica /.. W/(m K): rapporto tra la densità del flusso di calore in condizioni stazionarie attraverso un'area unitaria e un gradiente di temperatura unitario in una direzione perpendicolare alla superficie.
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3.1.2 conduttività termica apparente: quando esistono metodi di trasferimento del calore attraverso un materiale diversi dalla conduttività termica, i risultati delle misurazioni effettuate utilizzando questo metodo di prova. rappresentano la conducibilità termica apparente o effettiva.
3.2 8 della presente norma vengono utilizzati i seguenti simboli:
3.2.1 X M (T), W/(m K) - conduttività termica dei campioni di riferimento in base alla temperatura.
3.2.2 Oetzi, W/(m K) - conduttività termica del campione di riferimento superiore.
3.2.3 Xjj’. 8t/(m K) - conduttività termica del campione di riferimento inferiore.
3.2.4 edT), W/(m K) - conduttività termica del campione di prova, eventualmente adeguata per il trasferimento di calore.
3.2.5 X"$(T), W/(m K) - conduttività termica del campione di prova, calcolata senza tenere conto della correzione per il trasferimento di calore.
3.2.6 >у(7), W/(m K) - conduttività termica dell'isolamento in funzione della temperatura.
3.2.7 G, K - temperatura assoluta.
3.2.8 Z, m - distanza misurata dall'estremità superiore del pacco.
3.2.9 /, m - lunghezza del campione di prova.
3.2.10 G (, K - temperatura a Z r
3.2.11 q", W/m 2 - flusso di calore per unità di superficie.
3.2.12 ZH LT, ecc. - deviazioni X. G. ecc.
3.2.13 g A, m - raggio del campione di prova.
3.2.14 g pollici, m - raggio interno del guscio di sicurezza.
3.2.15 f 9 (Z), K - temperatura del guscio protettivo in base alla distanza Z.
4 Essenza del metodo
4.1 Schema generale il metodo del flusso di calore unidimensionale stazionario utilizzando un riscaldatore di sicurezza è mostrato nella Figura 1. Campione di prova con conduttività termica sconosciuta X s. avente una conducibilità termica stimata X s // s . installato sotto carico tra due campioni di riferimento con conduttività termica X m, aventi la stessa area sezione trasversale e conducibilità termica specifica X^//^. Il progetto è un pacchetto costituito da un riscaldatore a disco con un campione di prova e campioni di riferimento su ciascun lato tra il riscaldatore e il dissipatore di calore. Nell'insieme in esame viene creato un gradiente di temperatura; le perdite di calore sono ridotte al minimo attraverso l'uso di un riscaldatore di sicurezza longitudinale, che ha approssimativamente lo stesso gradiente di temperatura. Circa la metà dell'energia fluisce attraverso ciascun campione. Nello stato di equilibrio, il coefficiente di conduttività termica viene determinato in base ai gradienti di temperatura misurati del campione di prova e dei corrispondenti campioni di riferimento e alla conduttività termica dei materiali di riferimento.
4.2 Applicare forza al sacchetto per garantire un buon contatto tra i campioni. Il pacco è circondato da un materiale isolante a conducibilità termica, l'isolante è racchiuso in un guscio protettivo di raggio r 8, posto ad una temperatura T d (2). Si stabilisce un gradiente di temperatura nel sacchetto mantenendo la parte superiore alla temperatura Tm e la parte inferiore alla temperatura Tb. La temperatura T 9 (Z) è solitamente un gradiente di temperatura lineare corrispondente approssimativamente al gradiente stabilito nella confezione sottoposta a test. Un riscaldatore isotermico di sicurezza con temperatura T ? (Z). uguale a temperatura media campione di prova. Si sconsiglia di utilizzare la struttura della cella di misura del dispositivo senza riscaldatori di sicurezza a causa delle possibili grandi perdite di calore, soprattutto a temperature elevate. Nello stato stazionario, i gradienti di temperatura lungo le sezioni vengono calcolati in base alle temperature misurate lungo due campioni di riferimento e il campione di prova. Il valore di X" s senza tenere conto della correzione per il trasferimento di calore viene calcolato utilizzando la formula ( simboli mostrato nella Figura 2).
T 4 -G 3 2 U 2 -Z, Z e -Z 5
dove Г è la temperatura in Z,. K T 2 - temperatura a Z 2, K G 3 - temperatura a Z 3. A
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G 4 - temperatura a Z 4. A;
à 5 - temperatura a Z s. A:
Гв - temperatura a Z e. A:
Z, - coordinata del 1o sensore di temperatura, m;
Zj - coordinata del 2o sensore di temperatura, m;
Z 3 - coordinata del 3o sensore di temperatura, m;
Z 4 - coordinata del 4o sensore di temperatura, m;
Z 5 - coordinata del 5o sensore di temperatura, m;
Z e - coordinata del 6o sensore di temperatura, m.
Questo schema è idealizzato, poiché non tiene conto dello scambio termico tra il pacchetto e l'isolamento in ogni punto e del trasferimento di calore uniforme in ciascuna interfaccia tra i campioni di riferimento e il campione di prova. Gli errori causati da questi due presupposti possono variare notevolmente. A causa di questi due fattori, è necessario porre delle limitazioni a questo metodo di prova. se è necessario ottenere la precisione richiesta.
1 - gradiente di temperatura nel guscio protettivo: 2 - gradiente di temperatura nella confezione; 3 - termocoppia: 4 - morsetto.
S - riscaldatore superiore. b - campione di riferimento superiore: 7 - campione di riferimento inferiore, c - riscaldatore inferiore: c - frigorifero. 10 - resistenza di sicurezza superiore: I - resistenza di sicurezza
Figura 1 - Diagramma di un tipico pacchetto di prova e guscio di contenimento che mostra la corrispondenza dei gradienti di temperatura
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7
B
Refrigerato
Oai oimshprmi
Isolamento; 2 - riscaldatore di sicurezza. E - guscio protettivo in metallo o ceramica: 4 - riscaldatore. S - campione di riferimento, b - campione di prova, x - posizione approssimativa delle termocoppie
Figura 2 - Schema del metodo del flusso di calore stazionario unidimensionale utilizzando un riscaldatore di sicurezza, con indicazione delle possibili posizioni per l'installazione dei sensori di temperatura
5 Attrezzature e materiali
5.1 Campioni di riferimento
5.1.1 Per i campioni di riferimento, dovrebbero essere utilizzati materiali di riferimento o materiali standard con valori di conduttività termica noti. La tabella 1 mostra alcuni dei materiali di riferimento generalmente accettati. La Figura 3 mostra la variazione approssimativa >. m con la temperatura.
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Typlofoaodoost, EGL^m-K)
Figura 3 - Valori di riferimento della conducibilità termica dei materiali di riferimento
Nota: il materiale selezionato per i campioni di riferimento deve avere una conduttività termica più vicina alla conduttività termica del materiale da misurare.
5.1.2 La Tabella 1 non è esaustiva e altri materiali possono essere utilizzati come materiali di riferimento. Il materiale di riferimento e la fonte dei valori X m devono essere specificati nel rapporto di prova.
Tabella 1 - Dati di riferimento per le caratteristiche dei materiali di riferimento
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Fine della tabella 1
Tabella 2 - Conducibilità termica del ferro elettrolitico
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Temperatura. A |
Conduttività termica. W/(m·K) |
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Tabella 3 - Conduttività termica del tungsteno
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Temperatura, K |
Conduttività termica. 6t/(mK) |
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Tabella 4 - Conducibilità termica dell'acciaio austenitico
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Temperatura. A |
Conduttività termica, W/(m·K) |
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Fine della tabella 4
5.1.3 I requisiti per eventuali materiali di riferimento includono la stabilità delle proprietà nell'intero intervallo di temperature operative, la compatibilità con altri componenti della cella di misurazione dello strumento, la facilità di montaggio del sensore di temperatura e una conduttività termica accuratamente nota. Poiché gli errori dovuti alla perdita di calore per un particolare aumento di k sono proporzionali alla variazione di k e Jk s, per i campioni di riferimento dovrebbe essere utilizzato il materiale di riferimento c). m più vicino a >. S.
5.1.4 Se la conduttività termica del campione di prova k s è compresa tra i valori di conduttività termica di due materiali di riferimento, dovrebbe essere utilizzato il materiale di riferimento con una conduttività termica k u più elevata. per ridurre il calo di temperatura complessivo lungo la confezione.
