Značajke određivanja toplinske provodljivosti građevinskih materijala. Metode za određivanje toplotne provodljivosti metala Definicije i simboli

Toplotna provodljivost je najvažnija termofizička karakteristika materijala. To se mora uzeti u obzir pri projektiranju uređaja za grijanje, odabiru debljine zaštitnih premaza i uzimanja u obzir gubitaka topline. Ako odgovarajući priručnik nije pri ruci ili dostupan, a sastav materijala nije tačno poznat, njegova toplotna provodljivost se mora izračunati ili eksperimentalno izmjeriti.

Komponente toplinske provodljivosti materijala

Toplotna provodljivost karakterizira proces prijenosa topline u homogenom tijelu određenih ukupnih dimenzija. Dakle, početni parametri za mjerenje su:

1. Područje u smjeru okomitom na smjer toka topline.
2. Vrijeme u kojem se odvija prijenos toplinske energije.
3. Temperaturna razlika između odvojenih, najudaljenijih jedan od drugog dijelova dijela ili ispitnog uzorka.
4. Snaga izvora toplote.

Da bi se održala maksimalna tačnost rezultata, potrebno je stvoriti stacionarne (vremenski uređene) uvjete prijenosa topline. U ovom slučaju, faktor vremena se može zanemariti.

Toplotna provodljivost se može odrediti na dva načina - apsolutna i relativna.

Apsolutna metoda za procjenu toplotne provodljivosti

U tom slučaju se određuje direktna vrijednost toplotnog fluksa koji se usmjerava na ispitivani uzorak. Najčešće se uzorak uzima kao šipka ili ploča, iako u nekim slučajevima (na primjer, pri određivanju toplinske vodljivosti koaksijalno postavljenih elemenata) može izgledati kao šuplji cilindar. Nedostatak lamelarnih uzoraka je potreba za striktnim ravnim paralelizmom suprotnih površina.

Stoga se za metale koje karakterizira visoka toplinska provodljivost češće uzima uzorak u obliku šipke.

Suština mjerenja je sljedeća. Na suprotnim površinama održavaju se konstantne temperature koje proizlaze iz izvora topline, koji se nalazi strogo okomito na jednu od površina uzorka.

U ovom slučaju, željeni parametar toplotne provodljivosti λ će biti
λ=(Q*d)/F(T2-T1), W/m∙K, gdje je:
Q je snaga toplotnog toka;
d je debljina uzorka;
F je površina uzorka na koju utiče toplotni tok;
T1 i T2 su temperature na površini uzorka.

Budući da se snaga toplotnog fluksa za električne grijače može izraziti u smislu njihove snage UI, a temperaturni senzori povezani na uzorak mogu se koristiti za mjerenje temperature, neće biti teško izračunati indeks toplinske provodljivosti λ.

Da bi se eliminisao neproduktivan gubitak toplote i poboljšala tačnost metode, sklop uzorka i grejača treba staviti u efektivnu toplotnoizolacionu zapreminu, na primer, u Dewar posudu.

Relativna metoda za određivanje toplotne provodljivosti

Faktor snage toplotnog toka moguće je isključiti iz razmatranja ako se koristi jedna od metoda komparativne procjene. U tu svrhu se između štapa, čija toplotna provodljivost treba odrediti, i izvora topline, čija je toplinska provodljivost materijala poznata λ 3, postavlja referentni uzorak. Da bi se eliminisale greške merenja, uzorci su čvrsto pritisnuti jedan uz drugi. Suprotni kraj mjerenog uzorka se uranja u rashladnu kupku, nakon čega se dva termoelementa spajaju na oba štapa.

Toplotna provodljivost se izračunava iz izraza
λ=λ 3 (d(T1 3 -T2 3)/d 3 (T1-T2)), gdje je:
d je rastojanje između termoparova u uzorku za ispitivanje;
d 3 je rastojanje između termoparova u referentnom uzorku;
T1 3 i T2 3 - očitavanja termoparova ugrađenih u referentni uzorak;
T1 i T2 su očitanja termoparova ugrađenih u ispitni uzorak.

Toplotna provodljivost se također može odrediti iz poznate električne provodljivosti γ materijala uzorka. Da biste to učinili, kao ispitni uzorak uzima se vodič od žice, na čijim se krajevima na bilo koji način održava konstantna temperatura. Kroz provodnik prolazi jednosmjerna električna struja sile I, a kontakt terminala treba da se približi idealnom.

Po dostizanju stacionarnog termičkog stanja, temperaturni maksimum T max će se nalaziti u sredini uzorka, sa minimalnim vrednostima T1 i T2 na njegovim krajevima. Mjerenjem razlike potencijala U između ekstremnih tačaka uzorka, vrijednost toplotne provodljivosti može se odrediti iz zavisnosti

Preciznost procjene toplotne provodljivosti raste sa dužinom ispitnog uzorka, kao i sa povećanjem struje koja prolazi kroz njega.

Relativne metode za mjerenje toplotne provodljivosti su preciznije od apsolutnih i pogodnije su za praktičnu primjenu, ali zahtijevaju značajno vrijeme za izvođenje mjerenja. To je zbog trajanja uspostavljanja stacionarnog termičkog stanja u uzorku, čija je toplinska provodljivost određena.

Cilj: proučavanje metode eksperimentalnog određivanja koeficijenta

toplinska provodljivost čvrstih materijala metodom ploča.

Vježba:one. Odredite toplotnu provodljivost materijala koji se proučava.

2. Odrediti zavisnost koeficijenta toplotne provodljivosti od temperature

materijal koji se proučava.

GLAVNE ODREDBE.

Izmjena topline- ovo je spontani ireverzibilni proces prijenosa topline u prostoru u prisustvu temperaturne razlike. Postoje tri glavne metode prijenosa topline, koje se međusobno značajno razlikuju po svojoj fizičkoj prirodi:

toplotna provodljivost;

konvekcija;

toplotno zračenje.

U praksi se toplina, po pravilu, prenosi istovremeno na više načina, ali je poznavanje ovih procesa nemoguće bez proučavanja elementarnih procesa prijenosa topline.

toplotna provodljivost je proces prijenosa topline uslijed toplinskog kretanja mikročestica. U plinovima i tekućinama prijenos topline toplinskim vođenjem vrši se difuzijom atoma i molekula. U čvrstim tijelima, slobodno kretanje atoma i molekula po cijelom volumenu materije je nemoguće i svodi se samo na njihovo oscilatorno kretanje u odnosu na određene ravnotežne položaje. Dakle, proces provođenja topline u čvrstim tijelima nastaje zbog povećanja amplitude ovih oscilacija, koje se šire u volumenu tijela zbog perturbacije polja sila između oscilirajućih čestica. U metalima se prijenos topline toplinskom provodljivošću događa ne samo zbog vibracija jona i atoma smještenih u čvorovima kristalne rešetke, već i zbog kretanja slobodnih elektrona, koji formiraju takozvani "elektronski plin". Zbog prisustva u metalima dodatnih nosača toplinske energije u obliku slobodnih elektrona, toplinska provodljivost metala je znatno veća nego kod čvrstih dielektrika.

Prilikom proučavanja procesa provođenja topline koriste se sljedeći osnovni koncepti:

Količina toplote (Q  ) - toplinska energija koja prolazi kroz cijeli proces  kroz površinu proizvoljne površine F. U SI sistemu se mjeri u džulima (J).

