ГОСТ 7076-99

УДК 691:536.2.08:006.354 Група Ж19

МІЖДЕРЖАВНИЙ СТАНДАРТ

МАТЕРІАЛИ ТА ВИРОБИ БУДІВЕЛЬНІ

Метод визначення теплопровідності та термічного опору

при стаціонарному тепловому режимі

BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS

Метод визначення стереотипної держави thermal

conductivity і thermal resistance

Дата введення 2000-04-01

Передмова

1 РОЗРОБЛЕНО Науково-дослідним інститутом будівельної фізики (НДІСФ) Російської Федерації

ВНЕСЕН Держбудом Росії

2 ПРИЙНЯТЬ Міждержавною науково-технічною комісією зі стандартизації, технічного нормування та сертифікації у будівництві (МНТКС) 20 травня 1999 р.

Найменування держави	Найменування органу державного управління будівництвом
республіка Арменія	Міністерство містобудування Республіки Вірменія
Республіка Казахстан	Комітет у справах будівництва Міністерства енергетики, промисловості та торгівлі Республіки Казахстан
Киргизька Республіка	Державна інспекція з архітектури та будівництва при Уряді Киргизької Республіки
Республіка Молдова	Міністерство розвитку територій, будівництва та комунального господарства Республіки Молдова
Російська Федерація	Держбуд Росії
Республіка Таджикистан	Комітет у справах архітектури та будівництва Республіки Таджикистан
Республіка Узбекистан	Державний Комітет з архітектури та будівництва Республіки Узбекистан
	Державний Комітет будівництва, архітектури та житлової політики України

3 ВЗАМІН ГОСТ 7076-87

4 Введено в дію з 1 квітня 2000 р. як державний стандарт Російської Федерації постановою Держбуду Росії від 24 грудня 1999 р. № 89

Вступ

Цей стандарт гармонізований зі стандартами ISO 7345:1987 та ISO 9251:1987 в частині термінології та відповідає основним положенням ISO 8301:1991, ISO 8302:1991, що встановлюють методи визначення термічного опору та ефективної теплопровідності за допомогою приладу. охоронної зони.

Відповідно до стандартів ІСО у цьому стандарті встановлено вимоги до зразків, приладу та його градуювання, прийнято дві основні схеми випробування: асиметрична (з одним тепломіром) та симетрична (з двома тепломірами).

1 Область застосування

Цей стандарт поширюється на будівельні матеріали та вироби, а також на матеріали та вироби, призначені для теплової ізоляції промислового обладнання та трубопроводів, та встановлює метод визначення їх ефективної теплопровідності та термічного опору за середньої температури зразка від мінус 40 до + 200 °С.

Стандарт не поширюється на матеріали та вироби з теплопровідністю понад 1,5 Вт/(м × К).

ГОСТ 166-89 Штангенциркулі. Технічні умови

ГОСТ 427-75 Лінійки вимірювальні металеві. Технічні умови

ГОСТ 24104-88 Ваги лабораторні загального призначення та зразкові. Загальні технічні умови

3 Визначення та позначення

3.1 У цьому стандарті застосовують такі терміни з відповідними визначеннями.

Тепловий потік- кількість теплоти, що проходить через зразок за одиницю часу.

Щільність теплового потоку- Тепловий потік, що проходить через одиницю площі.

Стаціонарний тепловий режим- Режим, при якому всі теплофізичні параметри, що розглядаються, не змінюються з часом.

Термічний опір зразка- Відношення різниці температур лицьових граней зразка до щільності теплового потоку в умовах стаціонарного теплового режиму.

Середня температура зразка- Середньоарифметичне значення температур, виміряних на лицьових гранях зразка.

Ефективна теплопровідністьl effматеріалу(відповідає терміну «коефіцієнт теплопровідності», прийнятому в діючих нормах з будівельної теплотехніки) - відношення товщини зразка матеріалу, що випробовується. dдойого термічного опору R.

3.2 Позначення величин та одиниці виміру наведено в таблиці 1.

Таблиця 1

Позначення	Величина	Одиниця виміру
l eff	Ефективна теплопровідність	Вт/(м × К)
	Термічний опір	м 2 × К/Вт
	Товщина зразка до випробування
	Термічні опори стандартних зразків	м 2 × К/Вт
D T 1 , D Т 2	Різниця температур лицьових граней стандартних зразків
e 1 , e 2	Вихідні сигнали тепломіра приладу за його градуювання за допомогою стандартних зразків
f 1 , f 2	Градуювальні коефіцієнти тепломіра приладу за його градуювання за допомогою стандартних зразків	Вт/(мВ × м 2)
	Товщина зразка у процесі випробування
	Термічний опір випробуваного зразка	м 2 × К/Вт
	Відносна зміна маси зразка після сушіння
	Відносна зміна маси зразка у процесі випробування
	Маса зразка при отриманні від виробника
	Маса зразка після сушіння
	Маса зразка після випробування
D T u	Різниця температур лицьових граней випробуваного зразка
	Середня температура випробуваного зразка
	Температура гарячої лицьової грані випробуваного зразка
	Температура холодної лицьової грані випробуваного зразка
	Значення градуювального коефіцієнта тепломіра приладу, що відповідає значенню теплового потоку, що протікає через зразок, що випробовується після встановлення стаціонарного теплового режиму (при асиметричній схемі випробування)	Вт/(мВ × м 2)
	Вихідний сигнал тепломіра приладу після встановлення стаціонарного теплового потоку через зразок, що випробовується (при асиметричній схемі випробування)
	Термічний опір між лицьовою гранню зразка та робочою поверхнею плити приладу
l effu	Ефективна теплопровідність матеріалу випробуваного зразка	Вт/(м × К)
	Термічний опір листового матеріалу, з якого виготовлено дно та кришка ящика для зразка насипного матеріалу.	м 2 × К/Вт
f ¢ u , f² u	Значення градуювального коефіцієнта першого і другого тепломірів приладу, що відповідають значенню теплового потоку, що протікає через зразок, що випробовується після встановлення стаціонарного теплового режиму (при симетричній схемі випробування)	Вт/(мВ × м 2)
e ¢ u , e² u	Вихідний сигнал першого і другого тепломірів після встановлення стаціонарного теплового потоку через випробуваний зразок (при симетричній схемі випробування)
	Щільність стаціонарного теплового потоку, що проходить через випробуваний зразок
	Площа зони виміру
	Електрична потужність, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу

4 Загальні положення

4.1 Сутність методу полягає у створенні стаціонарного теплового потоку, що проходить через плоский зразок певної товщини і спрямованого перпендикулярно до лицьових (найбільших) граней зразка, вимірювання щільності цього теплового потоку, температури протилежних лицьових граней та товщини зразка.

4.2 Кількість зразків, необхідна для визначення ефективної теплопровідності або термічного опору, та порядок відбору зразків повинні бути зазначені у стандарті на конкретний матеріал або виріб. Якщо у стандарті на конкретний матеріал або виріб не вказано кількість зразків, що підлягають випробуванню, ефективну теплопровідність або термічний опір визначають на п'яти зразках.

4.3 Температура та відносна вологість повітря приміщення, в якому проводять випробування, повинні бути відповідно (295 ± 5) К та (50 ± 10) %.

5 Засоби вимірювання

Для проведення випробування застосовують:

прилад для вимірювання ефективної теплопровідності та термічного опору, атестований у встановленому порядку та задовольняє вимогам, наведеним у додатку А;

прилад визначення щільності волокнистих матеріалів за ГОСТ 17177;

прилад визначення товщини плоских волокнистих виробів за ГОСТ 17177;

електрошафа сушильна, верхня межа нагріву якого не менше 383 К, межа допустимої похибки завдання та автоматичного регулювання температури - 5 К;

штангенциркуль за ГОСТ 166:

Для вимірювання зовнішніх і внутрішніх розмірів з діапазоном вимірювання 0-125 мм, значенням відліку по ноніусу - 0,05 мм, межею похибки, що допускається - 0,05 мм;

Для вимірювання зовнішніх розмірів з діапазоном вимірювання 0-500 мм, значенням відліку по ноніусу - 0,1 мм, межею похибки, що допускається -0,1 мм;

лінійка металева вимірювальна за ГОСТ 427 з верхньою межею вимірювання 1000 мм, межею відхилення від номінальних значень довжини шкали і відстаней між будь-яким штрихом і початком або кінцем шкали - 0,2 мм;

лабораторні ваги загального призначення за ГОСТ 24104:

З найбільшою межею зважування 5 кг, ціною розподілу – 100 мг, середнє квадратичне відхилення показань ваг – не більше 50,0 мг, похибка від нерівноплечності коромисла – не більше 250,0 мг, межа допустимої похибки – 375 мг;

З найбільшою межею зважування 20 кг, ціною розподілу – 500 мг, середнє квадратичне відхилення показань ваг – не більше 150,0 мг, похибка від нерівноплечності коромисла – не більше 750,0 мг, межа допустимої похибки – 1500 мг.

Допускається застосування інших засобів вимірювання з метрологічними характеристиками та обладнання з технічними характеристиками не гірше, ніж зазначені в цьому стандарті.

6 Підготовка до випробування

6.1 Виготовляють зразок у вигляді прямокутного паралелепіпеда, найбільші (лицьові) грані якого мають форму квадрата зі стороною, що дорівнює стороні робочих поверхонь плит приладу. Якщо робочі поверхні плит приладу мають форму кола, то найбільші грані зразка повинні мати форму круга, діаметр якого дорівнює діаметру робочих поверхонь плит приладу (додаток А, п. А. 2.1).

6.2 Товщина зразка, що випробовується, повинна бути менше довжини ребра лицьової грані або діаметра не менше ніж у п'ять разів.

6.3 Грані зразка, що контактують із робочими поверхнями плит приладу, повинні бути плоскими та паралельними. Відхилення лицьових граней жорсткого зразка від паралельності має бути більше 0,5 мм.

Жорсткі зразки, що мають різнотовщинність та відхилення від площинності, шліфують.

6.4 Товщину зразка-паралелепіпеда вимірюють штангенциркулем з похибкою не більше 0,1 мм у чотирьох кутах на відстані (50,0 ± 5,0) мм від вершини кута та посередині кожної сторони.

Товщину зразка-диска вимірюють штангенциркулем з похибкою не більше 0,1 мм утворюючим, розташованим у чотирьох взаємно перпендикулярних площинах, що проходять через вертикальну вісь.

За товщину зразка приймають середньоарифметичне значення результатів усіх вимірів.

6.5 Довжину та ширину зразка в плані вимірюють лінійкою з похибкою не більше 0,5 мм.

6.6 Правильність геометричної форми та розміри зразка теплоізоляційного матеріалу визначають за ГОСТ 17177.

6.7 Середній розмір включень (гранули заповнювача, великі пори тощо), відмінних за своїми теплофізичними показниками від основного зразка, повинен становити не більше 0,1 товщини зразка.

Допускається випробування зразка, має неоднорідні включення, середній розмір яких перевищує 0,1 його товщини. У протоколі випробування має бути зазначений середній розмір включень.

6.8 Визначають масу зразка М 1 при отриманні від виробника.