5.2 Materiali isolanti
Materiali in polvere, dispersi e fibrosi vengono utilizzati come materiali isolanti per ridurre il flusso di calore radiale nello spazio anulare che circonda la confezione e la perdita di calore lungo la confezione. Ci sono diversi fattori da considerare quando si sceglie l’isolamento:
L'isolante deve essere stabile nell'intervallo di temperature previsto, avere un basso valore di conducibilità termica ed essere facile da maneggiare;
L'isolamento non deve contaminare i componenti della cella dello strumento come i sensori di temperatura, deve avere una bassa tossicità e non deve condurre corrente elettrica.
Polveri e solidi sono comunemente usati poiché sono facili da compattare. È possibile utilizzare tappetini in fibra a bassa densità.
5.3 Sensori di temperatura
5.3.1 Almeno due sensori di temperatura devono essere installati su ciascun campione di riferimento e due sul campione di prova. Se possibile, i campioni di riferimento e il campione di prova dovrebbero contenere ciascuno tre sensori di temperatura. Sono necessari sensori aggiuntivi per confermare la linearità della distribuzione della temperatura lungo la confezione o per rilevare un errore dovuto a un sensore di temperatura non calibrato.
5.3.2 Il tipo di sensore di temperatura dipende dalle dimensioni della cella di misurazione del dispositivo, dall'intervallo di temperatura e ambiente nella cella di misurazione del dispositivo, determinata da isolamento, campioni di riferimento, campione di prova e gas. Per misurare la temperatura è possibile utilizzare qualsiasi sensore con sufficiente precisione e la cella di misurazione del dispositivo deve essere sufficientemente grande in modo che il disturbo del flusso di calore proveniente dai sensori di temperatura sia insignificante. Solitamente vengono utilizzate termocoppie. Le loro dimensioni ridotte e la facilità di fissaggio sono chiari vantaggi.
5.3.3 Le termocoppie devono essere realizzate con filo di diametro non superiore a 0,1 mm. Tutte le giunzioni fredde devono essere mantenute a temperatura costante. Questa temperatura viene mantenuta da una sospensione raffreddata, da un termostato o dalla compensazione elettronica del punto di riferimento. Tutte le termocoppie devono essere prodotte con filo calibrato o filo certificato dal fornitore per garantire i limiti di errore specificati in GOST R 8.585.
5.3.4 I metodi per collegare le termocoppie sono mostrati nella Figura 4. I contatti interni possono essere ottenuti in metalli e leghe saldando singoli termoelementi alle superfici (Figura 4a). Le giunzioni delle termocoppie, saldate di testa o con presa, possono essere fissate rigidamente mediante forgiatura, cementazione o saldatura in scanalature strette o piccoli fori (Figure 4b, 4c e 4 5.3.5 Nella Figura 46, la termocoppia è posizionata in una fessura radiale e nella Figura 4c la termocoppia viene tirata attraverso un foro radiale nel materiale. 8 nel caso di utilizzo di una termocoppia in un guscio protettivo o di una termocoppia, i cui termoelementi si trovano entrambi in un isolante elettrico con due GOST R57967-2017 fori, è possibile utilizzare il supporto per termocoppia mostrato nella Figura 4d. Negli ultimi tre casi, la termocoppia deve essere incollata termicamente alla superficie solida con un adesivo adatto o cemento ad alta temperatura. Tutte e quattro le procedure mostrate nella Figura 4 dovrebbero includere l'indurimento dei fili sulle superfici, l'avvolgimento dei fili nelle zone isotermiche, la messa a terra termica dei fili sulla protezione o una combinazione di tutte e tre. 5.3.6 Perché l'imprecisione nella posizione del sensore di temperatura porta a grandi errori. Particolare attenzione deve essere posta nel determinare la corretta distanza tra i sensori e nel calcolare il possibile errore derivante da un'eventuale imprecisione. c - cheese shoye interno con termocoppie separate saldate al campione di prova o ai campioni di riferimento in modo che il segnale passi attraverso il materiale. 6 - scanalatura radiale sulla superficie piana del fissaggio di un sensore a filo nudo o termocoppia con isolamento ceramico; c - un piccolo foro radiale praticato attraverso il pezzo di prova o i campioni di riferimento e una termocoppia nuda (ammessa se il materiale è un isolante elettrico) o isolata tirata attraverso il foro: d - un piccolo foro radiale praticato attraverso il pezzo di prova o i campioni di riferimento , e una termocoppia , posta sul foro Figura 4 – Montaggio termocoppie NOTA In tutti i casi, i termoelementi devono essere induriti termicamente o messi a terra termicamente al contenimento per ridurre al minimo l'errore di misurazione dovuto al flusso di calore da o verso la giunzione calda. 5.4 Sistema di caricamento 5.4.1 Il metodo di prova richiede un trasferimento di calore uniforme attraverso l'interfaccia tra i campioni di riferimento e il campione di prova quando i sensori di temperatura sono posizionati entro rk dall'interfaccia. Per fare ciò, è necessario garantire una resistenza di contatto uniforme GOST R57967-2017 fusione delle aree adiacenti dei provini di riferimento e del provino, che può essere creata applicando un carico assiale in combinazione con un mezzo conduttivo alle interfacce. Non è consigliabile effettuare misurazioni sotto vuoto a meno che non sia necessario per scopi protettivi. 5.4.2 Quando si testano materiali con bassa conduttività termica, vengono utilizzati provini sottili, quindi i sensori di temperatura devono essere installati vicino alla superficie. In questi casi, è necessario introdurre sulle interfacce uno strato molto sottile di liquido, pasta, foglio di metallo morbido o schermo altamente termicamente conduttivo. 5.4.3 La progettazione dello strumento di misura deve fornire mezzi per imporre un carico ripetibile e costante lungo la pila al fine di ridurre al minimo le resistenze interfacciali alle interfacce tra i campioni di riferimento e il campione di prova. Il carico può essere applicato pneumaticamente, idraulicamente, mediante azione elastica o posizionando un carico. I meccanismi di applicazione del carico di cui sopra sono costanti al variare della temperatura del pacco. In alcuni casi, la resistenza alla compressione del provino può essere così bassa che la forza applicata deve essere limitata dal peso del provino di riferimento superiore. In questo caso particolare attenzione deve essere posta agli errori che possono essere causati da uno scarso contatto, per cui i sensori di temperatura devono essere posizionati lontano da qualsiasi disturbo al flusso di calore alle interfacce. 5.5 Copertura di sicurezza 5.5.1 Il pacco composto dal campione in esame e dai campioni di riferimento deve essere racchiuso in un guscio protettivo con corretta simmetria circolare. Il guscio di contenimento può essere metallico o ceramico e il suo raggio interno dovrebbe essere tale che il rapporto r^rA sia compreso tra 2,0 e 3,5. Il guscio di contenimento deve contenere almeno un riscaldatore di sicurezza per regolare il profilo di temperatura lungo il guscio. 5.5.2 Il contenimento deve essere progettato e gestito in modo tale che la sua temperatura superficiale sia isotermica e approssimativamente uguale alla temperatura media del campione di prova, oppure abbia un profilo lineare approssimativo coerente alle estremità superiore e inferiore del contenimento con le posizioni corrispondenti lungo il lato della confezione. In ogni caso, sul guscio di contenimento devono essere installati almeno tre sensori di temperatura in punti precoordinati (vedi Figura 2) per misurare il profilo di temperatura. 5.6 Apparecchiature di misurazione 5.6.1 La combinazione di sensore di temperatura e strumento di misurazione utilizzata per misurare l'uscita del sensore deve essere adeguata a fornire una precisione di misurazione della temperatura di ±0,04 K e un errore assoluto inferiore a ±0,5%. 5.6.2 L'apparecchiatura di misurazione per questo metodo deve mantenere la temperatura richiesta e misurare tutte le tensioni di uscita associate con una precisione commisurata alla precisione di misurazione della temperatura dei sensori di temperatura. 