Toplotni tok (toplotna snaga) (Q) - količina toplote koja u jedinici vremena prođe kroz površinu proizvoljne površine F.

U SI sistemu, toplotni tok se meri u vatima (W).

Gustina toplotnog fluksa (q) - količina topline koja u jedinici vremena prolazi kroz jedinicu površine.

U SI sistemu se mjeri u W / m 2.

temperaturno polje- skup vrijednosti temperature u datom trenutku u svim tačkama u prostoru koji zauzima tijelo. Ako se temperatura u svim tačkama temperaturnog polja ne mijenja tokom vremena, onda se takvo polje naziva stacionarno, ako se promijeni, onda - nestacionarni.

Površine koje formiraju tačke koje imaju istu temperaturu nazivaju se izotermni.

temperaturni gradijent (gradT) - vektor usmjeren duž normale na izotermnu površinu u smjeru povećanja temperature i numerički definiran kao granica omjera promjene temperature između dvije izotermne površine i udaljenosti između njih duž normale kada ta udaljenost teži nuli. Ili drugim riječima, temperaturni gradijent je derivacija temperature duž ovog smjera.

Temperaturni gradijent karakterizira brzinu promjene temperature u smjeru normalnom na izotermnu površinu.

Proces provođenja toplote karakteriše osnovni zakon provođenja toplote - Fourierov zakon(1822). Prema ovom zakonu, gustina toplotnog toka koji se prenosi kroz provodljivost toplote je direktno proporcionalna temperaturnom gradijentu:

gdje je  toplinska provodljivost tvari, W/(mdeg).

Znak (-) označava da su toplotni tok i temperaturni gradijent suprotni u smjeru.

Koeficijent toplotne provodljivosti pokazuje koliko se toplote prenosi u jedinici vremena kroz jedinicu površine sa temperaturnim gradijentom jednakim jedan.

Koeficijent toplotne provodljivosti je važna termofizička karakteristika materijala i njegovo poznavanje je neophodno pri izvođenju toplotnih proračuna vezanih za određivanje toplotnih gubitaka kroz omotače i konstrukcije zgrade, zidove mašina i aparata, proračun toplotne izolacije, kao i pri rešavanju mnogih drugih inženjerskih problema. .

Drugi važan zakon provodljivosti toplote je Fourier-Kirchhoffov zakon, koji određuje prirodu promjene temperature u prostoru i vremenu tokom provođenja toplote. Njegovo drugo ime je diferencijalna jednačina toplote, jer se dobija metodama teorije matematičke analize zasnovane na Fourierovom zakonu. Za 3-dimenzionalno nestacionarno temperaturno polje, diferencijalna jednadžba za provođenje toplote ima sljedeći oblik:

,

gdje
- koeficijent toplotne difuzivnosti koji karakteriše termička inercijalna svojstva materijala,

, C p , - koeficijent toplotne provodljivosti, izobarični toplotni kapacitet i gustina supstance;

je Laplaceov operator.

Za jednodimenzionalno stacionarno temperaturno polje (
) diferencijalna jednadžba provođenja toplote ima jednostavan oblik

Integracijom jednačina (1) i (2) moguće je odrediti gustinu toplotnog toka kroz tijelo i zakon promjene temperature unutar tijela tokom prijenosa topline vođenjem topline. Da biste dobili rješenje, potreban vam je zadatak uslovi jedinstvenosti.

Uslovi jedinstvenosti su dodatni privatni podaci koji karakterišu problem koji se razmatra. Oni uključuju:

Geometrijski uslovi koji karakterišu oblik i veličinu tijela;

Fizički uslovi koji karakterišu fizička svojstva tela;

vremenski (početni) uslovi koji karakterišu distribuciju temperature u početnom trenutku vremena;

granični uslovi koji karakterišu karakteristike prenosa toplote na granicama tela. Postoje granični uslovi 1., 2. i 3. vrste.

At granični uslovi 1. vrste data je raspodjela temperatura na površini tijela. U tom slučaju potrebno je odrediti gustinu toplotnog toka kroz tijelo.

At granični uslovi 2. vrste date su gustina toplotnog toka i temperatura jedne od površina tela. Potrebno je odrediti temperaturu druge površine.

Pod graničnim uslovima 3. vrste moraju biti poznati uslovi prenosa toplote između površina tela i medija koji ih okružuje izvana. Na osnovu ovih podataka određuje se gustina toplotnog toka. Ovaj slučaj se odnosi na zajednički proces prijenosa topline toplinskom vođenjem i konvekcijom, tzv prijenos topline.

Razmotrimo najjednostavniji primjer za slučaj provođenja topline kroz ravan zid. stan naziva zidom, čija je debljina znatno manja od njegove druge dvije dimenzije - dužine i širine. U ovom slučaju, uvjeti jedinstvenosti mogu se specificirati na sljedeći način:

geometrijski: poznata debljina zida. Temperaturno polje je jednodimenzionalno, stoga se temperatura mijenja samo u smjeru X ose i toplinski tok je usmjeren duž normale na površine zida;

fizički: materijal zida i njegov koeficijent toplotne provodljivosti su poznati, a za cijelo tijelo=konst;

privremeni: temperaturno polje se ne mijenja u vremenu, tj. je stacionaran;

granični uslovi:1. vrsta, temperature zida su T 1 i T 2 .

Potrebno je odrediti zakon promjene temperature duž debljine zida T=f(X) i gustinu toplotnog toka kroz zid q.

Za rješavanje problema koristimo jednadžbe (1) i (3). Uzimajući u obzir prihvaćene granične uslove (pri x=0T=T 1 ; pri x=T=T 2), nakon dvostruke integracije jednačine (3), dobijamo zakon promene temperature preko debljine zida

,

Raspodjela temperature u ravnom zidu prikazana je na Sl.1.

Fig.1. Raspodjela temperature u ravnom zidu.

Gustoća toplotnog toka se tada određuje prema izrazu

,

Određivanje koeficijenta toplotne provodljivosti  teoretski ne može dati tačnost rezultata koji je potreban za savremenu inženjersku praksu, pa njegovo eksperimentalno određivanje ostaje jedini pouzdan način.

Jedna od poznatih eksperimentalnih metoda za određivanje  je metoda ravnog sloja. Prema ovoj metodi, toplotna provodljivost materijala ravnog zida može se odrediti na osnovu jednačine (5)

;

U ovom slučaju, dobijena vrijednost koeficijenta toplinske provodljivosti odnosi se na prosječnu temperaturu T m = 0,5 (T 1 + T 2).

Unatoč fizičkoj jednostavnosti, praktična primjena ove metode ima svoje poteškoće povezane s teškoćom stvaranja jednodimenzionalnog stacionarnog temperaturnog polja u ispitivanim uzorcima i uzimanjem u obzir toplinskih gubitaka.

OPIS LABORATORIJSKOG ŠTANDA.

Određivanje koeficijenta toplotne provodljivosti vrši se na laboratorijskoj postavci zasnovanoj na metodi simulacije realnih fizičkih procesa. Instalacija se sastoji od računara povezanog sa rasporedom radnog prostora koji se prikazuje na ekranu monitora. Radni dio je kreiran po analogiji sa realnim i njegova shema je prikazana na sl. 2.

