Câteva metode de determinare a conductibilității termice. Caracteristici de determinare a conductibilității termice a materialelor de construcție Determinarea conductibilității termice a lichidelor folosind metoda firului fierbinte

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

Cărămida are o conductivitate termică mai bună

Caracteristicile indicatorului

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

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

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

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

Cum se determină pierderea de căldură

Principalele elemente ale clădirii prin care scapă căldura:

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

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

Valoarea conductibilității termice depinde de următorii parametri:

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

Coeficient de conductivitate termică

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

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

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

Studiu de caz

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

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

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

Cel mai cea mai buna varianta– folosiți izolație

Cea mai comună opțiune este o combinație structura portanta realizate din materiale de înaltă rezistență cu izolare termică suplimentară. De exemplu:

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

Materiale de constructii pentru pereti exteriori

Zidurile de astăzi sunt construite din materiale diferite, totusi, cele mai populare raman: lemnul, caramida si blocuri de construcție. Principalele diferențe sunt în densitatea și conductibilitatea termică a materialelor de construcție. Analiza comparativă vă permite să găsiți mijloc de aurîn relaţia dintre aceşti parametri. Cu cât densitatea este mai mare, cu atât este mai mare capacitatea portantă a materialului și, prin urmare, a întregii structuri. Dar rezistența termică devine mai mică, adică costurile cu energia cresc. De obicei, la densități mai mici există porozitate.

Coeficientul de conductivitate termică și densitatea acestuia.

Izolație pentru pereți

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

Valoarea coeficientului λ este dată în tabelul următor.

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

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

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

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

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

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

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

Coeficienții de temperatură ai conductivității termice a diferitelor gaze nu sunt aceiași, așa că puteți găsi temperatura la care conductivitățile termice ale diferitelor gaze sunt aceleași (de exemplu, 490 ° C - pentru dioxid de carbon și oxigen, 70 ° C - pentru amoniac și aer, 75 ° C - pentru dioxid de carbon și argon) . La rezolvarea unei anumite probleme analitice, aceste coincidențe pot fi folosite luând amestecul ternar de gaze ca unul cvasibinar.

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

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

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

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

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

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

Tabelul 6.1

Domenii minime de măsurare pentru diferite gaze,

% la volum

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

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

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

Pentru a lucra cu gaze explozive, o serie de companii produc dispozitive antiexplozive. În acest caz, camerele de măsurare a conductibilității termice sunt proiectate pentru presiune ridicata, la intrarea și la ieșirea din camere sunt instalate descărcătoare, iar semnalul de ieșire este limitat la un nivel intrinsec sigur. Cu toate acestea, astfel de dispozitive nu pot fi folosite pentru a analiza amestecuri de gaze explozive cu oxigen sau hidrogen cu clor.

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

Capacitatea materialelor și substanțelor de a conduce căldura se numește conductivitate termică (X,) și este exprimată prin cantitatea de căldură care trece printr-un perete de suprafață 1. m2, 1 m grosime în 1 oră cu o diferență de temperatură pe suprafețele de perete opuse de 1 grad. Unitatea de măsură pentru conductibilitatea termică este W/(m-K) sau W/(m-°C).

Se determină conductivitatea termică a materialelor

Unde Q- cantitatea de căldură (energie), W; F- aria secțiunii transversale a materialului (probă), perpendiculară pe direcția fluxului de căldură, m2; At este diferența de temperatură pe suprafețele opuse ale probei, K sau °C; b - grosimea probei, m.

Conductivitatea termică este unul dintre principalii indicatori ai proprietăților materialelor termoizolante. Acest indicator depinde de o serie de factori: porozitatea totală a materialului, dimensiunea și forma porilor, tipul de fază solidă, tipul de gaz care umple porii, temperatura etc.

Dependența conductivității termice de acești factori în cea mai universală formă este exprimată prin ecuația Leeb:

_______ Ђs ______ - і

Unde Kr este conductivitatea termică a materialului; Xs este conductivitatea termică a fazei solide a materialului; Rs- numarul de pori situati in sectiunea perpendiculara pe fluxul de caldura; Pi-numarul de pori situati intr-o sectiune paralela cu fluxul de caldura; b - constantă radială; є - emisivitate; v este un factor geometric care influențează. radiații în interiorul porilor; Tt- temperatura medie absolută; d- diametrul mediu al porilor.

Cunoașterea conductivității termice a unui anumit material termoizolant permite evaluarea corectă a calităților sale termoizolante și calcularea grosimii unei structuri termoizolante realizate din acest material în condiții date.

În prezent, există o serie de metode pentru determinarea conductivității termice a materialelor bazate pe măsurarea fluxurilor de căldură staționare și nestaționare.

Primul grup de metode face posibilă efectuarea măsurătorilor într-un interval larg de temperatură (de la 20 la 700 ° C) și obținerea unor rezultate mai precise. Dezavantajul metodelor de măsurare a fluxului de căldură staționar este durata lungă a experimentului, măsurată în ore.

Al doilea grup de metode vă permite să efectuați un experiment Vîn câteva minute (până la 1 h), dar este potrivit pentru determinarea conductivității termice a materialelor numai la temperaturi relativ scăzute.

Conductivitatea termică a materialelor de construcție este măsurată folosind această metodă folosind dispozitivul prezentat în Fig. 22. În același timp, cu ajutorul unei inerții scăzute se produc contoare de căldură măsurarea fluxului de căldură în stare de echilibru care trece printr-o probă de material de testat.