6.9 Зразок висушують до постійної маси за температури, вказаної в нормативному документі на матеріал або виріб. Зразок вважають висушеним до постійної маси, якщо втрата маси після чергового висушування протягом 0,5 год не перевищує 0,1%. Після закінчення сушіння визначають масу зразка М 2 та його щільність r u, після чого зразок негайно поміщають або в прилад для визначення його термічного опору, або герметичний посудину.

Допускається випробування вологого зразка при температурі холодної лицьової грані більше 273 К та перепаді температури не більше 2 К на 1 см товщини зразка.

6.10 Зразок висушеного насипного матеріалу повинен бути поміщений у ящик, дно та кришка якого виготовлені з тонкого листового матеріалу. Довжина і ширина ящика повинні дорівнювати відповідним розмірам робочих поверхонь плит приладу, глибина - товщині зразка. Товщина зразка насипного матеріалу повинна бути не менш ніж у 10 разів більшою за середній розмір гранул, зерен і лусочок, з яких складається цей матеріал.

Відносна напівсферична випромінювальна здатність поверхонь дна та кришки ящика повинна бути більше 0,8 за тих температур, які ці поверхні мають у процесі випробування.

Термічний опір R Lлистового матеріалу, з якого виготовляють дно та кришку ящика, має бути відомо.

6.11 Пробу насипного матеріалу ділять на чотири рівні частини, які по черзі насипають у ящик, ущільнюючи кожну частину так, щоб вона зайняла відповідну їй частину внутрішнього об'єму ящика. Ящик закривають кришкою. Кришку прикріплюють до бокових стінок ящика.

6.12 Зважують ящик із зразком насипного матеріалу. За певним значенням маси ящика із зразком та попередньо визначеним значенням внутрішнього об'єму та маси порожнього ящика обчислюють щільність зразка насипного матеріалу.

6.13 Похибка визначення маси та розміру зразків не повинна перевищувати 0,5 %.

7 Проведення випробування

7.1 Випробування повинні проводитись на попередньо градуйованому приладі. Порядок та періодичність градуювання наведено у додатку Б.

7.2 Зразок, що підлягає випробуванню, поміщають у прилад. Розташування зразка – горизонтальне або вертикальне. При горизонтальному розташуванні зразка напрямок теплового потоку зверху вниз.

У процесі випробування різниця температур лицьових граней зразка D T uповинна становити 10-30 К. Середня температура зразка під час випробування має бути зазначена у нормативному документі на конкретний вид матеріалу чи виробу.

7.3 Встановлюють задані значення температур робочих поверхонь плит приладу та послідовно через кожні 300 с проводять вимірювання:

сигналів тепломіра е uі датчиків температур лицьових граней зразка, якщо щільність теплового потоку через випробовуваний зразок вимірюють за допомогою тепломіра;

потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу, і сигналів датчиків температур лицьових граней зразка, якщо щільність теплового потоку через зразок, що випробовується, визначають шляхом вимірювання електричної потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу.

7.4 Тепловий потік через випробуваний зразок вважають встановленим (стаціонарним), якщо значення термічного опору зразка, обчислені за результатами п'яти послідовних вимірювань сигналів датчиків температур і щільності теплового потоку, відрізняються один від одного менш ніж на 1%, при цьому ці величини не зростають і не спадають монотонно.

7.5 Після досягнення стаціонарного теплового режиму вимірюють товщину вміщеного в прилад зразка d uштангенциркулем з похибкою трохи більше 0,5 %.

7.6 Після закінчення випробування визначають масу зразка M 3 .

8 Обробка результатів випробування

8.1 Обчислюють відносну зміну маси зразка внаслідок його сушіння т r та в процесі випробування т w і щільність зразка r uза формулами:

тr =(М 1 ¾ М 2 )/М 2 , (2)

тw= (М 2 ¾ М 3 )/М 3 , (3)

Об'єм випробуваного зразка V uобчислюють за результатами вимірювання його довжини та ширини після закінчення випробування, а товщини - у процесі випробування.

8.2 Обчислюють різницю температур лицьових граней D T uі середню температуру випробуваного зразка T muза формулами:

D T u = T 1u ¾ T 2u , (5)

T mu= (T 1u + T 2u .)/2 (6)

8.3 При обчисленні теплофізичних показників зразка і щільності стаціонарного теплового потоку в розрахункові формули підставляють середньоарифметичні значення результатів п'яти вимірювань сигналів датчиків різниці температур і сигналу тепломіра або електричної потужності, виконаних після встановлення стаціонарного теплового потоку через випробуваний зразок.

8.4 Під час проведення випробування на приладі, зібраному за асиметричною схемою, термічний опір зразка R uобчислюють за формулою

(7)

де R kприймають рівним 0,005м 2 × К/Вт, а для теплоізоляційних матеріалів та виробів – нулю.

8.5 Ефективну теплопровідність матеріалу зразка l effuобчислюють за формулою

(8)

8.6 Термічний опір R uта ефективну теплопровідність l effuзразка насипного матеріалу обчислюють за формулами:

, (9)

. (10)

8.7 Щільність стаціонарного теплового потоку q uчерез зразок, що випробовується на приладі, зібраному за асиметричною та симетричною схемами, обчислюють відповідно за формулами:

q u = f u e u , (11)

. (12)

8.8 При проведенні випробування на приладі з гарячою охоронною зоною, в якому щільність теплового потоку визначають шляхом вимірювання електричної потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу, термічний опір, ефективну теплопровідність та щільність стаціонарного теплового потоку через зразок обчислюють за формулами:

, (13)

, (14)

При випробуванні насипних матеріалів формули (13) і (14) замість R kпідставляють значення R L ..

8.9 За результат випробування приймають середньоарифметичні значення термічного опору та ефективної теплопровідності всіх випробуваних зразків.

9 Протокол випробування

У протоколі випробування мають бути наведені такі відомості:

Найменування матеріалу чи виробу;

Позначення та найменування нормативного документа, за яким виготовлено матеріал або виріб;

Підприємство-виробник;

Номер партії;

Дата виготовлення;

загальна кількість випробуваних зразків;

Тип приладу, у якому проведено випробування;

Положення зразків, що випробовуються (горизонтальне, вертикальне);

Методика виготовлення зразків насипного матеріалу із зазначенням термічного опору дна та кришки ящика, в якому випробовувалися зразки;

Розміри кожного зразка;

Товщина кожного зразка перед початком випробування та у процесі випробування із зазначенням, чи проводилося випробування при фіксованому тиску на зразок або при фіксованій товщині зразка;

Фіксований тиск (якщо він був фіксований);

Середній розмір неоднорідних включень у зразках (якщо є);

Методика сушіння зразків;

Відносна зміна маси кожного зразка внаслідок його доби;

Вологість кожного зразка до початку та після закінчення випробування;

Щільність кожного зразка у процесі випробування;

Відносна зміна маси кожного зразка, що сталася у процесі випробування;

Температура гарячої та холодної лицьових граней кожного зразка;

Різниця температур гарячої та холодної лицьових граней кожного зразка;

Середня температура кожного зразка;

Щільність теплового потоку через кожний зразок після встановлення стаціонарного теплового режиму;

Термічний опір кожного зразка;

Ефективна теплопровідність матеріалу кожного зразка;

Середньоарифметичне значення термічного опору всіх випробуваних зразків;

Середньоарифметичне значення ефективної теплопровідності всіх випробуваних зразків;

Напрямок теплового потоку;

Дата випробування;

Дата останнього градуювання приладу (якщо випробування проведено на обладнаному тепломіром приладі);

Для стандартних зразків, використаних під час градуювання приладу, має бути зазначено: тип, термічний опір, дата перевірки, термін дії перевірки, організація, яка проводила перевірку;

Оцінка похибки вимірювання термічного опору чи ефективної теплопровідності;

Заява про повну відповідність або часткову невідповідність процедури випробування вимогам цього стандарту. Якщо під час проведення випробування було допущено відхилення від вимог цього стандарту, вони повинні бути зазначені у протоколі випробування.

10 Похибка визначення ефективної теплопровідності

та термічного опору

Відносна похибка визначення ефективної теплопровідності та термічного опору даним методом не перевищує ±3 %, якщо випробування проведено у повній відповідності до вимог цього стандарту.

ДОДАТОК А

(обов'язкове)

Вимоги до приладів для визначення ефективної теплопровідності та термічного опору при стаціонарному тепловому режимі

А.1 Схеми приладу

Для вимірювання ефективної теплопровідності та термічного опору при стаціонарному тепловому режимі застосовують прилади:

Зібрані за асиметричною схемою, оснащені одним тепломіром, який розташований між зразком, що випробувається, і холодною плитою приладу або між зразком і гарячою плитою приладу (рисунок А.1);

Зібрані за симетричною схемою, оснащені двома тепломірами, один з яких розташований між зразком і холодною плитою приладу, а другий - між зразком і гарячою плитою приладу (рисунок А.2);

Прилад, в якому щільність теплового потоку, що проходить через зразок, що випробовується, визначають шляхом вимірювання електричної потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу (прилад з гарячою охоронною зоною) (рисунок А.3).

1 - нагрівач; 2 - тепломір; 3 - випробуваний зразок; 4 - холодильник

Малюнок А.1 - Схема приладу з одним тепломіром

1 - Нагрівач; 2 - тепломіри; 3 - холодильник; 4 - випробуваний зразок

Малюнок А.2 - Схема приладу із двома тепломірами

1 - холодильник; 2 - випробувані зразки; 3 - плити нагрівача зони виміру;

4 - обмотка нагрівача зони виміру; 5 – плити нагрівача охоронної зони;

6 - обмотка нагрівача охоронної зони

Малюнок А. 3 - Схема приладу із гарячою охоронною зоною

А.2 Нагрівач та холодильник

А.2.1 Плити нагрівача або холодильника можуть мати форму квадрата, сторона якого має бути не менше 250 мм, або кола, діаметр якого має бути не менше 250 мм.

А.2.2 Робочі поверхні плит нагрівача та холодильника мають бути виготовлені з металу. Відхилення від площинності робочих поверхонь має бути не більше 0,025% їхнього максимального лінійного розміру.

А.2.3 Відносна напівсферична випромінювальна здатність робочих поверхонь плит нагрівача і холодильника, що стикаються з зразком, що випробовується, повинна бути більше 0,8 при тих температурах, які ці поверхні мають в процесі випробування.

А.3 Тепломір

А.3.1 Розміри робочих поверхонь тепломіра повинні дорівнювати розмірам робочих поверхонь плит нагрівача та холодильника.

А. 3.2 Відносна напівсферична випромінювальна здатність лицьової грані тепломіра, що стикається з зразком, що випробовується, повинна бути більше 0,8 при тих температурах, які ця грань має в процесі випробування.

А. 3.3 Зона вимірювання тепломіра має бути розташована в центральній частині його лицьової грані. Її площа має становити не менше 10 % і не більше 40 % усієї площі лицьової грані.

А.3.4 Діаметр термопарних проводів, які застосовуються при виготовленні термоелектричної батареї тепломіра, повинен бути не більше 0,2 мм.

