≡×МЕНЮ

• Інтер'єр
• Вікна
• Стіни
• Проекти
• Будівлі

Стаціонарні методи визначення теплопровідності. Методи визначення теплопровідності металів. Визначення та позначення

1

При збільшенні питомих потужностей двигунів внутрішнього згоряннязростає кількість теплоти, яку необхідно відводити від нагрітих вузлів та деталей. Ефективність сучасних системохолодження та спосіб збільшення інтенсивності теплопередачі практично досягли своєї межі. Метою даної є дослідження інноваційних охолоджуючих рідин для систем охолодження теплоенергетичних пристроїв на основі двофазних систем, що складаються з базового середовища (вода) і наночастинок. Розглянуто один із методів вимірювання теплопровідності рідини під назвою 3ω-hot-wire. Наведено результати вимірювання коефіцієнта теплопровідності нанорідини на основі оксиду графену при різній концентрації останнього. Встановлено, що при застосуванні 1,25% графену коефіцієнт теплопровідності нанорідкості збільшився на 70%.

теплопровідність

коефіцієнт теплопровідності

оксид графену

нанорідкість

система охолодження

випробувальний стенд

1. Осипова В.А. Експериментальне дослідження процесів теплообміну: навч. посібник для вузів. - 3-тє вид., Перероб. та дод. - М.: Енергія, 1979. - 320 с.

2. Теплопередача/В.П. Ісаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел - М.: Енергія, 1975. - 488 с.

3. Аномальнозбільшені ефективні thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles / J.A. Eastman, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson Appl. Phys. Lett. 78,718; 2001.

4. Thermal Conductivity Measurements За допомогою 3-Omega Technique: Application to Power Harvesting Microsystems / David de Koninck; Thesis of Master of Engineering, McGill University, Montreal, Canada, 2008. - 106 с.

5. Thermal Conductivity Measurement/W.A. Wakeham, MJ. Assael 1999 by CRC Press LLC.

Відомо, що за сучасні тенденціїпідвищення питомих потужностей двигунів внутрішнього згоряння, а також до вищих швидкостей та менших розмірів для мікроелектронних пристроїв постійно зростає кількість теплоти, яку необхідно відводити від нагрітих вузлів та деталей. Застосування різних теплопровідних рідин для відведення тепла є одним з найбільш поширених і ефективних способів. Ефективність сучасних конструкцій охолоджувальних пристроїв, а також простий методзбільшення інтенсивності теплопередачі практично досягли своєї межі. Відомо, що звичайні охолодні рідини (вода, масла, гліколі, фторвуглеці), мають досить низьку теплопровідність (табл. 1), що є обмежуючим фактором в сучасних конструкціяхсистем охолодження. Для збільшення їх теплопровідності можна створити багатофазне (мінімум двофазне) дисперсне середовище, де роль дисперсії виконують частинки зі значно більшим коефіцієнтом теплопровідності, ніж базова рідина. Максвелл в 1881 році запропонував додати тверді частинки з високою теплопровідністю в базову теплопровідну рідину, що охолоджує.

Ідея полягає в тому, щоб змішати металеві матеріали, такі як срібло, мідь, залізо, та неметалеві матеріали, такі як глинозем, CuO, SiC та вуглецеві трубки, що володіють вищою теплопровідністю порівняно з базовою теплопровідною рідиною з меншим коефіцієнтом теплопровідності. Спочатку тверді частинки (такі як срібло, мідь, залізо, вуглецеві трубки, що мають більш високу теплопровідність порівняно з базовою рідиною) мікронних і навіть міліметрових розмірів були змішані з базовими рідинами з отриманням суспензій. Достатньо великий розмірчасток, що застосовуються, і труднощі у виробництві нанорозмірних частинок стали обмежуючими факторами у застосуванні таких суспензій. Вказана проблема була вирішена роботами співробітників Арізонської національної лабораторії S. Choi та J. Eastman, які провели експерименти з металевими частинками нанометрових розмірів. Вони з'єднували різні металеві наночастинки та наночастинки металевих оксидів з різними рідинами та отримали дуже цікаві результати. Ці суспензії наноструктурованих матеріалів було названо «нанорідинами».

Таблиця 1

Порівняння коефіцієнтів теплопровідності матеріалів для наножидкостей

З метою розробки сучасних інноваційних охолоджуючих рідин для систем охолодження високофорсованих теплоенергетичних пристроїв нами було розглянуто двофазні системи, що складаються з базового середовища (вода, етиленгліколь, олії та ін.) та наночастинок, тобто. частинок із характерними розмірами від 1 до 100 нм. Важливою особливістюНанорідини є те, що навіть при додаванні невеликої кількості наночастинок вони показують серйозне підвищення в теплопровідності (іноді більше, ніж у 10 разів). Причому підвищення теплопровідності залежить від температури - зі зростанням температури збільшується підвищення коефіцієнта теплопровідності.

При створенні таких нанорідкостей, що є двофазною системою, необхідний надійний і досить точний метод вимірювання коефіцієнта теплопровідності.

Нами розглянуто різні методи вимірювання коефіцієнта теплопровідності для рідин. В результаті проведеного аналізу був обраний «3-провідний» метод для вимірювання теплопровідності нанорідин з досить високою точністю .

«3ω-провідний» метод використовується для одночасного вимірювання теплопровідності та температуропровідності матеріалів. Він заснований на вимірі підвищення температури, яка залежить від часу в джерелі тепла, тобто гарячому дроті, який занурений у рідину для тестування. Металевий дріт одночасно служить електричним нагрівачем опору та термометром опору. Металеві дроти виготовляються вкрай малими в діаметрі (кілька десятків мкм). Підвищення температури дроту зазвичай досягає 10 °C і впливом конвекції при цьому можна знехтувати.

Металевий дріт довжиною L і радіусом r, зважений у рідині, діє як нагрівач і термометр опору, як показано на рис. 1.