Dispozitivul constă dintr-un încălzitor electric plat 7 și un contor de căldură cu inerție redusă 9, instalat la o distanță de 2 mm de suprafața frigiderului 10, prin care apa curge continuu la temperatura constanta. Termocuplurile sunt plasate pe suprafețele încălzitorului și contorului de căldură 1,2,4 și 5. Aparatul este plasat într-o carcasă metalică 6, umplut cu material termoizolant. Potrivire strânsă a eșantionului 8 la contorul de căldură și încălzitorul este prevăzut cu un dispozitiv de prindere 3. Încălzitor, contor de căldură iar frigiderul au forma unui disc cu diametrul de 250 mm.

Fluxul de căldură de la încălzitor este transferat la frigider prin eșantion și contorul de căldură cu inerție scăzută. Cantitatea de flux de căldură care trece prin partea centrală a probei este măsurată de un contor de căldură, care este un termopil pe un disc paranit, sau contor de căldură cu un element de reproducere în care este montat un încălzitor electric plat.

Dispozitivul poate măsura conductivitatea termică la temperaturi de pe suprafața fierbinte a probei de la 25 la 700 ° C.

Setul dispozitivului include: termostat tip RO-1, potențiometru tip KP-59, autotransformator de laborator tip RNO-250-2, comutator termocuplu MGP, termostat TS-16, ampermetru tehnic AC până la 5 A și termos.

Probele de material ce urmează a fi testate trebuie să aibă un plan circular cu diametrul de 250 mm. Grosimea probelor nu trebuie să fie mai mare de 50 și nu mai mică de 10 mm. Grosimea probelor se măsoară cu o precizie de 0,1 mm și se determină ca medie aritmetică a rezultatelor a patru măsurători. Suprafețele probelor trebuie să fie plane și paralele.

La testarea materialelor termoizolante fibroase, libere, moi și semirigide, probele selectate sunt plasate în cuști cu diametrul de 250 mm și înălțimea de 30-40 mm, din carton de azbest de 3-4 mm grosime.

Densitatea probei selectate sub sarcină specifică trebuie să fie uniformă pe întregul volum și să corespundă densității medii a materialului testat.

Înainte de testare, probele trebuie să fie uscate până la greutate constantă la o temperatură de 105-110 ° C.

Proba pregătită pentru testare este plasată pe contorul de căldură și presată cu un încălzitor. Apoi setați termostatul încălzitorului dispozitivului la temperatura dorită și porniți încălzitorul. După stabilirea unui mod staționar, în care citirile contorului de căldură vor fi constante timp de 30 de minute, notați citirile termocuplului pe scara potențiometrului.

Când se utilizează un contor de căldură cu inerție redusă cu un element de reproducere, citirile contorului de căldură sunt transferate la galvanometrul nul și curentul este pornit prin reostat și miliampermetru pentru compensare, în timp ce se realizează poziția săgeții galvanometru nul la 0, după care citirile sunt înregistrate pe scara instrumentului în mA.

Când se măsoară cantitatea de căldură cu un contor de căldură cu inerție scăzută cu un element de reproducere, conductivitatea termică a materialului este calculată folosind formula

unde b este grosimea probei, m; T - temperatura suprafeței fierbinți a probei, °C; - temperatura suprafeței reci a probei, °C; Q- cantitatea de căldură care trece prin eșantion în direcția perpendiculară pe suprafața acesteia, W /m2.

Unde R este rezistența constantă a încălzitorului contorului de căldură, Ohm; / - puterea curentului, A; F- suprafata contor de caldura, m2.

La măsurarea cantității de căldură (Q) cu un contor de căldură calibrat cu inerție scăzută, calculul se face conform formulei Q= A.E.(W/m2), unde E- forta electromotoare (EMF), mV; A este constanta dispozitivului specificată în certificatul de calibrare pentru contorul de căldură.

Temperatura suprafețelor probei este măsurată cu o precizie de 0,1 C (presupunând o stare de echilibru). Debitul de căldură este calculat cu o precizie de 1 W/m2, iar conductibilitatea termică este calculată la cel mai apropiat 0,001 W/(m-°C).

Atunci când lucrați la acest dispozitiv, este necesar să îl verificați periodic prin testarea probelor standard, care sunt furnizate de institutele de cercetare de metrologie și laboratoarele Comitetului de Standarde, Măsuri și Instrumente de Măsurare din cadrul Consiliului de Miniștri al URSS.

După efectuarea experimentului și obținerea datelor, se întocmește un certificat de testare a materialelor, care trebuie să cuprindă următoarele date: denumirea și adresa laboratorului care a efectuat încercările; data testării; denumirea și caracteristicile materialului; densitatea medie a materialului în stare uscată; temperatura medie eșantion în timpul testării; conductivitatea termică a materialului la această temperatură.

Metoda cu două plăci permite obținerea unor rezultate mai fiabile decât cele discutate mai sus, deoarece două probe gemene sunt testate simultan și, în plus, termic fluxul care trece prin probele au două direcții: printr-o probă merge de jos în sus, iar prin cealaltă merge de sus în jos. Această împrejurare contribuie în mod semnificativ la mediarea rezultatelor testelor și aduce condițiile experimentale mai aproape de condițiile reale de funcționare ale materialului.

Diagrama schematică a unui dispozitiv cu două plăci pentru determinarea conductivității termice a materialelor folosind metoda în stare staționară este prezentată în Fig. 23.

Dispozitivul constă dintr-un încălzitor central 1, un încălzitor de securitate 2, discuri de racire 6, care

În același timp, probele de material sunt presate 4 la încălzitoare, umplutură izolatoare 3, termocupluri 5 și carcasa 7.

Dispozitivul include următoarele echipamente de control și măsurare. Stabilizator de tensiune (SN), autotransformatoare (T), wattmetru (W), Ampermetre (A), controler de temperatură a încălzitorului de securitate (P), comutator de termocuplu (I), galvanometru sau potențiometru pentru măsurarea temperaturii (G)Și un vas cu gheață (C).