А.4 Датчики температури

Число датчиків температури на кожній робочій поверхні плит нагрівача або холодильника і лицьової грані тепломіра, що стикається з зразком, що випробовується, повинно дорівнювати цілій частині числа 10 Ö А і бути не менше двох. Діаметр проводів, які підходять до цих датчиків, повинен бути не більше 0,6 мм.

А.5 Електрична вимірювальна система

Електрична вимірювальна система повинна забезпечувати вимірювання сигналу датчиків різниці температур поверхонь з похибкою не більше 0,5 %, сигналу тепломіра - з похибкою не більше 0,6 % або електричної потужності, що подається на нагрівач зони вимірювання гарячої плити приладу - з похибкою не більше 0 2%.

Сумарна похибка вимірювання різниці температур поверхонь плит приладу і тепломіра, що стикаються з лицьовими гранями зразка, що випробовується, не повинна бути більше 1 %. Сумарна похибка - сума похибок, що виникають внаслідок спотворення температурного поля біля датчиків температури, зміни характеристик цих датчиків під впливом зовнішніх умов та похибки, що вноситься електричною вимірювальною системою.

А.6 Пристрій для вимірювання товщини зразка, що випробовується.

Прилад повинен бути оснащений пристроєм, що дозволяє виміряти товщину зразка в процесі випробування штангенциркулем з похибкою не більше 0,5%.

А.7 Каркас приладу

Прилад повинен бути оснащений каркасом, що дозволяє зберігати різну орієнтацію в просторі блоку приладу, що містить зразок, що випробовується.

А.8 Пристрій для фіксації випробуваного зразка

Прилад повинен бути оснащений пристроєм, який або створює постійний заданий тиск на зразок, що поміщається в прилад, або підтримує постійну величину зазору між робочими поверхнями плит приладу.

Максимальний тиск, створюваний цим пристроєм на зразок, що випробовується, повинен бути 2,5 кПа, мінімальний - 0,5 кПа, похибка завдання тиску - не більше 1,5 %.

А.9 Пристрій для зменшення бічних тепловтрат або теплонадходів зразка, що випробовується.

Бічні тепловтрати або теплонадходження в процесі випробування повинні бути обмежені за допомогою ізоляції бічних граней зразка, що випробовується, шаром теплоізоляційного матеріалу, термічний опір якого не менше термічного опору зразка.

А. 10 Кожух приладу

Прилад повинен бути оснащений кожухом, температура повітря в якому підтримується рівною середній температурі зразка.

ДОДАТОК Б

(обов'язкове)

Градуювання приладу, оснащеного тепломіром

Б.1 Загальні вимоги

Градуювання приладу, оснащеного тепломіром, слід проводити за допомогою трьох атестованих в установленому порядку стандартних зразків термічного опору, виготовлених відповідно з оптичного кварцового скла, органічного скла та пінопласту або скловолокна.

Розміри стандартних зразків повинні дорівнювати розмірам зразка, що підлягає випробуванню. У процесі градуювання приладу температура лицьових граней стандартних зразків повинна бути відповідно рівна тим температурам, які в процесі випробування матимуть лицьові грані випробуваного зразка.

Весь діапазон значень термічного опору, які можуть бути виміряні на приладі, слід розділити на два піддіапазони:

нижньою межею першого піддіапазону є мінімальне значення термічного опору, яке може бути виміряне на даному приладі; верхньою межею - значення термічного опору стандартного зразка, виготовленого з органічного скла і має товщину, що дорівнює товщині зразка, що підлягає випробуванню;

нижньою межею другого піддіапазону є верхня межа першого піддіапазону; верхньою межею - максимальне значення термічного опору, яке можна виміряти цьому приладі.

Б.2 Градуювання приладу, зібраного за асиметричною схемою

До початку градуювання слід оцінити чисельне значення термічного опору зразка, що підлягає випробуванню, за відомими довідковими даними і визначити, якому піддіапазону це значення належить. Градуювання тепломіра проводять лише у цьому піддіапазоні.

Якщо термічний опір зразка, що підлягає випробуванню, відноситься до першого піддіапазону, градуювання тепломіра

проводять за допомогою стандартних зразків, виготовлених з оптичного кварцового та органічного скла. Якщо термічний опір зразка відноситься до другого піддіапазон, градуювання проводять за допомогою стандартних зразків, виготовлених з органічного скла і теплоізоляційного матеріалу.

Поміщають у пристрій перший стандартний зразок з меншим термічним опором R S 1 , D T 1 його лицьових граней та вихідний сигнал тепломіра е 1 за методикою, описаною в розділі 7. Потім прилад поміщають другий стандартний зразок з великим термічним опором R S 2 , вимірюють різницю температур D T 2 його лицьових граней та вихідний сигнал тепломіра е 2 за цією ж методикою. За результатами цих вимірювань обчислюють градуювальні коефіцієнти f 1 і f 2 тепломіри за формулами:

Значення градуювального коефіцієнта тепломіра f u ,відповідне значення теплового потоку, що протікає через випробуваний зразок після встановлення стаціонарного теплового потоку, визначають шляхом лінійної інтерполяції за формулою

. (Б.3)

Б.З Градуювання приладу, зібраного за симетричною схемою

Методика визначення градуювального коефіцієнта кожного тепломіра приладу, зібраного за симетричною схемою, аналогічна методиці визначення градуювального коефіцієнта тепломіра, описаної в Б.2.

Б.4 Періодичність градуювання приладу

Градуювання приладу повинно бути проведене протягом 24 годин, що передують випробуванню або наступним за випробуванням.

Якщо згідно з результатами градуювань, що проводяться протягом 3 міс., зміна градуювального коефіцієнта тепломіра не перевищує ± 1 %, цей прилад можна градуювати один раз на 15 днів. У цьому випадку результати випробування можуть бути передані замовнику тільки після проведення градуювання, наступного за випробуванням, і якщо величина градуювального коефіцієнта, визначеного за результатами наступного градуювання, відрізняється від величини коефіцієнта, визначеного за результатами попереднього градуювання, не більше ніж ±1%.

Градуювальний коефіцієнт, що використовується при обчисленні теплофізичних показників зразка, що випробовується, визначають як середньоарифметичне значення двох зазначених величин цього коефіцієнта.

Якщо відмінність величини градуювального коефіцієнта перевищує ± 1 %, результати всіх випробувань, виконаних у проміжку часу між цими двома градуюваннями, вважають недійсними, і випробування мають бути проведені повторно.

ДОДАТОК В

Бібліографія

ISO 7345:1987 Теплоізоляція. Фізичні величини та визначення

ISO 9251:1987 Теплоізоляція. Режими перенесення тепла та властивості матеріалів

ISO 8301:1991 Теплоізоляція. Визначення термічного опору та пов'язаних з ним теплофізичних показників при стаціонарному тепловому режимі. Прилад оснащений тепломіром

ISO 8302:1991 Теплоізоляція. Визначення термічного опору та пов'язаних з ним теплофізичних показників. Прилад із гарячою охоронною зоною

Ключові слова: термічний опір, ефективна теплопровідність, стандартний зразок

Вступ

1 Область застосування

3 Визначення та позначення

4 Загальні положення

5 Засоби вимірювання

6 Підготовка до випробування

7 Проведення випробування

8 Обробка результатів випробування

9 Протокол випробування

10 Похибка визначення ефективної теплопровідності та термічного опору

Додаток А Вимоги до приладів для визначення ефективної теплопровідності та термічного опору при стаціонарному тепловому режимі

Додаток Б Градуювання приладу, оснащеного тепломіром

Додаток В Бібліографія

Теплопровідність – найважливіша теплофізична характеристика матеріалів. Її необхідно враховувати при конструюванні нагрівальних пристроїв, виборі товщини захисних покриттів, обліку теплових втрат. Якщо під рукою чи немає відповідного довідника, а склад матеріалу точно не відомий, його теплопровідність необхідно обчислити або виміряти експериментально.

Складові теплопровідності матеріалів

Теплопровідність характеризує процес теплоперенесення в однорідному тілі з габаритними розмірами. Тому вихідними параметрами для вимірювання є:

1. Площа у напрямі, перпендикулярному напрямку теплового потоку.
2. Час, протягом якого відбувається перенесення теплової енергії.
3. Температурний перепад між окремими, найвіддаленішими один від одного частинами деталі або досліджуваного зразка.
4. Потужність теплового джерела.

Для дотримання максимальної точності результатів потрібно створити стаціонарні умови теплопередачі, що встановилися в часі. У цьому випадку фактор часу можна знехтувати.

Визначити теплопровідність можна двома способами - абсолютним та відносним.

Абсолютний метод оцінки теплопровідності

В даному випадку визначається безпосереднє значення теплового потоку, що прямує на досліджуваний зразок. Найчастіше зразок приймається стрижневим або пластинчастим, хоча в деяких випадках (наприклад, при визначенні теплопровідності коаксіально розміщених елементів) він може мати вигляд порожнистого циліндра. Недолік пластинчастих зразків - необхідність суворої плоскопаралельності протилежних поверхонь.

Тому для металів, що характеризуються високою теплопровідністю, найчастіше приймають зразок у формі стрижня.

Суть вимірів ось у чому. На протилежних поверхнях підтримуються постійні температури, що виникають від джерела тепла, розташованого строго перпендикулярно до однієї з поверхонь зразка.

У цьому випадку потрібний параметр теплопровідності λ складе
λ=(Q*d)/F(T2-T1), Вт/м∙К, де:
Q – потужність теплового потоку;
d - Товщина зразка;
F - площа зразка, на яку впливає тепловий потік;
Т1 та Т2 – температури на поверхнях зразка.

Оскільки потужність теплового потоку для електронагрівачів може бути виражена через їх потужність UI, а для вимірювання температури можуть бути використані підключені до зразка термодатчики, обчислити показник теплопровідності λ не складе особливих труднощів.

Для того, щоб виключити непродуктивні втрати тепла, і підвищити точність методу, вузол зразка і нагрівача слід помістити в ефективний об'єм, що теплоізолює, наприклад, в посудину Дьюара.

Відносний метод визначення теплопровідності

Виключити з розгляду фактор потужності теплового потоку можна, якщо використати один із способів порівняльної оцінки. З цією метою між стрижнем, теплопровідність якого потрібно визначити, і джерелом тепла поміщають еталонний зразок, теплопровідність матеріалу якого 3 відома. Для виключення похибок виміру зразки щільно притискаються один до одного. Протилежний кінець вимірюваного зразка занурюється в ванну, що охолоджує, після чого до обох стрижнів підключаються по дві термопари.

Теплопровідність обчислюється з виразу
λ=λ 3 (d(T1 3 -T2 3)/d 3 (T1-T2)), де:
d - відстань між термопарами в досліджуваному зразку;
d 3 - відстань між термопарами у зразку-еталоні;
T1 3 і T2 3 - показання термопар, встановлених у зразку-еталоні;
Т1 і Т2 - показання термопар, встановлених у досліджуваному зразку.

Теплопровідність можна визначити і за відомою електропровідністю γ матеріалу зразка. Для цього як випробуваний зразок приймають провідник з дроту, на кінцях якого будь-яким способом підтримується постійна температура. Через провідник пропускається постійний електричний струм силою I, причому клемний контакт має наближатися до ідеального.