Мал. 1. Схема встановлення методу «3ω гарячого дроту» для вимірювання теплопровідності рідини

Сутність методу визначення коефіцієнта теплопровідності полягає в наступному. Змінний струм тече через металевий провід (нагрівач). Характеристика змінного струмувизначається рівнянням

де I 0 - є амплітудою змінного синусоїдального струму; ω – частота струму; t – час.

Змінний струм протікає через дріт, діючи як нагрівач. Відповідно до закону Джоуля - Ленца визначається кількість теплоти, що виділяється при проходженні по провіднику електричного струму:

і є суперпозицією джерела постійного струму і 2ω модульованого джерела тепла,

де R E є електричним опором металевого дроту в умовах експерименту, і є функцією температури.

Теплова потужність, що виділилася, породжує зміну температури в нагрівачі, яке також є суперпозицією компоненти постійного струму і компоненти 2ω змінного струму:

де T DC - амплітуда зміни температури під дією постійного струму; ΔT 2ω - амплітуда зміни температури під дією змінного струму; φ - зсув фази, індукований нагріванням маси зразка.

Електричний опір дроту залежить від температури і це і є 2ω компонент змінного струму в опорі дроту:

де C rt - температурний коефіцієнт опору металевого проводу; R E0 - довідковий опір нагрівача за температури T 0 .

Зазвичай T0 це температура об'ємного зразка.

Напруга на металевому дроті може бути отримана як,

(6)

У рівнянні (6) напруга на дроті містить: падіння напруги через опір постійного струму дроту при 1? і два нових компоненти, пропорційні підвищенню температури у дроті при 3? і при 1?. 3ω компонента напруги може бути витягнута за допомогою підсилювача, а потім використовується для виведення амплітуди зміни температури при 2?

Частотна залежність зміни температури ΔT 2ω отримана зміною частоти змінного струму при постійній напрузі V 1ω . У той же час залежність зміни температури ΔT 2ω від частоти може бути апроксимована як

де f - коефіцієнт температуропровідності; k f – коефіцієнт теплопровідності базової рідини; η – константа.

Зміна температури при частоті 2 в металевому дроті може бути виведено за допомогою компоненти напруги частоти 3, як показано в рівнянні (8). Коефіцієнт теплопровідності рідини k f визначається за нахилом 2ω зміни температури металевого дроту по відношенню до частоти ω,

(9)

де Р – застосовувана потужність; ω – є частотою прикладеного електричного струму; L – довжина металевого дроту; ΔT 2ω - амплітуда зміни температури на частоті 2ω у металевому дроті.

3ω-провідний метод має кілька переваг перед традиційним методомгарячого дроту:

1) температурні коливання можуть бути досить маленькими (нижче 1K, порівняно з приблизно 5K для методу гарячого дроту) досліджуваної рідини, щоб зберегти постійні властивості рідини;

2) фонові шуми, такі як зміна температури, мають значно менший вплив на результати вимірів.

Ці переваги роблять цей метод ідеальним для вимірювання температурної залежності коефіцієнта теплопровідності нанорідин.

Установка вимірювання коефіцієнта теплопровідності включає такі компоненти: міст Уінстона; генератор сигналів; аналізатор спектра; осцилограф.

Міст Уінстона є схемою, застосовувану для порівняння невідомого опору R x з відомим опором R 0 . Схема мосту наведено на рис. 2. Чотири плечі моста Уінстона АВ, ВС, АТ і ДС є опорами Rх, R0, R1 і R2 відповідно. У діагональ ВД включається гальванометр, а діагональ АС приєднується джерело живлення.

Якщо відповідним чином підібрати величини змінних опорів R1 і R2, то можна домогтися рівності потенціалів точок В і Д: В = Д. У цьому випадку струм через гальванометр не піде, тобто I g = 0. За цих умов міст буде збалансований, і можна знайти невідомий опір Rх. Для цього скористаємося правилами Кірхгофа для розгалужених кіл. Застосовуючи перше та друге правила Кірхгофа, отримаємо

R х = R 0 В· R 1 / R 2 .

Точність у визначенні R х зазначеним методом великого ступенязалежить від вибору опорів R1 і R2. Найбільша точність досягається при R 1 ≈ R 2 .

Генератор сигналів виступає джерелом електричних коливань в діапазоні 0,01 Гц - 2 МГц з високою точністю (з дискретністю через 0,01 Гц). Марка генератора сигналів Г3-110

Мал. 2. Схема мосту Вінстона

Аналізатор спектру призначений виділення 3ω складової спектра. Перед початком роботи аналізатор спектру тестувався відповідність величини напруги третьої гармоніки. Для цього на вхід аналізатора спектра подається сигнал з генератора Г3-110 і паралельно на широкосмуговий цифровий вольтметр. Ефективне значення амплітуди напруги порівнювалося на аналізаторі спектру та вольтметрі. Розбіжність значень становило 2%. Калібрування аналізатора спектра також виконувалося на внутрішньому тесті приладу, частоті 10 кГц. Величина сигналу на частоті, що несе, склала 80 мВ.

Осцилограф C1-114/1 призначений для дослідження форми електричних сигналів.

Перед початком дослідження нагрівач (дрот) має бути поміщений у досліджуваний зразок рідини. Дріт не повинен торкатися стінок судини. Далі сканували по частоті в діапазоні від 100 до 1600 Гц. На аналізаторі спектра при частоті, що досліджується, фіксується величина сигналу 1, 2, 3 гармоніки в автоматичному режимі.

Для вимірювання амплітуди сили струму використовували послідовно включений до ланцюга резистор опором ~ 0,47 Ом. Величина має бути така, щоб вона не перевищувала номінал вимірювального плеча близько 1 Ом. За допомогою осцилографа знаходили напругу U. Знаючи R і U, знаходили амплітуду сили струму I 0 . Для розрахунку прикладеної потужності вимірюється напруга ланцюга.

Спочатку досліджується широкий частотний діапазон. Визначається вужча область частот, де лінійність графіка найбільш висока. Потім у вибраній області частот проводиться вимірювання з дрібнішим кроком частоти.