Pentru a asigura condiții de limită identice la perimetrul probelor de testat, se presupune că forma încălzitorului este disc. Pentru ușurință de calcul, diametrul încălzitorului principal (de lucru) este considerat a fi de 112,5 mm, ceea ce corespunde unei suprafețe de 0,01 m2.

Materialul este testat pentru conductivitate termică după cum urmează.

Din materialul selectat pentru testare, sunt realizate două probe gemene sub formă de discuri cu un diametru egal cu diametrul inelului de protecție (250 mm). Grosimea probelor trebuie să fie aceeași și să varieze de la 10 la 50 mm. Suprafețele probelor trebuie să fie plane și paralele, fără zgârieturi sau adâncituri.

Testarea fibrelor și materiale vrac produs în cuști speciale din carton de azbest.

Înainte de testare, probele sunt uscate la greutate constantă și grosimea lor este măsurată cu cel mai apropiat 0,1 mm.

Probele sunt plasate pe ambele părți ale încălzitorului electric și presate împotriva acestuia cu discuri de răcire. Apoi setați regulatorul de tensiune (latr) într-o poziție care să asigure temperatura specificată a încălzitorului electric. Aceștia pornesc circulația apei în discurile de răcire și, după ce ating o stare de echilibru observată de galvanometru, măsoară temperatura la suprafețele calde și reci ale probelor, pentru care folosesc termocupluri adecvate și un galvanometru sau potențiometru. În același timp, se măsoară și consumul de energie. După aceasta, opriți încălzitorul electric și, după 2-3 ore, opriți alimentarea cu apă a discurilor de răcire.

Conductibilitatea termică a materialului, W/(m-°C),

Unde W- consumul de energie electrică, W; b - grosimea probei, m; F- suprafața unei suprafețe a încălzitorului electric, m2;. t este temperatura la suprafața fierbinte a probei, °C; I2- temperatura la suprafața rece a probei, °C.

Rezultatele finale pentru determinarea conductivității termice sunt legate de temperatura medie a probelor
Unde t - temperatura la suprafata fierbinte a probei (media a doua probe), °C; t 2 - temperatura la suprafața rece a probelor (media a două probe), °C.

Metoda conductei. Pentru a determina conductivitatea termică a produselor termoizolante cu o suprafață curbată (carci, cilindri, segmente), se utilizează o instalație, schema circuitului care este afișat pe

Orez. 24. Această instalație este o țeavă de oțel cu un diametru de 100-150 mm și o lungime de cel puțin 2,5 m. În interiorul țevii se montează un element de încălzire pe un material refractar, care este împărțit în trei secțiuni independente pe lungimea de conducta: sectiunea centrala (de lucru), care ocupa aproximativ ]/ lungimea conductei, si cele laterale, care servesc la eliminarea scurgerii de caldura prin capetele aparatului (conducta).

Țeava se instalează pe umerase sau pe suporturi la o distanță de 1,5-2 m de podeaua, pereții și tavanul încăperii.

Temperatura țevii și suprafața materialului de testat se măsoară prin termocupluri. La testare, este necesar să se regleze puterea electrică consumată de secțiunile de securitate pentru a elimina diferențele de temperatură dintre secțiunile de lucru și de securitate.
mi. Testele sunt efectuate în condiții termice în stare de echilibru, în care temperatura de pe suprafețele țevii și materialului izolator este constantă timp de 30 de minute.

Consumul de energie electrică de către un încălzitor care funcționează poate fi măsurat fie cu un wattmetru, fie separat cu un voltmetru și un ampermetru.

Conductibilitatea termică a materialului, W/(m ■ °C),

X -_____ D

Unde D - diametrul exterior al produsului testat, m; d - Diametrul interior al materialului testat, m; - temperatura la suprafata conductei, °C; t 2 - temperatura pe suprafața exterioară a produsului de testat, °C; I este lungimea secțiunii de lucru a încălzitorului, m.

Pe lângă conductivitatea termică, acest dispozitiv poate măsura cantitatea de flux de căldură într-o structură termoizolantă realizată dintr-unul sau altul material termoizolant. Flux de căldură (W/m2)

Determinarea conductibilității termice pe baza metodelor de flux de căldură instabil (metode de măsurare dinamică). Metode bazate pe măsurarea fluxurilor de căldură instabile (metode de măsurare dinamică), au fost recent utilizate din ce în ce mai mult pentru determinarea mărimilor termofizice. Avantajul acestor metode nu este doar viteza comparativă de realizare a experimentelor, ci Și cantitate mai mare de informații obținute într-o singură experiență. Aici, celorlalți parametri ai procesului controlat, se mai adaugă unul - timpul. Datorită acestui fapt, numai metodele dinamice fac posibilă obținerea, pe baza rezultatelor unui experiment, a caracteristicilor termofizice ale materialelor precum conductivitatea termică, capacitatea termică, difuzivitate termică, viteza de răcire (încălzire).

În prezent, există un număr mare de metode și instrumente pentru măsurarea temperaturilor dinamice și a fluxurilor de căldură. Cu toate acestea, toate necesită stiu
Introducerea unor condiții specifice și introducerea unor modificări la rezultatele obținute, întrucât procesele de măsurare a mărimilor termice diferă de măsurarea mărimilor de altă natură (mecanică, optică, electrică, acustică etc.) prin inerția lor semnificativă.

Prin urmare, metodele bazate pe măsurarea fluxurilor de căldură staționare diferă de metodele luate în considerare prin faptul că sunt mult mai identice între rezultatele măsurătorilor și valorile adevărate ale mărimilor termice măsurate.

Îmbunătățirea metodelor de măsurare dinamică se desfășoară în trei direcții. În primul rând, aceasta este dezvoltarea unor metode de analiză a erorilor și introducerea de corecții în rezultatele măsurătorilor. În al doilea rând, dezvoltarea dispozitivelor de corecție automată pentru a compensa erorile dinamice.

