Noen metoder for å bestemme termisk ledningsevne. Funksjoner ved å bestemme den termiske ledningsevnen til byggematerialer Bestemme den termiske ledningsevnen til væsker ved hjelp av hot wire-metoden

Uansett byggeskala, er det første trinnet å utvikle et prosjekt. Tegningene gjenspeiler ikke bare strukturens geometri, men også beregningen av de viktigste termiske egenskapene. For å gjøre dette må du kjenne til den termiske ledningsevnen byggematerialer. Hovedmålet med konstruksjon er å konstruere holdbare strukturer, holdbare strukturer som er komfortable uten for store oppvarmingskostnader. I denne forbindelse er kunnskap om de termiske konduktivitetskoeffisientene til materialer ekstremt viktig.

Murstein har bedre varmeledningsevne

Kjennetegn på indikatoren

Begrepet termisk ledningsevne refererer til overføring av termisk energi fra mer oppvarmede objekter til mindre oppvarmede. Utvekslingen fortsetter til temperaturlikevekt oppstår.

Varmeoverføring bestemmes av hvor lang tid temperaturen i rommene er i samsvar med omgivelsestemperaturen. Jo mindre dette intervallet er, desto større er varmeledningsevnen til byggematerialet.
For å karakterisere varmeledningsevnen brukes begrepet termisk konduktivitetskoeffisient, som viser hvor mye varme som passerer gjennom en slik og slik overflate i en og annen tid. Jo høyere denne indikatoren er, desto større varmeveksling, og bygningen kjøles ned mye raskere. Derfor, når du bygger strukturer, anbefales det å bruke byggematerialer med minimal varmeledningsevne.
I denne videoen vil du lære om varmeledningsevnen til byggematerialer:
Hvordan bestemme varmetapet
Hovedelementene i bygningen som varme slipper ut gjennom:
dører (5-20%);
kjønn (10-20%);
tak (15-25%);
vegger (15-35%);
vinduer (5-15%).

Nivået på varmetapet bestemmes ved hjelp av et termisk kamera. Rødt indikerer de vanskeligste områdene, gult og grønt indikerer mindre varmetap. Områder med minst tap er uthevet i blått. Den termiske konduktivitetsverdien bestemmes i laboratorieforhold, og det utstedes et kvalitetssertifikat til materialet.
Verdien av termisk ledningsevne avhenger av følgende parametere:
Porøsitet. Porer indikerer heterogenitet av strukturen. Når varme passerer gjennom dem, vil avkjølingen være minimal.
Luftfuktighet. Høy level fuktighet provoserer fortrengning av tørr luft av dråper av væske fra porene, og det er grunnen til at verdien øker mange ganger.
Tetthet. Høyere tetthet fremmer mer aktiv interaksjon mellom partikler. Som et resultat går varmeveksling og temperaturbalansering raskere.

Koeffisient for varmeledningsevne
Varmetap i et hus er uunngåelig, og det oppstår når temperaturen ute er lavere enn inne. Intensiteten er variabel og avhenger av mange faktorer, de viktigste er følgende:
Området med overflater som er involvert i varmeveksling.
Termisk ledningsevneindikator for byggematerialer og bygningselementer.
Temperaturforskjell.

Den greske bokstaven λ brukes for å betegne varmeledningsevnen til byggematerialer. Måleenhet – W/(m×°C). Beregningen er gjort for 1 m² av en meter tykk vegg. Her er det antatt en temperaturforskjell på 1°C.

Kasusstudie
Konvensjonelt er materialer delt inn i termisk isolasjon og strukturell. Sistnevnte har den høyeste varmeledningsevnen; de brukes til å bygge vegger, tak og andre gjerder. I henhold til materialtabellen, ved konstruksjon av vegger laget av armert betong for å sikre lav varmeveksling med miljø deres tykkelse bør være ca. 6 m. Men da strukturen vil være klumpete og kostbar.
Hvis varmeledningsevnen er feil beregnet under prosjekteringen, vil beboerne i det fremtidige hjemmet nøye seg med kun 10 % av varmen fra energikilder. Derfor anbefales det å tilleggsisolere hus laget av standard byggematerialer.

Ved riktig vanntetting av isolasjonen påvirker ikke høy luftfuktighet kvaliteten på termisk isolasjon, og strukturens motstand mot varmeoverføring vil bli mye høyere.

Mest beste alternativet– bruk isolasjon
Det vanligste alternativet er en kombinasjon bærende konstruksjon laget av høyfaste materialer med ekstra termisk isolasjon. For eksempel:
Rammehus. Isolasjonen plasseres mellom stenderne. Noen ganger, med en liten reduksjon i varmeoverføring, kreves det ytterligere isolasjon på utsiden av hovedrammen.
Konstruksjon fra standard materialer. Når veggene er murstein eller slaggblokk, er isolasjon gjort fra utsiden.

Byggematerialer for yttervegger
Murer i dag er bygget av forskjellige materialer, men de mest populære gjenstår: tre, murstein og byggeklosser. Hovedforskjellene er i tettheten og varmeledningsevnen til byggematerialer. Komparativ analyse lar deg finne gylne snitt i forholdet mellom disse parameterne. Jo større tetthet, desto større er bæreevnen til materialet og dermed hele strukturen. Men termisk motstand blir mindre, det vil si at energikostnadene øker. Vanligvis ved lavere tettheter er det porøsitet.
Termisk konduktivitetskoeffisient og dens tetthet.
Isolasjon for vegger
Isolasjonsmaterialer brukes når den termiske motstanden til ytterveggene ikke er nok. Vanligvis er en tykkelse på 5-10 cm tilstrekkelig for å skape et komfortabelt innendørs mikroklima.
Verdien av koeffisienten λ er gitt i følgende tabell.
Termisk ledningsevne måler et materiales evne til å overføre varme gjennom seg selv. Det avhenger veldig av sammensetningen og strukturen. Tette materialer som metaller og stein er gode ledere av varme, mens lavdensitetsstoffer som gass og porøs isolasjon er dårlige ledere.

Fysiske analysemetoder er basert på bruken av en hvilken som helst spesifikk fysisk effekt eller en viss fysisk egenskap ved et stoff. Til gassanalyse bruk tetthet, viskositet, termisk ledningsevne, brytningsindeks, magnetisk følsomhet, diffusjon, absorpsjon, emisjon, absorpsjon av elektromagnetisk stråling, samt selektiv absorpsjon, lydhastighet, termisk reaksjonseffekt, elektrisk ledningsevne, etc. Noen av disse fysiske egenskapene og fenomener gjør kontinuerlig gassanalyse og lar deg oppnå høy følsomhet og nøyaktighet av målinger. Valget av fysisk mengde eller fenomen er svært viktig for å utelukke påvirkning av umålte komponenter i blandingen som analyseres. Bruken av spesifikke egenskaper eller effekter gjør det mulig å bestemme konsentrasjonen av den ønskede komponenten i en flerkomponentgassblanding. Uspesifikk fysiske egenskaper kan strengt tatt kun brukes til analyse av binære gassblandinger. Viskositet, brytningsindeks og diffusjon har ingen praktisk betydning i gassanalyse.

Varmeoverføring mellom to punkter med forskjellige temperaturer skjer på tre måter: konveksjon, stråling og ledning. På konveksjon varmeoverføring er assosiert med materieoverføring (masseoverføring); varmeoverføring stråling skjer uten medvirkning av materie. Varmeoverføring termisk ledningsevne skjer med deltagelse av materie, men uten masseoverføring. Energioverføring skjer på grunn av kollisjon av molekyler. Koeffisient for varmeledningsevne ( X) avhenger bare av typen stoff som overfører varme. Det er en spesifikk egenskap ved et stoff.