У табл. 2 представлені результати вимірювання коефіцієнта теплопровідності нанорідкості, що представляє собою 0,35% суспензію оксиду графену в базовій рідині (воді), за допомогою мідного ізольованого дроту довжиною 19 см, діаметром 100 мкм, при температурі 26 °С для частотного діапазону 780... Гц.

На рис. 3 наведено загальний вигляд стенду для вимірювання коефіцієнта теплопровідності рідини.

У табл. 3 представлена ​​залежність коефіцієнта теплопровідності суспензії оксиду графену від його концентрації рідини при температурі 26 °С. Вимірювання коефіцієнтів теплопровідності нанорідкості здійснювалися за різної концентрації оксиду графену від 0 до 1,25 %.

Таблиця 2

Результати вимірювання коефіцієнта теплопровідності нанорідкості

Частотний діапазон	Кругова частота	Сила струму	Амплітуда напруги третьої гармоніки	Зміна температури	Логарифм кругової частоти	Потужність	Нахил графіка	Коефіцієнт теплопровідності

Мал. 3. Загальний виглядстенда для вимірювання коефіцієнта теплопровідності рідини

У табл. 3 також наведено значення коефіцієнтів теплопровідності, визначені за формулою Максвелла.

(10)

де k - коефіцієнт теплопровідності нанорідкості; k f – коефіцієнт теплопровідності базової рідини; k p – коефіцієнт теплопровідності дисперсної фази (наночастинок); φ - величина об'ємної фази кожної із фаз дисперсій.

Таблиця 3

Коефіцієнт теплопровідності суспензії оксиду графену

Відношення коефіцієнтів теплопровідності k експ /k теор і k експ /k табл. води наведено на рис. 4.

Такі відхилення експериментальних даних від передбачених класичним рівнянням Максвеллівським, на нашу думку, можуть бути пов'язані з фізичними механізмами збільшення теплопровідності нанорідкості, а саме:

за рахунок броунівського руху частинок; перемішування рідини створює мікроконвективний ефект, тим самим підвищуючи енергію теплоперенесення;

Перенесення тепла за механізмом перколяції переважно вздовж кластерних каналів, що утворюються в результаті агломерації наночастинок, що пронизують всю структуру розчинника (звичайної рідини);

Молекули базової рідини утворюють високо орієнтовані шари навколо наночастинок, таким чином збільшуючи об'ємну частку наночастинок.

Мал. 4. Залежність відношення коефіцієнтів теплопровідності від концентрації оксиду графену

Робота виконана із залученням обладнання Центру колективного користування науковим обладнанням «Діагностика мікро- та наноструктур» за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки РФ.

Рецензенти:

Єпархін О.М., д.т.н., професор, директор Ярославської філії ФДБОУ ВПО «Московський державний університетшляхів сполучення», м. Ярославль;

Аміров І.І., д.ф.-м.н., науковий співробітник Ярославської філії ФДБУН «Фізико-технологічний інститут» Російської академіїнаук, м. Ярославль.

Робота надійшла до редакції 28.07.2014.

Бібліографічне посилання

Жаров А.В., Савінський Н.Г., Павлов А.А., Євдокимов О.М. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ МЕТОД ВИМІРЮВАННЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ НАНОРІДКОСТІ // Фундаментальні дослідження. - 2014. - № 8-6. - С. 1345-1350;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34766 (дата звернення: 01.02.2020). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Для вимірювання теплопровідності у минулому використовувалося дуже багато методів. В даний час деякі з них застаріли, проте їх теорія і зараз представляє інтерес, оскільки вони базуються на рішеннях рівнянь теплопровідності простих систем, які часто зустрічаються у практиці.

Насамперед слід зазначити, що термічні властивості будь-якого матеріалу проявляються у різноманітних поєднаннях; проте якщо розглядати їх як характеристики матеріалу, їх можна визначити з різних експериментів. Перелічимо основні термічні характеристики тіл та експерименти, з яких вони визначаються: а) коефіцієнт теплопровідності, що вимірюється при стаціонарному режимі експерименту; б) теплоємність, що віднесена до одиниці об'єму, яку вимірюють калориметричними методами; в) величина, що вимірюється при періодичному стаціонарному режимі експериментів; г) температуропровідність х, що вимірюється при нестаціонарному режимі експериментів. Насправді більшість експериментів, що проводяться в нестаціонарному режимі, в принципі допускають як визначення так і визначення

Ми коротко опишемо тут найпоширеніші методи та вкажемо розділи, у яких вони розглядаються. Фактично ці методи діляться ті, у яких виміри ведуться у стаціонарному режимі (методи стаціонарного режиму), при періодичному нагріванні й у нестаціонарному режимі (методи нестаціонарного режиму); далі вони поділяються на методи, що застосовуються для дослідження поганих провідників і для дослідження металів.

1. Методи стаціонарного режиму; погані провідники. У цьому методі слід точно виконувати умови основного експерименту, викладеного в § 1 цієї глави, причому досліджуваний матеріал повинен мати форму пластинки. В інших варіантах методу можна досліджувати матеріал у вигляді порожнистого циліндра (див. § 2 гл. VII) або порожнистої сфери (див. § 2 гл. IX). Іноді досліджуваний матеріал, яким проходить тепло, має форму товстого стрижня, проте у разі теорія виявляється складнішою (див. §§ 1, 2 гл. VI і § 3 гл. VIII).

2. Термічні методистаціонарного режиму; метали. У цьому випадку зазвичай використовується металевий зразок у формі стрижня, кінці якого підтримують за різних температур. Напівобмежений стрижень у § 3 гол. IV, а стрижень кінцевої довжини - § 5 гол. IV.

3. Електричні методистаціонарного режиму; метали. В цьому випадку металевий зразок у вигляді дроту нагрівають, пропускаючи через нього електричний струм, а його кінці підтримують за заданих температур (див. § 11 гл. IV і приклад IX § 3 гл. VIII). Можна також використовувати випадок радіального потоку тепла в дроті, що нагрівається електричним струмом (див. приклад V § 2 гл. VII).