Să luăm în considerare cele două metode cele mai comune în URSS, bazate pe măsurarea fluxului de căldură instabil.

1. Metoda regimului termic regulat cu bicalo-rimetru. La aplicarea acestei metode se poate folosi Tipuri variate modele de bicalorimetre. Să luăm în considerare unul dintre ele - un contor de bicalorie plat de dimensiuni mici tip MPB-64-1 (Fig. 25), care este proiectat
pentru a determina conductivitatea termică a materialelor termoizolante semirigide, fibroase și în vrac la temperatura camerei.

Dispozitivul MPB-64-1 este cilindric carcasă (carcasă) detașabilă cu un diametru interior de 105 mm, Vîn centrul căruia se află un miez cu un încorporat V acesta cu un încălzitor și o baterie de termocupluri diferențiale. Aparatul este fabricat din duraluminiu D16T.

Termopilul de termocupluri diferențiale ale bicalo-rimetrului este echipat cu termocupluri de cupru-copel, al căror diametru al electrozilor este de 0,2 mm. Capetele spirelor termopilului sunt scoase pe petalele de alamă ale unui inel din fibră de sticlă impregnate cu adeziv BF-2 și apoi prin fire până la mufă. Element de incalzire realizat din Sârmă nicrom cu diametrul de 0,1 mm, cusut pe o placă rotundă de sticlățesături. Capetele firului elementului de încălzire, precum și capetele firului termopilului, sunt scoase la petalele de alamă ale inelului și apoi, printr-un ștecher, la sursa de alimentare. Elementul de încălzire poate fi alimentat de la 127 V AC.

Dispozitivul este etanșat ermetic datorită unui sigiliu de cauciuc cu vid plasat între corp și capace, precum și a unei garnituri de etanșare (cânepă și plumb roșu) între mâner, boș și corp.

Termocuplurile, încălzitorul și cablurile lor trebuie să fie bine izolate de carcasă.

Dimensiunile probelor de testat nu trebuie să depășească diametrul 104 mm și grosime - 16 mm. Dispozitivul testează simultan două probe gemene.

Funcționarea dispozitivului se bazează pe următorul principiu.

Proces de răcire solid, încălzit la o temperatură T° și plasat într-un mediu cu o temperatură ©<Ґ при весьма большой теплопередаче (а) от телаLa Mediul (->-00) și la o temperatură constantă a acestui mediu (0 = const), este împărțit în trei etape.

1. Distribuția temperaturii V organismul este inițial aleatoriu în natură, adică are loc un regim termic dezordonat.

2. În timp, răcirea devine ordonată, adică începe un regim regulat, la care
rom, modificarea temperaturii în fiecare punct al corpului respectă o lege exponențială:

Q - AUE.-"1

Unde © este temperatura crescută într-un anumit punct al corpului; U este o funcție a coordonatelor unui punct; e-bază de logaritmi naturali; t este timpul de la începutul răcirii corpului; t - viteza de racire; A este constanta dispozitivului, în funcție de condițiile inițiale.

3. După un regim regulat de răcire, răcirea se caracterizează prin declanșarea echilibrului termic al organismului cu mediul.

Viteza de răcire t după diferențierea expresiei

De Tîn coordonate ÎnÎN-T se exprimă după cum urmează:

Unde A Și IN - constantele dispozitivului; CU - capacitatea termică totală a materialului de testat, egală cu produsul dintre capacitatea termică specifică a materialului și masa acestuia, J/(kg-°C); t - viteza de răcire, 1/h.

Testul se efectuează după cum urmează. După introducerea probelor în instrument, capacele instrumentului sunt apăsate strâns pe corp folosind o piuliță moletă. Dispozitivul este coborât într-un termostat cu un agitator, de exemplu, într-un termostat TS-16 umplut cu apă la temperatura camerei, apoi un termopil de termocupluri diferențiale este conectat la galvanometru. Dispozitivul este ținut într-un termostat până când temperaturile suprafețelor exterioare și interioare ale probelor din materialul testat sunt egalizate, ceea ce este înregistrat de citirea galvanometrului. După aceasta, încălzitorul central este pornit. Miezul este încălzit la o temperatură cu 30-40° mai mare decât temperatura apei din termostat, apoi încălzitorul este oprit. Când acul galvanometrului revine la scară, se înregistrează citirile galvanometrului care scad în timp. Se înregistrează în total 8-10 puncte.

În sistemul de coordonate 1n0-m, se construiește un grafic, care ar trebui să arate ca o dreaptă care intersectează axele absciselor și ordonatelor în anumite puncte. Apoi se calculează tangenta unghiului de înclinare a dreptei rezultate, care exprimă viteza de răcire a materialului:

__ În 6t - În O2 __ 6 02

ТІь- - j

T2 - Tj 12 - „El

Unde Bi și 02 sunt ordonatele corespunzătoare pentru timpul Ti și T2.

Experimentul se repetă din nou și se determină din nou viteza de răcire. Dacă discrepanța dintre valorile vitezei de răcire calculate în primul și al doilea experiment este mai mică de 5%, atunci acestea sunt limitate la aceste două experimente. Valoarea medie a vitezei de răcire se determină din rezultatele a două experimente și se calculează conductivitatea termică a materialului, W/(m*°C)

X = (A + YSuR)/u.

Exemplu. Materialul testat este un covor de vată minerală cu un liant fenolic cu o densitate medie uscată de 80 kg/m3.

1. Calculați cantitatea de material cântărit în dispozitiv,

Unde Рп este o probă de material plasată într-un recipient cilindric al dispozitivului, kg; Vn - volumul unui recipient cilindric al dispozitivului este de 140 cm3; рср - densitatea medie a materialului, g/cm3.