6.1 Requisiti per i campioni di prova 6.1.1 I campioni di prova esaminati utilizzando questo metodo non si limitano alla geometria delle caramelle. È preferibile utilizzare campioni cilindrici o prismatici. Le aree di conduttività del campione di prova e dei campioni di riferimento devono essere identiche entro l'1% e qualsiasi differenza nell'area deve essere presa in considerazione nel calcolo del risultato. Per una configurazione cilindrica, i raggi del provino e dei provini di riferimento devono essere coerenti entro ± 1%. e il raggio del campione di prova r A dovrebbe essere tale che r B fr A sia compreso tra 2,0 e 3,5. Ciascuna superficie piana dei campioni di prova e di riferimento deve essere piana con una ruvidità superficiale non superiore a R a 32 in conformità con GOST 2789. e le normali a ciascuna superficie devono essere parallele all'asse del campione con una precisione di ± 10 min. NOTA In alcuni casi questo requisito non è necessario. Ad esempio, alcuni strumenti possono essere costituiti da campioni di riferimento e campioni di prova con valori > elevati. m e >. S. dove gli errori dovuti alla perdita di calore sono trascurabili per lunghi tratti. Tali sezioni possono essere di lunghezza sufficiente per consentirlo GOST R57967-2017 che monta i sensori di temperatura ad una distanza sufficiente dai punti di contatto, garantendo così un flusso di calore uniforme. La lunghezza del provino deve essere selezionata in base alle informazioni sul raggio e sulla conduttività termica. Quando). e superiore alla conduttività termica dell'acciaio inossidabile, è possibile utilizzare provette lunghe con una lunghezza di 0 g A » 1. Provette così lunghe consentono l'uso di grandi distanze tra i sensori di temperatura e ciò riduce l'errore derivante dall'imprecisione della posizione del sensore. Quando). m inferiore alla conduttività termica dell'acciaio inossidabile, la lunghezza del provino deve essere ridotta poiché l'errore di misurazione dovuto alla perdita di calore diventa troppo grande. 6.1.2 Se non diversamente stabilito in un documento normativo o documentazione tecnica sul materiale. Per il test viene utilizzato un campione di prova. 6.2 Configurazione dell'attrezzatura 6.2.1 La calibrazione e la verifica delle apparecchiature vengono eseguite nei seguenti casi: Dopo aver assemblato l'attrezzatura: Se il rapporto tra X m e X s è inferiore a 0,3. o più di 3. e non è possibile selezionare valori di conducibilità termica; Se la forma del campione di prova è complessa o il campione di prova è piccolo: Se sono state apportate modifiche ai parametri geometrici della cella di misura del dispositivo; Se si è deciso di utilizzare materiali di riferimento o materiali isolanti diversi da quelli indicati nelle sezioni 6.3 e 6.4: Se l'apparecchiatura ha funzionato sufficientemente in precedenza alta temperatura, che potrebbe modificare le proprietà dei componenti, come ad esempio. ad esempio, la sensibilità di una termocoppia. 6.2.2 Tali controlli devono essere effettuati confrontando almeno due materiali di riferimento come segue: Selezionare un materiale di riferimento la cui conduttività termica sia più vicina alla conduttività termica prevista del campione di prova: La conduttività termica X di un campione realizzato con un materiale di riferimento viene misurata utilizzando pezzi di riferimento realizzati con un altro materiale di riferimento che ha un valore X più vicino a quello del campione. Ad esempio, il test può essere eseguito su un campione di vetro. utilizzando campioni di riferimento in acciaio inossidabile. Se la conduttività termica misurata di un campione non concorda con il valore nella Tabella 1 dopo aver applicato una correzione del trasferimento di calore, è necessario identificare le fonti di errore. 7.1 Selezionare i campioni di riferimento in modo che la loro conduttività termica sia dello stesso ordine di grandezza previsto per il campione di prova. Dopo aver equipaggiato i campioni di riferimento necessari con sensori di temperatura e averli installati nella cella di misurazione, il campione di prova viene dotato di mezzi simili. Il campione di prova viene inserito nel sacchetto in modo che si inserisca tra i campioni di riferimento e sia in contatto con campioni di riferimento adiacenti per almeno il 99% di ciascuna superficie. Per ridurre la resistenza superficiale, è possibile utilizzare un foglio morbido o altri mezzi di contatto. Se la cella di misura deve essere protetta dall'ossidazione durante il test, o se la misura richiede un gas specifico o una pressione del gas per controllare X/t, allora la cella di misura viene riempita e spurgata con gas di lavoro con impostare la pressione. Per caricare la pila, dovrebbe essere applicata la forza necessaria per ridurre gli effetti della resistenza termica non uniforme all'interfaccia. 7.2 Accendere i riscaldatori superiore e inferiore su entrambe le estremità dell'imballaggio e regolarli fino a quando. mentre la differenza di temperatura tra i punti 2 e Zj. Z3 e Z4. e Z s e 2^ non saranno più di 200 volte l'errore del sensore di temperatura, ma non più di 30 K. e il campione di prova non sarà alla temperatura media richiesta per la misurazione. Nonostante. che non è richiesto l'esatto profilo di temperatura lungo il guscio protettivo 3. La potenza dei riscaldatori di sicurezza viene regolata fino a quando il profilo di temperatura lungo il guscio T g (conduttività termica del miglior conduttore di calore - argento) è fino a X circa 10_6 (conduttività termica dei gas meno conduttivi). La conduttività termica dei gas aumenta notevolmente con l'aumentare della temperatura. Per alcuni gas (GH 4: NH 3), la conduttività termica relativa aumenta bruscamente all'aumentare della temperatura e per alcuni (Ne) diminuisce. Secondo la teoria cinetica la conducibilità termica dei gas non dovrebbe dipendere dalla pressione. Tuttavia, vari motivi portano al fatto che con l'aumento della pressione la conduttività termica aumenta leggermente. Nell'intervallo di pressione da quello atmosferico a diversi millibar, la conduttività termica non dipende dalla pressione, poiché il percorso libero medio delle molecole aumenta con una diminuzione del numero di molecole per unità di volume. Ad una pressione di -20 mbar il percorso libero medio delle molecole corrisponde alla dimensione della camera di misura. La misurazione della conducibilità termica è il metodo fisico più antico per l'analisi dei gas. Fu descritto soprattutto nel 1840 nei lavori di A. Schleiermacher (1888-1889) e venne utilizzato nell'industria dal 1928. Nel 1913, Siemens sviluppò un misuratore di concentrazione di idrogeno per i dirigibili. Successivamente, per molti decenni, strumenti basati sulla misurazione della conduttività termica furono sviluppati e ampiamente utilizzati con grande successo nell'industria chimica in rapida crescita. Naturalmente inizialmente sono state analizzate solo miscele di gas binarie. I migliori risultati si ottengono con una grande differenza nella conducibilità termica dei gas. Tra i gas, l'idrogeno ha la maggiore conduttività termica. In pratica, è stato anche giustificato misurare la concentrazione di CO nei gas di combustione, poiché le conduttività termiche di ossigeno, azoto e monossido di carbonio sono molto vicine tra loro, il che consente di considerare la miscela di questi quattro componenti come quasi -binario. I coefficienti di temperatura della conduttività termica di gas diversi non sono gli stessi, quindi puoi trovare la temperatura alla quale le conduttività termiche di gas diversi sono le stesse (ad esempio, 490 ° C - per anidride carbonica e ossigeno, 70 ° C - per ammoniaca e aria, 75°C - per anidride carbonica e argon). Quando si risolve un determinato problema analitico, queste coincidenze possono essere utilizzate considerando la miscela di gas ternaria come quasi binaria. Nell'analisi del gas si può presumere che la conduttività termica è una proprietà additiva. Misurando la conducibilità termica della miscela e conoscendo la conducibilità termica dei componenti puri della miscela binaria, è possibile calcolarne le concentrazioni. Tuttavia, questa semplice relazione non può essere applicata a nessuna miscela binaria. Ad esempio, le miscele di aria - vapore acqueo, aria - ammoniaca, monossido di carbonio - ammoniaca e aria - acetilene con un determinato rapporto di componenti hanno la massima conduttività termica. Pertanto, l'applicabilità del metodo della conducibilità termica è limitata a un determinato intervallo di concentrazione. Per molte miscele esiste una relazione non lineare tra conduttività termica e composizione. Pertanto, è necessario rimuovere la curva di calibrazione, in base alla quale dovrebbe essere realizzata la scala del dispositivo di registrazione. Sensori di conducibilità termica(sensori termoconduttometrici) sono costituiti da quattro piccole camere riempite di gas di piccolo volume con sottili conduttori di platino della stessa dimensione e con la stessa resistenza elettrica posti in esse, isolati dal corpo. La stessa corrente costante di valore stabile scorre attraverso i conduttori e li riscalda. I conduttori - elementi riscaldanti - sono circondati da gas. Due camere contengono il gas da misurare, le altre due contengono il gas di riferimento. Tutti gli elementi riscaldanti sono integrati in un ponte Wytheton, con il quale non è difficile misurare una differenza di temperatura di circa 0,01°C. Una sensibilità così elevata richiede l'esatta uguaglianza delle temperature delle