Fig.2. Šema radnog dijela instalacije

Radni dio se sastoji od 2 uzorka fluoroplasta 12, izrađenih u obliku diskova debljine = 5 mm i prečnika d= 140 mm. Uzorci se postavljaju između grijača 10 visine h = 12 mm i prečnika d h = 146 mm i frižidera 11 hlađenog vodom. Stvaranje toplotnog toka vrši se grijaćim elementom električnog otpora R=41 Ohm i hladnjakom 11 sa spiralnim žljebovima za usmjerenu cirkulaciju rashladne vode. Dakle, toplotni tok koji prolazi kroz proučavane uzorke fluoroplastike odvodi voda koja teče kroz frižider. Dio topline iz grijača ide kroz krajnje površine u okolinu, pa je za smanjenje ovih radijalnih gubitaka predviđeno toplotno izolacijsko kućište 13 od azbest cementa ( k = 0,08 W/(mdeg)) . Kućište visine h k = 22 mm izrađeno je u obliku šupljeg cilindra unutrašnjeg prečnika d h = 146 mm i spoljašnjeg prečnika d k = 190 mm. Temperatura se mjeri pomoću sedam hromel-copel termoparova (tip XK) poz. 1 ... 7, instaliran na različitim tačkama radnog prostora. Prekidač temperaturnog senzora 15 omogućava vam da uzastopno mjerite termo-EMF svih sedam temperaturnih senzora. Termopar 7 je ugrađen na vanjsku površinu termoizolacijskog kućišta kako bi se utvrdilo propuštanje topline kroz njega.

REDOSLED RADA.

3.1. Temperaturni režim rada instalacije se bira podešavanjem temperature vruće površine ploča Tg u rasponu od 35S do 120S.

3.2. Na kontrolnoj tabli instalacije sukcesivno se uključuju prekidači za napajanje indikatorskih uređaja koji registruju napon na električnom grijaču U, termo-EMF temperaturnih senzora E i prekidač za uključivanje grijanja.

3.3. Glatkim okretanjem dugmeta reostata, na grijaču se postavlja željeni napon. Reostat je izrađen u stepenastoj verziji, tako da se napon mijenja u koracima. Napon U i temperatura T g moraju biti međusobno usklađeni prema zavisnosti prikazanoj na slici 3.

Fig.3. Radna zona grijanja.

3.4. Uzastopnim ispitivanjem temperaturnih senzora pomoću prekidača 15 određuju se termo-EMF vrijednosti sedam termoparova, koje se zajedno sa U vrijednosti bilježe u protokolu eksperimenta (vidi tabelu 1). Registraciju indikacija vrše indikatorski uređaji na kontrolnoj tabli, čije se indikacije dupliraju na monitoru računara.

3.5. Na kraju eksperimenta, svi regulatorni organi instalacije se prenose u prvobitni položaj.

3.6. Ponovljeni eksperimenti se provode (njihov ukupan broj mora biti najmanje 3) i na drugim vrijednostima Tg na način predviđen u paragrafima. 3.1…3.5.

OBRADA REZULTATA MJERENJA.

4.1. Prema karakteristikama kalibracije hromel-copel termoelementa, očitavanja temperaturnih senzora pretvoren u stepene Kelvina. .

4.2. Određene su prosječne temperature unutrašnje tople i vanjske hladne površine uzoraka

gdje je i broj termoelementa.

4.3. Određuje se ukupni toplotni tok koji stvara električni grijač

, W

gdje je U napon električne struje, V;

R= 41 Ohm - otpor električnog grijača.

4.4. Određuje se toplinski tok koji se gubi kao rezultat prijenosa topline kroz kućište

gdje je k koeficijent koji karakterizira proces prijenosa topline kroz kućište.

, W / (m 2 deg)

gdje je  k = 0,08 W/(mdeg) – koeficijent toplotne provodljivosti materijala kućišta;

d n \u003d 0,146 m - vanjski promjer grijača;

d k \u003d 0,190 m - vanjski promjer kućišta;

h n \u003d 0,012 m - visina grijača;

h k \u003d 0,022 m - visina kućišta.

T t - temperatura vanjske površine kućišta, određena 7. termoelementom

4.5. Određuje se toplinski tok koji prolazi kroz ispitivane uzorke pomoću toplinske provodljivosti

, W

4.6. Određuje se koeficijent toplinske provodljivosti ispitivanog materijala

, W/(mdeg)

gde je Q  - toplotni tok koji prolazi kroz ispitni uzorak kroz toplotnu provodljivost, W;

 = 0,005 m – debljina uzorka;

- površina jednog uzorka, m 2 ;

d= 0,140 m – prečnik uzorka;

T g, T x su temperature tople i hladne površine uzorka, K.

4.7. Koeficijent toplotne provodljivosti zavisi od temperature, pa se dobijene vrednosti  odnose na prosečnu temperaturu uzorka

Rezultati obrade eksperimentalnih podataka uneti su u tabelu 1.

Tabela 1

Rezultati mjerenja i obrada eksperimentalnih podataka

4.8. Korišćenjem grafičko-analitičke metode obrade dobijenih rezultata dobijena je zavisnost koeficijenta toplotne provodljivosti ispitivanog materijala  od prosečne temperature uzorka T m u obliku

gdje se  0 i b- određuju grafički na osnovu analize grafa zavisnosti =f(T m).

TEST PITANJA

Koje su glavne metode prijenosa topline?

Šta je toplotna provodljivost?

Koje su karakteristike mehanizma provođenja toplote u provodnicima i čvrstim dielektricima?

Koji zakoni opisuju proces provođenja toplote?

Šta je ravan zid?

Šta su granični uslovi?

Kakva je priroda promjene temperature u ravnom zidu?

Koje je fizičko značenje koeficijenta toplotne provodljivosti?

Zašto je potrebno znati koeficijent toplinske provodljivosti različitih materijala i kako se određuje njegova vrijednost?

Koje su metodološke karakteristike metode ravnog sloja?

PROUČAVANJE PRENOSA TOPLOTE PRI SLOBODNOJ KONVEKCIJI

Cilj: proučavati zakonitosti konvektivnog prijenosa topline na primjeru prijenosa topline pri slobodnoj konvekciji za slučajeve poprečnog i uzdužnog strujanja oko zagrijane površine. Steći vještine obrade rezultata eksperimenata i prezentiranja u generaliziranom obliku.

Vježba:

1. Odredite eksperimentalne vrijednosti koeficijenata prijenosa topline iz horizontalnog cilindra i vertikalnog cilindra u medij pod slobodnom konvekcijom.

2. Obradom eksperimentalnih podataka dobiti parametre kriterijumskih jednačina koje karakterišu proces slobodne konvekcije u odnosu na horizontalnu i vertikalnu površinu.

OSNOVNE TEORIJSKE ODREDBE.

Postoje tri glavne metode prijenosa topline, koje se međusobno značajno razlikuju po svojoj fizičkoj prirodi:

toplotna provodljivost;

konvekcija;

toplotno zračenje.

Kod toplotne provodljivosti, nosioci toplotne energije su mikročestice materije - atomi i molekuli, sa toplotnim zračenjem - elektromagnetski talasi.

Konvekcija- ovo je metoda prijenosa topline pomicanjem makroskopskih količina materije iz jedne tačke u prostoru u drugu.