2. Noi definim muncă B.C.Y.P. , Unde ÎN - constanta dispozitivului egala cu 0,324; C este capacitatea termică specifică a materialului, egală cu 0,8237 kJ/(kg-K). Apoi VSUR= =0,324 0,8237 0,0224 = 0,00598.

3. Rezultate observatii ale răcirea probelor din dispozitiv în timp este introdusă în tabel. 2.

Diferențele dintre valorile ratelor de răcire t și t2 sunt mai mici de 5%, astfel încât experimentele repetate nu trebuie efectuate.

4. Calculați viteza medie de răcire

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

Cunoscând toate mărimile necesare, calculăm conductivitatea termică

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

Sau W/(m-°C).

În acest caz, temperatura medie a probelor a fost de 303 K sau 30 ° C. În formulă, 0,0169 -L (constanta dispozitivului).

2. Metoda sondei. Există mai multe tipuri de metode de sondă pentru determinarea conducerii căldurii
proprietățile materialelor termoizolante care diferă unele de altele prin dispozitivele utilizate și principiile de încălzire a sondei. Să luăm în considerare una dintre aceste metode - metoda sondei cilindrice fără încălzitor electric.

Această metodă este după cum urmează. În grosimea materialului termoizolant fierbinte se introduce o tijă de metal cu un diametru de 5-6 mm (Fig. 26) și o lungime de aproximativ 100 mm și folosind o tijă montată în interior.

Termocuplurile detectează temperatura. Temperatura se determină în două etape: la începutul experimentului (în momentul în care sonda este încălzită) și la sfârșit, când apare o stare de echilibru și se oprește creșterea temperaturii sondei. Timpul dintre aceste două numărări este măsurat cu ajutorul unui cronometru. h Conductivitatea termică a materialului, cu(m °C), , R2CV

Unde R- raza tijei, m; CU- capacitatea termică specifică a materialului din care este confecţionată tija, kJ/(kgХ ХК); V-volumul tijei, m3; t - interval de timp dintre citirile temperaturii, h; tx și U - valorile temperaturii la momentul primei și celei de-a doua citiri, K sau °C.

Această metodă este foarte simplă și vă permite să determinați rapid conductivitatea termică a unui material atât în ​​condiții de laborator, cât și de producție. Cu toate acestea, este potrivit doar pentru o estimare aproximativă a acestui indicator.

Pentru a studia conductivitatea termică a unei substanțe, se folosesc două grupe de metode: staționare și non-staționare.

Teoria metodelor staționare este mai simplă și mai complet dezvoltată. Dar metodele nestaționare, în principiu, pe lângă coeficientul de conductivitate termică, fac posibilă obținerea de informații despre coeficientul de difuzivitate termică și capacitatea termică. Prin urmare, recent s-a acordat multă atenție dezvoltării metodelor nestaționare pentru determinarea proprietăților termofizice ale substanțelor.

Aici sunt discutate câteva metode staționare pentru determinarea conductivității termice a substanțelor.

A) Metoda stratului plat. Pentru un flux de căldură unidimensional printr-un strat plat, coeficientul de conductivitate termică este determinat de formula

Unde d- grosime, T 1 și T 2 - temperaturile suprafeței „fierbinte” și „rece” a probei.

Pentru a studia conductibilitatea termică folosind această metodă, este necesar să se creeze un flux de căldură apropiat de unidimensional.

De obicei, temperaturile sunt măsurate nu pe suprafața probei, ci la o anumită distanță de acestea (vezi Fig. 2), prin urmare este necesar să se introducă corecții în diferența de temperatură măsurată pentru diferența de temperatură în stratul de încălzire și de răcire, pentru a minimizați rezistența termică a contactelor.

La studierea lichidelor, pentru a elimina fenomenul de convecție, gradientul de temperatură trebuie direcționat de-a lungul câmpului gravitațional (în jos).

Orez. 2. Diagrama metodelor stratului plat pentru măsurarea conductibilității termice.

1 – eșantion în studiu; 2 – încălzitor; 3 – frigider; 4, 5 – inele izolante; 6 – încălzitoare de securitate; 7 – termocupluri; 8, 9 – termocupluri diferențiale.

b) metoda Jaeger. Metoda se bazează pe rezolvarea unei ecuații unidimensionale a căldurii care descrie propagarea căldurii de-a lungul unei tije încălzite de un curent electric. Dificultatea utilizării acestei metode este imposibilitatea de a crea condiții adiabatice stricte pe suprafața exterioară a probei, ceea ce încalcă unidimensionalitatea fluxului de căldură.

Formula de calcul arată astfel:

(14)

Unde s- conductivitatea electrică a probei de testat; U– căderea de tensiune între punctele extreme de la capetele tijei, D.T.– diferenta de temperatura intre mijlocul tijei si punctul de la capatul tijei.

Orez. 3. Schema metodei Jaeger.

1 – cuptor electric; 2 – proba; 3 – toroane pentru fixarea probei; T 1 ¸ T 6 – locuri unde termocuplurile sunt sigilate.

Această metodă este utilizată în studiul materialelor conductoare electric.

V) Metoda stratului cilindric. Lichidul studiat (material în vrac) umple un strat cilindric format din doi cilindri situati coaxial.Unul dintre cilindri, cel mai adesea cel intern, este un încălzitor (Fig. 4).

Fig. 4. Schema metodei stratului cilindric

1 - cilindru interior; 2 - încălzitor principal; 3 - stratul substanței de testat; 4 – cilindru exterior; 5 - termocupluri; 6 – cilindri de securitate; 7 - încălzitoare suplimentare; 8 - corp.

Să luăm în considerare mai detaliat procesul staționar de conductivitate termică într-un perete cilindric, a cărui temperatură a suprafețelor exterioare și interioare este menținută constantă și egală cu T 1 și T 2 (în cazul nostru, acesta este stratul de substanță în studiu 5). Să determinăm fluxul de căldură prin perete cu condiția ca diametrul interior al peretelui cilindric să fie d 1 = 2r 1, iar diametrul exterior să fie d 2 = 2r 2, l = const și căldura să se propagă numai în direcția radială.