Після досягнення стаціонарного теплового стану температурний максимум T max буде розташовуватися посередині зразка, з мінімальними значеннями Т1 і Т2 на його торцях. Вимірявши різницю потенціалів U між крайніми точками зразка, значення теплопровідності можна встановити із залежності

Точність оцінки теплопровідності зростає із зростанням довжини випробуваного зразка, а також зі збільшенням сили струму, що пропускається через нього.

Відносні методи вимірювання теплопровідності точніше абсолютних і зручніші в практичному застосуванні, проте вимагають суттєвих витрат часу на виконання вимірів. Це з тривалістю встановлення стаціонарного теплового стану у зразку, теплопровідність якого визначається.

2

1 Державна бюджетна освітня установа вищої професійної освіти Московської області «Міжнародний університет природи, суспільства та людини «Дубна» (Університет «Дубна»)

2 ЗАТ «Міжрегіональне виробниче об'єднання технічного комплектування «ТЕХНОКОМПЛЕКТ» (ЗАТ «МПОТК «ТЕХНОКОМПЛЕКТ»)

Розроблено метод вимірювання теплопровідності полікристалічних алмазних пластин. Метод включає нанесення з протилежних сторін пластини двох тонкоплівкових термометрів опору, виконаних за мостовою схемою. З одного боку, у місці розташування одного з термометрів опору пластина нагрівається за допомогою контакту з гарячим мідним стрижнем. З протилежного боку (у місці розташування іншого термометра опору) проводиться охолодження пластини за допомогою контакту з мідним стрижнем, що охолоджується водою. Тепловий потік, що протікає через пластину, вимірюється за допомогою термопар, встановлених на гарячому мідному стрижні, та регулюється автоматичним пристроєм. Тонкоплівкові термометри опору, нанесені методом вакуумної депозиції, мають товщину 50 нанометрів і становлять практично одне з поверхнею пластини. Тому температури, що вимірюються, точно відповідають температурам на протилежних поверхнях пластини. Висока чутливість тонкоплівкових термометрів опору забезпечується завдяки підвищеному опору їх резисторів, що дозволяє використовувати напругу живлення моста не менше 20 В.

теплопровідність

полікристалічні алмазні пластини

тонкоплівковий мостовий датчик температури

1. Бітюков В.К., Петров В.А., Терьошин В.В. Методологія визначення коефіцієнта теплопровідності напівпрозорих матеріалів// Міжнародна теплофізична школа, Тамбов, 2004. - C. 3-9.

2. Духновський М.П., ​​Ратнікова А.К. Спосіб визначення теплофізичних характеристик матеріалу та пристрій для його здійснення//Патент РФ № 2319950 МПК G01N25/00 (2006).

3. Колпак А., Карташев Е. Контроль теплових режимів силових модулів. //Компоненти та технології. - 2010. - №4. - С. 83-86.

4. Визначення теплопровідності алмазних полікристалічних плівок з допомогою фотоакустичного ефекту // ЖТФ, 1999. – Т. 69. – Вип. 4. - С. 97-101.

5. Установка для вимірювання теплопровідності порошкових матеріалів // Тези доповідей, представлених на Третю міжнародну конференцію та Третю міжнародну Школу молодих учених та спеціалістів «Взаємодія ізотопів водню з конструкційними матеріалами» (INISM-07). - Саров, 2007. - С. 311-312.

6. Царькова О.Г. Оптичні та теплофізичні властивості металів, керамік та алмазних плівок при високотемпературному лазерному нагріванні // Праці Інституту загальної фізики ім. А.М.Прохорова, 2004. - Т. 60. - C. 30-82.

7. Minituarized thin film temperature sensor for wide range of measurement // Proc. з 2nd IEEE International workshop on advances in sensors and interfaces, IWASI. - 2007. - P.120-124.

Сучасні компоненти електроніки, особливо силовий електроніки, виділяють значну кількість тепла. Для забезпечення надійної роботи цих компонентів в даний час створюються пристрої теплотводу, в яких використовуються пластини з синтетичних алмазів, що мають надвисоку теплопровідність. Точне вимірювання коефіцієнта теплопровідності цих матеріалів має значення для створення сучасних пристроїв силової електроніки.

Для вимірювання з прийнятною точністю величини теплопровідності в основному напрямку тепловідведення (перпендикулярно товщині пластини) необхідно створити на поверхні зразка тепловий потік з поверхневою щільністю не менше 20 внаслідок дуже великої теплопровідності полікристалічних алмазних пластин-тепловідводів. Описані в літературі методи з використанням лазерних установок (див. ) забезпечують недостатню поверхневу щільність теплового потоку 3,2 і, крім того, викликають небажаний розігрів вимірюваного зразка. Методи вимірювання теплопровідності, що використовують імпульсне нагрівання зразка сфокусованим променем, і методи, що використовують фотоакустичний ефект, не є прямими методами, і тому не можуть забезпечити необхідний рівень достовірності та точності вимірювань, а також вимагають складної апаратури та громіздких обчислень. Метод вимірювань, описаний у роботі, основою якого покладено принцип плоских теплових хвиль, придатний лише матеріалів із порівняно невисокою теплопровідністю. Метод стаціонарної теплопровідності може бути застосований тільки для вимірювання теплопровідності в напрямку вздовж пластини, а цей напрямок не є основним напрямком тепловідведення і не представляє наукового інтересу.

Опис вибраного методу вимірювань

Необхідну поверхневу щільність стаціонарного теплового потоку можна забезпечити за допомогою контакту гарячого мідного стрижня з одного боку алмазної пластини та контакту з холодним мідним стрижнем з протилежного боку алмазної пластини. Вимірюваний перепад температур може бути при цьому невеликим, наприклад, лише 2 °С. Тому необхідно досить точно вимірювати температуру з обох боків пластини у місцях контакту. Це можна зробити за допомогою мініатюрних тонкоплівкових термометрів опору, які можуть бути виготовлені методом вакуумної депозиції бруківки вимірювальної схеми термометра на поверхню пластини. У роботі описано наш попередній досвід у конструюванні та виготовленні мініатюрних тонкоплівкових термометрів опору високої точності, який підтверджує можливість та корисність застосування цієї технології у цьому випадку. Тонкоплівкові термометри мають дуже малу товщину 50-80 нм, і тому їх температура не відрізняється від температури поверхні пластини, на яку вони нанесені. Гарячий мідний стрижень нагрівається за допомогою електроізольованого ніхромового дроту, обмотаного навколо цього стрижня на значній довжині, щоб забезпечити підведення необхідної теплової потужності. Теплопровідність мідного стрижня забезпечує передачу в осьовому напрямку стрижня теплового потоку з щільністю щонайменше 20 . Вимірювання величини цього теплового потоку здійснюється за допомогою двох тонких хромель-алюмелевих термопар, розташованих на заданій відстані один від одного у двох перерізах по осі стрижня. Відведення потоку тепла, що проходить через пластину, здійснюється за допомогою мідного стрижня, що охолоджується водою. Для зниження теплових опорів у місцях контакту мідних стрижнів із пластиною застосовується силіконове мастило типу DowCorningTC-5022. Теплові контактні опори не впливають на величину теплового потоку, що вимірювається, вони викликають незначне підвищення температури пластини і нагрівача. Таким чином, теплопровідність пластини в основному напрямку тепловідведення визначається прямими вимірами величини теплового потоку, що походить через пластину і перепаду величин температур на її поверхнях. Для цих вимірювань може бути використаний зразок пластини розмірами приблизно 8х8мм.

Слід зазначити, що тонкоплівкові термометри опору можуть бути використані надалі для моніторингу функціонування виробів силової електроніки, що містять алмазні тепловідвідні пластини. У літературі також наголошується на важливості вбудованого контролю теплового стану силових модулів.

Опис конструкції стенда, його основних елементів та приладів

Тонкоплівкові мостові датчики температури

Для високоточного вимірювання температури на поверхню пластини з штучного полікристалічного алмазу методом магнетронного напилення наноситься мостова схема термометра опору. У цій схемі два резистори виготовляються з платини або з титану, а два інших виготовляються з ніхрому. При кімнатній температурі опору всіх чотирьох резисторів однакові та рівні. Розглянемо випадок, коли два резистори виготовляються із платини. При зміні температури на опір резисторів зростає:

Суми опорів: . Опір моста дорівнює. Величина сигналу на вимірювальній діагоналі моста дорівнює: U m= I 1 R 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- I 4 R 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .

При малій зміні температури на кілька градусів можна прийняти припущення, що сумарний опір моста дорівнює R0, струм через плече моста дорівнює 0,5.U0/R0, де U0-напруга живлення моста. При цих припущеннях отримаємо величину вимірювального сигналу, що дорівнює:

U m= 0,5. U 0 . 3,53.10 -3 Δ T= 1,765.10 -3 .U 0 Δ T.

Припустимо, що величина Δ T= 2? Cтоді при напрузі живлення 20 В ми отримаємо величину вимірювального сигналу рівною U m=70 мВ. Зважаючи на те, що похибка вимірювальних приладів буде не більше 70 мкВ, ми отримаємо, що теплопровідність пластини може бути виміряна з похибкою не гірше 0,1%.

Для тензо- і терморезисторів зазвичай приймається величина потужності, що розсіюється, не більше 200 мВт. При напрузі живлення 20 це означає, що опір моста має бути не менше 2000 Ом. З технологічних причин терморезистор складається з n ниток шириною 30 мкм, розташованих з відривом 30 мікрон друг від друга. Товщина нитки резистора 50 нм. Довжина нитки резистора 1,5 мм. Тоді опір однієї нитки із платини дорівнює 106 Ом. 20 платинових ниток складуть резистор із опором 2120 Ом. Ширина резистора становитиме 1,2 мм. Опір однієї нитки з ніхрому дорівнює 1060 Ом. Отже, резистор з ніхрому матиме 2 нитки і ширину 0,12 мм. У тому випадку, коли два резистори R 0 , R 3 виготовляються з титану, чутливість датчика знизиться на 12%, однак замість 20 платинових ниток резистор можна буде виконати з 4-х титанових ниток.

На малюнку 1 представлена ​​схема тонкопленочного мостового датчика температури.

Рис.1. Тонкоплівковий мостовий датчик температури

Зразок пластини має розмір 8х8 мм і товщину 0,25 мм. Розміри відповідають тому випадку, коли використовуються платинові резистори, а резистори з ніхрому. З'єднання 2 резисторів між собою (заштриховані), контактні майданчики 3,4,5,6 шин живлення та вимірювання виконані мідно-нікелевими провідниками. Коло контакту з мідними стрижнями нагрівача 7, з одного боку, охолоджувача, з іншого боку має діаметр 5мм. Зображена малюнку 1 електрична схема термометра опору наноситься з обох сторін зразка-пластини. Для електроізоляції поверхня кожного термометра опору покривається тонкою плівкою двоокису кремнію або окису кремнію за допомогою вакуумної депозиції.

Пристрої нагріву та охолодження

Для створення стаціонарного перепаду температури між двома поверхнями алмазної пластини використовуються нагрівач та охолоджувач (рисунок 2).