Dakle, konvekcija je moguća samo u medijima koji imaju svojstvo fluidnosti – gasovima i tečnostima. U teoriji prijenosa topline općenito se označavaju terminom "tečnost", bez pravljenja razlike, osim ako nije drugačije naznačeno, između kapajućih tečnosti i gasova. Proces prijenosa topline konvekcijom, u pravilu, prati vođenje topline. Takav proces se zove konvektivni prenos toplote.

Konvektivni prijenos topline je zajednički proces prijenosa topline konvekcijom i vođenjem topline.

U inženjerskoj praksi najčešće se bave procesom konvektivnog prijenosa topline između površine čvrstog tijela (na primjer, površine zida peći, uređaja za grijanje itd.) i fluida koji okružuje ovu površinu. Ovaj proces se zove rasipanje toplote.

Odvođenje topline- poseban slučaj konvektivnog prenosa toplote između površine čvrstog tela (zida) i fluida koji ga okružuje.

Razlikovati prisilno i slobodno (prirodno) konvekcija.

prisilna konvekcija nastaje pod dejstvom sila pritiska koje se nasilno stvaraju, na primer, pumpom, ventilatorom itd.

Slobodna ili prirodna konvekcija nastaje pod dejstvom masovnih sila različite prirode: gravitacionih, centrifugalnih, elektromagnetnih itd.

Na Zemlji se slobodna konvekcija javlja pod uticajem gravitacije, pa se tako zove termička gravitaciona konvekcija. Pokretačka sila procesa u ovom slučaju je sila dizanja koja se javlja u mediju u prisustvu nehomogenosti u distribuciji gustine unutar razmatranog volumena. Prilikom prijenosa topline takva heterogenost nastaje zbog činjenice da pojedini elementi medija mogu biti na različitim temperaturama. U tom će se slučaju zagrijaniji, a samim tim i manje gusti elementi medija, pod djelovanjem sile podizanja, kretati prema gore, noseći toplinu zajedno sa sobom, a hladniji, a samim tim i gušći elementi medija će teći u upražnjeno mjesto, kao što je prikazano na sl. jedan.

Rice. 1. Priroda kretanja strujanja u tekućini pod slobodnom konvekcijom

Ako se na ovom mjestu nalazi stalni izvor topline, tada će se, kada se zagrije, gustoća zagrijanih elemenata medija smanjiti, a oni će također početi plutati. Dakle, sve dok postoji razlika u gustoći pojedinih elemenata medija, njihova cirkulacija će se nastaviti, tj. slobodna konvekcija će se nastaviti. Slobodna konvekcija koja se javlja u velikim zapreminama medija, gde ništa ne sprečava razvoj konvektivnih strujanja, naziva se slobodna konvekcija u neograničenom prostoru. Slobodna konvekcija u neograničenom prostoru, na primjer, javlja se u grijanju prostora, grijanju vode u toplovodnim bojlerima i mnogim drugim slučajevima. Ako je razvoj konvektivnih strujanja spriječen zidovima kanala ili međuslojeva koji su ispunjeni tekućinom, tada se proces u ovom slučaju naziva slobodna konvekcija u ograničenom prostoru. Takav se proces odvija, na primjer, prilikom razmjene topline unutar zračnih prostora između prozorskih okvira.

Osnovni zakon koji opisuje proces konvektivnog prenosa toplote je Newton-Richmann zakon. U analitičkom obliku za stacionarni temperaturni režim prijenosa topline ima sljedeći oblik:

,

gdje
- elementarna količina toplote koja se daje za elementarni vremenski period
sa elementarne površine
;

- temperatura zida;

- temperatura tečnosti;

- koeficijent prolaza toplote.

Koeficijent prijenosa topline pokazuje koliko se toplote u jedinici vremena odaje od jedinične površine kada je temperaturna razlika između zida i tečnosti jedan stepen. Jedinica mjerenja koeficijenta prijenosa topline u SI sistemu je W / m 2 ∙deg. Uz stabilan stacionarni proces, koeficijent prijenosa topline može se odrediti iz izraza:

, W/m 2 ∙grad

gdje - protok toplote, W;

- površina razmjene topline, m 2 ;

- temperaturna razlika između površine i tečnosti, st.

Koeficijent prijenosa topline karakterizira intenzitet prijenosa topline između zida i fluida koji ga okružuje. Po svojoj fizičkoj prirodi, konvektivni prijenos topline je vrlo složen proces. Koeficijent prolaza toplote zavisi od veoma velikog broja raznih parametara - fizičkih svojstava tečnosti, prirode toka tečnosti, brzine toka tečnosti, veličine i oblika kanala, kao i mnogih drugih faktora. S tim u vezi, nemoguće je dati opštu zavisnost za teoretski pronalaženje koeficijenta prolaza toplote

Koeficijent prolaza topline se najpreciznije i najpouzdanije može odrediti eksperimentalno na osnovu jednačine (2). Međutim, u inženjerskoj praksi, pri proračunu procesa prijenosa topline u različitim tehničkim uređajima, po pravilu, nije moguće eksperimentalno odrediti vrijednost koeficijenta prijenosa topline u uvjetima stvarnog objekta punog opsega zbog složenosti i visoke trošak postavljanja takvog eksperimenta. U ovom slučaju, za rješavanje problema određivanja  dolazi u pomoć teorija sličnosti.

Glavni praktični značaj teorije sličnosti leži u činjenici da omogućava generalizaciju rezultata zasebnog eksperimenta provedenog na modelu u laboratoriju na cijelu klasu stvarnih procesa i objekata sličnih procesu koji se proučava na modelu. . Koncept sličnosti, dobro poznat u odnosu na geometrijske figure, može se proširiti na bilo koje fizičke procese i pojave.

Klasa fizičkih pojava je skup pojava koje se mogu opisati jednim opštim sistemom jednačina i imaju istu fizičku prirodu.

jedinstvena pojava- ovo je dio klase fizičkih pojava koje se razlikuju po određenim uvjetima jedinstvenosti (geometrijski, fizički, početni, granični).

Slični fenomeni- grupa pojava iste klase sa istim uslovima jedinstvenosti, osim numeričkih vrednosti količina sadržanih u ovim uslovima.

Teorija sličnosti se zasniva na činjenici da se dimenzionalne fizičke veličine koje karakterišu fenomen mogu kombinovati u bezdimenzionalni kompleksi, i to na način da će broj ovih kompleksa biti manji od broja dimenzionalnih veličina. Dobijeni bezdimenzionalni kompleksi se nazivaju kriterijume sličnosti. Kriterijumi sličnosti imaju određeno fizičko značenje i odražavaju utjecaj ne jedne fizičke veličine, već cijelog njihovog skupa uključenog u kriterij, što uvelike pojednostavljuje analizu procesa koji se proučava. Sam proces se u ovom slučaju može predstaviti kao analitička zavisnost
između kriterijuma sličnosti
karakterišući njegove pojedinačne aspekte. Takve zavisnosti se nazivaju kriterijumske jednačine. Kriterijumi sličnosti su nazvani po naučnicima koji su dali značajan doprinos razvoju hidrodinamike i teorije prenosa toplote - Nusselt, Prandtl, Grashof, Reynolds, Kirpichev i drugi.

Teorija sličnosti zasniva se na 3 teoreme sličnosti.