camere di misurazione, quindi l'intero sistema di misurazione è posizionato in un termostato o nella diagonale di misurazione del ponte ed è inclusa una resistenza per la compensazione della temperatura. Finché la rimozione del calore dagli elementi riscaldanti nelle camere di misura e di confronto è la stessa, il ponte è in equilibrio. Quando alle camere di misura viene fornito un gas con diversa conducibilità termica, questo equilibrio viene interrotto, la temperatura degli elementi sensibili e, allo stesso tempo, la loro resistenza cambia. La corrente risultante nella diagonale di misura è proporzionale alla concentrazione del gas misurato. Per aumentare la sensibilità, è necessario aumentare la temperatura operativa degli elementi sensibili, ma è necessario prestare attenzione per garantire che venga mantenuta una differenza sufficientemente ampia nella conduttività termica del gas. Pertanto, per varie miscele di gas esiste una temperatura ottimale per conduttività termica e sensibilità. Spesso la differenza tra la temperatura degli elementi sensibili e la temperatura delle pareti della camera viene scelta tra 100 e 150°C. Le celle di misura degli analizzatori termoconduttimetrici industriali sono costituite, di regola, da una massiccia custodia metallica nella quale sono forate le camere di misura. Ciò garantisce una distribuzione uniforme della temperatura e una buona stabilità di calibrazione. Poiché le letture del misuratore di conduttività termica sono influenzate dalla portata del gas, il gas viene introdotto nelle camere di misurazione attraverso un canale di bypass. Di seguito sono riportate le soluzioni dei vari progettisti per garantire lo scambio di gas richiesto. In linea di principio si presuppone che il flusso principale del gas sia collegato tramite canali di collegamento alle camere di misurazione attraverso le quali il gas scorre con una leggera differenza. In questo caso la diffusione e la convezione termica hanno un'influenza decisiva sul rinnovo del gas nelle camere di misura. Il volume delle camere di misurazione può essere molto piccolo (diversi millimetri cubi), il che garantisce una piccola influenza del trasferimento di calore convettivo sul risultato della misurazione. Per ridurre l'effetto catalitico dei conduttori di platino, questi vengono fusi in capillari di vetro a pareti sottili in vari modi. Per garantire la resistenza della camera di misurazione alla corrosione, tutte le parti del gasdotto sono ricoperte di vetro. Ciò consente di misurare la conduttività termica di miscele contenenti cloro, acido cloridrico e altri gas aggressivi. Gli analizzatori termoconduttimetrici con camere comparative chiuse sono comuni principalmente nell'industria chimica. La selezione del gas di riferimento appropriato semplifica la calibrazione dello strumento. Inoltre è possibile ottenere una scala con lo zero soppresso. Per ridurre la deriva del punto zero, le camere di confronto devono essere ben sigillate. In casi particolari, ad esempio, quando si verificano forti fluttuazioni nella composizione della miscela di gas, è possibile lavorare con camere comparative a flusso. In questo caso, utilizzando un reagente speciale, uno dei componenti viene rimosso dalla miscela di gas misurata (ad esempio CO e una soluzione di potassio caustico), quindi la miscela di gas viene inviata a camere comparative. I rami di misurazione e confronto differiscono in questo caso solo per l'assenza di uno dei componenti. Questo metodo consente spesso di analizzare miscele di gas complesse. Recentemente, al posto dei conduttori metallici, come elementi sensibili vengono talvolta utilizzati termistori semiconduttori. Il vantaggio dei termistori è che il coefficiente di temperatura della resistenza è 10 volte superiore rispetto alle resistenze termiche metalliche. Ciò consente un netto aumento della sensibilità. Allo stesso tempo, però, vengono richiesti requisiti molto più elevati per quanto riguarda la stabilizzazione della corrente del ponte e della temperatura delle pareti della camera. Prima di altri e più ampiamente, gli strumenti termoconduttometrici iniziarono ad essere utilizzati per l'analisi dei gas di scarico dei forni a combustione. Grazie alla loro elevata sensibilità, alta velocità, facilità di manutenzione e design affidabile, nonché al loro basso costo, gli analizzatori di questo tipo furono successivamente rapidamente introdotti nell'industria. Gli analizzatori di conducibilità termica sono più adatti per misurare la concentrazione di idrogeno nelle miscele. Nella scelta dei gas di riferimento è necessario considerare anche le miscele di gas diversi. I seguenti dati (Tabella 6.1) possono essere utilizzati come esempio di intervalli di misurazione minimi per vari gas. Tabella 6.1 Campi di misura minimi per diversi gas, %
a volume L'intervallo di misurazione massimo è spesso compreso tra 0 e 100%, con la soppressione del 90 o addirittura del 99%. In casi particolari, un analizzatore di conducibilità termica consente di avere diversi intervalli di misurazione su un unico dispositivo. Viene utilizzato, ad esempio, per controllare i processi di riempimento e svuotamento dei turbogeneratori raffreddati a idrogeno nelle centrali termoelettriche. A causa del pericolo di esplosioni, l'alloggiamento del generatore non viene riempito d'aria, ma come gas di spurgo viene prima introdotta anidride carbonica e poi idrogeno. Il gas viene rilasciato dal generatore allo stesso modo. I seguenti intervalli di misurazione possono essere ottenuti con una riproducibilità abbastanza elevata su un singolo analizzatore: 0-100% (vol/vol) CO (in aria per lo spurgo di CO), 100-0% H 2 in CO (per il riempimento con idrogeno) e 100 -80% H 2 (nell'aria per controllare la purezza dell'idrogeno durante il funzionamento del generatore). Questo è un modo economico per misurare. Per determinare il contenuto di idrogeno nel cloro rilasciato durante l'elettrolisi del cloruro di potassio utilizzando un analizzatore termoconduttometrico, è possibile lavorare sia con un gas di riferimento sigillato (S0 2, Ar) sia con un gas di riferimento scorrevole. In quest'ultimo caso una miscela di idrogeno e cloro viene inviata prima alla camera di misura e poi ad un forno di postcombustione con una temperatura > 200°C. L'idrogeno brucia con l'eccesso di cloro per formare acido cloridrico. La miscela risultante di HC e C1 2 viene alimentata nella camera comparativa. In questo caso, la concentrazione di idrogeno è determinata dalla differenza di conduttività termica. Questo metodo riduce significativamente l'influenza di piccole quantità di aria. Per ridurre l'errore che si verifica durante l'analisi del gas umido, il gas deve essere essiccato, operazione eseguita utilizzando un assorbitore di umidità o abbassando la temperatura del gas al di sotto del punto di rugiada. Esiste un'altra possibilità per compensare l'influenza dell'umidità, applicabile solo quando si misura utilizzando uno schema di gas di riferimento con flusso. Per lavorare con gas esplosivi, numerose aziende producono dispositivi antideflagranti. In questo caso, le camere dei misuratori di conducibilità termica sono progettate per l'alta pressione, all'ingresso e all'uscita delle camere sono installati dei dispositivi antincendio e il segnale di uscita è limitato a un livello di sicurezza intrinseca. Tuttavia, tali dispositivi non possono essere utilizzati per analizzare miscele di gas esplosivi con ossigeno o idrogeno con cloro. Qualunque sia la scala della costruzione, il primo passo è sviluppare un progetto. I disegni riflettono non solo la geometria della struttura, ma anche il calcolo delle principali caratteristiche termiche. Per fare ciò, è necessario conoscere la conduttività termica dei materiali da costruzione. L'obiettivo principale della costruzione è costruire strutture durevoli, strutture durevoli che siano confortevoli senza costi di riscaldamento eccessivi. A questo proposito è estremamente importante la conoscenza dei coefficienti di conducibilità termica dei materiali. Il mattone ha una migliore conduttività termica Il termine conduttività termica si riferisce al trasferimento di energia termica dagli oggetti più riscaldati a quelli meno riscaldati. Lo scambio continua fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. Il trasferimento di calore è determinato dal periodo di tempo durante il quale la temperatura nelle stanze è in accordo con la temperatura ambiente. Quanto più piccolo è questo intervallo, tanto maggiore è la conduttività termica del materiale da costruzione. Per caratterizzare la conduttività del calore, viene utilizzato il concetto di coefficiente di conduttività termica, che mostra quanto calore passa attraverso questa o quella superficie in un certo tempo. Più alto è questo indicatore, maggiore è lo scambio di calore e l'edificio