4. Методи стаціонарного режиму рідини, що рухаються. У цьому випадку вимірюється температура рідини, що рухається між двома резервуарами, у яких підтримується різна температура (див. § 9, гл. IV).

5. Методи періодичного нагріву. У цих випадках умови на кінцях стрижня або платівки змінюються з періодом після досягнення стану вимірюють температури в певних точках зразка. Випадок напівобмеженого стрижня у § 4 гол. IV, а стрижня кінцевої довжини - у § 8 тієї ж глави. Подібний метод використовується для визначення температуропровідності ґрунту при температурних коливаннях, що викликаються сонячним нагріванням(Див, § 12 гл. II).

У Останнім часомці методи стали грати важливу рольу вимірах низьких температур; вони мають також ту перевагу, що в теорії відносно складних системможна скористатися методами, розробленими для дослідження електричних хвилеводів (див. § 6 гл. І).

6. Методи нестаціонарного режиму. У минулому методи нестаціонарного режиму використовувалися дещо менше, ніж методи стаціонарного режиму. Їх недолік полягає в труднощі встановлення того, наскільки дійсні граничні умови в експерименті узгоджуються з умовами, що постулюються теорією. Врахувати подібну розбіжність (наприклад, коли йдеться про контактний опір на кордоні) дуже важко, а це важливіше для зазначених методів, ніж для методів стаціонарного режиму (див. § 10 гл. II). Разом з тим методи нестаціонарного режиму самі по собі мають відомі переваги. Так, деякі з цих методів придатні для проведення дуже швидких вимірювань та для врахування малих змін температури; крім того, ряд методів можна використовувати на місці, без доставки зразка в лабораторію, що дуже бажано, особливо при дослідженні таких матеріалів, як грунти і гірські породи. У більшості старих методів використовується лише остання ділянка графіка залежність температури від часу; при цьому розв'язання відповідного рівняння виражається одним експоненційним членом. У § 7 гол. IV, § 5 гол. VI, § 5 гол. VIII та § 5 гол. IX розглядається випадок охолодження тіла простої геометричної форми при лінійній теплопередачі з поверхні. У § 14 гол. IV розглядається випадок нестаціонарної температури у дроті, що нагрівається електричним струмом. У деяких випадках використовується весь графік зміни температури в точці (див. § 10 гл. II та § 3 гл. III).

Здатність матеріалів та речовин проводити тепло називається теплопровідністю (X,) і виражається кількістю тепла, що проходить через стінку площею 1 м2,Товщиною 1 м за 1 год. при різниці температур на протилежних поверхнях стінки в 1 град. Одиниця виміру теплопровідності - Вт/(м-К) або Вт/(м-°С).

Теплопровідність матеріалів визначають

Де Q- кількість тепла (енергії), Вт; F- площа перерізу матеріалу (зразка), перпендикулярна до напряму теплового потоку, м2; At-різниця температур на протилежних поверхнях зразка, К або °С; б-товщина зразка, м.

Теплопровідність - один із головних показників властивостей теплоізоляційних матеріалів. Цей показник залежить від цілого ряду факторів: загальної пористості матеріалу, розміру та форми пір, виду твердої фази, виду газу, що заповнює пори, температури тощо.

Залежність теплопровідності від цих чинників найбільш універсальному вигляді виражають рівнянням Лееба:

_______ Аs ______ - і

Де Кр - теплопровідність матеріалу; Xs – теплопровідність твердої фази матеріалу; Рс- кількість пір, що перебувають у перерізі, перпендикулярному потоку тепла; Pi-кількість пір, що знаходяться в перерізі, паралельному потоку тепла; б – радіальна постійна; є - випромінюваність; v - геометричний фактор, що впливає. випромінювання всередині пір; Tt- Середня абсолютна температура; d- Середній діаметр пір.

Знання теплопровідності того чи іншого теплоізоляційного матеріалу дозволяє правильно оцінити його теплоізоляційні якості та розрахувати товщину теплоізоляційної конструкції із цього матеріалу за заданими умовами.

Нині існує низка методів визначення теплопровідності матеріалів, заснованих на вимірі стаціонарного та нестаціонарного потоків тепла.

Перша група методів дозволяє проводити вимірювання в широкому діапазоні температур (від 20 до 700 ° С) і отримувати більш точні результати. Недоліком методів вимірювання стаціонарного потоку тепла є тривалість досвіду, що вимірюється годинами.

Друга група методів дозволяє проводити експеримент впротягом декількох хвилин (до 1 ч), зате придатна визначення теплопровідності матеріалів лише за порівняно низьких температурах.

Вимір теплопровідності будівельних матеріалів цим методом проводять, користуючись приладом, зображеним на рис. 22. При цьому за допомогою малоінерційного тепломіра виробляютьвимірювання стаціонарного теплового потоку, що проходить через випробуваний зразок матеріалу.

Прилад складається з плоского електронагрівача 7 та малоінерційного тепломіра 9, встановленого на відстані 2 мм від поверхні холодильника 10, через який безперервно протікає вода із постійною температурою. На поверхнях нагрівача та тепломіра закладені термопари 1,2,4 та 5. Прилад поміщений у металевий кожух 6, заповнений теплоізоляційним матеріалом. Щільне прилягання зразка 8 до тепломіру та нагрівача забезпечується притискним пристроєм 3. Нагрівач, тепломірта холодильник мають форму диска діаметром 250 мм.

Тепловий потік від нагрівача через зразок та малоінерційний тепломір передається холодильнику. Величина теплового потоку, що проходить через центральну частину зразка, вимірюється тепломіром, що є термобатарею на паранітовому диску, аботепло - мірою з елементом, що відтворює, в який вмонтований плоский електричний нагрівач.

Прилад можна вимірювати теплопровідність при температурі на гарячій поверхні зразка від 25 до 700° С.

У комплект приладу входять: терморегулятор типу РО-1, потенціометр типу КП-59, лабораторний автотрансформатор типу РНО-250-2, перемикач термопар МГП, термостат ТС-16, технічний амперметр змінного струму до 5 А і термос.