Pentru a rezolva problema, folosim ecuația (12). În coordonate cilindrice, când ; ecuația (12), conform (1O), ia forma:

. (15)

Să introducem notația dT/dr= 0, obținem

După integrarea și potențarea acestei expresii, trecând la variabilele originale, obținem:

. (16)

După cum se poate observa din această ecuație, dependența T=f(r) este logaritmică.

Constantele de integrare C 1 și C 2 pot fi determinate dacă condițiile la limită sunt substituite în această ecuație:

la r=r 1 T = T 1Și T1 =C1 ln r1 +C2,

la r=r2 T=T2Și T2 =C1 ln r2 +C2.

Soluția acestor ecuații este relativă la CU 1 și C 2 ofera:

;

Înlocuind în schimb aceste expresii C 1Și C 2în ecuația (1b), obținem

(17)

fluxul de căldură prin zona unei suprafețe cilindrice cu rază r iar lungimea este determinată folosind legea lui Fourier (5)

.

După înlocuire obținem

. (18)

Coeficientul de conductivitate termică l pentru valori cunoscute Q, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, calculat prin formula

. (19)

Pentru a suprima convecția (în cazul lichidului), stratul cilindric trebuie să aibă o grosime mică, de obicei o fracțiune de milimetru.

Reducerea pierderilor finale în metoda stratului cilindric se realizează prin creșterea raportului / dși încălzitoare de securitate.

G) Metoda firului fierbinte.În această metodă relația / d crește datorită scăderii d. Cilindrul interior este înlocuit cu un fir subțire, care este atât un încălzitor, cât și un termometru de rezistență (Fig. 5). Ca urmare a simplității relative a designului și a dezvoltării detaliate a teoriei, metoda firului încălzit a devenit una dintre cele mai avansate și precise. În practica studiilor experimentale ale conductivității termice a lichidelor și gazelor, acesta ocupă un loc de frunte.

Orez. 5. Schema unei celule de măsurare realizată prin metoda firului încălzit. 1 – fir de măsurare, 2 – tub, 3 – substanță de testat, 4 – cabluri de curent, 5 – cabluri de potențial, 6 – termometru extern.

Cu condiția ca întregul flux de căldură din secțiunea AB să se extindă radial și diferența de temperatură T 1 – T 2 să nu fie mare, astfel încât în ​​aceste limite să putem considera l = const, coeficientul de conductivitate termică al substanței este determinat de formula

, (20)

Unde Q AB = T×U AB este puterea eliberată pe fir.

d) Metoda mingii. Găsește aplicație în practica studierii conductibilității termice a lichidelor și a materialelor în vrac. Substanței studiate i se dă forma unui strat sferic, ceea ce permite, în principiu, eliminarea pierderilor necontrolate de căldură. Din punct de vedere tehnic, această metodă este destul de complicată.

În timpul mișcării lor termice. În lichide și solide - dielectrice - transferul de căldură se realizează prin transferul direct al mișcării termice a moleculelor și atomilor către particulele învecinate ale substanței. În corpurile gazoase, propagarea căldurii prin conductivitate termică are loc datorită schimbului de energie în timpul ciocnirii moleculelor cu viteze diferite de mișcare termică. În metale, conductivitatea termică apare în principal datorită mișcării electronilor liberi.

Conceptul de bază al conductivității termice include o serie de concepte matematice, ale căror definiții merită amintite și explicate.

Câmp de temperatură este o colecție de valori ale temperaturii în toate punctele corpului la un moment dat în timp. Matematic este descris ca t = f(x, y, z, τ). Distinge temperatura staționară câmp, când temperatura în toate punctele corpului nu depinde de timp (nu se modifică în timp) și câmp de temperatură nestaționar. În plus, dacă temperatura se schimbă doar de-a lungul uneia sau două coordonate spațiale, atunci câmpul de temperatură se numește unidimensional sau, respectiv, bidimensional.

Suprafata izoterma- acesta este locul geometric al punctelor la care temperatura este aceeași.

Gradient de temperatură — grad t este un vector îndreptat normal pe suprafața izotermă și numeric egal cu derivata temperaturii în această direcție.

Conform legii de bază a conductibilității termice - legea Fourier(1822), vectorul densității fluxului de căldură transmis de conductibilitatea termică este proporțional cu gradientul de temperatură:

q = - λ grad t, (3)

Unde λ — coeficientul de conductivitate termică a substanței; unitatea sa de măsură W/(m K).

Semnul minus din ecuația (3) indică faptul că vectorul qîndreptată opus vectorului grad t, adică în direcţia celei mai mari scăderi a temperaturii.

Flux de caldura δQ printr-o zonă elementară orientată arbitrar dF egal cu produsul scalar al vectorului q la vectorul sitului elementar dF, și fluxul total de căldură Q pe toata suprafata F se determină prin integrarea acestui produs peste suprafață F:

COEFICIENTUL CONDUCTIVITĂȚII TERMICE

Coeficient de conductivitate termică λ în lege Fourier(3) caracterizează capacitatea unei substanțe date de a conduce căldura. Valorile coeficienților de conductivitate termică sunt date în cărțile de referință proprietăți termofizice substante. Numeric, coeficientul de conductivitate termică λ = q/ grad t egală cu densitatea fluxului de căldură q cu gradient de temperatură grad t = 1 K/m. Gazul ușor care are cea mai mare conductivitate termică este hidrogenul. La conditiile camerei coeficientul de conductivitate termică a hidrogenului λ = 0,2 W/(m K). Gazele mai grele au o conductivitate termică mai mică - aerul λ = 0,025 W/(m K), în dioxid de carbon λ = 0,02 W/(m K).