Dimensjonen på termisk ledningsevne i CGS-systemet cal/(s cm K), i tekniske enheter - kcalDmch-K), i det internasjonale SI-systemet - WtDm-K). Forholdet mellom disse enhetene er som følger: 1 cal/(cm s K) = 360 kcalDm h K) = 418,68 WDm-K).

Absolutt varmeledningsevne under overgangen fra faste til flytende og gassformige stoffer varierer fra X = 418,68 WDm-K)] (varmeledningsevne for den beste varmelederen - sølv) opp til X ca. 10_6 (termisk ledningsevne for de minst ledende gassene).

Den termiske ledningsevnen til gasser øker kraftig med økende temperatur. For noen gasser (GH 4: NH 3) øker den relative varmeledningsevnen kraftig med økende temperatur, og for noen (Ne) avtar den. I henhold til kinetisk teori, bør den termiske ledningsevnen til gasser ikke avhenge av trykk. Imidlertid fører forskjellige årsaker til at varmeledningsevnen øker litt med økende trykk. I trykkområdet fra atmosfærisk til flere millibar er termisk ledningsevne ikke avhengig av trykk, siden den gjennomsnittlige frie banen til molekyler øker med en reduksjon i antall molekyler per volumenhet. Ved et trykk på -20 mbar tilsvarer den gjennomsnittlige frie banen til molekylene størrelsen på målekammeret.

Termisk konduktivitetsmåling er den eldste fysiske metoden for gassanalyse. Det ble beskrevet i 1840, spesielt i verkene til A. Schleiermacher (1888-1889) og har blitt brukt i industrien siden 1928. I 1913 utviklet Siemens en hydrogenkonsentrasjonsmåler for luftskip. Etter dette har i mange tiår instrumenter basert på måling av varmeledningsevne, med stor suksess utviklet og mye brukt i den raskt voksende kjemiske industrien. Naturligvis ble først bare binære gassblandinger analysert. De beste resultatene oppnås med stor forskjell i gassens varmeledningsevne. Blant gasser har hydrogen den største varmeledningsevnen. I praksis har det også vært berettiget å måle konsentrasjonen av CO i røykgasser, siden varmeledningsevnen til oksygen, nitrogen og karbonmonoksid ligger svært nær hverandre, noe som gjør at blandingen av disse fire komponentene kan betraktes som kvasi. -binær.

Temperaturkoeffisientene for termisk ledningsevne til forskjellige gasser er ikke de samme, så du kan finne temperaturen der varmeledningsevnen til forskjellige gasser er de samme (for eksempel 490 ° C - for karbondioksid og oksygen, 70 ° C - for ammoniakk og luft, 75 ° C - for karbondioksid og argon). Når man løser et visst analytisk problem, kan disse tilfeldighetene brukes ved å ta den ternære gassblandingen som en kvasi-binær.

I gassanalyse kan det antas at termisk ledningsevne er en additiv egenskap. Ved å måle den termiske ledningsevnen til blandingen og kjenne til den termiske ledningsevnen til de rene komponentene i den binære blandingen, kan deres konsentrasjoner beregnes. Dette enkle forholdet kan imidlertid ikke brukes på noen binær blanding. For eksempel har blandinger av luft - vanndamp, luft - ammoniakk, karbonmonoksid - ammoniakk og luft - acetylen i et visst forhold mellom komponenter maksimal varmeledningsevne. Derfor er anvendeligheten av termisk konduktivitetsmetode begrenset til et visst konsentrasjonsområde. For mange blandinger er det et ikke-lineært forhold mellom varmeledningsevne og sammensetning. Derfor er det nødvendig å fjerne kalibreringskurven, i henhold til hvilken skalaen til opptaksenheten skal lages.

Termiske konduktivitetssensorer(termokonduktometriske sensorer) består av fire små gassfylte kamre med lite volum med tynne platinaledere av samme størrelse og med samme elektriske motstand plassert i dem, isolert fra kroppen. Den samme konstante strømmen med en stabil verdi strømmer gjennom lederne og varmer dem opp. Lederne - varmeelementer - er omgitt av gass. To kamre inneholder gassen som skal måles, de to andre inneholder referansegassen. Alle varmeelementer er inkludert i en Wytheton-bro, som det ikke er vanskelig å måle en temperaturforskjell på ca. 0,01°C med. En slik høy følsomhet krever nøyaktig lik temperatur i målekamrene, så hele målesystemet plasseres i en termostat eller i broens målediagonal, og en motstand er inkludert for temperaturkompensasjon. Så lenge varmefjerningen fra varmeelementene i måle- og sammenligningskamrene er den samme, er broen i likevekt. Når en gass med en annen varmeledningsevne tilføres målekamrene, blir denne likevekten forstyrret, temperaturen på de følsomme elementene og samtidig deres motstand endres. Den resulterende strømmen i målediagonalen er proporsjonal med konsentrasjonen av den målte gassen. For å øke følsomheten bør driftstemperaturen til de følsomme elementene økes, men man må passe på at en tilstrekkelig stor forskjell i gassens varmeledningsevne opprettholdes. Ja, for ulike gasser Disse blandingene har en optimal temperatur for varmeledningsevne og følsomhet. Ofte velges forskjellen mellom temperaturen på de følsomme elementene og temperaturen på kammerveggene fra 100 til 150°C.

Måleceller til industrielle termiske konduktometriske analysatorer består som regel av et massivt metallhus der det bores målekammer. Dette sikrer jevn temperaturfordeling og god kalibreringsstabilitet. Siden avlesningene til den termiske konduktivitetsmåleren påvirkes av gassstrømningshastigheten, føres gass inn i målekamrene gjennom en bypass-kanal. Løsningene til forskjellige designere for å sikre nødvendig utveksling av gasser er gitt nedenfor. I prinsippet forutsettes det at hovedgasstrømmen er forbundet ved å koble kanaler til målekammere som gassen strømmer gjennom med en liten forskjell. I dette tilfellet har diffusjon og termisk konveksjon en avgjørende innflytelse på fornyelsen av gass i målekamrene. Volumet på målekamrene kan være svært lite (flere kubikkmillimeter), noe som sikrer en liten påvirkning av konvektiv varmeoverføring på måleresultatet. For å redusere den katalytiske effekten av platinaledere, de forskjellige måter smeltet til tynnveggede glasskapillærer. For å sikre motstanden til målekammeret mot korrosjon, er alle gassrørledningsdeler dekket med glass. Dette lar deg måle den termiske ledningsevnen til blandinger som inneholder klor, hydrogenklorid og andre aggressive gasser. Termiske konduktometriske analysatorer med lukkede sammenligningskamre er vanlig hovedsakelig i kjemisk industri. Å velge riktig referansegass forenkler instrumentkalibreringen. I tillegg er det mulig å få en skala med en undertrykt null. For å redusere nullpunktsdrift må sammenligningskamrene være godt forseglet. I spesielle tilfeller, for eksempel når det er sterke svingninger i sammensetningen av gassblandingen, er det mulig å arbeide med gjennomstrømmingskamre. I dette tilfellet, ved hjelp av et spesielt reagens, fjernes en av komponentene fra den målte gassblandingen (for eksempel CO og en løsning av kaustisk kalium), og deretter sendes gassblandingen til sammenligningskamre. Måle- og sammenligningsgrenene skiller seg i dette tilfellet bare ved fravær av en av komponentene. Denne metoden gjør det ofte mulig å analysere komplekse gassblandinger.

I I det siste I stedet for metallledere brukes noen ganger halvledertermistorer som følsomme elementer. Fordelen med termistorer er at temperaturkoeffisienten for motstand er 10 ganger høyere sammenlignet med termiske metallmotstander. Dette oppnår en kraftig økning i følsomheten. Men samtidig stilles det mye høyere krav til stabilisering av brostrømmen og temperaturen på kammerveggene.