Зразки матеріалу, що піддаються випробуванню, повинні мати у плані форму кола діаметром 250 мм. Товщина зразків повинна бути не більше 50 та не менше 10 мм. Товщину зразків вимірюють з точністю до 0,1 мм і визначають як середнє арифметичне результатів чотирьох вимірювань. Поверхні зразків повинні бути плоскими та паралельними.

При випробуванні волокнистих, сипких, м'яких і напівжорстких теплоізоляційних матеріалів відібрані зразки поміщають в обойми діаметром 250 мм та висотою 30-40 мм, виготовлені з азбестового картону завтовшки 3-4 мм.

Щільність відібраної проби, що знаходиться під питомим навантаженням, повинна бути рівномірна по всьому об'єму та відповідати середній щільності випробуваного матеріалу.

Зразки перед випробуванням мають бути висушені до постійної маси при температурі 105-110°.

Підготовлений до випробувань зразок укладають на тепломір та притискають нагрівачем. Потім терморегулятор нагрівача приладу встановлюють на задану температуру і включають нагрівач в мережу. Після встановлення стаціонарного режиму, при якому протягом 30 хв показання тепломіра будуть постійними, відзначають термопар показання за шкалою потенціометра.

При застосуванні малоінерційного тепломіра з відтворюючим елементом переводять показання тепломіра на нуль-гальванометр і включають струм через реостат, і міліамперметр компенсацію, домагаючись при цьому положення стрілки нуль-гальванометра на 0, після чого реєструють показання за шкалою приладу в мА.

При вимірюванні кількості тепла малоінерційним тепломіром з елементом, що відтворює, розрахунок теплопровідності матеріалу виробляють за формулою

Де б - товщина зразка, м; T - Температура гарячої поверхні зразка, °С; - температура холодної поверхні зразка, °З; Q- кількість тепла, що проходить через зразок у напрямку, перпендикулярному його поверхні, Вт /м2.

Де R - постійний опір нагрівача тепломіра, Ом; / - Сила струму, A; F- Площа тепломіра, м2.

При вимірюванні кількості тепла (Q) градуйованим малоінерційним тепломіром розрахунок проводять за формулою Q= AE(Вт/м2), де Е- електрорушійна сила (ЕРС), мВ; А - постійна приладу, вказана в свідоцтві про градуювання на тепломір.

Температуру поверхонь зразка вимірюють з точністю до 0,1 З (за умови стаціонарного стану). Тепловий потік обчислюють з точністю до 1 Вт/м2, а теплопровідність до 0,001 Вт/(м-°С).

При роботі на даному приладі необхідно проводити його періодичну перевірку шляхом випробування стандартних зразків, які надають науково-дослідні інститути метрології та лабораторії Комітету стандартів, заходів та вимірювальних приладівза Ради Міністрів СРСР.

Після проведення досвіду та отримання даних становлять свідоцтво про випробування матеріалу, в якому мають бути такі дані: найменування та адреса лабораторії, яка проводила випробування; дата проведення випробування; найменування та характеристика матеріалу; середня щільністьматеріалу у сухому стані; середня температура зразка під час випробування; теплопровідність матеріалу за цієї температури.

Метод двох пластин дозволяє отримувати більш достовірні результати, ніж розглянуті вище, тому що випробування піддають відразу два зразки-близнюки і, крім того, тепловий потік, що проходить череззразки, має два напрями: через один зразок він йде знизу нагору, а через інший - зверху вниз. Ця обставина значною мірою сприяє усередненню результатів випробування та наближає умови досвіду до реальних умов служби матеріалу.

Принципова схема двопластинчастого приладу визначення теплопровідності матеріалів методом стаціонарного режиму показано на рис. 23.

Прилад складається з центрального нагрівача 1, охоронного нагрівача 2, охолоджувальних дисків 6, які од-

Але тимчасово притискають зразки матеріалу 4 до нагрівачів, ізоляційного засипання 3, термопар 5 та кожуха 7.

У комплект приладу входить наступна регулююча та вимірювальна апаратура. Стабілізатор напруги (СН),автотрансформатори (Т),ватметр (W), Амперметри (А), регулятор температури охоронного нагрівача (Р), перемикач термопар (Я), гальванометр або потенціометр для вимірювання температури (Г)І посудина з льодом (С).

Для забезпечення однакових граничних умов у периметра зразків, що випробовуються, форма нагрівача прийнята дисковою. Діаметр основного (робочого) нагрівача для зручності розрахунку прийнятий рівним 112,5 мм, що відповідає площі 0,01 м2.

Випробування матеріалу на теплопровідність роблять наступним чином.

З відібраного для випробування матеріалу виготовляють два зразки-близнюки у вигляді дисків діаметром, що дорівнює діаметру охоронного кільця (250 мм). Товщина зразків повинна бути однаковою і бути в межах від 10 до 50 мм. Поверхні зразків повинні бути плоскими та паралельними, без подряпин та вм'ятин.

Випробування волокнистих та сипучих матеріаліввиробляють у спеціальних обоймах із азбестового картону.

Перед випробуванням зразки висушують до постійної маси та вимірюють їх товщину з точністю до 0,1 мм.

Зразки укладають з двох сторін електронагрівача і притискають до нього охолоджувальними дисками. Потім встановлюють регулятор напруги (латр) у положення, при якому забезпечується задана температура електронагрівача. Включають циркуляцію води в охолоджувальних дисках і після досягнення режиму, що спостерігається по гальванометру, вимірюють температуру біля гарячих і холодних поверхонь зразків, для чого користуються відповідними термопарами і гальванометром або потенціометром. Одночасно вимірюють витрати електроенергії. Після цього вимикають електронагрівач, а через 2-3 години припиняють подачу води в охолоджувальні диски.

Теплопровідність матеріалу, Вт/(м-°С),

Де W- Витрата електроенергії, Вт; б – товщина зразка, м; F- площа однієї поверхні електронагрівача, м2; t - температура біля гарячої поверхні зразка, °С; І2- Температура біля холодної поверхні зразка, °С.