Argintul și cuprul pur au cel mai mare coeficient de conductivitate termică: λ = 400 W/(m K). Pentru oțeluri carbon λ = 50 W/(m K). Lichidele au de obicei un coeficient de conductivitate termică mai mic de 1 W/(m K). Apa este unul dintre cei mai buni conductori lichidi de căldură, pentru aceasta λ = 0,6 W/(m K).

Coeficientul de conductivitate termică al materialelor solide nemetalice este de obicei sub 10 W/(m K).

Materialele poroase - pluta, diverse materiale de umplutură fibroase, cum ar fi lâna organică - au cei mai mici coeficienți de conductivitate termică λ <0,25 W/(m K), apropiindu-se la densitate mică de împachetare de coeficientul de conductivitate termică a aerului care umple porii.

Temperatura, presiunea și, pentru materialele poroase, de asemenea umiditatea pot avea un impact semnificativ asupra coeficientului de conductivitate termică. Cărțile de referință oferă întotdeauna condițiile în care a fost determinat coeficientul de conductivitate termică al unei substanțe date, iar aceste date nu pot fi utilizate pentru alte condiții. Intervalele de valori λ pentru diverse materiale sunt prezentate în Fig. 1.

Fig.1. Intervale de valori ale coeficienților de conductivitate termică a diferitelor substanțe.

Transfer de căldură prin conductivitate termică

Perete plat omogen.

Cea mai simplă și foarte comună problemă rezolvată de teoria transferului de căldură este determinarea densității fluxului de căldură transmis printr-un perete plat de grosime. δ , pe suprafețele cărora se mențin temperaturile t w1Și t w2 .(Fig. 2). Temperatura variază numai pe grosimea plăcii - o coordonata X. Astfel de probleme se numesc unidimensionale, soluțiile lor sunt cele mai simple, iar în acest curs ne vom limita să luăm în considerare doar probleme unidimensionale.

Având în vedere că pentru cazul cu un număr:

grad t = dt/dх, (5)

și folosind legea de bază a conductibilității termice (2), obținem ecuația diferențială a conductibilității termice staționare pentru un perete plat:

În condiții staționare, când energia nu este cheltuită pentru încălzire, densitatea fluxului de căldură q neschimbat de grosimea peretelui. În majoritatea problemelor practice se presupune aproximativ că coeficientul de conductivitate termică λ nu depinde de temperatură și este același pe toată grosimea peretelui. Sens λ găsite în cărțile de referință la temperaturi:

medie între temperaturile suprafețelor pereților. (Eroarea de calcul în acest caz este de obicei mai mică decât eroarea datelor inițiale și a valorilor tabulate și cu o dependență liniară a coeficientului de conductivitate termică de temperatură: λ = a+ bt formula de calcul exacta pentru q nu diferă de cea aproximativă). La λ = const:

(7)

acestea. dependență de temperatură t din coordonata X liniară (fig. 2).

Fig.2. Distribuția staționară a temperaturii pe grosimea unui perete plat.

Prin împărțirea variabilelor în ecuația (7) și integrarea peste t din t w1 inainte de t w2și prin X de la 0 la δ :

, (8)

obținem dependența pentru calcularea densității fluxului de căldură:

, (9)

sau puterea fluxului de căldură (flux de căldură):

(10)

Prin urmare, cantitatea de căldură transferată prin 1 m 2 pereți, direct proporțional cu coeficientul de conductivitate termică λ și diferența de temperatură dintre suprafețele exterioare ale peretelui ( t w1 - t w2) și invers proporțională cu grosimea peretelui δ . Cantitatea totală de căldură prin zona peretelui F de asemenea proporţional cu această zonă.

Formula simplă rezultată (10) este foarte utilizată în calculele termice. Folosind această formulă, ei nu numai că calculează densitatea fluxului de căldură prin pereți plani, dar fac și estimări pentru cazuri mai complexe, pur și simplu înlocuind pereții unei configurații complexe cu un perete plat în calcule. Uneori, pe baza unei evaluări, una sau alta opțiune este respinsă fără să se mai aloce timp pentru dezvoltarea sa detaliată.

Temperatura corpului într-un punct X determinat de formula:

t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)

Atitudine λF/δ se numește conductivitate termică a peretelui, iar valoarea reciprocă 5/λF termica sau rezistenta termica a peretelui si este desemnata Rλ. Folosind conceptul de rezistență termică, formula de calcul a fluxului de căldură poate fi prezentată astfel:

Dependența (11) este similară cu legea Ohmîn electrotehnică (puterea curentului electric este egală cu diferența de potențial împărțită la rezistența electrică a conductorului prin care trece curentul).

Foarte des, rezistența termică este valoarea δ/λ, care este egală cu rezistența termică a unui perete plat cu o suprafață de 1 m 2.

Exemple de calcule.

Exemplul 1. Determinați fluxul de căldură printr-un perete de beton al unei clădiri cu o grosime de 200 mm, înălțime H = 2,5 m si lungimea 2 m, dacă temperaturile de pe suprafețele sale sunt: t с1= 20 0 C, t s2= - 10 0 C, iar coeficientul de conductivitate termică λ =1 W/(m K):

= 750 W.

Exemplul 2. Determinați coeficientul de conductivitate termică al unui material de perete cu o grosime de 50 mm, dacă densitatea fluxului de căldură prin acesta q = 100 W/m 2, și diferența de temperatură pe suprafețe Δt = 20 0 C.

W/(m K).

Perete multistrat.

Formula (10) poate fi folosită și pentru a calcula fluxul de căldură printr-un perete format din mai multe ( n) straturi de materiale diferite, strâns adiacente între ele (Fig. 3), de exemplu, o chiulasă, o garnitură și un bloc cilindric din materiale diferite etc.

Fig.3. Distribuția temperaturii pe grosimea unui perete plat multistrat.

Rezistența termică a unui astfel de perete este egală cu suma rezistențelor termice ale straturilor individuale:

(12)

În formula (12), trebuie să înlocuiți diferența de temperatură în acele puncte (suprafețe) între care sunt „incluse” toate rezistențele termice însumate, adică. în acest caz: t w1Și t w(n+1):

, (13)

Unde i- numărul stratului.

În modul staționar, fluxul de căldură specific prin peretele multistrat este constant și același pentru toate straturile. Din (13) rezultă:

. (14)

Din ecuația (14) rezultă că rezistența termică totală a unui perete multistrat este egală cu suma rezistențelor fiecărui strat.

Formula (13) poate fi obținută cu ușurință prin scrierea diferenței de temperatură conform formulei (10) pentru fiecare dintre P straturi ale unui perete multistrat și adăugând totul P expresii ţinând cont de faptul că în toate straturile Q are acelasi sens. Când sunt adăugate împreună, toate temperaturile intermediare vor scădea.

Distribuția temperaturii în interiorul fiecărui strat este liniară, totuși, în diferite straturi, panta dependenței de temperatură este diferită, deoarece conform formulei (7) ( dt/dx)i = - q/λ i. Densitatea fluxului de căldură care trece prin toate straturile este aceeași într-un mod staționar, dar coeficientul de conductivitate termică al straturilor este diferit, prin urmare, temperatura se schimbă mai brusc în straturile cu conductivitate termică mai mică. Deci, în exemplul din Fig. 4, materialul celui de-al doilea strat (de exemplu, o garnitură) are cea mai scăzută conductivitate termică, iar al treilea strat are cea mai mare.

Prin calcularea fluxului de căldură printr-un perete multistrat, putem determina scăderea temperaturii în fiecare strat folosind relația (10) și găsim temperaturile la limitele tuturor straturilor. Acest lucru este foarte important atunci când se utilizează materiale cu o temperatură permisă limitată ca izolatori termici.

Temperatura straturilor este determinată de următoarea formulă:

t sl1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)

t sl2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)

Rezistenta termica de contact. La obținerea formulelor pentru un perete multistrat, s-a presupus că straturile sunt strâns adiacente între ele și, datorită contactului bun, suprafețele de contact ale diferitelor straturi au aceeași temperatură. În mod ideal, un contact strâns între straturile individuale ale unui perete multistrat se obține dacă unul dintre straturi este aplicat pe alt strat în stare lichidă sau sub formă de soluție curgătoare. Corpurile solide se ating între ele numai la vârfurile profilelor de rugozitate (Fig. 4).

Aria de contact a vârfurilor este neglijabil de mică, iar întregul flux de căldură trece prin golul de aer ( h). Acest lucru creează rezistență termică suplimentară (de contact). R la. Rezistențele de contact termic pot fi determinate independent folosind relații empirice adecvate sau experimental. De exemplu, o rezistență termică a intervalului de 0,03 mm aproximativ echivalent cu rezistența termică a unui strat de oțel aproximativ 30 mm.

Fig.4. Imagine a contactelor dintre două suprafețe aspre.

Metode de reducere a rezistenței la contact termic. Rezistența termică totală a contactului este determinată de curățenia prelucrării, sarcină, conductivitatea termică a mediului, coeficienții de conductivitate termică a materialelor pieselor de contact și alți factori.

Cea mai mare eficiență în reducerea rezistenței termice se realizează prin introducerea în zona de contact a unui mediu cu conductivitate termică apropiată de conductibilitatea termică a metalului.

Există următoarele posibilități de umplere a zonei de contact cu substanțe:

Utilizarea de garnituri din metal moale;

Introducerea în zona de contact a unei substanțe pulverulente cu conductivitate termică bună;

Introducerea în zonă a unei substanțe vâscoase cu conductivitate termică bună;

Umplerea spațiului dintre proeminențele de rugozitate cu metal lichid.

Cele mai bune rezultate au fost obținute la umplerea zonei de contact cu staniu topit. În acest caz, rezistența termică a contactului devine practic zero.

Perete cilindric.

Foarte des, lichidele de răcire se deplasează prin țevi (cilindri) și este necesar să se calculeze fluxul de căldură transmis prin peretele cilindric al țevii (cilindru). Problema transferului de căldură printr-un perete cilindric (cu temperaturi cunoscute și constante pe suprafețele interioare și exterioare) este de asemenea unidimensională dacă este luată în considerare în coordonate cilindrice (Fig. 4).

Temperatura se schimbă numai de-a lungul razei și de-a lungul lungimii conductei l iar de-a lungul perimetrului său rămâne neschimbat.

În acest caz, ecuația fluxului de căldură are forma:

. (15)

Dependența (15) arată că cantitatea de căldură transferată prin peretele cilindrului este direct proporțională cu coeficientul de conductivitate termică λ , lungimea conductei l si diferenta de temperatura ( t w1 - t w2) și invers proporțional cu logaritmul natural al raportului dintre diametrul exterior al cilindrului d 2 la diametrul său interior d 1.

Orez. 4. Schimbarea temperaturii de-a lungul grosimii unui perete cilindric cu un singur strat.

La λ = distribuția constantă a temperaturii pe rază r a unui perete cilindric cu un singur strat respectă o lege logaritmică (Fig. 4).

Exemplu. De câte ori se reduc pierderile de căldură prin peretele unei clădiri dacă există 250 de cărămizi groase între două straturi? mm instalați un tampon de spumă de 50 de grosime mm. Coeficienții de conductivitate termică sunt, respectiv, egali cu: λ cărămidă . = 0,5 W/(m K); stilou λ. . = 0,05 W/(m K).