si raffredda molto più velocemente. Pertanto, quando si costruiscono strutture, si consiglia di utilizzare materiali da costruzione con conduttività termica minima. In questo video imparerai a conoscere la conduttività termica dei materiali da costruzione: Gli elementi principali dell'edificio attraverso i quali il calore fuoriesce: Il livello di perdita di calore viene determinato utilizzando una termocamera. Il rosso indica le zone più difficili, il giallo e il verde indicano una minore perdita di calore. Le aree con le minori perdite sono evidenziate in blu. Il valore di conduttività termica viene determinato in condizioni di laboratorio e al materiale viene rilasciato un certificato di qualità. Il valore della conducibilità termica dipende dai seguenti parametri: La perdita di calore in una casa è inevitabile e si verifica quando la temperatura esterna è inferiore a quella interna. L’intensità è variabile e dipende da molti fattori, i principali sono i seguenti: La lettera greca λ viene utilizzata per denotare la conduttività termica dei materiali da costruzione. Unità di misura – W/(m×°C). Il calcolo è effettuato per 1 m² di muro spesso un metro. Qui si presuppone una differenza di temperatura di 1°C. Convenzionalmente, i materiali sono suddivisi in isolanti termici e strutturali. Questi ultimi hanno la più alta conduttività termica e vengono utilizzati per costruire muri, soffitti e altre recinzioni. Secondo la tabella dei materiali, quando si costruiscono pareti in cemento armato, per garantire un basso scambio termico con l'ambiente, il loro spessore dovrebbe essere di circa 6 m. la struttura risulterà ingombrante e costosa. Se la conducibilità termica viene calcolata in modo errato in fase di progettazione, gli abitanti della futura casa si accontenteranno solo del 10% del calore proveniente da fonti energetiche. Pertanto, si consiglia di isolare ulteriormente le case realizzate con materiali da costruzione standard. Quando si impermeabilizza correttamente l’isolamento, l’elevata umidità non influisce sulla qualità dell’isolamento termico e la resistenza della struttura al trasferimento di calore diventerà molto più elevata. L'opzione più comune è una combinazione di una struttura portante realizzata con materiali ad alta resistenza con isolamento termico aggiuntivo. Per esempio: Oggi i muri sono costruiti con materiali diversi, ma i più popolari rimangono: legno, mattoni e mattoni. Le differenze principali risiedono nella densità e nella conduttività termica dei materiali da costruzione. L'analisi comparativa ci consente di trovare una via di mezzo nella relazione tra questi parametri. Maggiore è la densità, maggiore sarà la capacità portante del materiale, e quindi dell'intera struttura. Ma la resistenza termica diminuisce, cioè aumentano i costi energetici. Di solito a densità inferiori c'è porosità. Coefficiente di conducibilità termica e sua densità. I materiali isolanti vengono utilizzati quando la resistenza termica delle pareti esterne non è sufficiente. In genere, uno spessore di 5-10 cm è sufficiente per creare un microclima interno confortevole. Il valore del coefficiente λ è riportato nella tabella seguente. La conduttività termica misura la capacità di un materiale di trasmettere calore attraverso se stesso. Dipende molto dalla composizione e dalla struttura. I materiali densi come i metalli e la pietra sono buoni conduttori di calore, mentre le sostanze a bassa densità come il gas e gli isolanti porosi sono cattivi conduttori.
Obiettivo del lavoro: studio della metodologia per la determinazione sperimentale del coefficiente conduttività termica di materiali solidi mediante il metodo delle piastre. Esercizio:1. Determinare il coefficiente di conducibilità termica del materiale in esame. il materiale oggetto di studio. DISPOSIZIONI FONDAMENTALI. Scambio di caloreè un processo spontaneo irreversibile di trasferimento di calore nello spazio in presenza di una differenza di temperatura. Esistono tre metodi principali di trasferimento del calore, che differiscono significativamente nella loro natura fisica: conduttività termica; convezione; radiazione termica. In pratica, il calore viene solitamente trasferito contemporaneamente in diversi modi, ma la conoscenza di questi processi è impossibile senza lo studio dei processi elementari di trasferimento del calore. Conduttività termicaè il processo di trasferimento del calore causato dal movimento termico delle microparticelle. Nei gas e nei liquidi, il trasferimento di calore per conduttività termica avviene attraverso la diffusione di atomi e molecole. Nei solidi, la libera circolazione di atomi e molecole nell'intero volume della sostanza è impossibile ed è ridotta solo al loro movimento vibrazionale rispetto a determinate posizioni di equilibrio. Pertanto, il processo di conducibilità termica nei solidi è causato da un aumento dell'ampiezza di queste oscillazioni, propagate in tutto il volume del corpo a causa del disturbo dei campi di forza tra le particelle oscillanti. Nei metalli, il trasferimento di calore per conduttività termica avviene non solo a causa delle vibrazioni di ioni e atomi situati nei nodi del reticolo cristallino, ma anche a causa del movimento degli elettroni liberi, formando il cosiddetto "gas di elettroni". A causa della presenza nei metalli di ulteriori portatori di energia termica sotto forma di elettroni liberi, la conduttività termica dei metalli è significativamente superiore a quella dei dielettrici solidi. Quando si studia il processo di conduttività termica, vengono utilizzati i seguenti concetti di base: Quantità di calore (Q
)
– energia termica che passa durante l’intero processoattraverso una superficie di area arbitraria F. Nel sistema SI si misura in joule (J). Flusso di calore (potenza termica) (Q)
– la quantità di calore che passa nell’unità di tempo attraverso una superficie di area arbitraria F. Nel sistema SI, il flusso di calore è misurato in watt (W). Densità del flusso di calore (Q)
– la quantità di calore che passa nell’unità di tempo attraverso una unità di superficie. Nel sistema SI si misura in W/m2. Campo della temperatura– un insieme di valori di temperatura in un dato momento nel tempo in tutti i punti dello spazio occupati da un corpo. Se la temperatura in tutti i punti del campo di temperatura non cambia nel tempo, viene chiamato tale campo stazionario, se cambia, allora – non stazionario. Si chiamano superfici formate da punti aventi la stessa temperatura isotermico. Gradiente di temperatura (gradoT)
– un vettore diretto lungo la normale alla superficie isoterma nella direzione dell'aumento della temperatura e definito numericamente come il limite del rapporto tra la variazione di temperatura tra due superfici isoterme e la distanza tra loro lungo la normale quando questa distanza tende a zero. O in altre parole, il gradiente di temperatura è la derivata della temperatura in questa direzione. Il gradiente di temperatura caratterizza la velocità di variazione della temperatura nella direzione normale alla superficie isotermica. Il processo di conducibilità termica è caratterizzato dalla legge fondamentale della conduttività termica: La legge di Fourier(1822). Secondo questa legge, la densità del flusso di calore trasmesso attraverso la conducibilità termica è direttamente proporzionale al gradiente di temperatura: dove è il coefficiente di conduttività termica della sostanza, W/(mdeg). Il segno (-) indica che il flusso di calore e il gradiente di temperatura hanno direzione opposta. Coefficiente di conducibilità termica mostra quanto calore viene trasferito per unità di tempo attraverso una superficie unitaria con un gradiente di temperatura pari all'unità. Il coefficiente di conduttività termica è un'importante caratteristica termofisica di un materiale e la sua conoscenza è necessaria quando si eseguono calcoli termici relativi alla determinazione delle perdite di calore attraverso le strutture che racchiudono edifici e strutture, pareti di macchine e apparecchi, nel calcolo dell'isolamento termico, nonché quando risolvendo molti altri problemi di ingegneria. Un'altra importante legge della conduttività termica è Legge di Fourier-Kirchhoff, che determina la natura dei cambiamenti di temperatura nello spazio e nel tempo durante la conduttività termica. Il suo altro nome è equazione differenziale del calore, perché è stato ottenuto con metodi della teoria dell'analisi matematica basati sulla legge di Fourier. Per un campo di temperatura non stazionario tridimensionale, l’equazione differenziale della conducibilità termica ha la seguente forma: Dove ,C p , - rispettivamente, il coefficiente di conduttività termica, capacità termica isobarica e densità della sostanza; Per un campo di temperatura stazionario unidimensionale ( Integrando le equazioni (1) e (2), è possibile