Остаточні результати визначення теплопровідності відносять до середньої температури зразків.
де t - температура біля гарячої поверхні зразка (середня двох зразків), °С; t 2 - температура біля холодної поверхні зразків (середня двох зразків), °С.

Спосіб труби. Для визначення теплопровідності теплоізоляційних виробівз криволінійною поверхнею (шкаралуп, циліндрів, сегментів) застосовують установку, принципова схемаякої показано на

Мал. 24. Ця установка є сталевою трубою діаметром 100-150 мм і довжиною не менше 2,5 м. Усередині труби на вогнетривкому матеріалізмонтований нагрівальний елемент, який розділений на три самостійні секції по довжині труби: центральну (робочу), що займає приблизно ]/з довжини труби, та бічні, що служать для усунення витоку тепла через торці приладу (труби).

Трубу встановлюють на підвісках або на підставках на відстані 1,5-2 м від підлоги, стін та стелі приміщення.

Температуру труби та поверхні випробуваного матеріалу вимірюють термопарами. При проведенні випробування необхідно регулювати потужність електроенергії, що споживається охоронними секціями, для виключення перепаду температури між робочою та охоронними секціями.
ми. Випробування проводять при тепловому режимі, при якому температура на поверхнях труби і ізоляційного матеріалупостійна протягом 30 хв.

Витрата електроенергії робочим нагрівачем можна вимірювати як ватметром, так і окремо вольтметром і амперметром.

Теплопровідність матеріалу, Вт/(м ■ °С),

X -_____ D

Де D - зовнішній діаметрвипробуваного виробу, м; d - Внутрішній діаметр випробуваного матеріалу, м; - Температура на поверхні труби, °С; t 2 - Температура на зовнішній поверхні випробуваного виробу, ° С; I – довжина робочої секції нагрівача, м.м.

Крім теплопровідності на даному приладі можна заміряти величину теплового потоку теплоізоляційної конструкції, виготовленої з того чи іншого теплоізоляційного матеріалу. Тепловий потік (Вт/м2)

Визначення теплопровідності, що ґрунтується на методах нестаціонарного потоку тепла (методи динамічних вимірювань). Методи, засновані на Вимірювання нестаціонарних потоків тепла (методи динамічних вимірювань), останнім часом все ширше застосовуються для визначення теплофізичних величин. Перевагою цих методів є не лише порівняльна швидкість проведення дослідів, алеі

більший обсяг інформації, одержуваної за досвід. Тут до інших параметрів контрольованого процесу додається ще один час. Завдяки цьому лише динамічні методи дозволяють отримувати за результатами одного досвіду теплофізичні характеристики матеріалів такі, як теплопровідність, теплоємність, температуропровідність, темп охолодження (нагрівання) В даний час існує велика кількість методів та приладів для вимірювання динамічних температур та теплових потоків. Однак усі вони вимагають
знає

Нія конкретних умов та введення поправок до отриманих результатів, оскільки процеси вимірювання теплових величин відрізняються від вимірювання величин іншої природи (механічних, оптичних, електричних, акустичних та ін) своєю значною інерційністю.

Досконалість динамічних методів вимірювань йде за трьома напрямками. По-перше, це розвиток методів аналізу похибок та запровадження поправок у результати вимірювань. По-друге, розробка автоматичних коригувальних пристроїв для компенсації динамічних похибок.

Розглянемо два найпоширеніших у СРСР методи, заснованих на вимірі нестаціонарного потоку тепла.

1. Метод регулярного теплового режимуз бікало – риметром. При застосуванні цього методу можуть бути використані різні типиконструкції бікалориметрів. розглянемо один із них – малогабаритний плоский бікалорі – метр типу МПБ-64-1 (рис. 25), який призначений
для визначення теплопровідності напівжорстких, волокнистих та сипких теплоізоляційних матеріалів при кімнатній температурі.

Прилад МПБ-64-1 є циліндричної формироз'ємну оболонку (корпус) з внутрішнім діаметром 105 мм, вцентрі якої вбудований сердечник із вмонтованим внього нагрівачем та батареєю диференціальних термопар. Прилад виготовлений із дюралюмінію марки Д16Т.

Термобатарея диференціальних термопар бікало – риметра оснащена мідно-капелевими термопарами, діаметр електродів яких дорівнює 0,2 мм. Кінці витків термобатарей виведені на латунні пелюстки кільця зі склотканини, просоченої клеєм БФ-2, і далі через дроти до вилки. Нагрівальний елемент, виконаний зНіхромового дроту діаметром 0,1 мм, нашитий на просочену клеєм БФ-2 круглу пластинку Склотканини. Кінці дроту нагрівального елемента, як і кінці дроту термобатареї, виведені на латунні пелюстки кільця і ​​далі, через вилку, до джерела живлення. Нагрівальний елемент може живитися від мережі змінного струму напругою 127 Ст.

Прилад герметичний завдяки ущільненню з вакуумної гуми, закладеної між корпусом та кришками, а також сальниковому набивці (пеньково-суриковій) між ручкою, бобишкою та корпусом.

Термопари, нагрівач та їх висновки мають бути добре ізольовані від корпусу.

Розміри випробуваних зразків не повинні перевищувати в діаметрі 104 мм та по товщині-16 мм. На приладі одночасно виробляють випробування двох зразків-близнюків.

Робота приладу ґрунтується на наступному принципі.

Процес охолодження твердого тіла, нагрітого до температури T° та поміщеного в середу з температурою ©<Ґ при весьма большой теплопередаче (а) от теладоСередовищі («->-00) і при постійній температурі цього середовища (0 = const), ділиться на три стадії.

1. Розподіл температури вТіло носить спочатку випадковий характер, тобто має місце невпорядкований тепловий режим.

2. З часом охолодження стає впорядкованим, тобто настає регулярний режим, при якому
ром зміна температури в кожній точці тіла підпорядковується експоненційному закону:

Q - AUe.-"1

Де © - підвищена температурау якійсь точці тіла; U – деяка функція координат точки; е-основа натуральних логарифмів; т – час від початку охолодження тіла; т – темп охолодження; А - стала приладу, що залежить від початкових умов.