Tidligere enn andre og mest utbredt begynte termiske konduktometriske instrumenter å bli brukt til analyse av eksosgasser fra forbrenningsovner. På grunn av deres høye følsomhet, høye hastighet, enkle vedlikehold og pålitelige design, samt deres lave kostnader, ble analysatorer av denne typen raskt introdusert i industrien.

Termiske konduktivitetsanalysatorer er best egnet for å måle konsentrasjonen av hydrogen i blandinger. Ved valg av referansegasser må også blandinger av ulike gasser vurderes. Følgende data (tabell 6.1) kan brukes som eksempel på minimumsmåleområder for ulike gasser.

Tabell 6.1

Minimum måleområder for ulike gasser,

% til volum

Det maksimale måleområdet er oftest 0-100 %, med 90 eller til og med 99 % undertrykt. I spesielle tilfeller gjør en termisk konduktivitetsanalysator det mulig å ha flere forskjellige måleområder på en enhet. Dette brukes for eksempel til å kontrollere fyllings- og tømmeprosessene til hydrogenkjølte turbogeneratorer i termiske kraftverk. På grunn av eksplosjonsfaren er ikke generatorhuset fylt med luft, men karbondioksid tilføres først som rensegass, og deretter hydrogen. Gass frigjøres fra generatoren på samme måte. Følgende måleområder kan oppnås med ganske høy reproduserbarhet på en enkelt analysator: 0-100 % (vol/vol) CO (i luft for CO-rensing), 100-0 % H 2 i CO (for fylling med hydrogen) og 100 -80 % H 2 (i luften for å kontrollere renheten til hydrogen under generatordrift). Dette billig måte målinger.

For å bestemme hydrogeninnholdet i kloret som frigjøres under elektrolysen av kaliumklorid ved hjelp av en termisk konduktometrisk analysator, kan du arbeide med både en forseglet referansegass (S0 2, Ar) og en flytende referansegass. I sistnevnte tilfelle sendes først en blanding av hydrogen og klor til målekammeret og deretter til en etterbrenningsovn med en temperatur på > 200°C. Hydrogen brenner med overflødig klor for å danne hydrogenklorid. Den resulterende blandingen av HC og C12 mates inn i sammenligningskammeret. I dette tilfellet bestemmes hydrogenkonsentrasjonen fra forskjellen i termisk ledningsevne. Denne metoden reduserer påvirkningen av urenheter betydelig små mengder luft.

For å redusere feilen som oppstår ved analyse av våtgass, må gassen tørkes, noe som gjøres enten ved hjelp av en fuktabsorber eller senking av gasstemperaturen under duggpunktet. Det er en annen mulighet for å kompensere for påvirkning av fuktighet, som kun er aktuelt ved måling ved hjelp av et flytende referansegassskjema.

For å jobbe med eksplosive gasser produserer en rekke selskaper eksplosjonssikre enheter. I dette tilfellet er termisk konduktivitetsmålingskamre designet for å høytrykk, brannslukkere er installert ved inngangen og utgangen av kamrene, og utgangssignalet er begrenset til et egensikkert nivå. Slike enheter kan imidlertid ikke brukes til å analysere blandinger av eksplosive gasser med oksygen eller hydrogen med klor.

Centimeter-gram-sekund er et system av enheter som ble mye brukt før adopsjonen av International System of Units (SI).

Materialers og stoffers evne til å lede varme kalles termisk ledningsevne (X,) og uttrykkes ved mengden varme som passerer gjennom en vegg i område 1 m2, 1 m tykk på 1 time med en temperaturforskjell på motstående veggflater på 1 grad. Måleenheten for termisk ledningsevne er W/(m-K) eller W/(m-°C).

Den termiske ledningsevnen til materialer bestemmes

Hvor Q- mengde varme (energi), W; F- tverrsnittsareal av materialet (prøve), vinkelrett på retningen av varmestrømmen, m2; At er temperaturforskjellen på motsatte overflater av prøven, K eller °C; b - prøvetykkelse, m.

Termisk ledningsevne er en av hovedindikatorene for egenskapene til varmeisolasjonsmaterialer. Denne indikatoren avhenger av en rekke faktorer: den totale porøsiteten til materialet, størrelsen og formen på porene, typen fast fase, typen gass som fyller porene, temperatur, etc.

Avhengigheten av termisk ledningsevne på disse faktorene i den mest universelle formen er uttrykt av Leeb-ligningen:

_______ Ђs ______ - і

Hvor Kr er materialets varmeledningsevne; Xs er den termiske ledningsevnen til den faste fasen av materialet; Rs- antall porer plassert i seksjonen vinkelrett på varmestrømmen; Pi-antall porer plassert i en seksjon parallelt med varmestrømmen; b - radiell konstant; є - emissivitet; v er en geometrisk faktor som påvirker. stråling inne i porene; Tt- gjennomsnittlig absolutt temperatur; d- gjennomsnittlig porediameter.

Å kjenne den termiske ledningsevnen til et bestemt varmeisolerende materiale gjør det mulig å vurdere dets varmeisolerende egenskaper korrekt og beregne tykkelsen på en varmeisolerende struktur laget av dette materialet under gitte forhold.

For tiden er det en rekke metoder for å bestemme den termiske ledningsevnen til materialer basert på måling av stasjonære og ikke-stasjonære varmestrømmer.

Den første gruppen av metoder gjør det mulig å utføre målinger i et bredt temperaturområde (fra 20 til 700 ° C) og oppnå mer nøyaktige resultater. Ulempen med metoder for måling av stasjonær varmestrøm er den lange varigheten av forsøket, målt i timer.

Den andre gruppen av metoder lar deg utføre et eksperiment V innen noen få minutter (opp til 1 h), men er egnet for å bestemme den termiske ledningsevnen til materialer bare ved relativt lave temperaturer.

Termisk ledningsevne til byggematerialer måles ved hjelp av denne metoden ved å bruke enheten vist i fig. 22. Samtidig, ved hjelp av en lav treghet varmemålere produseres måling av steady-state varmestrøm som passerer gjennom en prøve av materiale.

Enheten består av en flat elektrisk varmeovn 7 og en lav treghet varmemåler 9, installert i en avstand på 2 mm fra overflaten av kjøleskapet 10, som vann kontinuerlig strømmer gjennom med konstant temperatur. Termoelementer er plassert på overflatene til varmeapparatet og varmemåleren 1,2,4 og 5. Anordningen er plassert i et metallhus 6, fylt med varmeisolasjonsmateriale. Tett prøvepassform 8 til varmemåleren og varmeapparatet er utstyrt med en klemanordning 3. Varmeapparat, varmemåler og kjøleskap har formen av en disk med en diameter på 250 mm.

Varmestrømmen fra varmeren overføres til kjøleskapet gjennom prøven og varmemåleren med lav treghet. Mengden varmestrøm som passerer gjennom den sentrale delen av prøven, måles med en varmemåler, som er en termopil på en paranittskive, eller varmemåler med et reproduserende element hvor en flat elektrisk varmeovn er montert.

Enheten kan måle termisk ledningsevne ved temperaturer på den varme overflaten av prøven fra 25 til 700 ° C.

Enhetssettet inkluderer: RO-1 type termostat, KP-59 type potensiometer, RNO-250-2 type laboratorieautotransformator, MGP termoelementbryter, TS-16 termostat, teknisk AC amperemeter opptil 5 A og termos.

Materialprøvene som skal testes skal ha en sirkulær plan med en diameter på 250 mm. Tykkelsen på prøvene bør ikke være mer enn 50 og ikke mindre enn 10 mm. Tykkelsen på prøvene måles med en nøyaktighet på 0,1 mm og bestemmes som det aritmetiske gjennomsnittet av resultatene av fire målinger. Overflatene på prøvene må være flate og parallelle.