Мал. 2. Схема стенду:

1 - корпус, 2 - корпус охолодження, 3 - алмазна пластина, 4 - стрижень нагрівача, 5 - ніхромовий дріт, 6 - склянка, 7 - теплоізоляція, 8 - гвинт мікрометричний, 9 - кришка корпусу, 10 - пружина тарілчаста, 11, 12 - термопари, 13 - сталева кулька,

14 - опорна пластина; 15 - гвинт.

Нагрівач складається з електроізольованого ніхромового дроту 5, який намотаний на мідний стрижень нагрівача 4. З зовнішнього боку нагрівач закритий мідною трубкою 6, оточеної теплоізоляцією 7. У нижній частині мідний стрижень 4має діаметр 5мм і торець стрижня 4контактує з поверхнею. З протилежного боку алмазна пластина контактує з верхньою циліндричною частиною мідного корпусу 2, що охолоджується водою (корпус охолодження). 11,12-хромель-алюмелеві термопари.

Позначимо температуру, що вимірюється термопарою 11, - температуру, що вимірюється термопарою 12, - температуру на поверхні пластини 3 з боку нагрівача, - температуру на поверхні пластини 3 з боку охолоджувача і - температуру води. В описаному пристрої мають місце теплообмінні процеси, що характеризуються такими рівняннями:

(1)

( (2)

) (4)

де: - Електрична потужність нагрівача,

Коефіцієнт корисної дії нагрівача,

Теплопровідність міді,

l-довжина контактного стрижня,

d- діаметр контактного стрижня,

Очікувана теплопровідність пластини 3,

t-товщина пластини,

Коефіцієнт відведення тепла для швидкості води,

Площа поверхні охолодження,

Об'ємна теплоємність води,

D-діаметр водопровідної трубки в корпусі охолодження,

Зміна температури води.

Допустимо, що перепад температур на пластині дорівнює 2°C. Тоді через пластину проходить тепловий потік 20. При діаметрі мідного стрижня рівному 5мм тепловому потоку відповідає потужність 392,4Вт. Приймаючи коефіцієнт корисної дії нагрівача рівним 0,5 отримаємо електричну потужність нагрівача 684,8 Вт. З рівнянь (3,4) випливає, що вода майже не змінює свою температуру, а температура на поверхні алмазної пластини 3 дорівнюватиме З рівнянь (1,2) отримаємо (при довжині контактного мідного стрижня дорівнює 2мм, і що температура, що вимірюється термопарою 11 дорівнює = 248 ºC.

Для нагрівання мідного стрижня 4використовується ніхромовий дріт5, в ізоляції. Кінці проводів нагрівача виходять через проточку в деталі 4.Провода нагрівача через товстіші мідні дроти приєднуються до симісторного підсилювача електричної потужності PR1500, який керується регулятором ТРМ148. Програма регулятора задається за величиною температури вимірюваної термопарою 11, яка використовується як зворотний зв'язок для регулятора.

Пристрій охолодження зразка складається з мідного корпусу 2, що має у верхній частині контактний циліндр діаметром 5мм. Корпус 2 охолоджується водою.

Нагрівальний пристрій встановлюється на тарілчасту пружину 10 і пов'язано з головкою точного гвинта 8 за допомогою кульки 13, який розташований в поглибленні деталі 4.Пружина 10 дозволяє регулювати напруги в контакті стрижня 4 зі зразком 3. Це досягається обертанням верхньої головки точного гвинта 8. Певному переміщенню гвинта відповідає відоме зусилля пружини 10. Виробляючи початкову градуювання зусиль пружини без зразка при контакті стрижня 4 з корпусом 2, ми можемо досягти хорошого механічного контакту поверхонь при допустимих напругах. У разі необхідності точного вимірювання контактної напруги конструкцію стенда можна доопрацювати, з'єднавши корпус 2 тарованими пластинчастими пружинами з нижньою частиною корпусу стенда 1.

Термопари 11 і 12 встановлюються, як показано на малюнку 2 у вузькі пропили в головці стрижня 4. Термопарний дріт хромель і алюмель діаметром 50 мкм зварюється між собою і для електроізоляції покривається епоксидним клеєм, потім встановлюється у пропил і закріплюється клеєм. Можна також зачеканити кінець кожного виду термопарного дроту поблизу один одного без утворення спаю. На відстані 10 см до тонких термопарних дротів потрібно підпаяти більш товсті (0,5 мм) однойменні дроти, які будуть приєднані до регулятора та мультиметра.

Висновок

За допомогою методу та засобів вимірювань, описаних у цій роботі, можна з високою точністю проводити вимірювання коефіцієнта теплопровідності пластин із синтетичних алмазів.

Розробка методу вимірювання теплопровідності проводиться в рамках роботи «Розробка перспективних технологій та конструкцій виробів інтелектуальної силової електроніки для застосування в апаратурі побутового та промислового призначення, на транспорті, паливно-енергетичному комплексі та спеціальних системах (силовий модуль з полікристалічним алмазним тепловідведенням)» при фінансовій підтримці Міністерства освіти і науки Російської Федерації у рамках державного контракту № 14.429.12.0001 від 05 березня 2014 р.

Рецензенти:

Акішин П.Г., д.ф-м.н., старший науковий співробітник (доцент), заступник начальника відділу, Лабораторія інформаційних технологій, Об'єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯД), м. Дубна;

Іванов В.В., д.ф-м.н., старший науковий співробітник (доцент), головний науковий співробітник, Лабораторія інформаційних технологій, Об'єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯД), м. Дубна.

Бібліографічне посилання

Міодушевський П.В., Бакмаєв С.М., Тінгаєв Н.В. ТОЧНИЙ ВИМІР СВЕРХВИСОКОГО КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ МАТЕРІАЛУ НА ТОНКИХ ПЛАСТИНАХ // Сучасні проблеми науки та освіти. - 2014. - № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (дата звернення: 01.02.2020). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Фізичні методи аналізу ґрунтуються на використанні будь-якого специфічного фізичного ефекту або певної фізичної властивості речовини. Для газового аналізувикористовують щільність, в'язкість, теплопровідність, показник заломлення, магнітну сприйнятливість, дифузію, абсорбцію, емісію, поглинання електромагнітного випромінювання, а також селективну абсорбцію, швидкість звуку, тепловий ефект реакції, електричну провідність та ін. Деякі з цих фізичних властивостей та явищ уможливлюють безперервний газовий аналіз і дозволяють досягти високої чутливості та точності вимірювань. Вибір фізичної величини або явища дуже важливий для виключення впливу компонентів, що не вимірюються, що містяться в аналізованої суміші. Використання специфічних властивостей або ефектів дозволяє визначати концентрацію потрібного компонента багатокомпонентної газової суміші. Неспецифічні фізичні властивості можна використовувати, строго кажучи, лише для аналізу бінарних газових сумішей. В'язкість, показник заломлення та дифузія при аналізі газів практичного значення не мають.

Передача тепла між двома точками з різною температурою відбувається трьома шляхами: конвекцією, випромінюванням та теплопровідністю. При конвекціїпередача тепла пов'язана з перенесенням матерії (масопередачею); передача тепла випромінюваннямвідбувається без участі матерії. Передача тепла теплопровідністювідбувається за участю матерії, але без масопередачі. Передача енергії відбувається внаслідок зіткнення молекул. Коефіцієнт теплопровідності ( X) залежить тільки від виду речовини, що передає тепло. Він є специфічною характеристикою речовини.

Розмірність теплопровідності в системі СГС кал/(см см К), в технічних одиницях - ккалДмч-К), в міжнародній системі СІ - ВтДм-К). Співвідношення цих одиниць наступне: 1 кал/(см з К) = 360 ккалДм ч К) = 418,68 ВтДм-К).

Абсолютна теплопровідність при переході від твердих до рідких та газоподібних речовин змінюється від Х = 418,68 ВтДм-К)] (теплопровідності кращого провідника тепла - срібла) до Xпорядку 10 _6 (теплопровідність найменш провідних газів).

Теплопровідність газів сильно збільшується із зростанням температури. Для деяких газів (GH 4: NH 3) відносна теплопровідність із зростанням температури різко зростає, а для деяких (Ne) вона знижується. По кінетичній теорії теплопровідність газів має залежати від тиску. Однак різні причини призводять до того, що зі збільшенням тиску теплопровідність трохи збільшується. У діапазоні тисків від атмосферного до кількох мілібар теплопровідність не залежить від тиску, оскільки середня величина вільного пробігу молекул збільшується із зменшенням числа молекул в одиниці об'єму. При тиску -20 мбар довжина вільного пробігу молекул відповідає розміру камери вимірювання.

Вимір теплопровідності є найстарішим фізичним методом газового аналізу. Він був описаний в 1840, зокрема, в роботах А. Шлейєрмахера (1888-1889) і з 1928 застосовується в промисловості. У 1913 р. фірмою Сіменс було розроблено вимірювач концентрації водню для дирижаблів. Після цього протягом багатьох десятиліть прилади, засновані на вимірюванні теплопровідності, з великим успіхом розроблялися і широко застосовувалися в хімічній промисловості, що швидко зростає. Звісно, ​​що спочатку аналізували лише бінарні газові суміші. Найкращі результати отримують при великій різниці теплопровідності газів. Серед газів найбільшу теплопровідність має водень. Насправді виправдалося також вимірювання концентрації CO s в димових газах, оскільки теплопровідності кисню, азоту та оксиду вуглецю дуже близькі між собою, що дозволяє суміш цих чотирьох компонентів розглядати як квазібінарну .

Температурні коефіцієнти теплопровідності різних газів неоднакові, тому можна знайти температуру, при якій теплопровідності різних газів збігаються (наприклад, 490°С - для діоксиду вуглецю та кисню, 70°С - для аміаку та повітря, 75°С - для діоксиду вуглецю та аргону) . При вирішенні певної аналітичної проблеми ці збіги можна використовувати, прийнявши потрійну газову суміш за квазібінарну.

У газовому аналізі можна вважати, що теплопровідність є адитивною властивістю.Вимірявши теплопровідність суміші та знаючи теплопровідність чистих компонентів бінарної суміші, можна обчислити їх концентрації. Однак цю просту залежність не можна застосовувати до будь-якої бінарної суміші. Так, наприклад, суміші повітря - водяна пара, повітря - аміак, оксид вуглецю - аміак і повітря - ацетилен при певному співвідношенні складових мають максимальну теплопровідність. Тому застосування методу теплопровідності обмежена певною областю концентрацій. Для багатьох сумішей є нелінійна залежність теплопровідності та складу. Тому необхідно знімати кривувальну градуювальну, по якій повинна бути виготовлена ​​шкала реєструючого приладу.