1. teorema:

Pojave koje su slične jedna drugoj imaju iste kriterije sličnosti..

Ova teorema pokazuje da je u eksperimentima potrebno mjeriti samo one fizičke veličine koje su sadržane u kriterijima sličnosti.

2. teorema:

Početne matematičke jednadžbe koje karakteriziraju datu fizičku pojavu uvijek se mogu predstaviti kao odnos između kriterija sličnosti koji karakteriziraju ovaj fenomen.

Ove jednačine se nazivaju kriterijski. Ova teorema pokazuje da rezultate eksperimenata treba prikazati u obliku kriterijskih jednačina.

3. teorema.

Slične su one pojave za koje su kriterijumi sličnosti, sastavljeni od uslova jedinstvenosti, jednaki.

Ova teorema definira uvjet neophodan za uspostavljanje fizičke sličnosti. Pozivaju se kriterijumi sličnosti sastavljeni od uslova jedinstvenosti definisanje. Oni određuju jednakost svih ostalih odn definisano kriterijuma sličnosti, što je zapravo predmet 1. teoreme sličnosti. Dakle, 3. teorem sličnosti razvija i produbljuje 1. teorem.

Prilikom proučavanja konvektivnog prijenosa topline najčešće se koriste sljedeći kriteriji sličnosti.

Reynoldsov kriterijum (Re) - karakterizira odnos između sila inercije i sila viskoznog trenja koje djeluju u fluidu. Vrijednost Reynoldsovog kriterija karakterizira režim strujanja fluida pod prisilnom konvekcijom.

,

gdje - brzina fluida;

- koeficijent kinematičke viskoznosti tečnosti;

- definiranje veličine.

Grashofov kriterijum (Gr) - karakterizira omjer između sila viskoznog trenja i sile dizanja koja djeluje u fluidu pod slobodnom konvekcijom. Vrijednost Grashofovog kriterija karakterizira režim strujanja fluida pod slobodnom konvekcijom.

,

gdje - ubrzanje gravitacije;

- definisanje veličine;

- temperaturni koeficijent zapreminskog širenja tečnosti (za gasove
, gdje - određivanje temperature na Kelvinovoj skali);

- temperaturna razlika između zida i tečnosti;

- temperaturu zida i tečnosti;

- koeficijent kinematičke viskoznosti tečnosti.

Nuseltov kriterijum (Nu) - karakteriše odnos između količine toplote prenešene toplotnom provodljivošću i količine toplote prenete konvekcijom tokom konvektivnog prenosa toplote između površine čvrstog tela (zida) i tečnosti, tj. tokom odvođenja toplote.

,

gdje - koeficijent prolaza toplote;

- definisanje veličine;

- koeficijent toplotne provodljivosti tečnosti na granici zida i tečnosti.

Kriterijum pekleta (Pe) - karakteriše odnos između količine toplote primljene (odane) protokom fluida i količine toplote prenešene (odane) konvektivnim prenosom toplote.

,

gdje - brzina protoka tečnosti;

- definisanje veličine;

- koeficijent toplotne difuzivnosti;

- koeficijent toplotne provodljivosti, izobarični toplotni kapacitet, gustina tečnosti.

Prandtlov kriterijum (Pr) karakteriše fizička svojstva tečnosti.

,

gdje - koeficijent kinematičke viskoznosti;

- koeficijent toplotne difuzivnosti tečnosti.

Iz razmatranih kriterijuma sličnosti se vidi da je najvažniji parametar u proračunu procesa konvektivnog prenosa toplote koji karakteriše intenzitet procesa, a to je koeficijent prolaza toplote , uključen u izraz za Nuseltov kriterijum. To je dovelo do činjenice da je za rješavanje problema konvektivnog prijenosa topline inženjerskim metodama zasnovanim na primjeni teorije sličnosti, ovaj kriterij najvažniji od kriterija koji se utvrđuju. Vrijednost koeficijenta prijenosa topline u ovom slučaju se određuje prema sljedećem izrazu

U tom smislu, kriterijske jednadžbe se obično pišu u obliku rješenja u odnosu na Nusseltov kriterij i imaju oblik funkcije stepena

gdje
- vrijednosti kriterija sličnosti koji karakteriziraju različite aspekte procesa koji se razmatra;

- numeričke konstante određene na osnovu eksperimentalnih podataka dobijenih u proučavanju klase sličnih pojava na modelima empirijski.

Ovisno o vrsti konvekcije i specifičnim uvjetima procesa, skup kriterija sličnosti uključenih u kriterijsku jednadžbu, vrijednosti konstanti i faktori korekcije mogu biti različiti.

U praktičnoj primjeni kriterijskih jednadžbi važno je pitanje ispravnog izbora veličine za određivanje i određivanje temperature. Temperatura za određivanje je neophodna za ispravno određivanje vrijednosti fizičkih svojstava tekućine koja se koristi za izračunavanje vrijednosti kriterija sličnosti. Izbor određujuće veličine zavisi od relativnog položaja toka fluida i isprane površine, odnosno od prirode njegovog toka. Pri tome se treba voditi dostupnim preporukama za sljedeće tipične slučajeve.

Prisilna konvekcija tokom kretanja tečnosti unutar okrugle cijevi.

je unutrašnji prečnik cevi.

Prisilna konvekcija pri kretanju fluida u kanalima proizvoljnog poprečnog presjeka.

- ekvivalentni prečnik,

gdje - površina poprečnog presjeka kanala;

- perimetar presjeka.

Poprečno strujanje oko okrugle cijevi sa slobodnom konvekcijom (horizontalna cijev (vidi sliku 2) sa termalnom gravitacionom konvekcijom)

je vanjski prečnik cijevi.

Fig.2. Priroda strujanja oko horizontalne cijevi pod termičkom gravitacijskom konvekcijom

Uzdužno strujanje oko ravnog zida (cevi) (vidi sliku 3) pod termičkom gravitacionom konvekcijom.

- visina zida (dužina cijevi).

Rice. 3. Priroda strujanja oko vertikalnog zida (cijevi) pod termičkom gravitacionom konvekcijom.

Određivanje temperature neophodan je za pravilno određivanje termofizičkih svojstava medija čije se vrijednosti mijenjaju ovisno o temperaturi.

U prijenosu topline, aritmetička sredina između temperature zida i tekućine uzima se kao određujuća temperatura

U slučaju konvektivne razmjene topline između pojedinih elemenata medija unutar razmatranog volumena, kao određujuća temperatura uzima se aritmetička sredina između temperatura elemenata medija koji učestvuju u razmjeni topline.

U ovom radu razmatramo postupak izvođenja laboratorijskog eksperimenta i tehniku ​​dobijanja kriterijskih jednačina za 2 tipična slučaja strujanja zagrijane površine (poprečne i uzdužne) sa slobodnom konvekcijom različitih plinova u odnosu na horizontalne i vertikalne cilindre.

EKSPERIMENTALNI DIO.

U skladu sa zahtjevima Federalnog zakona br. 261-FZ "O uštedi energije", zahtjevi za toplotnu provodljivost građevinskih i termoizolacionih materijala u Rusiji su pooštreni. Danas je mjerenje toplotne provodljivosti jedna od obaveznih tačaka kada se odlučuje da li koristiti materijal kao toplotni izolator.