Ved testing av fibrøse, løse, myke og halvstive varmeisolasjonsmaterialer plasseres utvalgte prøver i bur med en diameter på 250 mm og en høyde på 30-40 mm, laget av 3-4 mm tykk asbestpapp.

Tettheten til den valgte prøven under spesifikk belastning må være jevn gjennom hele volumet og tilsvare den gjennomsnittlige tettheten til materialet som testes.

Før testing må prøvene tørkes til konstant vekt ved en temperatur på 105-110 °C.

Prøven klargjort for testing plasseres på varmemåleren og presses med en varmeovn. Sett deretter termostaten til varmeapparatet til enheten til ønsket temperatur og slå på varmeren. Etter å ha etablert en stasjonær modus, der varmemåleravlesningene vil være konstante i 30 minutter, noter termoelementavlesningene på potensiometerskalaen.

Ved bruk av en lavtreghetsvarmemåler med et reproduserende element overføres varmemåleravlesningene til null-galvanometeret og strømmen slås på gjennom reostaten og milliammeteret for kompensasjon, samtidig som posisjonen til null-galvanometernålen oppnås kl. 0, hvoretter avlesningene registreres på instrumentskalaen i mA.

Ved måling av varmemengden med en varmemåler med lav treghet med et reproduserende element, beregnes den termiske ledningsevnen til materialet ved hjelp av formelen

Hvor b er tykkelsen på prøven, m; T - temperaturen på den varme overflaten av prøven, °C; - temperaturen på den kalde overflaten av prøven, °C; Q- mengden varme som passerer gjennom prøven i retning vinkelrett på overflaten, W /m2.

Hvor R er den konstante motstanden til varmemålerens varmeapparat, Ohm; / - strømstyrke, A; F- varmemålerareal, m2.

Ved måling av varmemengde (Q) med en kalibrert lav-treghetsvarmemåler, gjøres beregningen i henhold til formelen Q= A.E.(W/m2), hvor E- elektromotorisk kraft (EMF), mV; A er enhetskonstanten spesifisert i kalibreringssertifikatet for varmemåleren.

Temperaturen på prøveoverflatene måles med en nøyaktighet på 0,1 C (forutsatt stabil tilstand). Varmestrøm beregnes med en nøyaktighet på 1 W/m2, og termisk ledningsevne beregnes til nærmeste 0,001 W/(m-°C).

Når du arbeider med denne enheten, er det nødvendig å sjekke den med jevne mellomrom ved å teste standardprøver, som er levert av forskningsinstitutter for metrologi og laboratorier i komiteen for standarder, mål og måleinstrumenter under USSRs ministerråd.

Etter å ha utført forsøket og innhentet data, utarbeides det et materialprøvingssertifikat, som skal inneholde følgende data: navn og adresse til laboratoriet som utførte testene; dato for testing; navn og egenskaper til materialet; gjennomsnittlig tetthet av materialet i tørr tilstand; gjennomsnittstemperatur prøve under testing; materialets varmeledningsevne ved denne temperaturen.

To-plate-metoden lar en oppnå mer pålitelige resultater enn de som er diskutert ovenfor, siden to tvillingprøver testes samtidig og i tillegg termisk strøm som går gjennom prøver har to retninger: gjennom en prøve går den fra bunn til topp, og gjennom den andre går den fra topp til bunn. Denne omstendigheten bidrar betydelig til gjennomsnittet av testresultater og bringer de eksperimentelle forholdene nærmere de faktiske bruksforholdene for materialet.

Det skjematiske diagrammet av en to-plate enhet for å bestemme den termiske ledningsevnen til materialer ved bruk av steady-state-metoden er vist i fig. 23.

Enheten består av en sentralvarmer 1, en sikkerhetsvarmer 2, kjøleskiver 6, hvilken

Samtidig presses materialprøver 4 til varmeovner, isolerende tilbakefylling 3, termoelementer 5 og hylster 7.

Enheten inkluderer følgende kontroll- og måleutstyr. Spenningsstabilisator (SN), autotransformatorer (T), wattmåler (W), Amperemeter (A), temperaturkontroll for sikkerhetsvarmer (P), termoelementbryter (I), galvanometer eller potensiometer for temperaturmåling (G) Og et kar med is (C).

For å sikre identiske grenseforhold ved omkretsen av testprøvene, antas varmeelementets form å være skive. For å lette beregningen er diameteren på hovedvarmeren (fungerende) tatt til å være 112,5 mm, som tilsvarer et areal på 0,01 m2.

Materialet testes for varmeledningsevne som følger.

Fra materialet som er valgt for testing, lages to tvillingprøver i form av skiver med en diameter lik diameteren på beskyttelsesringen (250 mm). Tykkelsen på prøvene bør være den samme og variere fra 10 til 50 mm. Overflatene på prøvene skal være flate og parallelle, uten riper eller bulker.

Testing av fibrøse og bulkmaterialer produsert i spesielle bur laget av asbestpapp.

Før testing tørkes prøvene til konstant vekt og tykkelsen måles til nærmeste 0,1 mm.

Prøvene plasseres på begge sider av den elektriske varmeren og presses mot den med kjøleskiver. Sett deretter spenningsregulatoren (latr) til en posisjon som sikrer den angitte temperaturen til den elektriske varmeren. De slår på sirkulasjonen av vannet i kjøleskivene, og etter å ha nådd en stabil tilstand observert av galvanometeret, måler de temperaturen ved de varme og kalde overflatene til prøvene, som de bruker passende termoelementer og et galvanometer eller potensiometer for. Samtidig måles energiforbruket. Etter dette, slå av den elektriske varmeren, og etter 2-3 timer, stopp tilførselen av vann til kjøleskivene.

Materialets varmeledningsevne, W/(m-°C),

Hvor W- strømforbruk, W; b - prøvetykkelse, m; F- areal på en overflate av den elektriske varmeren, m2;. t er temperaturen ved den varme overflaten av prøven, °C; I2- temperatur ved den kalde overflaten av prøven, °C.

De endelige resultatene for å bestemme termisk ledningsevne er relatert til gjennomsnittstemperaturen til prøvene
Hvor t - temperatur ved den varme overflaten av prøven (gjennomsnitt av to prøver), °C; t 2 - temperatur ved den kalde overflaten av prøvene (gjennomsnitt av to prøver), °C.

Rørmetode. For å bestemme den termiske ledningsevnen til varmeisolerende produkter med en buet overflate (skall, sylindre, segmenter), brukes en installasjon, kretsskjema som vises på

Ris. 24. Denne installasjonen er et stålrør med en diameter på 100-150 mm og en lengde på minst 2,5 m. Inne i røret er det montert et varmeelement på et ildfast materiale, som er delt inn i tre uavhengige seksjoner langs lengden av røret: den sentrale (arbeids)seksjonen, som opptar omtrent ]/ lengden på røret, og sidene, som tjener til å eliminere varmelekkasje gjennom endene av enheten (røret).

Røret monteres på kleshengere eller stativer i en avstand på 1,5-2 m fra gulvet, veggene og taket i rommet.

Temperaturen på røret og overflaten til testmaterialet måles med termoelementer. Ved testing er det nødvendig å regulere den elektriske kraften som forbrukes av sikkerhetsseksjonene for å eliminere temperaturforskjeller mellom arbeids- og sikkerhetsseksjonene
mi. Tester utføres under steady-state termiske forhold, der temperaturen på overflatene til røret og isolasjonsmaterialet er konstant i 30 minutter.

Strømforbruket til en fungerende varmeapparat kan måles enten med et wattmeter eller separat med et voltmeter og amperemeter.