Датчики теплопровідності(Термокондуктометричні датчики) складаються з чотирьох маленьких наповнених газом камер невеликого об'єму з поміщеними в них ізольовано від корпусу тонкими платиновими провідниками однакових розмірів і з однаковим електричним опором. Через провідники протікає однаковий постійний струм стабільної величини та нагріває їх. Провідники – нагрівальні елементи – оточені газом. Дві камери містять газ, що вимірюється, інші дві - порівняльний газ. Всі нагрівальні елементи включені в місток Уітетону, за допомогою якого вимірювання різниці температур близько 0,01 ° С не становить труднощів. Така висока чутливість вимагає точної рівності температур вимірювальних камер, тому всю вимірювальну систему поміщають у термостат або вимірювальну діагональ моста, включають опір для температурної компенсації. Доки відведення тепла від нагрівальних елементів у вимірювальних і порівняльних камерах однаковий, міст знаходиться в рівновазі. При подачі до вимірювальних камер газу з іншою теплопровідністю ця рівновага порушується, змінюється температура чутливих елементів і разом з цим їх опір. Результуючий струм вимірювальної діагоналі пропорційний концентрації вимірюваного газу. Для підвищення чутливості робочу температуру чутливих елементів слід підвищувати, однак слід стежити, щоб збереглася досить велика різниця теплопровідностей газу. Так, для різних газових сумішей є оптимальна по теплопровідності та чутливості температура. Часто перепад між температурою чутливих елементів та температурою стінок камер вибирається від 100 до 150°С.

Вимірювальні комірки промислових термокондуктометричних аналізаторів складаються, як правило, масивного металевого корпусу, в якому висвердлені вимірювальні камери. Цим забезпечуються рівномірний розподіл температур та хороша стабільність градуювання. Так як на показання вимірювача теплопровідності впливає швидкість газового потоку, введення газу вимірювальні камери здійснюють через байпасний канал. Рішення різних конструкторів для забезпечення необхідного обміну газами наведено нижче. В принципі, виходять з того, що основний газовий потік пов'язаний з'єднувальними каналами вимірювальними камерами, через які протікає газ під невеликим перепадом. При цьому дифузія та теплова конвекція мають вирішальний вплив на оновлення газу у вимірювальних камерах. Об'єм вимірювальних камер може бути дуже малим (кілька кубічних міліметрів), що забезпечує невеликий вплив конвективної тепловіддачі на результат вимірювання. Для зменшення каталітичного ефекту платинових провідників їх у різний спосіб заплавляють у тонкостінні скляні капіляри. Для забезпечення стійкості камери вимірювання до корозії покривають склом всі газопровідні частини. Це дозволяє вимірювати теплопровідність сумішей, що містять хлор, хлористий водень та інші агресивні гази. Термокондуктометричні аналізатори із замкнутими порівняльними камерами поширені переважно у хімічній промисловості. Підбір відповідного порівняльного газу полегшує калібрування приладу. Крім того, можна отримати шкалу з пригніченим нулем. Для зменшення дрейфу нульової точки має бути забезпечена хороша герметичність порівняльних камер. В особливих випадках, наприклад, при сильних коливаннях складу газової суміші, можна працювати з проточними порівняльними камерами. При цьому за допомогою спеціального реагенту з вимірюваної газової суміші видаляють один з компонентів (наприклад, а розчином їдкого калію), а потім направляють газову суміш в порівняльні камери. Вимірювальна та порівняльна гілки розрізняються в цьому випадку лише відсутністю одного з компонентів. Такий спосіб часто уможливлює аналіз складних газових сумішей.

Останнім часом замість металевих провідників як чутливі елементи іноді використовують напівпровідникові терморезистори. Перевагою терморезисторів є у 10 разів вищий порівняно з металевими термоопірами температурний коефіцієнт опору. Цим досягається різке збільшення чутливості. Однак одночасно висуваються набагато вищі вимоги до стабілізації струму моста та температури стінок камер.

Раніше інших і найбільш широко термокондуктометричні прилади почали застосовувати для аналізу газів топкових печей, що відходять. Завдяки високій чутливості, високій швидкодії, простоті обслуговування та надійності конструкції, а також своїй невисокій вартості аналізатори цього типу надалі швидко впроваджувалися у промисловість.

Термокондуктометричні аналізатори пристосовані найкраще вимірювання концентрації водню в сумішах. При виборі порівняльних газів слід розглядати також суміші різних газів. Як приклад мінімальних діапазонів вимірювання для різних газів можна використовувати наведені нижче дані (табл. 6.1).

Таблиця 6.1

Мінімальні діапазони вимірювання для різних газів,

% до обсягу

Максимальним діапазоном вимірювання найчастіше є діапазон 0-100%, при цьому 90 або навіть 99% можуть бути пригнічені. В окремих випадках термокондуктометрический аналізатор дає можливість мати одному приладі кілька різних діапазонів виміру. Це використовується, наприклад, при контролі процесів заповнення та спорожнення турбогенераторів, що охолоджуються воднем, на теплових електростанціях. Через небезпеку вибухів заповнення корпусу генератора виробляють не повітрям, а спочатку як продувний газ вводять діоксид вуглецю і потім вже водень. Аналогічно виробляють випуск газу із генератора. З досить високою відтворюваністю на одному аналізаторі можуть бути отримані наступні діапазони вимірювання: 0-100% (об'ємн.) СО (у повітрі для продування вуглекислим газом), 100-0% Н 2 СО (для заповнення воднем) і 100-80% Н 2 (у повітрі контролю чистоти водню під час роботи генератора). Це дешевий спосіб виміру.

Для визначення вмісту водню в хлористого калію, що виділяється при електролізі, хлорі за допомогою термокондуктометричного аналізатора можна працювати як з запаяним порівняльним газом (S0 2 , Аг), так і з проточним порівняльним газом. В останньому випадку суміш водню та хлору спочатку направляють у вимірювальну камеру, а потім у піч допалювання з температурою > 200°С. Водень згорає з надлишковим хлором та утворює хлористий водень. Суміш, що утворилася, НС і С1 2 подається в порівняльну камеру. При цьому по різниці теплопровідностей визначають концентрацію водню. Цей метод помітно знижує вплив домішки невеликих кількостей повітря.

Для зменшення похибки, що виникає при аналізі вологого газу, газ необхідно осушувати, що здійснюють або за допомогою поглинача вологи, або зниженням температури газу нижче за точку роси. Є ще одна можливість компенсувати вплив вологості, яка може бути застосована лише при проведенні вимірювання за схемою з проточним порівняльним газом.

Для роботи з вибухонебезпечними газами низка фірм виготовляє прилади у вибухобезпечному виконанні. У цьому випадку камери вимірювачів теплопровідності розраховують на високий тиск, на вході та на виході з камер встановлюють вогнеперешкодники, а вихідний сигнал обмежується іскробезпечним рівнем. Однак такі прилади не можна використовувати для аналізу сумішей вибухонебезпечних газів з киснем або водню з хлором.

• Сантиметр – грам – секунда – система одиниць виміру, яка широко використовувалася до прийняття Міжнародної системи одиниць (СІ).

Мета роботи: вивчення методики експериментального визначення коефіцієнта

теплопровідності твердих матеріалів шляхом пластини.

Завдання:1. Визначити коефіцієнт теплопровідності досліджуваного матеріалу.

2. Визначити залежність коефіцієнта теплопровідності від температури

досліджуваного матеріалу.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ.

Теплообмін– це мимовільний незворотний процес перенесення теплоти у просторі за наявності різниці температур. Існують три основні способи перенесення теплоти, що істотно різняться між собою за своєю фізичною природою:

теплопровідність;

конвекція;

теплове випромінювання.

Насправді теплота, зазвичай, переноситься одночасно декількома способами, але знання цих процесів неможливе без вивчення елементарних процесів теплообміну.

Теплопровідністюназивається процес передачі теплоти, зумовлений тепловим рухом мікрочастинок. У газах та рідинах перенесення теплоти теплопровідністю здійснюється за допомогою дифузії атомів та молекул. У твердих тілах вільний рух атомів і молекул по всьому об'єму речовини неможливий і зводиться лише до їх коливального руху щодо певних положень рівноваги. Тому процес теплопровідності в твердих тілах обумовлений зростанням амплітуди цих коливань, що поширюється в обсязі тіла за рахунок обурення силових полів між частинками, що коливаються. У металах перенесення теплоти теплопровідністю відбувається за рахунок коливань іонів і атомів, що у вузлах кристалічної решітки, а й з допомогою руху вільних електронів, утворюють так званий «електронний газ». У зв'язку з наявністю в металах додаткових носіїв теплової енергії у вигляді вільних електронів теплопровідність металів значно вища, ніж твердих діелектриків.

Під час вивчення процесу теплопровідності використовуються такі основні поняття:

Кількість теплоти (Q  ) - теплова енергія, що проходить за весь час процесу через поверхню довільною площею F. У системі СІ вимірюється у джоулях (Дж).

Тепловий потік (теплова потужність) (Q) - Кількість теплоти, що проходить в одиницю часу через поверхню довільною площеюF.

У системі СІ тепловий потік вимірюється у ватах (Вт).

Щільність теплового потоку (q) - Кількість теплоти, що проходить в одиницю часу через одиницю поверхні.

У системі СІ вимірюється у Вт/м 2 .

Температурне поле- Сукупність значень температури в даний момент часу у всіх точках простору, зайнятого тілом. Якщо температура у всіх точках температурного поля з часом не змінюється, то таке поле називається стаціонарнимякщо змінюється, то – нестаціонарним.

Поверхні, утворені точками, що мають однакову температуру, називаються ізотермічними.

Температурний градієнт (gradT) – вектор, спрямований нормалі до ізотермічної поверхні у бік зростання температури і чисельно, визначається як межа відношення зміни температури між двома ізотермічними поверхнями до відстані між ними по нормалі, коли ця відстань прагне нуля. Або інакше кажучи температурний градієнт - це похідна від температури у цьому напрямі.

Температурний градієнт характеризує швидкість зміни температури у напрямку нормалі до ізотермічної поверхні.

Процес теплопровідності характеризує основний закон теплопровідності – закон Фур'є(1822 р.). Відповідно до цього закону щільність теплового потоку, що передається за допомогою теплопровідності, прямо пропорційна температурному градієнту:

де -коефіцієнт теплопровідності речовини, Вт/(мград).

Знак (-) показує, що тепловий потік та температурний градієнт протилежні у напрямку.

Коефіцієнт теплопровідностіпоказує скільки теплоти передається в одиницю часу через одиницю поверхні при температурному градієнті рівному одиниці.

Коефіцієнт теплопровідності є важливою теплофізичною характеристикою матеріалу і знання його необхідно при виконанні теплових розрахунків, пов'язаних з визначенням теплових втрат через огороджувальні конструкції будівель та споруд, стінки машин та апаратів, розрахунку теплової ізоляції, а також при вирішенні багатьох інших інженерних завдань.

Інший важливий закон теплопровідності – закон Фур'є-Кірхгофа, Що визначає характер зміни температури у просторі та у часі при теплопровідності. Інша його назва – диференціальне рівняння теплопровідності, тому що воно одержано методами теорії математичного аналізу на основі закону Фур'є. Для 3-мірного нестаціонарного температурного поля диференціальне рівняння теплопровідності має такий вигляд:

,

де
- Коефіцієнт температуропровідності, що характеризує теплоінерційні властивості матеріалу,

,C p ,- відповідно коефіцієнт теплопровідності, ізобарна теплоємність та щільність речовини;

- Оператор Лапласа.

Для одномірного стаціонарного температурного поля (
) диференціальне рівняння теплопровідності набуває простого вигляду

Інтегруючи рівняння (1) та (2), можна визначити щільність теплового потоку через тіло та закон зміни температури всередині тіла при теплообміні теплопровідністю. Для отримання рішення потрібне завдання умов однозначності.