Zašto je potrebno mjeriti toplotnu provodljivost u građevinarstvu?

Kontrola toplotne provodljivosti građevinskih i termoizolacionih materijala vrši se u svim fazama njihove sertifikacije i proizvodnje u laboratorijskim uslovima, kada su materijali izloženi različitim faktorima koji utiču na njihova svojstva. Postoji nekoliko uobičajenih metoda za mjerenje toplinske provodljivosti. Za precizno laboratorijsko ispitivanje materijala niske toplinske provodljivosti (ispod 0,04 - 0,05 W / m * K), preporučuje se korištenje instrumenata koji koriste metodu stacionarnog protoka topline. Njihova upotreba regulirana je GOST 7076.

Kompanija "Interpribor" nudi merač toplotne provodljivosti čija je cena povoljna u odnosu na one na tržištu i ispunjava sve savremene zahteve. Namijenjen je za laboratorijsku kontrolu kvaliteta građevinskih i toplotnoizolacionih materijala.

Prednosti merača toplotne provodljivosti ITS-1

Merač toplotne provodljivosti ITS-1 ima originalan monoblok dizajn i karakterišu ga sledeće prednosti:

• automatski ciklus mjerenja;
• mjerni put visoke preciznosti, koji omogućava stabilizaciju temperature hladnjaka i grijača;
• mogućnost kalibracije uređaja za određene vrste materijala koji se proučavaju, što dodatno povećava tačnost rezultata;
• ekspresno ocjenjivanje rezultata u procesu izvođenja mjerenja;
• optimizirana "vruća" sigurnosna zona;
• informativni grafički displej koji pojednostavljuje kontrolu i analizu rezultata merenja.

ITS-1 se isporučuje u jedinoj osnovnoj modifikaciji, koja se po želji naručioca može dopuniti kontrolnim uzorcima (pleksiglas i pjenasta plastika), kutijom za rasute materijale i zaštitnom futrolom za skladištenje i transport uređaja.

Fizičke metode analize zasnivaju se na korištenju nekog specifičnog fizičkog efekta ili određenog fizičkog svojstva supstance. Za analiza gasa koriste gustinu, viskozitet, toplotnu provodljivost, indeks loma, magnetsku osetljivost, difuziju, apsorpciju, emisiju, apsorpciju elektromagnetnog zračenja, kao i selektivnu apsorpciju, brzinu zvuka, toplotu reakcije, električnu provodljivost, itd. Neka od ovih fizičkih svojstava i pojava čine kontinuiranu analizu gasa i omogućavaju postizanje visoke osjetljivosti i tačnosti mjerenja. Izbor fizičke veličine ili fenomena je veoma važan da bi se eliminisao uticaj neizmerenih komponenti sadržanih u analiziranoj smeši. Upotreba specifičnih svojstava ili efekata omogućava određivanje koncentracije željene komponente u višekomponentnoj gasnoj mešavini. Nespecifična fizička svojstva mogu se koristiti, striktno govoreći, samo za analizu binarnih mješavina plinova. Viskoznost, indeks loma i difuzija nemaju praktičnu važnost u analizi gasova.

Prijenos topline između dvije točke s različitim temperaturama odvija se na tri načina: konvekcijom, zračenjem i provođenjem topline. At konvekcija prijenos topline je povezan s prijenosom materije (prijenos mase); prijenos topline zračenje se dešava bez učešća materije. Prijenos topline toplotna provodljivost se dešava uz učešće materije, ali bez prenosa mase. Prijenos energije nastaje zbog sudara molekula. Koeficijent toplotne provodljivosti ( X) ovisi samo o vrsti tvari koja prenosi toplinu. To je specifična karakteristika supstance.

Dimenzija toplotne provodljivosti u CGS sistemu kal/(s cm K), u tehničkim jedinicama - kcalDmch-K), u međunarodnom SI sistemu - WDm-K). Omjer ovih jedinica je sljedeći: 1 cal / (cm s K) = 360 kcal Dm h K) = 418,68 W Dm-K).

Apsolutna toplotna provodljivost tokom prelaska iz čvrstih u tečne i gasovite supstance varira od X = 418,68 Wdm-K)] (toplotna provodljivost najboljeg provodnika toplote - srebro) do X reda 10 _6 (toplotna provodljivost najmanje provodljivih gasova).

Toplotna provodljivost plinova snažno raste s porastom temperature. Za neke gasove (GH 4: NH 3), relativna toplotna provodljivost naglo raste sa porastom temperature, a za neke (Ne) opada. Prema kinetičkoj teoriji, toplotna provodljivost gasova ne bi trebalo da zavisi od pritiska. Međutim, različiti razlozi dovode do činjenice da se s povećanjem pritiska toplotna provodljivost blago povećava. U opsegu pritiska od atmosferskog do nekoliko milibara, toplotna provodljivost ne zavisi od pritiska, jer se srednja slobodna putanja molekula povećava sa smanjenjem broja molekula po jedinici zapremine. Pri pritisku od -20 mbar, srednji slobodni put molekula odgovara veličini mjerne komore.

Merenje toplotne provodljivosti je najstarija fizička metoda analize gasa. Opisana je 1840. godine, posebno u radovima A. Schleiermachera (1888-1889) i koristi se u industriji od 1928. godine. 1913. Siemens je razvio mjerač koncentracije vodonika za vazdušne brodove. Nakon toga, dugi niz decenija, instrumenti zasnovani na merenju toplotne provodljivosti razvijani su sa velikim uspehom i naširoko korišćeni u brzo rastućoj hemijskoj industriji. Naravno, prvo su analizirane samo binarne mješavine plinova. Najbolji rezultati se postižu uz veliku razliku u toplotnoj provodljivosti gasova. Vodonik ima najveću toplotnu provodljivost među gasovima. U praksi je bilo opravdano i mjerenje koncentracije CO u dimnim plinovima, budući da su toplinske provodljivosti kisika, dušika i ugljičnog monoksida vrlo bliske jedna drugoj, što omogućava da se mješavina ove četiri komponente smatra kvazi- binarni.

Temperaturni koeficijenti toplotne provodljivosti različitih gasova nisu isti, tako da možete pronaći temperaturu na kojoj su toplotne provodljivosti različitih gasova iste (na primer, 490°C - za ugljen-dioksid i kiseonik, 70°C - za amonijak i zrak, 75°C - za ugljični dioksid i argon). Prilikom rješavanja određenog analitičkog problema, ove koincidencije se mogu iskoristiti uzimanjem ternarne mješavine plinova za kvazibinarnu.

U analizi gasa to možemo pretpostaviti toplotna provodljivost je aditivno svojstvo. Mjerenjem toplinske provodljivosti smjese i poznavanjem toplinske provodljivosti čistih komponenti binarne smjese, mogu se izračunati njihove koncentracije. Međutim, ovaj jednostavan odnos se ne može primijeniti ni na jednu binarnu mješavinu. Tako, na primjer, mješavine zrak - vodena para, zrak - amonijak, ugljični monoksid - amonijak i zrak - acetilen u određenom omjeru komponenti imaju maksimalnu toplinsku provodljivost. Stoga je primjenjivost metode provođenja topline ograničena na određeni raspon koncentracija. Za mnoge mješavine postoji nelinearna ovisnost toplinske provodljivosti i sastava. Zbog toga je potrebno napraviti kalibracionu krivu prema kojoj treba napraviti skalu instrumenta za snimanje.