Materialets varmeledningsevne, W/(m ■ °C),

X -_____ D

Hvor D - ytre diameter på det testede produktet, m; d - Indre diameter av det testede materialet, m; - temperatur på overflaten av røret, °C; t 2 - temperatur på utsiden av testproduktet, °C; I er lengden på arbeidsdelen av varmeren, m.

I tillegg til termisk ledningsevne kan denne enheten måle mengden varmestrøm i en varmeisolerende struktur laget av et eller annet varmeisolerende materiale. Varmefluks (W/m2)

Bestemmelse av varmeledningsevne basert på ustø varmestrømmetoder (dynamiske målemetoder). Metoder basert på måling av ustabile varmestrømmer (dynamiske målemetoder), har den siste tiden i økende grad blitt brukt for å bestemme termofysiske størrelser. Fordelen med disse metodene er ikke bare den komparative hastigheten på å utføre eksperimenter, men Og større mengde informasjon oppnådd i en opplevelse. Her, til de andre parameterne i den kontrollerte prosessen, legges det til en til - tid. Takket være dette er det bare dynamiske metoder som gjør det mulig å oppnå, basert på resultatene fra ett eksperiment, de termofysiske egenskapene til materialer som termisk ledningsevne, varmekapasitet, termisk diffusivitet, kjøling (oppvarming) hastighet.

For tiden finnes det et stort antall metoder og instrumenter for å måle dynamiske temperaturer og varmestrømmer. Imidlertid krever de alle vet
Innføring av spesifikke forhold og innføring av endringer i de oppnådde resultatene, siden prosessene for å måle termiske mengder skiller seg fra måling av mengder av en annen art (mekanisk, optisk, elektrisk, akustisk, etc.) ved deres betydelige treghet.

Derfor skiller metoder basert på måling av stasjonære varmestrømmer seg fra metodene som vurderes ved at de er mye mer identiske mellom måleresultatene og de sanne verdiene av de målte termiske mengdene.

Forbedring av dynamiske målemetoder går i tre retninger. For det første er dette utvikling av metoder for å analysere feil og innføre korrigeringer i måleresultater. For det andre utviklingen av automatiske korrigeringsenheter for å kompensere for dynamiske feil.

La oss vurdere de to vanligste metodene i USSR, basert på måling av ustabil varmestrøm.

1. Metode for vanlig termisk regime med en bicalo-rimeter. Når du bruker denne metoden kan brukes Forskjellige typer design av bikalorimetre. La oss vurdere en av dem - en liten flat bikalorimåler type MPB-64-1 (fig. 25), som er designet
for å bestemme den termiske ledningsevnen til halvstive, fibrøse og bulk termiske isolasjonsmaterialer ved romtemperatur.

MPB-64-1-enheten er sylindrisk avtakbart skall (hus) med en innvendig diameter på 105 mm, V i midten er det en kjerne med innebygget V den med en varmeovn og et batteri av differensielle termoelementer. Enheten er laget av D16T duralumin.

Termopilen av differensielle termoelementer til bicalo-rimeteret er utstyrt med kobber-copel termoelementer, hvis diameter er 0,2 mm. Endene av termopilsvingene føres ut på messingbladene til en glassfiberring impregnert med BF-2 lim, og deretter gjennom ledningene til pluggen. Varmeelement laget av Nikromtråd med diameter 0,1 mm, sydd på en rund plate av glass stoffer. Endene av varmeelementtråden, så vel som endene av termopiltråden, føres ut til messingbladene på ringen og deretter, gjennom en plugg, til strømkilden. Varmeelementet kan drives fra 127 V AC strøm.

Enheten er hermetisk forseglet takket være en vakuumgummiforsegling plassert mellom kroppen og dekslene, samt en kjertelpakning (hamp og rødt bly) mellom håndtaket, bosset og kroppen.

Termoelementene, varmeren og deres ledninger må være godt isolert fra huset.

Dimensjonene til testprøvene bør ikke overstige i diameter 104 mm og tykkelse - 16 mm. Enheten tester to tvillingprøver samtidig.

Driften av enheten er basert på følgende prinsipp.

Avkjølingsprosess fast, oppvarmet til en temperatur T° og plassert i et miljø med en temperatur ©<Ґ при весьма большой теплопередаче (а) от телаTil Miljø (“->-00) og ved en konstant temperatur av dette miljøet (0 = const), er delt inn i tre trinn.

1. Temperaturfordeling V kroppen er i utgangspunktet tilfeldig i naturen, det vil si at et uordnet termisk regime finner sted.

2. Over tid blir avkjølingen ryddig, det vil si at et vanlig regime begynner, hvorved
rum, endringer i temperatur på hvert punkt av kroppen adlyder en eksponentiell lov:

Q - AUe.-"1

Hvor © er den økte temperaturen på et eller annet punkt i kroppen; U er en funksjon av koordinatene til et punkt; e-base av naturlige logaritmer; t er tiden fra begynnelsen av kroppsavkjøling; t - kjølehastighet; A er enhetskonstanten, avhengig av startforholdene.

3. Etter et vanlig kjøleregime er kjøling preget av begynnelsen av termisk likevekt av kroppen med miljøet.

Avkjølingshastighet t etter differensiering av uttrykket

Av T i koordinater II-T er uttrykt som følger:

Hvor EN Og IN - enhetskonstanter; MED - total varmekapasitet til testmaterialet, lik produktet av den spesifikke varmekapasiteten til materialet og dets masse, J/(kg-°C), t - kjølehastighet, 1/h.

Testen utføres som følger. Etter å ha plassert prøvene i instrumentet, presses instrumentlokkene tett mot kroppen ved hjelp av en riflet mutter. Enheten senkes ned i en termostat med en omrører, for eksempel i en TS-16 termostat fylt med vann ved romtemperatur, deretter kobles en termohaug av differensielle termoelementer til galvanometeret. Enheten holdes i en termostat til temperaturen på de ytre og indre overflatene av prøvene av det testede materialet er utjevnet, noe som registreres av galvanometeravlesningen. Etter dette slås kjernevarmeren på. Kjernen varmes opp til en temperatur som er 30-40° høyere enn temperaturen på vannet i termostaten, og deretter slås varmeren av. Når galvanometernålen går tilbake til skalaen, registreres galvanometeravlesningene som avtar over tid. Totalt er det registrert 8-10 poeng.

I 1n0-m koordinatsystemet er det konstruert en graf, som skal se ut som en rett linje som skjærer abscissen og ordinataksene på noen punkter. Deretter beregnes tangensen til helningsvinkelen til den resulterende rette linjen, som uttrykker kjølehastigheten til materialet:

__ I 6t - I O2 __ 6 02

ТІь- - j

T2 - Tj 12 - "El

Hvor Bi og 02 er de tilsvarende ordinatene for tiden Ti og T2.

Forsøket gjentas igjen og avkjølingshastigheten bestemmes på nytt. Hvis avviket i verdiene til kjølehastigheten beregnet i det første og andre eksperimentet er mindre enn 5%, er de begrenset til disse to eksperimentene. Gjennomsnittsverdien av kjølehastigheten bestemmes fra resultatene av to eksperimenter og materialets varmeledningsevne beregnes, W/(m*°C)

X = (A + YSuR)/u.

Eksempel. Det testede materialet er en mineralullmatte med fenolbindemiddel med en gjennomsnittlig tørrdensitet på 80 kg/m3.

1. Beregn mengden materiale som veies inn i enheten,

Hvor Рп er en prøve av materiale plassert i en sylindrisk beholder på enheten, kg; Vn - volumet til en sylindrisk beholder til enheten er 140 cm3; рср - gjennomsnittlig tetthet av materialet, g/cm3.