Умови однозначності- Це додаткові приватні дані, що характеризують завдання, що розглядається. Вони включають:

Геометричні умови, що характеризують форму та розміри тіла;

фізичні умови, що характеризують фізичні властивості тіла;

тимчасові (початкові) умови, що характеризують розподіл температури у початковий час;

граничні умови, що характеризують особливості теплообміну на межах тіла. Розрізняють граничні умови 1-го, 2-го та 3-го роду.

При граничних умовах 1-го родузадано розподіл температур лежить на поверхні тіла. В цьому випадку потрібно визначити густину теплового потоку через тіло.

При граничних умовах 2-го родузадані щільність теплового потоку та температура однієї з поверхонь тіла. Потрібно визначити температуру іншої поверхні.

За граничних умов 3-го родуповинні бути відомі умови тепловіддачі між поверхнями тіла та середовищами, що омивають їх зовні. За цими даними визначається щільність теплового потоку. Цей випадок відноситься до спільного процесу перенесення теплоти теплопровідністю та конвекцією, що називається теплопередачею.

Розглянемо найпростіший приклад для випадку теплопровідності через плоску стінку. Плоскийназивають стінку, товщина якої значно менше двох інших її розмірів – довжини та ширини. У цьому випадку умови однозначності можуть бути задані таким чином:

геометричні: відома товщина стінки. Температурне поле одномірне, отже температура змінюється тільки в напрямку осі Х і тепловий потік спрямований нормалі до поверхонь стінки;.

фізичні: відомий матеріал стінки та його коефіцієнт теплопровідності, причому для всього тіла=const;

тимчасові: температурне полі у часі змінюється, тобто. є стаціонарним;

граничні умови:1-го роду, температури стінки складають T 1 і T 2 .

Потрібно визначити закон зміни температури товщиною стінки T=f(Х) і щільність теплового потоку через стінкуq.

Для вирішення задачі використовуємо рівняння (1) та (3). З урахуванням прийнятих граничних умов (при x=0T=T 1 ; приx=T=T 2) після подвійного інтегрування рівняння (3) отримуємо закон зміни температури за товщиною стінки

,

Розподіл температури у плоскій стінці показано на рис.1.

Рис.1. Розподіл температури у плоскій стінці.

Щільність теплового потоку визначається відповідно до виразу

,

Визначення коефіцієнта теплопровідності теоретичним шляхом не може дати точності результату, необхідної для сучасної інженерної практики, тому єдиним надійним способом залишається його експериментальне визначення.

Один із відомих експериментальних методів визначення є метод плоского шару. Згідно з цим методом коефіцієнт теплопровідності матеріалу плоскої стінки може бути визначений на основі рівняння (5)

;

В цьому випадку отримане значення коефіцієнта теплопровідності відноситься до середнього значення температури Tm = 0,5 (T1 + T2).

Незважаючи на свою фізичну простоту, практична реалізація даного методу має свої складнощі, пов'язані з труднощами створення одномірного стаціонарного температурного поля в досліджуваних зразках та врахуванням теплових втрат.

ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДУ.

Визначення коефіцієнта теплопровідності проводиться на лабораторній установці, що базується на методі імітаційного моделювання реальних фізичних процесів. Установка складається з ПЕОМ, пов'язаної з макетом робочої ділянки, що відображається на моніторі. Робоча ділянка створена за аналогією з реальною та її схема представлена ​​на рис. 2.

Рис.2. Схема робочої ділянки установки

Робоча ділянка складається з 2-х фторопластових зразків 12, виконаних у формі дисків товщиною = 5 мм і діаметром = 140 мм. Зразки поміщені між нагрівачем 10 заввишки h = 12 мм і діаметром d н = 146 мм і холодильником 11, що охолоджується водою. Створення теплового потоку здійснюється нагрівальним елементом з електричним опором R= 41 Ом та холодильником 11 зі спіральними канавками для спрямованої циркуляції води, що охолоджує. Таким чином, тепловий потік, що проходить через досліджувані фторопластові зразки, уноситься водою, що протікає через холодильник. Частина теплоти від нагрівача йде через торцеві поверхні в навколишнє середовище, тому для зменшення цих радіальних втрат передбачено теплоізоляційний кожух 13, виконаний з азбоцементу ( до = 0,08 Вт/(мград)). Кожух висотою h до = 22 мм виконаний у вигляді порожнистого циліндра з внутрішнім діаметром d н = 146 мм і зовнішнім діаметром d к = 190 мм. Температура вимірюється за допомогою семи хромель-копелевих термопар (тип ХК) поз. 1…7, встановлених у різних точках робочої ділянки. Перемикач температурних датчиків дозволяє 15 послідовно вимірювати термо-ЕРС всіх семи температурних датчиків. Термопара 7 встановлена ​​на зовнішній поверхні теплоізоляційного кожуха визначення теплових витоків через нього.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ.

3.1. Вибирається температурний режим роботи установки за допомогою завдання температури гарячої поверхні пластин T г в межах від 35°С до 120°С.

3.2. На пульті установки послідовно включаються тумблери живлення індикаторних приладів, що реєструють напругу на електронагрівачі U, термо-ЕРС температурних датчиків та тумблер включення нагріву.

3.3. Плавно обертаючи ручку реостата, встановлюється необхідна напруга на нагрівачі. Реостат виконаний у кроковому варіанті, тому напруга змінюється поступово. Напруга Uі температура T г повинні знаходитися відповідно один одному відповідно до залежності, представленої на рис.3.

Рис.3. Робоча зона нагріву.

3.4. Шляхом послідовного опитування датчиків температури за допомогою перемикача 15 визначаються значення термо-ЕРС семи термопар, які разом зі значенням Uзаносяться до протоколу експерименту (див. табл.1). Реєстрація показань проводиться у разі індикаторним приладам на пульті управління, показання яких дублюються на моніторі ПЕОМ.

3.5. Після закінчення досвіду всі регулюючі органи установки переводять у вихідне положення.

3.6. Проводяться повторні досліди (всього їх кількість має бути не менше 3-х) та при інших значеннях T г у порядку, передбаченому п.п. 3.1…3.5.

ОБРОБКА РЕЗУЛЬТАТІВ ВИМІРЮВАНЬ.

4.1. За градуювальною характеристикою хромель-копелевої термопари показання температурних датчиків переводяться у градуси за шкалою Кельвіна. .

4.2. Визначаються середні температури внутрішньої гарячої та зовнішньої холодної поверхонь зразків

де i – номер термопари.

4.3. Визначається повний тепловий потік, що створюється електричним нагрівачем

, Вт

де U-напруга електричного струму, В;

R = 41 Ом – опір електричного нагрівача.

4.4. Визначається тепловий потік, що втрачається внаслідок теплопередачі через кожух.

де k-коефіцієнт, що характеризує процес перенесення теплоти через кожух.

, Вт/(м 2 град)

де  до = 0,08 Вт/(мград) – коефіцієнт теплопровідності матеріалу кожуха;

d н = 0,146 м – зовнішній діаметр нагрівача;

d до = 0,190 м – зовнішній діаметр кожуха;

h н = 0,012 м – висота нагрівача;

h до = 0,022 м – висота кожуха.

T т – температура зовнішньої поверхні кожуха, яка визначається 7-ю термопарою

4.5. Визначається тепловий потік, що проходить через досліджувані зразки за допомогою теплопровідності

, Вт

4.6. Визначається коефіцієнт теплопровідності досліджуваного матеріалу

, Вт/(мград)

де Q  - тепловий потік, що проходить через досліджуваний зразок за допомогою теплопровідності, Вт;

 = 0,005 м – товщина зразка;

- Площа поверхні одного зразка, м 2;

d= 0,140 м – діаметр зразка;

T г, T х – температури відповідно гарячої та холодної поверхонь зразка, До.

4.7. Коефіцієнт теплопровідності залежить від температури, тому отримані значення відносять до середньої температури зразка

Результати обробки дослідних даних заносяться до таблиці 1.

Таблиця 1

Результати вимірювань та обробки дослідних даних

Показання термопар, мВ/К

Е 1

4.8. Використовуючи графоаналітичний метод обробки отриманих результатів, одержують залежність коефіцієнта теплопровідності досліджуваного матеріалу від середньої температури зразка T m у вигляді

де  0 і b - визначаються графічним шляхом на підставі аналізу графіка залежності = f (T m).

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

Які є основні способи перенесення теплоти?

Що називається теплопровідністю?

У чому особливості механізму теплопровідності у провідниках та твердих діелектриках?

Які закони описують процес теплопровідності?

Що називається плоскою стінкою?

Що таке граничні умови?

Яким є характер зміни температури в плоскій стінці?

У чому полягає фізичне значення коефіцієнта теплопровідності?

Для чого потрібне знання коефіцієнта теплопровідності різних матеріалів і як визначається його значення?

У чому полягають методичні особливості методу плоского шару?

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВІДДАЧІ ПРИ ВІЛЬНІЙ КОНВЕКЦІЇ

Мета роботи: вивчити закономірності конвективного теплообміну на прикладі тепловіддачі при вільній конвекції для випадків поперечного та поздовжнього обтікання нагрітої поверхні. Придбати навички обробки результатів дослідів та подання їх у узагальненому вигляді.

Завдання:

1. Визначити експериментальні значення коефіцієнтів тепловіддачі від горизонтального циліндра та вертикального циліндра до середовища при вільній конвекції.

2. Шляхом обробки дослідних даних отримати параметри критеріальних рівнянь, що характеризують процес вільної конвекції щодо горизонтальної та вертикальної поверхні.

ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ.

Існують три основні способи перенесення теплоти, які істотно відрізняються один від одного за своєю фізичною природою:

теплопровідність;

конвекція;

теплове випромінювання.

При теплопровідності носіями теплової енергії є мікрочастинки речовини – атоми та молекули, при тепловому випромінюванні – електромагнітні хвилі.

Конвекція– це спосіб перенесення теплоти рахунок переміщення макроскопічних кількостей речовини з однієї точки простору в іншу.

Таким чином, конвекція можлива тільки в середовищах, що мають властивість плинності - гази і рідини. У теорії теплообміну вони узагальнено позначаються терміном «рідина», не проводячи відмінності, якщо це окремо не потрібно обговорювати, між крапельними рідинами та газами. Процес перенесення теплоти конвекцією, зазвичай, супроводжується теплопровідністю. Такий процес називається конвективним теплообміном.

Конвективний теплообмін– це спільний процес перенесення теплоти конвекцією та теплопровідністю.

В інженерній практиці найчастіше мають справу з процесом конвективного теплообміну між поверхнею твердого тіла (наприклад, поверхня стінки печі, нагрівального приладу і т.п.) та текучим середовищем, що омиває цю поверхню. Цей процес називається тепловіддачею.

Тепловіддача- окремий випадок конвективного теплообміну між поверхнею твердого тіла (стінкою) і текучим середовищем, що її омиває.

Розрізняють вимушену та вільну (природну)конвекцію.

Вимушена конвекціявідбувається під дією сил тиску, які створюються примусово, наприклад, насосом, вентилятором і т.п.