Senzori toplotne provodljivosti(termokonduktometrijski senzori) sastoje se od četiri male komore ispunjene gasom male zapremine sa tankim platinskim provodnicima iste veličine i sa istim električnim otporom smeštenim u njima izolovanim od kućišta. Kroz provodnike teče ista jednosmjerna struja stabilne vrijednosti i zagrijava ih. Provodnici - grijaći elementi - su okruženi plinom. Dvije komore sadrže mjerni plin, druge dvije sadrže referentni plin. Svi grijaći elementi su uključeni u Whitetonov most, s kojim mjerenje temperaturne razlike reda veličine 0,01°C nije teško. Ovako visoka osjetljivost zahtijeva tačnu jednakost temperatura mjernih komora, pa se cijeli mjerni sistem postavlja u termostat ili u mjernu dijagonalu mosta, a otpor je uključen za temperaturnu kompenzaciju. Sve dok je disipacija toplote od grejnih elemenata u mernoj i uporednoj komori ista, most je u ravnoteži. Kada se u mjerne komore dovede plin različite toplinske provodljivosti, ova ravnoteža se narušava, mijenja se temperatura osjetljivih elemenata, a uz to i njihov otpor. Rezultirajuća struja u mjernoj dijagonali proporcionalna je koncentraciji mjerenog plina. Da bi se povećala osjetljivost, treba povećati radnu temperaturu osjetljivih elemenata, ali se mora paziti da se održi dovoljno velika razlika u toplinskoj provodljivosti plina. Dakle, za različite mješavine plina postoji optimalna temperatura u smislu toplinske provodljivosti i osjetljivosti. Često je razlika između temperature osjetljivih elemenata i temperature zidova komora odabrana od 100 do 150°C.

Mjerne ćelije industrijskih termičkih konduktometrijskih analizatora obično se sastoje od masivnog metalnog kućišta u kojem su izbušene mjerne komore. Ovo osigurava ujednačenu distribuciju temperature i dobru stabilnost kalibracije. Budući da na očitavanja merača toplotne provodljivosti utiče brzina protoka gasa, gas se uvodi u merne komore kroz bajpas kanal. U nastavku su data rješenja raznih dizajnera za osiguranje potrebne izmjene plinova. U principu se pretpostavlja da je glavni tok gasa povezan spojnim kanalima sa mernim komorama, kroz koje gas struji uz blagi pad. U ovom slučaju, difuzija i termička konvekcija imaju odlučujući uticaj na obnavljanje gasa u mernim komorama. Zapremina mjernih komora može biti vrlo mala (nekoliko kubnih milimetara), što daje mali učinak konvektivnog prijenosa topline na rezultat mjerenja. Kako bi se smanjio katalitički učinak platinskih vodiča, oni se na različite načine tope u staklene kapilare tankih stijenki. Kako bi se osigurala otpornost mjerne komore na koroziju, svi dijelovi plinovoda su prekriveni staklom. To omogućava mjerenje toplinske provodljivosti mješavina koje sadrže hlor, hlorovodonik i druge korozivne gasove. Termokonduktometrijski analizatori sa zatvorenim referentnim komorama se pretežno koriste u hemijskoj industriji. Odabir odgovarajućeg referentnog plina pojednostavljuje kalibraciju instrumenta. Osim toga, možete dobiti skalu sa potisnutom nulom. Kako bi se smanjilo pomicanje nulte tačke, referentne komore moraju biti dobro zatvorene. U posebnim slučajevima, na primjer, sa jakim fluktuacijama u sastavu plinske mješavine, moguće je raditi s protočnim uporednim komorama. U tom slučaju, pomoću posebnog reagensa, jedna od komponenti se uklanja iz mjerene mješavine plina (na primjer, CO i otopina kaustičnog kalija), a zatim se plinska mješavina šalje u uporedne komore. Mjerne i komparativne grane se u ovom slučaju razlikuju samo po odsustvu jedne od komponenti. Ova metoda često omogućava analizu složenih mješavina plinova.

Nedavno se, umjesto metalnih provodnika, ponekad kao osjetljivi elementi koriste poluvodički termistori. Prednost termistora je 10 puta veći temperaturni koeficijent otpornosti u odnosu na metalne termistore. Time se postiže naglo povećanje osjetljivosti. Međutim, istovremeno se postavljaju mnogo veći zahtjevi za stabilizaciju struje mosta i temperature zidova komore.

Ranije od drugih, i najšire, termokonduktometrijski instrumenti počeli su se koristiti za analizu dimnih plinova iz peći. Zbog visoke osjetljivosti, velike brzine, lakoće održavanja i pouzdanosti dizajna, kao i niske cijene, analizatori ovog tipa su brzo uvedeni u industriju u budućnosti.

Termokonduktometrijski analizatori su najprikladniji za mjerenje koncentracije vodonika u smjesama. Prilikom odabira referentnih plinova, također se moraju uzeti u obzir mješavine različitih plinova. Sljedeći podaci mogu se koristiti kao primjer minimalnih mjernih opsega za različite plinove (tabela 6.1).

Tabela 6.1

Minimalni mjerni opseg za razne plinove,

% do volumena

Maksimalni opseg mjerenja je najčešće 0-100%, pri čemu se 90 ili čak 99% može potisnuti. U posebnim slučajevima, analizator toplotne provodljivosti omogućava nekoliko različitih mernih opsega na jednom instrumentu. Ovo se koristi, na primjer, u praćenju punjenja i pražnjenja turbogeneratora hlađenih vodonikom u termoelektranama. Zbog opasnosti od eksplozije, kućište generatora se ne puni zrakom, već se prvo uvodi ugljični dioksid kao plin za pročišćavanje, a zatim vodik. Slično proizvesti oslobađanje plina iz generatora. Uz dovoljno visoku reproduktivnost, na jednom analizatoru se mogu dobiti sljedeći rasponi mjerenja: 0-100% (vol.) CO (u zraku za pročišćavanje ugljičnim dioksidom), 100-0% H 2 u CO (za punjenje vodonikom) i 100-80% H 2 (u vazduhu za kontrolu čistoće vodonika tokom rada generatora). Ovo je jeftin način mjerenja.

Za određivanje sadržaja vodonika u hloru koji se oslobađa tokom elektrolize kalijum hlorida pomoću termokonduktometrijskog analizatora, moguće je raditi i sa zatvorenim referentnim gasom (SO 2 , Ar) i sa tekućim referentnim gasom. U potonjem slučaju, mješavina vodonika i hlora se prvo šalje u mjernu komoru, a zatim u naknadno sagorijevanje s temperaturom >200°C. Vodonik sagorijeva sa viškom hlora da nastane hlorovodonik. Dobijena mešavina HC i C1 2 se dovodi u uporednu komoru. U ovom slučaju, koncentracija vodika se određuje iz razlike u toplinskoj provodljivosti. Ova metoda značajno smanjuje utjecaj primjesa malih količina zraka.

Da bi se smanjila greška koja se javlja pri analizi vlažnog gasa, gas se mora osušiti, što se radi ili uz pomoć apsorbera vlage ili snižavanjem temperature gasa ispod tačke rose. Postoji još jedna mogućnost kompenzacije uticaja vlage, koja je primenljiva samo kod merenja sa tekućim referentnim gasom.