determinare la densità del flusso di calore attraverso il corpo e la legge della variazione di temperatura all'interno del corpo durante il trasferimento di calore per conduzione. Per ottenere una soluzione è necessaria un'attività condizioni di univocità. Condizioni di unicità– si tratta di dati privati aggiuntivi che caratterizzano il problema in esame. Questi includono: Condizioni geometriche che caratterizzano la forma e la dimensione del corpo; Condizioni fisiche che caratterizzano le proprietà fisiche del corpo; condizioni temporanee (iniziali) che caratterizzano la distribuzione della temperatura nel momento iniziale; condizioni al contorno che caratterizzano le caratteristiche dello scambio termico ai confini del corpo. Esistono condizioni al contorno del 1°, 2° e 3° tipo. A condizioni al contorno del 1° tipo viene specificata la distribuzione delle temperature sulla superficie del corpo. In questo caso è necessario determinare la densità del flusso di calore attraverso il corpo. A condizioni al contorno del 2° tipo vengono specificate la densità del flusso di calore e la temperatura di una delle superfici del corpo. È necessario determinare la temperatura di un'altra superficie. Sotto condizioni al contorno del 3° tipo devono essere note le condizioni di scambio termico tra le superfici del corpo ed i mezzi che le lavano dall'esterno. Da questi dati viene determinata la densità del flusso di calore. Questo caso si riferisce al processo combinato di trasferimento di calore per conduzione e convezione, chiamato trasferimento di calore. Consideriamo l'esempio più semplice nel caso di conduzione del calore attraverso una parete piana. Piatto chiamato muro il cui spessore è significativamente inferiore alle altre due dimensioni: lunghezza e larghezza. In questo caso, le condizioni di unicità possono essere specificate come segue: geometrico: lo spessore della parete è noto. Il campo di temperatura è unidimensionale, quindi la temperatura cambia solo nella direzione dell'asse X e il flusso di calore è diretto normalmente alle superfici della parete;. fisico: il materiale della parete e il suo coefficiente di conducibilità termica sono noti, e per l'intero corpo=const; temporaneo: il campo della temperatura non cambia nel tempo, cioè è stazionario; condizioni di confine: 1° tipo, le temperature della parete sono T 1 e T 2. È necessario determinare la legge della variazione di temperatura lungo lo spessore della parete T=f(X) e la densità del flusso di calore attraverso la pareteq. Per risolvere il problema utilizziamo le equazioni (1) e (3). Tenendo conto delle condizioni al contorno accettate (a x=0T=T 1; a x=T=T 2) dopo la doppia integrazione dell'equazione (3) otteniamo la legge della variazione di temperatura lungo lo spessore della parete La distribuzione della temperatura in una parete piana è mostrata in Fig. 1. Fig. 1. Distribuzione della temperatura in una parete piana. La densità del flusso di calore viene quindi determinata secondo l'espressione La determinazione teorica del coefficiente di conduttività termica non può fornire la precisione del risultato necessaria per la pratica ingegneristica moderna, pertanto l'unico modo affidabile rimane la sua determinazione sperimentale. Uno dei metodi sperimentali più conosciuti per determinare is metodo dello strato piatto. Secondo questo metodo, il coefficiente di conduttività termica di un materiale a parete piana può essere determinato in base all'equazione (5) In questo caso il valore ottenuto del coefficiente di conducibilità termica si riferisce alla temperatura media T m = 0,5 (T 1 + T 2). Nonostante la sua semplicità fisica, l'implementazione pratica di questo metodo presenta le sue difficoltà legate alla difficoltà di creare un campo di temperatura stazionario unidimensionale nei campioni studiati e di tenere conto delle perdite di calore. DESCRIZIONE DELLO STAND LABORATORIO. La determinazione del coefficiente di conducibilità termica viene effettuata su un'installazione di laboratorio basata sul metodo di simulazione di processi fisici reali. L'installazione è composta da un PC collegato ad un layout dell'area di lavoro, che viene visualizzato sullo schermo del monitor. L'area di lavoro è stata realizzata in analogia con quella reale ed il suo schema è presentato in Fig. 2. La sezione di lavoro è composta da 2 campioni fluoroplastici 12, realizzati sotto forma di dischi con uno spessore di = 5 mm e un diametro di d = 140 mm. I campioni vengono posti tra un riscaldatore 10 con altezza h = 12 mm e diametro d n = 146 mm ed un frigorifero 11 raffreddato con acqua. La creazione del flusso di calore viene effettuata da un elemento riscaldante con resistenza elettrica R = 41 Ohm e da un frigorifero 11 con scanalature a spirale per la circolazione diretta dell'acqua di raffreddamento. Pertanto, il flusso di calore che passa attraverso i campioni fluoroplastici oggetto di studio viene portato via dall'acqua che scorre attraverso il frigorifero. Parte del calore del riscaldatore fuoriesce attraverso le superfici terminali nell'ambiente, pertanto, per ridurre queste perdite radiali, è previsto un involucro termoisolante 13 in cemento-amianto (k = 0,08 W/(mdeg)). L'involucro con altezza h k = 22 mm è realizzato sotto forma di un cilindro cavo con diametro interno d h = 146 mm e diametro esterno d k = 190 mm. La temperatura viene misurata utilizzando sette termocoppie Chromel-Copel (tipo XK) pos. 1…7, installati in vari punti dell'area di lavoro. L'interruttore del sensore di temperatura 15 consente di misurare in sequenza la termo-EMF di tutti e sette i sensori di temperatura. La termocoppia 7 è installata sulla superficie esterna dell'involucro termoisolante per determinare le perdite di calore attraverso di essa. ORDINE DI LAVORO. 3.1. La modalità di funzionamento della temperatura dell'impianto viene selezionata impostando la temperatura della superficie calda delle piastre T g nell'intervallo da 35°C a 120°C. 3.2. Sulla console di installazione, gli interruttori di alimentazione dei dispositivi indicatori che registrano la tensione sul riscaldatore elettrico U, il termo-EMF dei sensori di temperatura E e l'interruttore del riscaldamento sono accesi in sequenza. 3.3. Ruotando dolcemente la manopola del reostato, la tensione desiderata viene impostata sul riscaldatore. Il reostato è realizzato in una versione a gradini, quindi la tensione cambia gradualmente. La tensione U e la temperatura T g devono essere in accordo tra loro secondo la dipendenza presentata in Fig. 3. Fig.3. Zona di riscaldamento funzionante. 3.4. Interrogando in sequenza i sensori di temperatura utilizzando l'interruttore 15, vengono determinati i valori termo-EMF di sette termocoppie che, insieme al valore U, vengono inseriti nel protocollo dell'esperimento (vedere Tabella 1). La registrazione delle letture viene effettuata utilizzando dispositivi indicatori sul pannello di controllo, le cui letture vengono duplicate sul monitor del PC. 3.5. Al termine dell'esperimento, tutti gli organi regolatori dell'impianto vengono trasferiti nella loro posizione originaria. 3.6. Vengono eseguiti esperimenti ripetuti (il loro numero totale deve essere almeno 3) e ad altri valori di Tg secondo le modalità prescritte nei paragrafi. 3.1…3.5. ELABORAZIONE DEI RISULTATI DELLA MISURAZIONE. 4.1. Secondo le caratteristiche di calibrazione di una termocoppia Chromel-Copel, le letture dei sensori di temperatura 4.2. Vengono determinate le temperature medie delle superfici interne calde ed esterne fredde dei campioni dove i è il numero della termocoppia. 4.3. Viene determinato il flusso di calore totale generato dal riscaldatore elettrico dove U è la tensione della corrente elettrica, V; R= 41 Ohm – resistenza del riscaldatore elettrico. 4.4. Viene determinato il flusso di calore perso a causa del trasferimento di calore attraverso l'involucro dove k è un coefficiente che caratterizza il processo di trasferimento del calore attraverso l'involucro. dove k = 0,08 W/(mdeg) – coefficiente di conducibilità termica del materiale dell'involucro; d n = 0,146 m – diametro esterno del riscaldatore; dк = 0,190 m – diametro esterno dell'involucro; h n = 0,012 m – altezza del riscaldatore; h k = 0,022 m – altezza rivestimento. T t – temperatura della superficie esterna dell'involucro, determinata dalla 7a termocoppia 4.5. Il flusso di calore che passa attraverso i campioni in studio è determinato dalla conduttività termica 4.6. Viene determinato il coefficiente di conducibilità termica del materiale in esame dove Q è il flusso di calore che passa attraverso il campione in esame attraverso la conduttività termica, W; = 0,005 m – spessore del campione; d= 0,140 m – diametro del campione; T g, T x – temperature delle superfici calde e fredde del campione, rispettivamente, K. 4.7. Il coefficiente di conducibilità termica dipende dalla temperatura, pertanto i valori ottenuti si riferiscono alla temperatura media del campione I risultati dell'elaborazione dei dati sperimentali sono inseriti nella Tabella 1. Tabella 1 Risultati delle misurazioni ed elaborazione dei dati sperimentali Letture termocoppia, mV/K E 1