3. Після регулярного режиму охолодження характеризується настанням теплової рівноваги тіла із навколишнім середовищем.

Темп охолодження т після диференціювання виразу

за ту координатах InУ-Твиражається так:

Де А і В - константи приладу; З - Повна теплоємність випробуваного матеріалу, рівна добутку питомої теплоємності матеріалу на його масу, Дж / (кг - ° С); Т - Темп охолодження, 1 / год.

Випробування проводять у такий спосіб. Після розміщення зразків у прилад кришки приладу щільно притискають до корпусу за допомогою гайки з накаткою. Прилад опускають у термостат з мішалкою, наприклад термостат ТС-16, заповнений водою кімнатної температурипотім під'єднують термобатарею диференціальних термопар до гальванометра. Прилад витримують у термостаті до вирівнювання температур зовнішньої та внутрішньої поверхонь зразків випробуваного матеріалу, що фіксується показанням гальванометра. Після цього включають нагрівач сердечника. Серце нагрівають до температури, що перевищує на 30-40° температуру води в термостаті, а потім вимикають нагрівач. Коли стрілка гальванометра повернеться у межі шкали, виконують запис спадних у часі показань гальванометра. Усього записують 8-10 крапок.

У системі координат 1п0-т будують графік, який повинен мати вигляд прямої лінії, що перетинає в деяких точках осі абсцис та ординат. Потім розраховують тангенс кута нахилу отриманої прямої, який виражає величину темпу охолодження матеріалу:

__ In 6t - In O2 __ 6 02

ТІЬ- - j

T2 - Tj 12 - "El

Де Bi та 02 – відповідні ординати для часу Ті та Т2.

Досвід повторюють знову і вкотре визначають темп охолодження. Якщо розбіжність у значеннях темпу охолодження, обчисленого при першому та другому дослідах, менше 5%, то обмежуються цими двома дослідами. Середнє значення темпу охолодження визначають за результатами двох дослідів та обчислюють величину теплопровідності матеріалу, Вт/(м*°С)

Х = (А + ЯСУР)/і.

приклад. Випробуваний матеріал - мінераловатний мат на фенольному сполучному із середньою щільністю в сухому стані 80 кг/м3.

1. Обчислюємо величину навішування матеріалу, що міститься в прилад,

Де Рп - навішування матеріалу, що міститься в одну циліндричну ємність приладу, кг; Vn - Об'єм однієї циліндричної ємності приладу, рівний 140 см3; РСР - середня щільність матеріалу, г/см3.

2. Визначаємотвір BCYP , де У - Константа приладу, що дорівнює 0,324; З - питома теплоємністьматеріалу, що дорівнює 0,8237 кДж/(кг-К). Тоді ВСУР = =0,324 0,8237 0,0224 = 0,00598.

3. Результати спостережень заохолодженням зразків у приладі у часі заносимо до табл. 2.

Розбіжності у значеннях темпу охолодження т і т2 менше 5%, тому повторні досліди можна не робити.

4. Обчислюємо середній темп охолодження

Т = (2,41 + 2,104) / 2 = 2,072.

Знаючи всі необхідні величини, підраховуємо теплопровідність

(0,0169 +0,00598) 2,072 = 0,047 Вт / (м-К)

Або Вт/(м-°С).

При цьому середня температура зразків становила 303 або 30° С. У формулі 0,0169 -Л (константа приладу) .

2. Зондовий метод.Існує кілька різновидів зондового методу визначення теплопроводу
ності теплоізоляційних матеріалів, що відрізняються один від одного застосовуваними приладами та принципами нагрівання зонда. Розглянемо один із цих методів - метод циліндричного зонда без електронагрівача.

Цей метод ось у чому. Металевий стриженьдіаметром 5-6 мм (рис. 26) і довжиною близько 100 мм вводять у товщу гарячого теплоізоляційного матеріалу та за допомогою вмонтованого всередині стрижня

Термопари визначають температуру. Визначення температури виробляють у два прийоми: на початку досвіду (у момент нагрівання зонда) та в кінці, коли настає рівноважний стан та підвищення температури зонда припиняється. Час між цими двома відліками вимірюють за допомогою секундоміра. ч Теплопровідність матеріалу, Вт/(м °С), , R2CV

Де R- Радіус стрижня, м; З- Питома теплоємність матеріалу, з якого виготовлений стрижень, кДж/(кгХ ХК); V-обсяг стрижня, м3; т - проміжок часу між відліками температури, год; tx і U - значення температур у момент першого та другого відліків, До або °С.

Цей спосіб дуже простий і дозволяє швидко визначити теплопровідність матеріалу як у лабораторних, так і у виробничих умовах. Проте він придатний лише грубої оцінки цього показника.

У відповідності до вимог федерального закону№ 261-ФЗ «Про енергозбереження» вимоги до теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів у Росії були посилені. Сьогодні вимірювання теплопровідності є одним із обов'язкових пунктів при прийнятті рішення про використання матеріалу як утеплювач.

Для чого необхідний вимір теплопровідності у будівництві?

Контроль теплопровідності будівельних та теплоізоляційних матеріалів проводиться на всіх стадіях їх сертифікації та виробництва у лабораторних умовах, коли матеріали піддають впливу різних факторів, що впливають на його експлуатаційні властивості. Є кілька поширених методів вимірювання теплопровідності. Для точних лабораторних випробувань матеріалів низької теплопровідності (нижче 0,04 – 0,05 Вт/м*К) рекомендують використовувати прилади, які використовують метод стаціонарного теплового потоку. Їхнє застосування регламентовано ГОСТ 7076.

Компанія «Інтерприлад» пропонує вимірювач теплопровідності, ціна якого вигідно відрізняється від наявних на ринку та відповідає всім сучасним вимогам. Він призначений для лабораторного контролю якості будівельних та теплоізоляційних матеріалів.