2. Vi definerer arbeid B.C.Y.P. , Hvor I - enhetskonstant lik 0,324; C er den spesifikke varmekapasiteten til materialet, lik 0,8237 kJ/(kg-K). Deretter VSUR= =0,324 0,8237 0,0224 = 0,00598.

3. Resultater observasjoner av kjøling av prøvene i enheten over tid er lagt inn i tabellen. 2.

Forskjellene i verdiene til kjølehastighetene t og t2 er mindre enn 5%, så gjentatte eksperimenter trenger ikke å utføres.

4. Beregn gjennomsnittlig kjølehastighet

T=(2,41 + 2,104)/2=2,072.

Når vi kjenner til alle nødvendige mengder, beregner vi den termiske ledningsevnen

(0,0169+0,00598) 2,072=0,047 W/(m-K)

Eller W/(m-°C).

I dette tilfellet var gjennomsnittstemperaturen til prøvene 303 K eller 30 ° C. I formelen, 0,0169 -L (enhetskonstant).

2. Probemetode. Det finnes flere typer sondemetoder for å bestemme varmeledning
egenskapene til termiske isolasjonsmaterialer som skiller seg fra hverandre i enhetene som brukes og prinsippene for oppvarming av sonden. La oss vurdere en av disse metodene - den sylindriske sondemetoden uten en elektrisk varmeovn.

Denne metoden er som følger. En metallstang med en diameter på 5-6 mm (fig. 26) og en lengde på ca. 100 mm settes inn i tykkelsen på det varme varmeisolasjonsmaterialet og ved hjelp av en stang montert på innsiden

Termoelementer registrerer temperatur. Temperaturen bestemmes i to trinn: i begynnelsen av eksperimentet (i øyeblikket varmes sonden opp) og på slutten, når en likevektstilstand oppstår og økningen i sondens temperatur stopper. Tiden mellom disse to tellingene måles ved hjelp av en stoppeklokke. h Termisk ledningsevne til materialet, M/(m °C), , R2CV

Hvor R- radius av stangen, m; MED- spesifikk varmekapasitet til materialet som stangen er laget av, kJ/(kgХ ХК); V-volum av stangen, m3; t - tidsintervall mellom temperaturavlesninger, h; tx og U - temperaturverdier på tidspunktet for den første og andre avlesningen, K eller °C.

Denne metoden er veldig enkel og lar deg raskt bestemme den termiske ledningsevnen til et materiale både i laboratorie- og produksjonsforhold. Det er imidlertid bare egnet for et grovt estimat av denne indikatoren.

For å studere den termiske ledningsevnen til et stoff, brukes to grupper av metoder: stasjonære og ikke-stasjonære.

Teorien om stasjonære metoder er enklere og mer fullstendig utviklet. Men ikke-stasjonære metoder, i prinsippet, i tillegg til den termiske konduktivitetskoeffisienten, gjør det mulig å få informasjon om den termiske diffusivitetskoeffisienten og varmekapasiteten. Derfor har det nylig blitt gitt mye oppmerksomhet til utviklingen av ikke-stasjonære metoder for å bestemme de termofysiske egenskapene til stoffer.

Noen stasjonære metoder for å bestemme varmeledningsevnen til stoffer er omtalt her.

EN) Flatlagsmetode. For en endimensjonal varmestrøm gjennom et flatt lag bestemmes varmeledningskoeffisienten av formelen

Hvor d- tykkelse, T 1 og T 2 - temperaturer på den "varme" og "kalde" overflaten av prøven.

For å studere termisk ledningsevne ved hjelp av denne metoden, er det nødvendig å skape en varmestrøm nær endimensjonal.

Vanligvis måles temperaturer ikke på overflaten av prøven, men i en viss avstand fra dem (se fig. 2), derfor er det nødvendig å introdusere korreksjoner i den målte temperaturforskjellen for temperaturforskjellen i varmeapparatet og kjølelaget, for å minimere den termiske motstanden til kontaktene.

Når du studerer væsker, for å eliminere fenomenet konveksjon, må temperaturgradienten rettes langs gravitasjonsfeltet (ned).

Ris. 2. Diagram over flatlagsmetoder for måling av termisk ledningsevne.

1 – prøve under studie; 2 - varmeapparat; 3 - kjøleskap; 4, 5 - isolerende ringer; 6 - sikkerhetsvarmere; 7 - termoelementer; 8, 9 – differensielle termoelementer.

b) Jaeger-metoden. Metoden er basert på å løse en endimensjonal varmeligning som beskriver forplantningen av varme langs en stav oppvarmet av en elektrisk strøm. Vanskeligheten med å bruke denne metoden er umuligheten av å skape strenge adiabatiske forhold på den ytre overflaten av prøven, noe som bryter med endimensjonaliteten til varmestrømmen.

Beregningsformelen ser slik ut:

(14)

Hvor s- elektrisk ledningsevne til prøven, U– spenningsfall mellom ytterpunktene ved endene av stangen, D.T.– temperaturforskjell mellom midten av stangen og punktet på enden av stangen.

Ris. 3. Opplegg av Jaeger-metoden.

1 - elektrisk ovn; 2 - prøve; 3 - taper for å feste prøven; T 1 ¸ T 6 – steder hvor termoelementer er forseglet.

Denne metoden brukes i studiet av elektrisk ledende materialer.

V) Sylindrisk lag metode. Væsken som studeres (bulkmateriale) fyller et sylindrisk lag dannet av to koaksialt plasserte sylindre.En av sylinderne, oftest den innvendige, er en varmeovn (fig. 4).

Fig. 4. Skjema av den sylindriske lagmetoden

1 - indre sylinder; 2 - hovedvarmer; 3 - lag av teststoffet; 4 - ytre sylinder; 5 - termoelementer; 6 - sikkerhetssylindre; 7 - ekstra varmeovner; 8 - kropp.

La oss vurdere mer detaljert den stasjonære prosessen med termisk ledningsevne i en sylindrisk vegg, hvis temperatur på ytre og indre overflater holdes konstant og lik T 1 og T 2 (i vårt tilfelle er dette laget av stoffet under studie 5). La oss bestemme varmestrømmen gjennom veggen forutsatt at den indre diameteren til den sylindriske veggen er d 1 = 2r 1, og den ytre diameteren er d 2 = 2r 2, l = const og varme forplanter seg kun i radiell retning.

For å løse problemet bruker vi ligning (12). I sylindriske koordinater, når ; ligning (12), ifølge (1O), har formen:

. (15)

La oss introdusere notasjonen dT/dr= 0, får vi

Etter å ha integrert og potensiert dette uttrykket, flyttet til de opprinnelige variablene, får vi:

. (16)

Som man kan se av denne ligningen, er avhengigheten T=f(r) logaritmisk.

Integrasjonskonstantene C 1 og C 2 kan bestemmes hvis grensebetingelsene erstattes med denne ligningen:

på r=r 1 T = T 1 Og T 1 = C 1 ln r 1 + C 2,

på r=r2T=T2 Og T2=C1 ln r2+C2.

Løsningen på disse ligningene er i forhold til MED 1 og C 2 gir:

;

Bytter ut disse uttrykkene i stedet C 1 Og C 2 inn i ligning (1b), får vi

(17)

varmestrøm gjennom området til en sylindrisk overflate med radius r og lengden bestemmes ved hjelp av Fouriers lov (5)

Etter bytte får vi

. (18)

Termisk konduktivitetskoeffisient l for kjente verdier Q, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, beregnet ved formelen

. (19)

For å undertrykke konveksjon (i tilfelle av væske), må det sylindriske laget ha en liten tykkelse, vanligvis en brøkdel av en millimeter.

Redusering av endetap i den sylindriske lagmetoden oppnås ved å øke forholdet / d og sikkerhetsvarmere.