4.8. Utilizzando il metodo grafico-analitico di elaborazione dei risultati ottenuti, otteniamo la dipendenza del coefficiente di conducibilità termica del materiale in esame dalla temperatura media del campione T m nella forma dove 0 e b- sono determinati graficamente in base all'analisi del grafico di dipendenza =f(T m). DOMANDE DI CONTROLLO Quali sono i principali metodi di trasferimento del calore? Cos'è la conduttività termica? Quali sono le caratteristiche del meccanismo di conduttività termica nei conduttori e nei dielettrici solidi? Quali leggi descrivono il processo di conduzione del calore? Cos'è una parete piana? Cosa sono le condizioni al contorno? Qual è la natura della variazione di temperatura in una parete piana? Qual è il significato fisico del coefficiente di conducibilità termica? Perché è necessario conoscere il coefficiente di conduttività termica dei vari materiali e come viene determinato il suo valore? Quali sono le caratteristiche metodologiche del metodo dello strato piatto? STUDIO DEL TRASFERIMENTO DEL CALORE DURANTE LA CONVEZIONE LIBERA Obiettivo del lavoro: studiare i modelli di trasferimento di calore convettivo utilizzando l'esempio del trasferimento di calore durante la convezione libera per casi di flusso trasversale e longitudinale attorno a una superficie riscaldata. Acquisire competenze nell'elaborazione dei risultati sperimentali e nella loro presentazione in forma generalizzata. Esercizio: 1. Determinare i valori sperimentali dei coefficienti di trasferimento del calore da un cilindro orizzontale e un cilindro verticale al mezzo durante la convezione libera. 2. Elaborando i dati sperimentali, ottenere i parametri delle equazioni criterie che caratterizzano il processo di convezione libera rispetto alla superficie orizzontale e verticale. DISPOSIZIONI TEORICHE FONDAMENTALI. Esistono tre metodi principali di trasferimento del calore, che differiscono significativamente tra loro nella loro natura fisica: conduttività termica; convezione; radiazione termica. Con conduttività termica, i portatori di energia termica sono microparticelle di materia - atomi e molecole, con radiazione termica - onde elettromagnetiche. Convezioneè un modo di trasferire calore spostando quantità macroscopiche di materia da un punto all'altro dello spazio. Pertanto, la convezione è possibile solo nei mezzi che hanno la proprietà della fluidità: gas e liquidi. Nella teoria del trasferimento di calore sono generalmente indicati con il termine "liquido", senza fare distinzione, se non diversamente specificato, tra goccioline liquide e gas. Il processo di trasferimento del calore per convezione è solitamente accompagnato da conduttività termica. Questo processo si chiama scambio termico convettivo. Trasferimento di calore convettivoè un processo combinato di trasferimento di calore per convezione e conduzione. Nella pratica ingegneristica, molto spesso si occupano del processo di scambio termico convettivo tra la superficie di un corpo solido (ad esempio, la superficie della parete di un forno, un dispositivo di riscaldamento, ecc.) e un fluido che circonda questa superficie. Questo processo si chiama trasferimento di calore. Dissipazione di calore– un caso particolare di scambio termico convettivo tra la superficie di un corpo solido (parete) ed il fluido che lo circonda. Distinguere forzato e libero (naturale) convezione. Convezione forzata avviene sotto l'influenza di forze di pressione create con la forza, ad esempio da una pompa, un ventilatore, ecc. Convezione libera o naturale avviene sotto l'influenza di forze di massa di diversa natura: gravitazionale, centrifuga, elettromagnetica, ecc. Sulla Terra, la libera convezione avviene sotto l'influenza della gravità, motivo per cui viene chiamata convezione termica gravitazionale. La forza trainante del processo in questo caso è la forza di sollevamento, che si genera nel mezzo in presenza di eterogeneità nella distribuzione della densità all'interno del volume in esame. Durante il trasferimento di calore, tale eterogeneità è dovuta al fatto che i singoli elementi del mezzo possono trovarsi a temperature diverse. In questo caso, gli elementi più riscaldati, e quindi meno densi, del mezzo si muoveranno verso l'alto sotto l'azione della forza di sollevamento, trasferendo con sé calore, e gli elementi più freddi, e quindi più densi del mezzo fluiranno verso l'alto. spazio vuoto, come mostrato in Fig. 1. Riso. 1. La natura del movimento dei flussi in un liquido durante la libera convezione Se in questo luogo si trova una fonte costante di calore, una volta riscaldata, la densità degli elementi riscaldati del mezzo diminuirà e inizieranno anche a fluttuare verso l'alto. Quindi, finché esiste una differenza nella densità dei singoli elementi dell'ambiente, la loro circolazione continuerà, ad es. la libera convezione continuerà. Viene chiamata convezione libera che si verifica in grandi volumi del mezzo, dove nulla impedisce lo sviluppo di flussi convettivi convezione libera in uno spazio illimitato. La convezione libera in uno spazio illimitato, ad esempio, si verifica nel riscaldamento degli ambienti, nel riscaldamento dell'acqua nelle caldaie ad acqua calda e in molti altri casi. Se lo sviluppo di flussi convettivi è impedito dalle pareti di canali o strati riempiti con un mezzo fluido, il processo in questo caso viene chiamato libera convezione in uno spazio limitato. Questo processo avviene ad esempio durante lo scambio termico all'interno delle intercapedini tra i telai delle finestre. La legge fondamentale che descrive il processo di trasferimento di calore convettivo è Legge di Newton-Richmann. In forma analitica per un regime di temperatura stazionaria di trasferimento di calore, ha la seguente forma: Dove Coefficiente di scambio termico mostra quanto calore viene ceduto per unità di tempo da un'unità di superficie quando la differenza di temperatura tra la parete e il liquido è di un grado. L'unità di misura del coefficiente di scambio termico nel sistema SI è W/m 2 ∙deg. In una trasformazione stazionaria il coefficiente di scambio termico può essere determinato dall’espressione: Dove Il coefficiente di scambio termico caratterizza l'intensità dello scambio termico tra la parete e il liquido che la lava. Per la sua natura fisica, il trasferimento di calore convettivo è un processo molto complesso. Il coefficiente di trasferimento del calore dipende da un numero molto elevato di parametri diversi: proprietà fisiche del liquido, natura del flusso del liquido, velocità del flusso del liquido, dimensione e forma del canale, nonché molti altri fattori. A questo proposito, è impossibile fornire una dipendenza generale per trovare teoricamente il coefficiente di scambio termico Il coefficiente di trasferimento del calore può essere determinato sperimentalmente in modo più accurato e affidabile in base all'equazione (2). Tuttavia, nella pratica ingegneristica, quando si calcolano i processi di trasferimento di calore in vari dispositivi tecnici, di norma, non è possibile determinare sperimentalmente il valore del coefficiente di trasferimento di calore nelle condizioni di un oggetto reale a grandezza naturale a causa della complessità e dell'elevata costo per organizzare un simile esperimento. In questo caso, per risolvere il problema della determinazione di , viene in soccorso teoria della somiglianza. Il principale significato pratico della teoria della somiglianza è che consente di generalizzare i risultati di un singolo esperimento condotto su un modello in condizioni di laboratorio all'intera classe di processi reali e oggetti simili al processo studiato sul modello. Il concetto di somiglianza, ben noto in relazione alle figure geometriche, può essere esteso a qualsiasi processo e fenomeno fisico. Classe di fenomeni fisiciè un insieme di fenomeni che possono essere descritti da un sistema generale di equazioni e hanno la stessa natura fisica. Evento singolo– fa parte di una classe di fenomeni fisici che si distinguono per determinate condizioni di unicità (geometrica, fisica, iniziale, di confine). Fenomeni simili– un gruppo di fenomeni della stessa classe con le stesse condizioni di univocità, ad eccezione dei valori numerici delle quantità contenute in queste condizioni. La teoria della similitudine si basa sul fatto che le quantità fisiche dimensionali che caratterizzano un fenomeno possono essere combinate complessi adimensionali, e in modo tale che il numero di questi complessi sia inferiore al numero delle quantità dimensionali. I complessi adimensionali risultanti vengono chiamati criteri di somiglianza. I criteri di somiglianza hanno un certo significato fisico e riflettono l'influenza non di una quantità fisica, ma dell'intero insieme incluso nel criterio, il che semplifica significativamente l'analisi del processo in studio. Il processo stesso in questo caso può essere rappresentato sotto forma di una relazione analitica La teoria della somiglianza si basa su 3 teoremi di somiglianza. 