Переваги вимірювача теплопровідності ІТС-1

Вимірник теплопровідності ІТС-1 має оригінальне моноблочне виконання та характеризується такими перевагами:

• автоматичний цикл вимірів;
• високоточний вимірювальний тракт, що дозволяє стабілізувати температури холодильника та нагрівача;
• можливість градуювання приладу під окремі видидосліджуваних матеріалів, що додатково підвищує точність результатів;
• експрес-оцінка результату у процесі виконання вимірювань;
• оптимізована «гаряча» охоронна зона;
• інформативний графічний дисплей, що спрощує контроль та аналіз результатів вимірів.

ІТС-1 поставляється в єдиній базовій модифікації, яка за бажанням клієнта може бути доповнена контрольними зразками (оргскло та піноплекс), коробом для сипучих матеріалів та захисним кофром для зберігання та транспортування приладу.

Якими б не були масштаби будівництва, насамперед розробляється проект. У кресленнях відбивається як геометрія будівлі, а й розрахунок головних теплотехнічних характеристик. Для цього потрібно знати теплопровідність будівельних матеріалів. Головна метаБудівництво полягає в спорудженні довговічних споруд, міцних конструкцій, в яких комфортно без надмірних витрат на опалення. У зв'язку з цим дуже важливе знання коефіцієнтів теплопровідності матеріалів.

У цегли найкраща теплопровідність

Характеристика показника

Під терміном теплопровідність розуміється передача теплової енергії від нагрітих предметів до менш нагрітим. Обмін йде, доки не настане температурної рівноваги.

Теплопередача визначається відрізком часу, протягом якого температура у приміщеннях знаходиться відповідно до температури навколишнього середовища. Чим менший цей інтервал, тим більша провідність тепла будматеріалу.

Для характеристики провідності тепла використовується поняття коефіцієнта теплопровідності, що показує, скільки тепла за такий час проходить через площу поверхні. Чим цей показник вищий, тим більше теплообмін, і будівництво остигає набагато швидше. Таким чином, при будівництві рекомендується використовувати будматеріали з мінімальною провідністю тепла.

У цьому відео ви дізнаєтесь про теплопровідність будівельних матеріалів:

Як визначити тепловтрати

Головні елементи будівлі, через які йде тепло:

• двері (5-20%);
• підлогу (10-20%);
• дах (15-25%);
• стінки (15-35%);
• вікна (5-15%).

Рівень тепловтрати визначається за допомогою тепловізора. Про найважчі ділянки говорить червоний колір, про менші втрати тепла скаже жовтий і зелений. Зони, де найменші втрати, виділяються синім. Значення теплопровідності визначається лабораторних умовах, і матеріалу видається сертифікат якості.

Значення провідності тепла залежить від таких параметрів:

1. Пористість. Пори говорять про неоднорідність структури. Коли через них проходить тепло, охолодження буде мінімальним.
2. Вологість. Високий рівеньвологості провокує витіснення сухого повітря крапельками рідини з пір, через що значення збільшується багаторазово.
3. Густина. Велика щільність сприяє активнішій взаємодії частинок. У результаті теплообмін та врівноваження температур протікає швидше.

Коефіцієнт теплопровідності

У будинку тепловтрати неминучі, а відбуваються вони, коли за вікном температура нижче, ніж у приміщеннях. Інтенсивність є змінною величиною і залежить від багатьох факторів, основні з яких:

1. Площа поверхонь, що у теплообміні.
2. Показник теплопровідності будматеріалів та елементів будівлі.
3. Різниця температури.

Для позначення коефіцієнта теплопровідності будматеріалів використовують грецьку літеру. Одиниця виміру – Вт/(м×°C). Розрахунок проводиться на 1 м 2 стіни метрової товщини. Тут приймається різниця температур 1°C.

Приклад із практики

Умовно матеріали діляться на теплоізоляційні та конструкційні. Останні мають найвищу теплопровідність, їх будують стіни, перекриття, інші огородження. За таблицею матеріалів, при будівництві стін із залізобетону для забезпечення малого теплообміну довкіллямтовщина їх має становити приблизно 6 м. Але тоді будова буде громіздкою і дорогою.

У разі неправильного розрахунку теплопровідності під час проектування мешканці майбутнього будинку задовольнятимуться лише 10% тепла від енергоносіїв. Тому будинки зі стандартних будматеріалів рекомендується додатково утеплювати.

При виконанні правильної гідроізоляціїутеплювача велика вологість не впливає на якість теплоізоляції, і опір будови теплообміну стане набагато вищим.

Найбільш оптимальний варіант- Використовувати утеплювач

Найбільш поширений варіант – поєднання несучої конструкціїіз високоміцних матеріалів з додатковою теплоізоляцією. Наприклад:

1. Каркасний будинок. Утеплювач укладається між стійками. Іноді при невеликому зниженні теплообміну потрібно додаткове утепленнязовні головного каркасу.
2. Спорудження із стандартних матеріалів. Коли стіни цегляні або шлакоблочні, утеплення проводиться зовні.

Будматеріали для зовнішніх стін

Стіни сьогодні зводяться з різних матеріалів, проте популярними залишаються: дерево, цегла та будівельні блоки. Головним чином відрізняються щільність та провідність тепла будматеріалів. Порівняльний аналіздозволяє знайти золоту серединуу співвідношенні між цими параметрами. Чим щільність більша, тим більше несуча здатністьматеріалу, отже, всієї споруди. Але тепловий опір стає меншим, тобто підвищуються витрати на енергоносії. Зазвичай, при меншій щільності є пористість.

Коефіцієнт теплопровідності та її щільність.

Утеплювачі для стін

Утеплювачі використовуються, коли не вистачає теплової опірності зовнішніх стін. Зазвичай для створення комфортного мікроклімату у приміщеннях достатньо товщини 5-10 см.

Значення коефіцієнта наводиться в наступній таблиці.

Теплопровідність вимірює здатність матеріалу пропускати тепло через себе. Вона сильно залежить від складу та структури. Щільні матеріали, такі як метали та камінь, є хорошими провідниками тепла, у той час як речовини з низькою щільністю, такі як газ та пориста ізоляція, є поганими провідниками.