G) Hot wire metode. I denne metoden er forholdet / døker på grunn av nedgang d. Den indre sylinderen erstattes med en tynn ledning, som både er en varmeovn og et motstandstermometer (fig. 5). Som et resultat av den relative enkelheten i utformingen og den detaljerte utviklingen av teorien, har den oppvarmede trådmetoden blitt en av de mest avanserte og nøyaktige. I praksisen med eksperimentelle studier av den termiske ledningsevnen til væsker og gasser, inntar den en ledende plass.

Ris. 5. Diagram av en målecelle laget ved bruk av oppvarmet wire-metoden. 1 – måleledning, 2 – rør, 3 – teststoff, 4 – strømledninger, 5 – potensielle ledninger, 6 – eksternt termometer.

Under forutsetning av at hele varmestrømmen fra seksjon AB strekker seg radialt og temperaturforskjellen T 1 – T 2 ikke er stor, slik at vi innenfor disse grensene kan betrakte l = const, er varmeledningskoeffisienten til stoffet bestemt av formelen

, (20)

Hvor Q AB = T×U AB er kraften som frigjøres på ledningen.

d) Ball metode. Finner anvendelse i praksisen med å studere den termiske ledningsevnen til væsker og bulkmaterialer. Stoffet som studeres er gitt formen av et sfærisk lag, som i prinsippet gjør det mulig å eliminere ukontrollert varmetap. Teknisk sett er denne metoden ganske komplisert.

Under deres termiske bevegelse. I væsker og faste stoffer - dielektriske - utføres varmeoverføring ved direkte overføring av termisk bevegelse av molekyler og atomer til nabopartikler av stoffet. I gassformige legemer skjer forplantningen av varme ved termisk ledningsevne på grunn av utveksling av energi under kollisjonen av molekyler med forskjellige hastigheter av termisk bevegelse. I metaller oppstår termisk ledningsevne hovedsakelig på grunn av bevegelse av frie elektroner.

Det grunnleggende konseptet for termisk ledningsevne inkluderer en rekke matematiske konsepter, hvis definisjoner er verdt å huske og forklare.

Temperaturfelt er en samling av temperaturverdier på alle punkter i kroppen på et gitt tidspunkt. Matematisk beskrives det som t = f(x, y, z, τ). Skille stasjonær temperatur felt, når temperaturen på alle punkter i kroppen ikke er avhengig av tid (endrer seg ikke over tid), og ikke-stasjonært temperaturfelt. I tillegg, hvis temperaturen endres bare langs en eller to romlige koordinater, kalles temperaturfeltet henholdsvis en- eller todimensjonalt.

Isoterm overflate- dette er det geometriske stedet for punkter der temperaturen er den samme.

Temperaturgradient — grad t er en vektor rettet normalt på den isotermiske overflaten og numerisk lik den deriverte av temperaturen i denne retningen.

I henhold til den grunnleggende loven om termisk ledningsevne - loven Fourier(1822), er varmeflukstetthetsvektoren som overføres av termisk ledningsevne proporsjonal med temperaturgradienten:

q = - λ grad t, (3)

Hvor λ — koeffisient for varmeledningsevne til stoffet; dens måleenhet W/(m K).

Minustegnet i ligning (3) indikerer at vektoren q rettet motsatt av vektoren grad t, dvs. i retning av størst temperaturnedgang.

Varmebølge δQ gjennom et vilkårlig orientert elementært område dF lik skalarproduktet til vektoren q til vektoren til det elementære stedet dF og den totale varmefluksen Q over hele overflaten F bestemmes ved å integrere dette produktet over overflaten F:

KOEFFISIENT FOR TERMISK KONDUKTIVITET

Koeffisient for varmeledningsevne λ i lov Fourier(3) karakteriserer evnen til et gitt stoff til å lede varme. Verdiene for varmeledningskoeffisienter er gitt i oppslagsverk om termofysiske egenskaper stoffer. Numerisk er termisk konduktivitetskoeffisient λ = q/ grad t lik varmeflukstettheten q med temperaturgradient grad t = 1 K/m. Den lette gassen som har høyest varmeledningsevne er hydrogen. På romforhold termisk konduktivitetskoeffisient for hydrogen λ = 0,2 W/(m K). Tyngre gasser har mindre varmeledningsevne - luft λ = 0,025 W/(m K), i karbondioksid λ = 0,02 W/(m K).

Rent sølv og kobber har den høyeste varmeledningskoeffisienten: λ = 400 W/(m K). For karbonstål λ = 50 W/(m K). Væsker har vanligvis en termisk konduktivitetskoeffisient mindre enn 1 W/(m K). Vann er en av de beste væskelederne for varme, for det λ = 0,6 W/(m K).

Den termiske konduktivitetskoeffisienten til ikke-metalliske faste materialer er vanligvis under 10 W/(m K).

Porøse materialer - kork, forskjellige fibrøse fyllstoffer som organisk ull - har de laveste varmeledningskoeffisientene λ <0,25 W/(m K), nærmer seg ved lav pakkingstetthet koeffisienten for termisk ledningsevne til luften som fyller porene.

Temperatur, trykk og, for porøse materialer, også fuktighet kan ha en betydelig innvirkning på varmeledningskoeffisienten. Referansebøker gir alltid forholdene som den termiske konduktivitetskoeffisienten til et gitt stoff ble bestemt under, og disse dataene kan ikke brukes for andre forhold. Verdiområder λ for forskjellige materialer er vist i fig. 1.

Figur 1. Intervaller for verdier av varmeledningskoeffisienter for forskjellige stoffer.

Varmeoverføring ved termisk ledningsevne

Homogen flat vegg.

Det enkleste og svært vanlige problemet løst av teorien om varmeoverføring er å bestemme tettheten til varmestrømmen som overføres gjennom en flat vegg med tykkelse δ , på hvis overflater temperaturen opprettholdes t w1 Og t w2.(Fig. 2). Temperaturen varierer bare over tykkelsen på platen - en koordinat X. Slike problemer kalles endimensjonale, løsningene deres er de enkleste, og i dette kurset vil vi begrense oss til kun å vurdere endimensjonale problemer.

Med tanke på det for ett-nummeret:

grad t = dt/dх, (5)

og ved å bruke den grunnleggende loven om termisk ledningsevne (2), får vi differensialligningen for stasjonær termisk ledningsevne for en flat vegg:

Under stasjonære forhold, når energi ikke brukes på oppvarming, varmeflukstettheten q uendret av veggtykkelse. I de fleste praktiske problemer er det tilnærmet antatt at den termiske konduktivitetskoeffisienten λ er ikke temperaturavhengig og er lik gjennom hele veggtykkelsen. Betydning λ funnet i oppslagsverk ved temperaturer:

gjennomsnitt mellom temperaturene på veggflatene. (Beregningsfeilen i dette tilfellet er vanligvis mindre enn feilen til de innledende dataene og tabellverdiene, og med en lineær avhengighet av den termiske konduktivitetskoeffisienten på temperaturen: λ = a+ bt eksakt beregningsformel for q skiller seg ikke fra den omtrentlige). På λ = konst:

(7)

de. temperaturavhengighet t fra koordinat X lineær (fig. 2).

Fig.2. Stasjonær temperaturfordeling over tykkelsen på en flat vegg.

Ved å dele variablene i ligning (7) og integrere over t fra t w1 før t w2 og av X fra 0 til δ :

, (8)

vi får avhengigheten for å beregne varmeflukstettheten:

, (9)

eller varmestrømseffekt (varmestrøm):

(10)

Derfor er mengden varme som overføres gjennom 1 m 2 vegger, direkte proporsjonal med varmeledningskoeffisienten λ og temperaturforskjellen mellom de ytre overflatene av veggen ( t w1 - t w2) og omvendt proporsjonal med veggtykkelsen δ . Den totale varmemengden gjennom veggområdet F også proporsjonal med dette området.