1° teorema: Fenomeni simili tra loro hanno gli stessi criteri di somiglianza. Questo teorema mostra che negli esperimenti è necessario misurare solo quelle quantità fisiche contenute nei criteri di somiglianza. 2° teorema: Le equazioni matematiche originali che caratterizzano un dato fenomeno fisico possono sempre essere presentate sotto forma di una relazione tra criteri di somiglianza che caratterizzano questo fenomeno. Queste equazioni sono chiamate criteri. Questo teorema mostra che i risultati degli esperimenti dovrebbero essere presentati sotto forma di equazioni criterio. 3° teorema. Simili sono quei fenomeni per i quali i criteri di somiglianza, composti da condizioni di unicità, sono uguali. Questo teorema definisce la condizione necessaria per stabilire la somiglianza fisica. Vengono chiamati criteri di somiglianza costituiti da condizioni di univocità definendo. Determinano l'uguaglianza di tutti gli altri o determinato criteri di somiglianza, che è in realtà oggetto del 1° teorema di somiglianza. Pertanto, il 3° teorema di similarità sviluppa e approfondisce il 1° teorema. Quando si studia il trasferimento di calore convettivo, vengono spesso utilizzati i seguenti criteri di somiglianza. Criterio di Reynolds (Rif)
– caratterizza il rapporto tra le forze di inerzia e le forze di attrito viscoso agenti nel fluido. Il valore del criterio di Reynolds caratterizza il regime di flusso del fluido durante la convezione forzata. Dove Criterio di Grashof (gr)
– caratterizza la relazione tra le forze di attrito viscoso e la forza di sollevamento che agisce in un fluido durante la libera convezione. Il valore del criterio di Grashof caratterizza il regime di flusso del fluido durante la convezione libera. Dove Criterio di Nusselt (No)
– caratterizza la relazione tra la quantità di calore trasferita per conduttività termica e la quantità di calore trasferita per convezione durante lo scambio termico convettivo tra la superficie di un solido (parete) e un liquido, cioè durante il trasferimento di calore. Dove Criterio Peclet (Pe)
– caratterizza il rapporto tra la quantità di calore ricevuto (ceduto) dal flusso del fluido e la quantità di calore trasmesso (ceduto) attraverso lo scambio termico convettivo. Dove Criterio Prandtl (Il prof)
– caratterizza le proprietà fisiche di un liquido. Dove Dai criteri di similarità considerati è chiaro che il parametro più importante nel calcolo dei processi di scambio termico convettivo, che caratterizza l'intensità del processo, vale a dire il coefficiente di scambio termico , è incluso nell'espressione per il criterio di Nusselt. Ciò ha determinato che per risolvere i problemi di trasferimento di calore convettivo utilizzando metodi ingegneristici basati sull'uso della teoria della similarità, questo criterio è il più importante dei criteri determinati. Il valore del coefficiente di scambio termico in questo caso è determinato secondo la seguente espressione A questo proposito, le equazioni di criterio sono solitamente scritte sotto forma di soluzione rispetto al criterio di Nusselt e hanno la forma di una funzione di potenza Dove A seconda del tipo di convezione e delle condizioni specifiche del processo, dell'insieme di criteri di somiglianza inclusi nell'equazione del criterio, i valori delle costanti e dei fattori di correzione possono essere diversi. Nell'applicazione pratica delle equazioni criterio, la questione della scelta corretta della dimensione determinante e della temperatura determinante è importante. La temperatura determinante è necessaria per la corretta determinazione dei valori delle proprietà fisiche del liquido utilizzato nel calcolo dei valori dei criteri di similarità. La scelta della dimensione determinante dipende dalla posizione relativa del flusso del fluido e della superficie da lavare, cioè dalla natura del suo flusso. In questo caso, dovresti lasciarti guidare dalle raccomandazioni esistenti per i seguenti casi tipici. Convezione forzata quando il fluido si muove all'interno di un tubo tondo. Convezione forzata durante il movimento del fluido in canali di sezione trasversale arbitraria. Dove Flusso trasversale attorno ad un tubo tondo con convezione libera (tubo orizzontale (vedi Fig. 2) con convezione termica gravitazionale) Fig.2. La natura del flusso attorno ad un tubo orizzontale durante la convezione termica gravitazionale Flusso longitudinale attorno ad una parete piana (tubo) (vedi Fig. 3) durante la convezione termica gravitazionale. Riso. 3. La natura del flusso attorno ad una parete verticale (tubo) durante la convezione termica gravitazionale. Definizione della temperatura Quando avviene il trasferimento di calore, come temperatura determinante viene presa la media aritmetica tra la temperatura della parete e quella del liquido In caso di scambio termico convettivo tra singoli elementi del mezzo all'interno del volume considerato, come temperatura determinante viene presa la media aritmetica tra le temperature degli elementi del mezzo partecipanti allo scambio termico. Questo articolo discute la procedura per condurre un esperimento di laboratorio e la metodologia per ottenere equazioni criteri per 2 casi caratteristici di flusso attorno a una superficie riscaldata (trasversale e longitudinale) con convezione libera di vari gas rispetto a cilindri orizzontali e verticali. PARTE SPERIMENTALE.
6 Preparazione per il test
7 Prove
Caratteristiche dell'indicatore
Come determinare la perdita di calore
Coefficiente di conducibilità termica
Argomento di studio
L'opzione migliore è utilizzare l'isolamento Materiali da costruzione per pareti esterne
Isolamento per pareti
2. Determinare la dipendenza del coefficiente di conducibilità termica dalla temperatura
,
- coefficiente di diffusività termica, che caratterizza le proprietà di inerzia termica del materiale,
- Operatore di Laplace.
) l'equazione differenziale della conduttività termica assume una forma semplice
,
,
;
Fig.2. Schema dell'area di lavoro dell'installazione
vengono convertiti in gradi della scala Kelvin. 
.
, W
, W/(m 2 gradi)
, W
, W/(mgradi) 
- superficie di un campione, m2;
,
- la quantità elementare di calore ceduto in un periodo di tempo elementare 
da una superficie elementare 
;
- temperatura della parete;
- temperatura del liquido;
- coefficiente di scambio termico.
, W/m 2 ∙gradi
- flusso di calore, W;
- superficie di scambio termico, m2;
- differenza di temperatura tra la superficie e il liquido, gradi.
tra criteri di somiglianza 
, caratterizzandone i singoli aspetti. Tali dipendenze vengono chiamate equazioni di criterio. I criteri di somiglianza prendono il nome dai nomi degli scienziati che hanno dato un contributo significativo allo sviluppo dell'idrodinamica e della teoria del trasferimento di calore: Nusselt, Prandtl, Grashof, Reynolds, Kirpichev e altri.
,
- velocità di movimento del fluido;
- coefficiente di viscosità cinematica del liquido;
- determinazione della dimensione.
,
- accelerazione di gravità;
- determinazione della dimensione;
- coefficiente di temperatura di espansione volumetrica del liquido (per i gas 
, Dove 
- determinazione della temperatura sulla scala Kelvin);
- differenza di temperatura tra la parete e il liquido;
- temperatura della parete e del liquido, rispettivamente;
- coefficiente di viscosità cinematica del liquido.
,
- coefficiente di scambio termico;
- determinazione della dimensione;
- coefficiente di conducibilità termica del liquido al confine tra parete e liquido.
,
- velocità del flusso del fluido;
- determinazione della dimensione;
- coefficiente di diffusività termica;
- rispettivamente, il coefficiente di conducibilità termica, la capacità termica isobarica e la densità del liquido.
,
- coefficiente di viscosità cinematica;
- coefficiente di diffusività termica del liquido.
- valori dei criteri di similarità caratterizzanti diversi aspetti del processo in esame;
- costanti numeriche determinate sulla base di dati sperimentali ottenuti studiando sperimentalmente una classe di fenomeni simili utilizzando modelli.
- diametro interno del tubo.
- diametro equivalente,
- area della sezione trasversale del canale;
- perimetro della sezione.
- diametro esterno del tubo.
- altezza della parete (lunghezza del tubo).
necessario per la corretta determinazione delle proprietà termofisiche del mezzo, i cui valori variano a seconda della temperatura.