Za rad s eksplozivnim plinovima, brojne kompanije proizvode uređaje otporne na eksploziju. U ovom slučaju, komore mjerača toplinske provodljivosti su projektovane za visoki pritisak, na ulazu i izlazu komora su ugrađeni odvodniki plamena, a izlazni signal je ograničen na intrinzično siguran nivo. Međutim, takvi uređaji se ne mogu koristiti za analizu mješavina eksplozivnih plinova s ​​kisikom ili vodonika s hlorom.

• Centimetar - gram - sekunda - sistem jedinica koji je bio naširoko korišten prije usvajanja Međunarodnog sistema jedinica (SI).

Za proučavanje toplinske provodljivosti tvari koriste se dvije grupe metoda: stacionarne i nestacionarne.

Teorija stacionarnih metoda je jednostavnija i potpunije razvijena. Ali nestacionarne metode, u principu, osim koeficijenta toplinske provodljivosti, omogućuju dobivanje informacija o toplinskoj difuzivnosti i toplinskom kapacitetu. Stoga se u posljednje vrijeme velika pažnja poklanja razvoju nestacionarnih metoda za određivanje termofizičkih svojstava tvari.

Ovdje se razmatraju neke stacionarne metode za određivanje toplinske provodljivosti tvari.

a) Metoda ravnog sloja. Kod jednodimenzionalnog protoka toplote kroz ravan sloj, koeficijent toplotne provodljivosti određuje se formulom

gdje d- debljina, T 1 i T 2 - temperature "vruće" i "hladne" površine uzorka.

Za proučavanje toplinske provodljivosti ovom metodom potrebno je stvoriti toplinski tok blizak jednodimenzionalnom.

Obično se temperature ne mjere na površini uzorka, već na određenoj udaljenosti od njih (vidi sliku 2.), stoga je potrebno unijeti korekcije u izmjerenu temperaturnu razliku za temperaturnu razliku u sloju grijača i hladnjak, kako bi se smanjio termički otpor kontakata.

Prilikom proučavanja tečnosti, da bi se eliminisao fenomen konvekcije, temperaturni gradijent mora biti usmeren duž gravitacionog polja (dole).

Rice. 2. Šema metoda ravnog sloja za mjerenje toplotne provodljivosti.

1 – ispitni uzorak; 2 - grijač; 3 - frižider; 4, 5 - izolacijski prstenovi; 6 – sigurnosni grijači; 7 - termoparovi; 8, 9 - diferencijalni termoparovi.

b) Jegerova metoda. Metoda se zasniva na rješavanju jednodimenzionalne jednadžbe provođenja topline koja opisuje širenje topline duž štapa zagrijanog električnom strujom. Teškoća korištenja ove metode leži u nemogućnosti stvaranja strogih adijabatskih uvjeta na vanjskoj površini uzorka, čime se narušava jednodimenzionalnost toplinskog toka.

Formula izračuna izgleda ovako:

(14)

gdje s- električna provodljivost uzorka za ispitivanje, U je pad napona između ekstremnih tačaka na krajevima štapa, DT je temperaturna razlika između sredine štapa i tačke na kraju štapa.

Rice. 3. Shema Jaegerove metode.

1 - električna peć; 2 - uzorak; 3 - klinovi za pričvršćivanje uzorka; T 1 ¸ T 6 - krajnje tačke termoelementa.

Ova metoda se koristi u proučavanju električno vodljivih materijala.

u) Metoda cilindričnog sloja. Ispitivana tečnost (rasuti materijal ispunjava cilindrični sloj koji čine dva koaksijalna cilindra. Jedan od cilindara, najčešće unutrašnji, je grejač (sl. 4).

Slika 4. Šema metode cilindričnog sloja

1 - unutrašnji cilindar; 2 - glavni grijač; 3 - sloj ispitivane supstance; 4 - vanjski cilindar; 5 - termoparovi; 6 - sigurnosni cilindri; 7 - dodatni grijači; 8 - tijelo.

Razmotrimo detaljnije stacionarni proces provođenja topline u cilindričnom zidu, čija se temperatura vanjske i unutrašnje površine održava konstantnom i jednakom T 1 i T 2 (u našem slučaju, to je sloj tvari u studiji 5). Odredimo tok toplote kroz zid pod uslovom da je unutrašnji prečnik cilindričnog zida d 1 = 2r 1, a spoljni prečnik d 2 = 2r 2, l = const, a toplota se širi samo u radijalnom pravcu .

Za rješavanje problema koristimo jednačinu (12). U cilindričnim koordinatama, kada ; jednadžba (12), prema (10), uzima vit:

. (15)

Hajde da uvedemo notaciju dT/dr= 0, dobijamo

Nakon integracije i potenciranja ovog izraza, prelazeći na originalne varijable, dobijamo:

. (16)

Kao što se vidi iz ove jednačine, zavisnost T=f(r) je logaritamska.

Integracijske konstante C 1 i C 2 mogu se odrediti zamjenom graničnih uslova u ovu jednačinu:

at r \u003d r 1 T = T 1 i T 1 \u003d C 1 ln r1+C2,

at r=r2 T=T2 i T 2 \u003d C 1 ln r2+C2.

Rješenje ovih jednačina u odnosu na With 1 i Od 2 daje:

;

Zamjena ovih izraza za Od 1 i Od 2 u jednačinu (1b), dobijamo

(17)

protok topline kroz područje cilindrične površine radijusa r a dužina se određuje korištenjem Fourierovog zakona (5)

.

Nakon zamjene, dobijamo

. (18)

Koeficijent toplinske provodljivosti l na poznatim vrijednostima Q, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, izračunato po formuli

. (19)

Da bi se suzbila konvekcija (u slučaju tečnosti), cilindrični sloj mora imati malu debljinu, obično frakcije milimetra.

Smanjenje krajnjih gubitaka u metodi cilindričnog sloja postiže se povećanjem omjera / d i sigurnosnim grijačima.

G) metoda vruće žice. U ovoj metodi, relacija / d povećava smanjenjem d. Unutrašnji cilindar je zamijenjen tankom žicom, koja je bila i grijač i otporni termometar (sl. 5). Kao rezultat relativne jednostavnosti dizajna i detaljnog razvoja teorije, metoda zagrijane žice postala je jedna od najnaprednijih i najpreciznijih. U praksi eksperimentalnih studija toplinske provodljivosti tekućina i plinova zauzima vodeće mjesto.

Rice. 5. Šema mjerne ćelije izrađena metodom zagrijane žice. 1 - mjerna žica, 2 - cijev, 3 - ispitivana supstanca, 4 - strujni vodovi, 5 - potencijalni izlazi, 6 - vanjski termometar.

Pod uslovom da se ceo toplotni tok iz preseka AB širi radijalno i da temperaturna razlika T 1 - T 2 nije velika, tako da se l = const može smatrati u ovim granicama, toplotna provodljivost supstance određuje se formulom

, (20)

gdje Q AB = T×U AB je snaga rasipana na žici.

e) metodom lopte. Nalazi primenu u praksi proučavanja toplotne provodljivosti tečnosti i rasutih materijala. Supstanca koja se proučava ima oblik sfernog sloja, što u principu omogućava da se isključe nekontrolirani gubici topline. Tehnički, ova metoda je prilično komplikovana.