Den resulterende enkle formelen (10) er svært mye brukt i termiske beregninger. Ved å bruke denne formelen beregner de ikke bare varmeflukstettheten gjennom flate vegger, men gjør også estimater for mer komplekse tilfeller, og erstatter ganske enkelt vegger i en kompleks konfigurasjon med en flat vegg i beregningene. Noen ganger, basert på en vurdering, avvises et eller annet alternativ uten å bruke mer tid på detaljutviklingen.

Kroppstemperatur på et punkt X bestemt av formelen:

t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)

Holdning λF/δ kalles veggens varmeledningsevne, og den gjensidige verdien δ/λF termisk eller termisk motstand av veggen og er utpekt Rλ. Ved å bruke konseptet termisk motstand kan formelen for beregning av varmestrøm presenteres som:

Avhengighet (11) ligner på loven Ohm i elektroteknikk (styrken til den elektriske strømmen er lik potensialforskjellen delt på den elektriske motstanden til lederen som strømmen flyter gjennom).

Svært ofte er termisk motstand verdien δ/λ, som er lik den termiske motstanden til en flat vegg med et areal på 1 m 2.

Eksempler på beregninger.

Eksempel 1. Bestem varmestrømmen gjennom en betongvegg i en bygning med en tykkelse på 200 mm, høyde H = 2,5 m og lengde 2 m, hvis temperaturene på overflatene er: t с1= 20 0 C, t s2= - 10 0 C, og varmeledningskoeffisienten λ =1 W/(m K):

= 750 W.

Eksempel 2. Bestem varmeledningskoeffisienten til et veggmateriale med en tykkelse på 50 mm, hvis varmen flukstetthet gjennom den q = 100 W/m 2, og temperaturforskjellen på overflatene Δt = 20 0 C.

W/(m K).

Flerlags vegg.

Formel (10) kan også brukes til å beregne varmestrømmen gjennom en vegg som består av flere ( n) lag av forskjellige materialer tett ved siden av hverandre (fig. 3), for eksempel et sylinderhode, en pakning og en sylinderblokk laget av forskjellige materialer, etc.

Fig.3. Temperaturfordeling over tykkelsen på en flerlags flat vegg.

Den termiske motstanden til en slik vegg er lik summen av de termiske motstandene til de enkelte lagene:

(12)

I formel (12) må du erstatte temperaturforskjellen på de punktene (overflatene) som alle de summerte termiske motstandene er "inkludert", dvs. i dette tilfellet: t w1 Og t w(n+1):

, (13)

Hvor Jeg- lagnummer.

I stasjonær modus er den spesifikke varmefluksen gjennom flerlagsveggen konstant og den samme for alle lag. Fra (13) følger det:

. (14)

Fra ligning (14) følger det at den totale termiske motstanden til en flerlagsvegg er lik summen av motstandene til hvert lag.

Formel (13) kan enkelt oppnås ved å skrive temperaturforskjellen i henhold til formel (10) for hver av dem P lag av en flerlags vegg og legge til alt P uttrykk tar hensyn til det faktum at i alle lag Q har samme betydning. Når de legges sammen, vil alle mellomtemperaturer synke.

Temperaturfordelingen innenfor hvert lag er lineær, men i forskjellige lag er hellingen på temperaturavhengigheten forskjellig, siden i henhold til formel (7) ( dt/dx)Jeg = - q/λ i. Tettheten til varmestrømmen som passerer gjennom alle lag er den samme i stasjonær modus, men den termiske konduktivitetskoeffisienten til lagene er forskjellig, derfor endres temperaturen mer skarpt i lag med lavere termisk ledningsevne. Så, i eksemplet i fig. 4, har materialet til det andre laget (for eksempel en pakning) den laveste termiske ledningsevnen, og det tredje laget har den høyeste.

Ved å beregne varmestrømmen gjennom en flerlagsvegg kan vi bestemme temperaturfallet i hvert lag ved hjelp av relasjon (10) og finne temperaturene ved grensene til alle lag. Dette er svært viktig ved bruk av materialer med begrenset tillatt temperatur som varmeisolatorer.

Temperaturen på lagene bestemmes av følgende formel:

t sl1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)

t sl2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)

Kontakt termisk motstand. Ved utledning av formler for en flerlagsvegg ble det antatt at lagene ligger tett inntil hverandre, og på grunn av god kontakt har kontaktflatene til forskjellige lag samme temperatur. Ideelt sett oppnås tett kontakt mellom de individuelle lagene i en flerlagsvegg hvis ett av lagene påføres et annet lag i flytende tilstand eller i form av en flytbar løsning. Faste legemer berører hverandre kun i toppen av ruhetsprofilene (fig. 4).

Kontaktområdet til hjørnene er ubetydelig lite, og hele varmestrømmen går gjennom luftgapet ( h). Dette skaper ytterligere (kontakt) termisk motstand R til. Termiske kontaktmotstander kan bestemmes uavhengig ved bruk av passende empiriske forhold eller eksperimentelt. For eksempel en spalte termisk motstand på 0,03 mm omtrent tilsvarende den termiske motstanden til et stållag på ca. 30 mm.

Fig.4. Bilde av kontakter mellom to ru overflater.

Metoder for å redusere termisk kontaktmotstand. Den totale termiske motstanden til kontakten bestemmes av rensligheten av behandlingen, belastningen, termisk ledningsevne til mediet, termiske ledningsevnekoeffisienter for materialene i kontaktdelene og andre faktorer.

Den største effektiviteten for å redusere termisk motstand oppnås ved å innføre i kontaktsonen et medium med varmeledningsevne nær metallets varmeledningsevne.

Det er følgende muligheter for å fylle kontaktsonen med stoffer:

Bruk av myke metallpakninger;

Innføring i kontaktsonen av et pulveraktig stoff med god varmeledningsevne;

Innføring i sonen av et viskøst stoff med god varmeledningsevne;

Fylle mellomrommet mellom ruhetsfremspringene med flytende metall.

De beste resultatene ble oppnådd ved fylling av kontaktsonen med smeltet tinn. I dette tilfellet blir den termiske motstanden til kontakten praktisk talt null.

Sylindrisk vegg.

Svært ofte beveger kjølevæsker seg gjennom rør (sylindere), og det er nødvendig å beregne varmestrømmen som overføres gjennom den sylindriske veggen til røret (sylinderen). Problemet med varmeoverføring gjennom en sylindrisk vegg (med kjente og konstante temperaturer på indre og ytre flater) er også endimensjonalt dersom det vurderes i sylindriske koordinater (fig. 4).

Temperaturen endres bare langs radius, og langs lengden av røret l og langs omkretsen forblir uendret.

I dette tilfellet har varmestrømsligningen formen:

. (15)

Avhengighet (15) viser at mengden varme som overføres gjennom sylinderveggen er direkte proporsjonal med varmeledningskoeffisienten λ , rørlengde l og temperaturforskjell ( t w1 - t w2) og omvendt proporsjonal med den naturlige logaritmen av forholdet mellom sylinderens ytre diameter d 2 til dens indre diameter d 1.

Ris. 4. Temperaturendring langs tykkelsen av en ettlags sylindrisk vegg.

På λ = konstant temperaturfordeling per radius r av en ettlags sylindrisk vegg adlyder en logaritmisk lov (fig. 4).

Eksempel. Hvor mange ganger reduseres varmetapet gjennom veggen i en bygning hvis det er 250 tykke murstein mellom to lag? mm installer en 50-tykk skumpute mm. De termiske konduktivitetskoeffisientene er henholdsvis lik: λ murstein . = 0,5 W/(m K); λ penn. . = 0,05 W/(m K).