Вільна чи природна конвекціявідбувається під впливом масових сил, мають різну природу: гравітаційних, відцентрових, електромагнітних та інших.

На Землі вільна конвекція відбувається в умовах дії сили тяжіння, тому її називають тепловою гравітаційною конвекцією. Рушійною силою процесу у разі є підйомна сила, що виникає у середовищі за наявності неоднорідності у розподілі щільності всередині аналізованого объема. При теплообміні така неоднорідність виникає за рахунок того, що окремі елементи середовища можуть перебувати за різної температури. При цьому більш нагріті, а значить, менш щільні елементи середовища під дією підйомної сили будуть переміщатися вгору, переносячи разом із собою теплоту, а більш холодні, і отже, більш щільні елементи середовища перетікатимуть на місце, що звільнилося, як це показано на рис. 1.

Мал. 1. Характер руху потоків у рідині при вільній конвекції

Якщо в цьому місці розташоване постійне джерело теплоти, то при нагріванні щільність елементів середовища зменшиться, і вони також почнуть спливати вгору. Так, поки матиме місце різницю щільностей окремих елементів середовища, триватиме їх кругообіг, тобто. продовжуватиметься вільна конвекція. Вільна конвекція, що відбувається у великих обсягах середовища, де ніщо не перешкоджає розвитку конвективних потоків, називається вільною конвекцією у необмеженому просторі. Вільна конвекція у необмеженому просторі, наприклад, має місце при опаленні приміщень, нагріванні води у водогрійних котлах та багатьох інших випадках. Якщо розвитку конвективних потоків перешкоджають стінки каналів або прошарків, які заповнені плинним середовищем, то процес у цьому випадку називається вільною конвекцією в обмеженому просторі. Такий процес має місце, наприклад, при теплообміні всередині повітряних прошарків між віконними рамами.

Основний закон, що описує процес конвективного теплообміну, – закон Ньютона-Ріхмана. В аналітичній формі для стаціонарного температурного режиму теплообміну він має такий вигляд:

,

де
- елементарна кількість теплоти, яка віддається за елементарний проміжок часу
від елементарної поверхні площею
;

- Температура стінки;

- Температура рідини;

- Коефіцієнт тепловіддачі.

Коефіцієнт тепловіддачіпоказує, скільки теплоти віддається в одиницю часу від одиниці поверхні при різниці температур між стінкою і рідиною в один градус. Одиниця виміру коефіцієнта тепловіддачі у системі СІ – Вт/м 2 град. При стаціонарному процесі коефіцієнт тепловіддачі можна визначити з виразу:

, Вт/м 2 ∙град

де - тепловий потік, Вт;

- площа поверхні теплообміну, м2;

- температурний тиск між поверхнею і рідиною, град.

Коефіцієнт тепловіддачі характеризує інтенсивність теплообміну між стінкою і рідиною, що її омиває. За своїм фізичним характером конвективний теплообмін є складним процесом. Коефіцієнт тепловіддачі залежить від дуже великої кількості різноманітних параметрів – фізичних властивостей рідини, характеру перебігу рідини, швидкості перебігу рідини, розміру та форми каналу, а також безлічі інших факторів. У зв'язку з цим неможливо дати загальну залежність знаходження коефіцієнта тепловіддачі теоретичним шляхом

p align="justify"> Коефіцієнт тепловіддачі найбільш точно і надійно може бути визначений експериментальним шляхом на основі рівняння (2). Однак в інженерній практиці при розрахунку процесів теплообміну в різних технічних пристроях, як правило, неможливо виконати дослідне визначення значення коефіцієнта тепловіддачі в умовах реального натурного об'єкта через складність і дорожнечу постановки такого експерименту. У цьому випадку для вирішення задачі визначення на допомогу приходить теорія подоби.

Основне практичне значення теорії подібності полягає в тому, що вона дозволяє узагальнити результати окремого досвіду, проведеного на моделі в лабораторних умовах, на весь клас реальних процесів та об'єктів, подібних до процесу, вивченого на моделі. Поняття подібності, добре відоме щодо геометричних фігур, може бути поширене і на будь-які фізичні процеси та явища.

Клас фізичних явищ– це сукупність явищ, які можна описати однією загальної системою рівнянь і мають однакову фізичну природу.

Поодиноке явище- Це частина класу фізичних явищ, що відрізняються певними умовами однозначності (геометричними, фізичними, початковими, граничними).

Подібні явища- Група явищ одного класу з однаковими умовами однозначності, крім числових значень величин, що містяться в цих умовах.

Теорія подібності полягає в тому, що розмірні фізичні величини, що характеризують явище, можна об'єднати в безрозмірні комплекси, причому отже число цих комплексів буде менше, ніж число розмірних величин. Отримані безрозмірні комплекси називаються критеріями подоби. Критерії подібності мають певний фізичний зміст і відбивають вплив жодної фізичної величини, а всієї їх сукупності, що входить у критерій, що значно полегшує аналіз досліджуваного процесу. Сам процес у цьому випадку можна подати у вигляді аналітичної залежності
між критеріями подібності
, Що характеризують його окремі сторони Такі залежності називаються критеріальними рівняннями. Критерії подібності отримали назви за іменами вчених, які зробили суттєвий внесок у розвиток гідродинаміки та теорії теплообміну – Нуссельта, Прандтля, Грасгофа, Рейнольдса, Кирпичова та інших.

Теорія подоби виходить з 3-х теоремах подоби.

1-а теорема:

Подібні між собою явища мають однакові критерії подібності..

Ця теорема показує, що у дослідах необхідно вимірювати ті фізичні величини, які у умовах подоби.

2-а теорема:

Вихідні математичні рівняння, що характеризують це фізичне явище, завжди можуть бути представлені у вигляді залежності між критеріями подібності, що характеризують це явище.

Ці рівняння називаються критеріальними. Ця теорема показує, що результати дослідів слід подавати у вигляді критеріальних рівнянь.

3-тя теорема.

Подібні до тих явищ, у яких критерії подібності, складені з умов однозначності, рівні.

Ця теорема визначає умову необхідну встановлення фізичного подоби. Критерії подібності, складені з умов однозначності, називаються визначальними. Вони визначають рівність решти чи визначенихкритеріїв подібності, що є вже предметом 1-ї теореми подоби. Таким чином, 3-я теорема подібності розвиває та поглиблює 1-у теорему.

При вивченні конвективного теплообміну найчастіше використовуються такі критерії подібності.

Критерій Рейнольдса (Re) – характеризує співвідношення між силами інерції та силами в'язкого тертя, що діють у рідині. Значення критерію Рейнольдса характеризує режим перебігу рідини при вимушеній конвекції.

,

де - Швидкість руху рідини;

- Коефіцієнт кінематичної в'язкості рідини;

- Визначальний розмір.

Критерій Грасгофа (Gr) – характеризує співвідношення між силами в'язкого тертя та підйомною силою, що діють у рідині, при вільній конвекції. Значення критерію Грасгофа характеризує режим перебігу рідини за вільної конвекції.

,

де - прискорення вільного падіння;

- Визначальний розмір;

- температурний коефіцієнт об'ємного розширення рідини (для газів
, де - Визначальна температура за шкалою Кельвіна);

- температурний напір між стінкою та рідиною;

- відповідно температура стінки та рідини;

- Коефіцієнт кінематичної в'язкості рідини.

Критерій Нуссельта (Nu) – характеризує співвідношення між кількістю теплоти, що передається за допомогою теплопровідності та кількістю теплоти, що передається за допомогою конвекції при конвективному теплообміні між поверхнею твердого тіла (стінкою) та рідиною, тобто. при тепловіддачі.

,

де - Коефіцієнт тепловіддачі;

- Визначальний розмір;

- Коефіцієнт теплопровідності рідини на межі стінки та рідини.

Критерій Пекле (Pe) – характеризує співвідношення між кількістю теплоти, що приймається (віддається) потоком рідини і кількістю теплоти, що передається (віддається) за допомогою конвективного теплообміну.

,

де - Швидкість потоку рідини;

- Визначальний розмір;

- Коефіцієнт температуропровідності;

- відповідно коефіцієнт теплопровідності, ізобарна теплоємність, густина рідини.

Критерій Прандтля (Pr) - Характеризує фізичні властивості рідини.

,

де - Коефіцієнт кінематичної в'язкості;

- Коефіцієнт температуропровідності рідини.

З розглянутих критеріїв подібності видно, що найбільш важливий при розрахунку процесів конвективного теплообміну параметр, що характеризує інтенсивність процесу, а саме коефіцієнт тепловіддачі входить у вираз для критерію Нуссельта. Це зумовило те, що для вирішення завдань конвективного теплообміну інженерними методами, заснованими на використанні теорії подоби, цей критерій є найважливішим із визначених критеріїв. Значення коефіцієнта тепловіддачі в цьому випадку визначається згідно з таким виразом

У зв'язку з цим критеріальні рівняння зазвичай записуються у формі рішення щодо критерію Нуссельта і мають вигляд статечної функції

де
- значення критеріїв подібності, що характеризують різні сторони процесу;

- Чисельні константи, що визначаються на основі експериментальних даних, отриманих при вивченні класу подібних явищ на моделях досвідченим шляхом.

Залежно від виду конвекції та конкретних умов процесу набір критеріїв подібності, що входять до критеріального рівняння, значення констант та поправочні множники можуть бути різними.

При практичному застосуванні критеріальних рівнянь важливим є питання правильного вибору визначального розміру та визначальної температури. Визначальна температура необхідна правильного визначення значень фізичних властивостей рідини, використовуваних під час розрахунку значень критеріїв подоби. Вибір визначального розміру залежить від взаємного розташування потоку рідини та поверхні, що омивається, тобто від характеру її обтікання. У цьому слід керуватися наявними рекомендаціями наступних характерних випадків.

Вимушена конвекція під час руху рідини всередині круглої труби.

- Внутрішній діаметр труби.

Вимушена конвекція під час руху рідини в каналах довільного перерізу.

- еквівалентний діаметр,

де - Площа поперечного перерізу каналу;

- Періметр перерізу.

Поперечне обтікання круглої труби при вільній конвекції (горизонтальна труба (рис.2) при тепловій гравітаційній конвекції)

- Зовнішній діаметр труби.

Рис.2. Характер обтікання горизонтальної труби при тепловій гравітаційній конвекції

Поздовжнє обтікання плоскої стінки (труби) (рис. 3) при тепловій гравітаційній конвекції.

- Висота стінки (довжина труби).

Мал. 3. Характер обтікання вертикальної стінки (труби) при тепловій гравітаційній конвекції.

Визначальна температура необхідна коректного визначення теплофізичних властивостей середовища, значення яких змінюються залежно від температури.

При тепловіддачі як визначальна температура приймається середнє арифметичне між температурою стінки та рідини

При конвективному теплообміні між окремими елементами середовища всередині об'єму, що розглядається, в якості визначальної температури приймається середнє арифметичне між температурами елементів середовища, що беруть участь в теплообміні.

У цій роботі розглянуто порядок проведення лабораторного експерименту та методику отримання критеріальних рівнянь для 2-х характерних випадків обтікання нагрітої поверхні (поперечного та поздовжнього) при вільній конвекції різних газів щодо горизонтального та вертикального циліндрів.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА.