Skysčio šilumos laidumo nustatymas karštos vielos metodu. Pagrindinis tyrimas. Pagrindiniai pastato elementai, per kuriuos išeina šiluma

Kad ir koks būtų statybos mastas, pirmas žingsnis yra parengti projektą. Brėžiniuose atsispindi ne tik konstrukcijos geometrija, bet ir pagrindinių šiluminių charakteristikų skaičiavimas. Norėdami tai padaryti, turite žinoti statybinių medžiagų šilumos laidumą. Pagrindinis statybos tikslas – statyti patvarias konstrukcijas, patvarias konstrukcijas, kurios būtų patogios be didelių šildymo išlaidų. Šiuo atžvilgiu labai svarbu žinoti medžiagų šilumos laidumo koeficientus.

Plyta turi geresnį šilumos laidumą

Rodiklio charakteristikos

Terminas šilumos laidumas reiškia šilumos energijos perdavimą iš labiau šildomų objektų į mažiau šildomus. Keitimasis tęsiasi tol, kol susidaro temperatūros pusiausvyra.

Šilumos perdavimą lemia laikas, per kurį temperatūra patalpose atitinka aplinkos temperatūrą. Kuo mažesnis šis intervalas, tuo didesnis statybinės medžiagos šilumos laidumas.

Šilumos laidumui apibūdinti naudojama šilumos laidumo koeficiento sąvoka, kuri parodo, kiek šilumos per tokį ir tokį paviršiaus plotą praeina per tokį ir tokį laiką. Kuo šis rodiklis didesnis, tuo šilumos mainai didesni, o pastatas daug greičiau atšąla. Taigi, statant konstrukcijas, rekomenduojama naudoti statybines medžiagas, kurių šilumos laidumas yra minimalus.

Šiame vaizdo įraše sužinosite apie statybinių medžiagų šilumos laidumą:

Kaip nustatyti šilumos nuostolius

Pagrindiniai pastato elementai, per kuriuos išeina šiluma:

• durys (5-20%);
• lytis (10-20%);
• stogas (15-25%);
• sienos (15-35%);
• langai (5-15%).

Šilumos nuostolių lygis nustatomas naudojant termovizorių. Raudona žymi sunkiausias sritis, geltona ir žalia – mažesnius šilumos nuostolius. Mažiausiai nuostolių patiriančios sritys paryškintos mėlyna spalva. Laboratorinėmis sąlygomis nustatoma šilumos laidumo vertė, medžiagai išduodamas kokybės sertifikatas.

Šilumos laidumo vertė priklauso nuo šių parametrų:

1. Poringumas. Poros rodo struktūros nevienalytiškumą. Kai per juos praeis šiluma, vėsinimas bus minimalus.
2. Drėgmė. Aukštas drėgmės lygis išprovokuoja sauso oro išstumimą skysčio lašeliais iš porų, todėl vertė padidėja daug kartų.
3. Tankis. Didesnis tankis skatina aktyvesnę dalelių sąveiką. Dėl to šilumos mainai ir temperatūros balansavimas vyksta greičiau.

Šilumos laidumo koeficientas

Šilumos nuostoliai namuose yra neišvengiami, o jie atsiranda tada, kai lauke temperatūra žemesnė nei viduje. Intensyvumas yra įvairus ir priklauso nuo daugelio veiksnių, iš kurių pagrindiniai yra šie:

1. Šilumos mainuose dalyvaujančių paviršių plotas.
2. Statybinių medžiagų ir statybinių elementų šilumos laidumo rodiklis.
3. Temperatūros skirtumas.

Graikiška raidė λ naudojama statybinių medžiagų šilumos laidumui žymėti. Matavimo vienetas – W/(m×°C). Skaičiavimas atliktas 1 m² metro storio sienos. Čia daroma prielaida, kad temperatūros skirtumas yra 1°C.

Atvejo analizė

Tradiciškai medžiagos skirstomos į šilumos izoliaciją ir konstrukcines. Pastarieji pasižymi didžiausiu šilumos laidumu, jais statomos sienos, lubos ir kitos tvoros. Pagal medžiagų lentelę, statant sienas iš gelžbetonio, siekiant užtikrinti mažą šilumos mainą su aplinka, jų storis turėtų būti maždaug 6 m konstrukcija bus didelė ir brangi.

Jei projektuojant neteisingai paskaičiuotas šilumos laidumas, būsimo namo gyventojai pasitenkins tik 10% šilumos iš energijos šaltinių. Todėl namus, pagamintus iš standartinių statybinių medžiagų, rekomenduojama papildomai apšiltinti.

Tinkamai hidroizoliuojant izoliaciją, didelė drėgmė neturi įtakos šilumos izoliacijos kokybei, o konstrukcijos atsparumas šilumos perdavimui išaugs daug didesnis.

Geriausias pasirinkimas yra naudoti izoliaciją

Labiausiai paplitęs variantas yra laikančiosios konstrukcijos, pagamintos iš itin stiprių medžiagų, derinys su papildoma šilumos izoliacija. Pavyzdžiui:

1. Karkasinis namas. Izoliacija dedama tarp smeigių. Kartais, šiek tiek sumažėjus šilumos perdavimui, reikia papildomos izoliacijos pagrindinio rėmo išorėje.
2. Statyba iš standartinių medžiagų. Kai sienos mūrinės arba iš plytų, šiltinimas atliekamas iš išorės.

Statybinės medžiagos išorinėms sienoms

Sienos šiandien statomos iš įvairių medžiagų, tačiau populiariausios išlieka: mediena, plyta ir statybiniai blokeliai. Pagrindiniai skirtumai yra statybinių medžiagų tankis ir šilumos laidumas. Lyginamoji analizė leidžia rasti šių parametrų santykio vidurį. Kuo didesnis tankis, tuo didesnė medžiagos, taigi ir visos konstrukcijos, laikomoji galia. Tačiau šiluminė varža sumažėja, tai yra, didėja energijos sąnaudos. Paprastai esant mažesniam tankiui yra poringumas.

Šilumos laidumo koeficientas ir jo tankis.

Izoliacija sienoms

Izoliacinės medžiagos naudojamos tada, kai išorinių sienų šiluminės varžos nepakanka. Paprastai 5-10 cm storio pakanka patogiam patalpų mikroklimatui sukurti.

Koeficiento λ reikšmė pateikta šioje lentelėje.

Šilumos laidumas matuoja medžiagos gebėjimą perduoti šilumą per save. Tai labai priklauso nuo sudėties ir struktūros. Tankios medžiagos, tokios kaip metalai ir akmuo, yra geri šilumos laidininkai, o mažo tankio medžiagos, tokios kaip dujos ir porėta izoliacija, yra prastai laidūs.

Medžiagos šilumos laidumui tirti naudojamos dvi metodų grupės: stacionarus ir nestacionarus.

Stacionarių metodų teorija yra paprastesnė ir visapusiškiau išplėtota. Tačiau nestacionarūs metodai iš esmės, be šilumos laidumo koeficiento, leidžia gauti informacijos apie šilumos difuzijos koeficientą ir šiluminę talpą. Todėl pastaruoju metu daug dėmesio skiriama nestacionarių medžiagų termofizinių savybių nustatymo metodų kūrimui.

Čia aptariami kai kurie stacionarūs medžiagų šilumos laidumo nustatymo metodai.

A) Plokščiojo sluoksnio metodas. Vienmatiui šilumos srautui per plokščią sluoksnį šilumos laidumo koeficientas nustatomas pagal formulę

Kur d- storis, T 1 ir T 2 - „karšto“ ir „šalto“ mėginio paviršiaus temperatūra.

Norint ištirti šilumos laidumą šiuo metodu, būtina sukurti šilumos srautą, artimą vienmačiui.

Paprastai temperatūros matuojamos ne bandinio paviršiuje, o tam tikru atstumu nuo jų (žr. 2 pav.), todėl būtina įvesti pataisas į išmatuotą temperatūrų skirtumą temperatūros skirtumui šildytuvo ir aušintuvo sluoksnyje, sumažinti kontaktų šiluminę varžą.

Tiriant skysčius, norint pašalinti konvekcijos reiškinį, temperatūros gradientas turi būti nukreiptas palei gravitacinį lauką (žemyn).

Ryžiai. 2. Plokščiųjų sluoksnių šilumos laidumo matavimo metodų diagrama.

1 – tiriamas pavyzdys; 2 – šildytuvas; 3 – šaldytuvas; 4, 5 – izoliaciniai žiedai; 6 – apsauginiai šildytuvai; 7 – termoporos; 8, 9 – diferencinės termoporos.

b) Jėgerio metodas. Metodas pagrįstas vienmatės šilumos lygties, kuri apibūdina šilumos sklidimą išilgai strypo, įkaitinto elektros srove, sprendimu. Šio metodo naudojimo sunkumai yra tai, kad neįmanoma sukurti griežtų adiabatinių sąlygų išoriniame mėginio paviršiuje, o tai pažeidžia šilumos srauto vienmatiškumą.

Skaičiavimo formulė atrodo taip:

(14)

Kur s- bandinio elektrinis laidumas, U– įtampos kritimas tarp kraštinių taškų strypo galuose, D.T.– temperatūrų skirtumas tarp koto vidurio ir taško koto gale.

Ryžiai. 3. Jėgerio metodo schema.

1 – elektrinė krosnis; 2 – pavyzdys; 3 – tvarsčiai pavyzdžiui tvirtinti; T 1 ¸ T 6 – termoporų sandarinimo vietos.

Šis metodas naudojamas tiriant elektrai laidžias medžiagas.

V) Cilindrinio sluoksnio metodas. Tiriamas skystis (birioji medžiaga) užpildo cilindrinį sluoksnį, kurį sudaro du bendraašiai išsidėstę cilindrai Vienas iš cilindrų, dažniausiai vidinis, yra šildytuvas (4 pav.).

4 pav. Cilindrinio sluoksnio metodo schema

1 - vidinis cilindras; 2 - pagrindinis šildytuvas; 3 - bandomosios medžiagos sluoksnis; 4 – išorinis cilindras; 5 - termoporos; 6 – apsauginiai cilindrai; 7 - papildomi šildytuvai; 8 - kūnas.

Išsamiau panagrinėkime stacionarų šilumos laidumo procesą cilindrinėje sienelėje, kurios išorinių ir vidinių paviršių temperatūra palaikoma pastovi ir lygi T 1 ir T 2 (mūsų atveju tai yra medžiagos sluoksnis tiriamas 5). Nustatykime šilumos srautą per sieną, jei cilindrinės sienelės vidinis skersmuo yra d 1 = 2r 1, o išorinis skersmuo yra d 2 = 2r 2, l = const ir šiluma sklinda tik radialine kryptimi.

Norėdami išspręsti problemą, naudojame (12) lygtį. Cilindrinėse koordinatėse, kai ; (12) lygtis pagal (1O) yra tokia:

. (15)

Supažindinkime su užrašu dT/dr= 0, gauname

Integravę ir sustiprinę šią išraišką, pereidami prie pradinių kintamųjų, gauname:

. (16)

Kaip matyti iš šios lygties, priklausomybė T=f(r) yra logaritminė.

Integravimo konstantas C 1 ir C 2 galima nustatyti, jei į šią lygtį pakeičiamos ribinės sąlygos:

adresu r = r 1 T = T 1 Ir T 1 = C 1 ln r 1 + C 2,

adresu r=r 2 T=T 2 Ir T 2 = C 1 ln r 2 + C 2.

Šių lygčių sprendimas yra santykinis SU 1 ir C 2 suteikia:

;

Vietoj to pakeičiant šias išraiškas C 1 Ir C 2į (1b) lygtį, gauname

(17)

šilumos srautas per cilindrinio spindulio paviršiaus plotą r o ilgis nustatomas pagal Furjė dėsnį (5)

.

Po pakeitimo gauname

. (18)

Šiluminio laidumo koeficientas l žinomoms reikšmėms K, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, apskaičiuotas pagal formulę

. (19)

Norint slopinti konvekciją (skysčio atveju), cilindrinis sluoksnis turi būti nedidelio storio, dažniausiai milimetro dalies.

Galutinių nuostolių sumažinimas taikant cilindrinio sluoksnio metodą pasiekiamas didinant santykį / d ir apsauginiai šildytuvai.

G) Karštos vielos metodas.Šiuo metodu santykis / d didėja dėl mažėjimo d. Vidinis cilindras pakeičiamas plona viela, kuri yra ir šildytuvas, ir varžos termometras (5 pav.). Dėl santykinio dizaino paprastumo ir detalaus teorijos tobulinimo šildomos vielos metodas tapo vienu pažangiausių ir tiksliausių. Eksperimentinių skysčių ir dujų šilumos laidumo tyrimų praktikoje jis užima pirmaujančią vietą.

Ryžiai. 5. Matavimo kameros diagrama, pagaminta naudojant kaitinamos vielos metodą. 1 – matavimo laidas, 2 – vamzdelis, 3 – tiriamoji medžiaga, 4 – srovės laidai, 5 – potencialūs laidai, 6 – išorinis termometras.

Esant sąlygai, kad visas šilumos srautas iš AB ruožo tęsiasi radialiai ir temperatūrų skirtumas T 1 – T 2 nėra didelis, todėl šiose ribose galime laikyti l = const, medžiagos šilumos laidumo koeficientas nustatomas pagal formulę.

, (20)

Kur K AB = T × U AB yra galia, išleista ant laido.

d) Rutulinis metodas. Randa pritaikymą skysčių ir biriųjų medžiagų šilumos laidumo tyrimo praktikoje. Tiriamai medžiagai suteikiama sferinio sluoksnio forma, kuri iš esmės leidžia pašalinti nekontroliuojamus šilumos nuostolius. Techniškai šis metodas yra gana sudėtingas.

Darbo tikslas: eksperimentinio koeficiento nustatymo metodikos tyrimas

kietųjų medžiagų šilumos laidumas plokšteliniu metodu.

Pratimas:1. Nustatykite tiriamos medžiagos šilumos laidumo koeficientą.

2. Nustatykite šilumos laidumo koeficiento priklausomybę nuo temperatūros

tiriama medžiaga.

PAGRINDINĖS NUOSTATOS.

Šilumos mainai yra spontaniškas negrįžtamas šilumos perdavimo erdvėje procesas, esant temperatūrų skirtumui. Yra trys pagrindiniai šilumos perdavimo būdai, kurie labai skiriasi savo fizine prigimtimi:

šilumos laidumas;

konvekcija;

šiluminė spinduliuotė.

Praktikoje šiluma, kaip taisyklė, vienu metu perduodama keliais būdais, tačiau šių procesų pažinimas neįmanomas neištyrus elementarių šilumos perdavimo procesų.

Šilumos laidumas yra šilumos perdavimo procesas, kurį sukelia šiluminis mikrodalelių judėjimas. Dujose ir skysčiuose šilumos perdavimas šilumos laidumu vyksta per atomų ir molekulių difuziją. Kietosiose medžiagose laisvas atomų ir molekulių judėjimas visame medžiagos tūryje yra neįmanomas ir sumažinamas tik iki jų vibracinio judėjimo tam tikrų pusiausvyros padėčių atžvilgiu. Todėl šilumos laidumo procesą kietose medžiagose sukelia šių svyravimų amplitudės padidėjimas, sklindantis visame kūno tūryje dėl jėgos laukų tarp svyruojančių dalelių sutrikimo. Metaluose šilumos perdavimas šilumos laidumu vyksta ne tik dėl jonų ir atomų, esančių kristalinės gardelės mazguose, virpesių, bet ir dėl laisvųjų elektronų judėjimo, sudarant vadinamąsias „elektronines dujas“. Dėl to, kad metaluose yra papildomų šiluminės energijos nešėjų laisvųjų elektronų pavidalu, metalų šilumos laidumas yra žymiai didesnis nei kietųjų dielektrikų.

Tiriant šilumos laidumo procesą, naudojamos šios pagrindinės sąvokos:

Šilumos kiekis (K  ) – šiluminė energija, praeinanti viso proceso metuper savavališko ploto F paviršių. SI sistemoje jis matuojamas džauliais (J).

Šilumos srautas (šiluminė galia) (K) – šilumos kiekis, praeinantis per laiko vienetą per savavališko ploto F paviršių.

SI sistemoje šilumos srautas matuojamas vatais (W).

Šilumos srauto tankis (q) – šilumos kiekis, praeinantis per laiko vienetą per vienetinį paviršių.

SI sistemoje jis matuojamas W/m2.

Temperatūros laukas– temperatūros verčių rinkinys tam tikru laiko momentu visuose erdvės taškuose, kuriuos užima kūnas. Jei temperatūra visuose temperatūros lauko taškuose laikui bėgant nekinta, tai toks laukas vadinamas stacionarus, jei pasikeis, tada – nestacionarus.

Paviršiai, suformuoti taškuose, kurių temperatūra yra vienoda, vadinami izoterminis.

Temperatūros gradientas (gradT) – vektorius, nukreiptas išilgai normalės į izoterminį paviršių temperatūros didėjimo kryptimi ir skaitiniu būdu apibrėžiamas kaip temperatūros pokyčio tarp dviejų izoterminių paviršių ir atstumo tarp jų išilgai normalios santykio riba, kai šis atstumas linkęs į nulį. Kitaip tariant, temperatūros gradientas yra temperatūros išvestinė šia kryptimi.

Temperatūros gradientas apibūdina temperatūros kitimo greitį normalia izoterminio paviršiaus kryptimi.

Šilumos laidumo procesui būdingas pagrindinis šilumos laidumo dėsnis - Furjė dėsnis(1822). Pagal šį dėsnį šilumos srauto tankis, perduodamas per šilumos laidumą, yra tiesiogiai proporcingas temperatūros gradientui:

čia  – medžiagos šilumos laidumo koeficientas, W/(mdeg).

(-) ženklas rodo, kad šilumos srautas ir temperatūros gradientas yra priešingos krypties.

Šilumos laidumo koeficientas parodo, kiek šilumos per laiko vienetą perduodama per vienetinį paviršių, kurio temperatūros gradientas lygus vienetui.

Šilumos laidumo koeficientas yra svarbi termofizinė medžiagos charakteristika ir ją žinoti būtina atliekant šiluminius skaičiavimus, susijusius su šilumos nuostolių per atitveriančias pastatų ir konstrukcijų konstrukcijas, mašinų ir aparatų sienas nustatymu, šilumos izoliacijos skaičiavimu, taip pat kai sprendžiant daugelį kitų inžinerinių problemų.

Kitas svarbus šilumos laidumo dėsnis yra Furjė-Kirchhofo dėsnis, kuris lemia temperatūros pokyčių pobūdį erdvėje ir laike šilumos laidumo metu. Kitas jo pavadinimas yra diferencialinės šilumos lygtis, nes jis buvo gautas Furjė dėsniu pagrįstos matematinės analizės teorijos metodais. Trimačio nestacionarios temperatūros lauko šilumos laidumo diferencialinė lygtis yra tokia:

,

Kur
- šiluminės difuzijos koeficientas, apibūdinantis medžiagos šiluminės inercijos savybes,

,C p , - atitinkamai šilumos laidumo koeficientas, izobarinė šiluminė talpa ir medžiagos tankis;

- Laplaso operatorius.

Vienmatis stacionarus temperatūros laukas (
) šilumos laidumo diferencialinė lygtis įgauna paprastą formą

Integravus (1) ir (2) lygtis, galima nustatyti šilumos srauto per kūną tankį ir temperatūros kitimo kūno viduje dėsnį perduodant šilumą laidumo būdu. Norint gauti sprendimą, reikia užduoties vienareikšmiškumo sąlygos.

Unikalumo sąlygos– tai papildomi privatūs duomenys, apibūdinantys nagrinėjamą problemą. Jie apima:

Geometrinės sąlygos, apibūdinančios kūno formą ir dydį;

Fizinės sąlygos, apibūdinančios fizines kūno savybes;

laikinos (pradinės) sąlygos, apibūdinančios temperatūros pasiskirstymą pradiniu laiko momentu;

ribinės sąlygos, apibūdinančios šilumos mainų kūno ribose ypatybes. Yra 1, 2 ir 3 rūšių ribinės sąlygos.

At 1-osios rūšies ribinės sąlygos nurodytas temperatūrų pasiskirstymas kūno paviršiuje. Tokiu atveju būtina nustatyti šilumos srauto tankį per kūną.

At 2-osios rūšies ribinės sąlygos nurodomas šilumos srauto tankis ir vieno iš kūno paviršių temperatūra. Būtina nustatyti kito paviršiaus temperatūrą.

3 rūšies ribinėmis sąlygomis turi būti žinomos šilumos perdavimo tarp kūno paviršių ir juos išorėje plaunančių terpių sąlygos. Iš šių duomenų nustatomas šilumos srauto tankis. Šis atvejis reiškia kombinuotą šilumos perdavimo laidumo ir konvekcijos būdu procesą, vadinamą šilumos perdavimas.

Panagrinėkime paprasčiausią šilumos laidumo per plokščią sieną pavyzdį. Butas vadinama siena, kurios storis yra žymiai mažesnis už kitus du jos matmenis – ilgį ir plotį. Tokiu atveju unikalumo sąlygos gali būti nurodytos taip:

geometrinis: sienelės storis žinomas. Temperatūros laukas yra vienmatis, todėl temperatūra kinta tik X ašies kryptimi ir šilumos srautas nukreipiamas normaliai į sienų paviršius;.

fizinis: žinoma sienos medžiaga ir jos šilumos laidumo koeficientas, o visam korpusui=konst;

laikina: temperatūros laukas laikui bėgant nekinta, t.y. yra nejudantis;

pasienio sąlygos: 1 rūšis, sienų temperatūra yra T 1 ir T 2.

Reikia nustatyti temperatūros kitimo išilgai sienelės storio T=f(X) ir šilumos srauto per sienelę tankio dėsnįq.

Norėdami išspręsti problemą, naudojame (1) ir (3) lygtis. Atsižvelgdami į priimtas ribines sąlygas (esant x=0T=T 1; kai x=T=T 2), dvigubai integravus (3) lygtį, gauname temperatūros kitimo išilgai sienelės storio dėsnį.

,

Temperatūros pasiskirstymas plokščioje sienoje parodytas 1 pav.

1 pav. Temperatūros pasiskirstymas plokščioje sienoje.

Tada šilumos srauto tankis nustatomas pagal išraišką

,

Šilumos laidumo koeficiento nustatymas teoriškai negali duoti šiuolaikinei inžinerinei praktikai būtino rezultato tikslumo, todėl vienintelis patikimas būdas lieka jo eksperimentinis nustatymas.

Vienas iš gerai žinomų eksperimentinių is nustatymo metodų plokščio sluoksnio metodas. Pagal šį metodą plokščios sienos medžiagos šilumos laidumo koeficientas gali būti nustatytas remiantis (5) lygtimi.

;

Šiuo atveju gauta šilumos laidumo koeficiento reikšmė reiškia vidutinę temperatūrą T m = 0,5 (T 1 + T 2).

Nepaisant fizinio paprastumo, praktinis šio metodo įgyvendinimas turi savo sunkumų, susijusių su sunkumais sukuriant vienmatį stacionarų temperatūros lauką tiriamuose mėginiuose ir atsižvelgiant į šilumos nuostolius.

LABORATORIJOS STOVANO APRAŠAS.

Šilumos laidumo koeficiento nustatymas atliekamas laboratoriniame įrenginyje, remiantis realių fizikinių procesų modeliavimo metodu. Įrenginys susideda iš kompiuterio, prijungto prie darbo zonos išdėstymo, kuris rodomas monitoriaus ekrane. Darbo zona buvo sukurta pagal analogiją su realia, o jos schema pateikta pav. 2.

2 pav. Montavimo darbo zonos schema

Darbinę sekciją sudaro 2 fluoroplastiniai pavyzdžiai 12, pagaminti iš diskų, kurių storis  = 5 mm, o skersmuo d = 140 mm. Mėginiai dedami tarp šildytuvo 10, kurio aukštis h = 12 mm, o skersmuo d n = 146 mm, ir šaldytuvo 11, aušinamo vandeniu. Šilumos srautą sukuria kaitinimo elementas, kurio elektrinė varža R = 41 Ohm, ir šaldytuvas 11 su spiraliniais grioveliais aušinimo vandens cirkuliacijai. Taigi šilumos srautą, einantį per tiriamus fluoroplastinius mėginius, nuneša per šaldytuvą tekantis vanduo. Dalis šilumos iš šildytuvo išeina per galinius paviršius į aplinką, todėl, siekiant sumažinti šiuos radialinius nuostolius, yra numatytas šilumą izoliuojantis korpusas 13 iš asbestcemenčio (k = 0,08 W/(mdeg)). Korpusas, kurio aukštis h k = 22 mm, pagamintas iš tuščiavidurio cilindro, kurio vidinis skersmuo d h = 146 mm, o išorinis skersmuo d k = 190 mm. Temperatūra matuojama naudojant septynias Chromel-Copel termoporas (XK tipas) poz. 1…7, įrengti įvairiuose darbo zonos taškuose. Temperatūros jutiklio jungiklis 15 leidžia nuosekliai matuoti visų septynių temperatūros jutiklių termo-EMF. Termopora 7 yra sumontuota ant išorinio šilumą izoliuojančio korpuso paviršiaus, kad būtų galima nustatyti šilumos nutekėjimą per jį.

DARBO TVARKA.

3.1. Temperatūros įrenginio veikimo režimas parenkamas nustatant plokščių karšto paviršiaus temperatūrą Tg intervale nuo 35°C iki 120°C.

3.2. Montavimo konsolėje nuosekliai įjungiami indikatorių įtaisų, kurie registruoja elektrinio šildytuvo U įtampą, maitinimo jungikliai, temperatūros jutiklių E termo-EMF ir šildymo jungiklis.

3.3. Sklandžiai sukant reostato rankenėlę, ant šildytuvo nustatoma norima įtampa. Reostatas pagamintas laiptinėje versijoje, todėl įtampa keičiasi žingsniais. Įtampa U ir temperatūra T g turi atitikti viena kitą pagal priklausomybę, pateiktą 3 pav.

3 pav. Darbinė šildymo zona.

3.4. Naudodamiesi jungikliu 15, nuosekliai apklausiant temperatūros jutiklius, nustatomos septynių termoporų termo-EMF reikšmės, kurios kartu su reikšme U įrašomos į eksperimento protokolą (žr. 1 lentelę). Rodmenų registracija atliekama naudojant valdymo skydelio indikatorius, kurių rodmenys dubliuojami kompiuterio monitoriuje.

3.5. Eksperimento pabaigoje visos įrenginio reguliavimo institucijos perkeliamos į pradinę padėtį.

3.6. Atliekami pakartotiniai eksperimentai (bendras jų skaičius turi būti ne mažesnis kaip 3) ir esant kitoms Tg reikšmėms pastraipose nustatyta tvarka. 3.1…3.5.

MATAVIMO REZULTATŲ APDOROJIMAS.

4.1. Pagal „Chromel-Copel“ termoporos kalibravimo charakteristiką, temperatūros jutiklių rodmenys yra paverčiami laipsniais pagal Kelvino skalę. .

4.2. Nustatomos vidutinės bandinių vidinio karšto ir išorinio šalto paviršių temperatūros

kur i yra termoporos numeris.

4.3. Nustatomas bendras elektrinio šildytuvo generuojamas šilumos srautas

, W

čia U yra elektros srovės įtampa, V;

R= 41 Ohm – elektrinio šildytuvo varža.

4.4. Nustatomas šilumos srautas, prarandamas dėl šilumos perdavimo per korpusą

kur k yra koeficientas, apibūdinantis šilumos perdavimo per korpusą procesą.

, W/(m 2 deg)

čia  k = 0,08 W/(mdeg) – korpuso medžiagos šilumos laidumo koeficientas;

d n = 0,146 m – šildytuvo išorinis skersmuo;

dк = 0,190 m – išorinis korpuso skersmuo;

h n = 0,012 m – šildytuvo aukštis;

h k = 0,022 m – korpuso aukštis.

T t – korpuso išorinio paviršiaus temperatūra, nustatoma 7 termopora

4.5. Šilumos srautas, einantis per tiriamus mėginius, nustatomas pagal šilumos laidumą

, W

4.6. Nustatomas tiriamos medžiagos šilumos laidumo koeficientas

, W/(mdeg)

čia Q  yra šilumos srautas, einantis per bandinį per šilumos laidumą, W;

 = 0,005 m – mėginio storis;

- vieno mėginio paviršiaus plotas, m2;

d= 0,140 m – mėginio skersmuo;

T g, T x – karšto ir šalto bandinio paviršių temperatūros atitinkamai K.

4.7. Šilumos laidumo koeficientas priklauso nuo temperatūros, todėl gautos reikšmės nurodo vidutinę mėginio temperatūrą

Eksperimentinių duomenų apdorojimo rezultatai įrašyti į 1 lentelę.

1 lentelė

Matavimų ir eksperimentinių duomenų apdorojimo rezultatai

Termoporos rodmenys, mV/K

E 1

4.8. Naudodami gautų rezultatų apdorojimo grafinį-analitinį metodą, gauname tiriamos medžiagos šilumos laidumo koeficiento  priklausomybę nuo vidutinės mėginio temperatūros T m formoje

kur  0 ir b- nustatomi grafiškai, remiantis priklausomybės grafiko =f(T m) analize.

KONTROLINIAI KLAUSIMAI

Kokie yra pagrindiniai šilumos perdavimo būdai?

Kas yra šilumos laidumas?

Kokios yra laidininkų ir kietųjų dielektrikų šilumos laidumo mechanizmo ypatybės?

Kokie dėsniai apibūdina šilumos laidumo procesą?

Kas yra plokščia siena?

Kokios yra ribinės sąlygos?

Koks yra temperatūros pokytis plokščioje sienoje?

Kokia yra šilumos laidumo koeficiento fizikinė reikšmė?

Kodėl būtina žinoti įvairių medžiagų šilumos laidumo koeficientą ir kaip nustatoma jo reikšmė?

Kokie yra plokščiojo sluoksnio metodo metodiniai ypatumai?

ŠILUMOS PERDAVIMO TYRIMAS NEMOKAMOS KONVEKCIJOS METU

Darbo tikslas: ištirti konvekcinio šilumos perdavimo modelius, naudojant šilumos perdavimo laisvos konvekcijos metu pavyzdį skersinio ir išilginio srauto aplink šildomą paviršių atvejais. Įgyti eksperimentinių rezultatų apdorojimo ir pateikimo apibendrinta forma įgūdžių.

Pratimas:

1. Nustatykite eksperimentines šilumos perdavimo koeficientų vertes iš horizontalaus cilindro ir vertikalaus cilindro į terpę laisvos konvekcijos metu.

2. Apdorojant eksperimentinius duomenis, gauti kriterinių lygčių, charakterizuojančių laisvosios konvekcijos procesą horizontalaus ir vertikalaus paviršiaus atžvilgiu, parametrus.

PAGRINDINĖS TEORINĖS NUOSTATOS.

Yra trys pagrindiniai šilumos perdavimo būdai, kurie labai skiriasi vienas nuo kito savo fizine prigimtimi:

šilumos laidumas;

konvekcija;

šiluminė spinduliuotė.

Esant šilumos laidumui, šiluminės energijos nešėjai yra medžiagos mikrodalelės – atomai ir molekulės, su šilumine spinduliuote – elektromagnetinės bangos.

Konvekcija yra šilumos perdavimo būdas perkeliant makroskopinius medžiagos kiekius iš vieno erdvės taško į kitą.

Taigi konvekcija galima tik terpėse, kurios turi takumo savybę – dujose ir skysčiuose. Šilumos perdavimo teorijoje jie paprastai vadinami terminu "skystas", nedarant skirtumo tarp lašelių skysčių ir dujų, nebent būtų konkrečiai nurodyta. Šilumos perdavimo konvekcijos būdu procesą paprastai lydi šilumos laidumas. Šis procesas vadinamas konvekciniai šilumos mainai.

Konvekcinis šilumos perdavimas yra kombinuotas šilumos perdavimo konvekcijos ir laidumo būdu procesas.

Inžinerinėje praktikoje jie dažniausiai nagrinėja konvekcinės šilumos mainų tarp kieto kūno paviršiaus (pavyzdžiui, krosnies, šildymo prietaiso ir kt. sienelės paviršiaus) ir šį paviršių supančio skysčio procesą. Šis procesas vadinamas šilumos perdavimas.

Šilumos išsklaidymas– specialus konvekcinės šilumos mainų tarp kieto kūno (sienos) paviršiaus ir jį supančio skysčio atvejis.

Išskirti priverstinis ir laisvas (natūralus) konvekcija.

Priverstinė konvekcija atsiranda veikiant slėgio jėgoms, kurios sukuriamos priverstinai, pavyzdžiui, siurblio, ventiliatoriaus ir kt.

Laisva arba natūrali konvekcija atsiranda veikiant skirtingo pobūdžio masės jėgoms: gravitacinėms, išcentrinėms, elektromagnetinėms ir kt.

Žemėje laisva konvekcija vyksta veikiant gravitacijai, todėl ji vadinama šiluminė gravitacinė konvekcija. Proceso varomoji jėga šiuo atveju yra kėlimo jėga, kuri atsiranda terpėje esant nevienalytiškumui tankio pasiskirstymui nagrinėjamo tūrio viduje. Šilumos perdavimo metu toks nevienalytiškumas atsiranda dėl to, kad atskiri terpės elementai gali būti skirtingos temperatūros. Tokiu atveju labiau įkaitę, taigi ir mažiau tankūs terpės elementai, veikiami kėlimo jėgos, judės aukštyn, kartu su jais perduodami šilumą, o šaltesni, taigi ir tankesni terpės elementai tekės į laisvos vietos, kaip parodyta fig. 1.

Ryžiai. 1. Srauto judėjimo skystyje pobūdis laisvos konvekcijos metu

Jei šioje vietoje yra nuolatinis šilumos šaltinis, tada kaitinant sumažės šildomų terpės elementų tankis, jie taip pat pradės plaukti aukštyn. Taigi, kol bus atskirų aplinkos elementų tankių skirtumas, tol tęsis jų cirkuliacija, t.y. laisva konvekcija tęsis. Laisva konvekcija, vykstanti dideliuose terpės tūriuose, kur niekas netrukdo vystytis konvekciniams srautams, vadinama laisva konvekcija neribotoje erdvėje. Laisva konvekcija neribotoje erdvėje, pavyzdžiui, atsiranda šildant patalpas, šildant vandenį karšto vandens katiluose ir daugeliu kitų atvejų. Jei konvekciniams srautams išsivystyti neleidžia kanalų sienelės arba sluoksniai, užpildyti skysta terpe, tai procesas šiuo atveju vadinamas laisva konvekcija ribotoje erdvėje. Šis procesas vyksta, pavyzdžiui, vykstant šilumos mainams oro tarpuose tarp langų rėmų.

Pagrindinis dėsnis, apibūdinantis konvekcinio šilumos perdavimo procesą, yra Niutono-Richmanno dėsnis. Analitine forma stacionariam šilumos perdavimo temperatūros režimui jis turi tokią formą:

,

Kur
- elementarus šilumos kiekis, išsiskiriantis per elementarų laikotarpį
iš elementaraus paviršiaus ploto
;

- sienų temperatūra;

- skysčio temperatūra;

- šilumos perdavimo koeficientas.

Šilumos perdavimo koeficientas parodo, kiek šilumos per laiko vienetą išsiskiria iš paviršiaus vieneto, kai temperatūros skirtumas tarp sienos ir skysčio yra vienas laipsnis. Šilumos perdavimo koeficiento matavimo vienetas SI sistemoje yra W/m 2 ∙deg. Pastoviame stacionariame procese šilumos perdavimo koeficientą galima nustatyti pagal išraišką:

, W/m 2 ∙deg

Kur - šilumos srautas, W;

- šilumos mainų paviršiaus plotas, m2;

- temperatūros skirtumas tarp paviršiaus ir skysčio, laipsniais.

Šilumos perdavimo koeficientas apibūdina šilumos mainų tarp sienos ir ją plaunančio skysčio intensyvumą. Dėl savo fizinės prigimties konvekcinis šilumos perdavimas yra labai sudėtingas procesas. Šilumos perdavimo koeficientas priklauso nuo labai daug skirtingų parametrų – skysčio fizikinių savybių, skysčio srauto pobūdžio, skysčio tekėjimo greičio, kanalo dydžio ir formos, taip pat nuo daugelio kitų faktorių. Šiuo atžvilgiu neįmanoma teoriškai pateikti bendros priklausomybės šilumos perdavimo koeficiento nustatymui

Tiksliausiai ir patikimiausiai šilumos perdavimo koeficientą galima nustatyti eksperimentiniu būdu, remiantis (2) lygtimi. Tačiau inžinerinėje praktikoje, skaičiuojant šilumos perdavimo procesus įvairiuose techniniuose įrenginiuose, kaip taisyklė, eksperimentiškai neįmanoma nustatyti šilumos perdavimo koeficiento vertės realaus pilno masto objekto sąlygomis dėl sudėtingumo ir didelio. tokio eksperimento sukūrimo kaina. Šiuo atveju, norint išspręsti  nustatymo problemą, ji ateina į pagalbą panašumo teorija.

Pagrindinė panašumo teorijos praktinė reikšmė yra ta, kad ji leidžia apibendrinti vieno modelio eksperimento, atlikto laboratorinėmis sąlygomis, rezultatus visai realių procesų ir objektų klasei, panašiai į modeliu tirtą procesą. Panašumo sąvoka, gerai žinoma geometrinių figūrų atžvilgiu, gali būti išplėsta į bet kokius fizikinius procesus ir reiškinius.

Fizinių reiškinių klasė yra visuma reiškinių, kuriuos galima apibūdinti viena bendra lygčių sistema ir kurie turi tą pačią fizinę prigimtį.

Pavienis reiškinys– tai dalis fizikinių reiškinių klasės, išsiskiriančios tam tikromis unikalumo sąlygomis (geometrinėmis, fizinėmis, pradinėmis, ribomis).

Panašūs reiškiniai– tos pačios klasės reiškinių grupė su tomis pačiomis vienareikšmiškumo sąlygomis, išskyrus skaitines dydžių reikšmes, esančias šiose sąlygose.

Panašumo teorija remiasi tuo, kad matmenų fizikiniai dydžiai, apibūdinantys reiškinį, gali būti sujungti į bedimens kompleksai, ir tokiu būdu, kad šių kompleksų skaičius būtų mažesnis už matmenų dydžių skaičių. Gauti bedimensiniai kompleksai vadinami panašumo kriterijai. Panašumo kriterijai turi tam tikrą fizikinę reikšmę ir atspindi ne vieno fizikinio dydžio, o visos į kriterijų įtrauktos jų visumos įtaką, o tai žymiai supaprastina tiriamo proceso analizę. Pats procesas šiuo atveju gali būti pavaizduotas analitinio ryšio forma
tarp panašumo kriterijų
, apibūdinantis atskirus jo aspektus. Tokios priklausomybės vadinamos kriterines lygtis. Panašumo kriterijai buvo pavadinti mokslininkų, reikšmingai prisidėjusių plėtojant hidrodinamiką ir šilumos perdavimo teoriją, pavardes – Nusselt, Prandtl, Grashof, Reynolds, Kirpichev ir kt.

Panašumo teorija remiasi 3 panašumo teoremomis.

1-oji teorema:

Vienas į kitą panašūs reiškiniai turi tuos pačius panašumo kriterijus.

Ši teorema rodo, kad eksperimentuose reikia matuoti tik tuos fizikinius dydžius, kurie yra panašumo kriterijų.

2-oji teorema:

Originalios matematinės lygtys, apibūdinančios tam tikrą fizikinį reiškinį, visada gali būti pateiktos kaip ryšį tarp šį reiškinį apibūdinančių panašumo kriterijų.

Šios lygtys vadinamos kriterijail. Ši teorema rodo, kad eksperimentų rezultatai turi būti pateikti kriterinių lygčių forma.

3-ioji teorema.

Panašūs yra tie reiškiniai, kuriems yra vienodi panašumo kriterijai, susidedantys iš unikalumo sąlygų.

Ši teorema apibrėžia sąlygą, būtiną fiziniam panašumui nustatyti. Panašumo kriterijai, sudaryti iš vienareikšmiškumo sąlygų, vadinami apibrėžiantis. Jie lemia visų kitų lygybę arba Atkaklus panašumo kriterijai, kurie iš tikrųjų yra 1-osios panašumo teoremos objektas. Taigi 3-oji panašumo teorema plėtoja ir pagilina 1-ąją teoremą.

Tiriant konvekcinį šilumos perdavimą dažniausiai naudojami šie panašumo kriterijai.

Reinoldso kriterijus (Re) – apibūdina ryšį tarp inercijos jėgų ir skystyje veikiančių klampios trinties jėgų. Reynoldso kriterijaus reikšmė apibūdina skysčio srauto režimą priverstinės konvekcijos metu.

,

Kur - skysčio judėjimo greitis;

- skysčio kinematinės klampos koeficientas;

- dydžio nustatymas.

Grashofo kriterijus (Gr) – apibūdina ryšį tarp klampios trinties jėgų ir kėlimo jėgos, veikiančios skystyje laisvos konvekcijos metu. Grashofo kriterijaus reikšmė apibūdina skysčio srauto režimą laisvos konvekcijos metu.

,

Kur - gravitacijos pagreitis;

- dydžio nustatymas;

- skysčio tūrinio plėtimosi temperatūros koeficientas (dujoms
, Kur - temperatūros nustatymas Kelvino skalėje);

- temperatūros skirtumas tarp sienos ir skysčio;

- atitinkamai sienų ir skysčio temperatūra;

- skysčio kinematinės klampos koeficientas.

Nusselto kriterijus (Nu) – apibūdina ryšį tarp per šilumos laidumą perduodamo šilumos kiekio ir per konvekciją perduodamo šilumos kiekio konvekcinės šilumos mainų metu tarp kietos medžiagos paviršiaus (sienos) ir skysčio, t.y. šilumos perdavimo metu.

,

Kur - šilumos perdavimo koeficientas;

- dydžio nustatymas;

- skysčio šilumos laidumo koeficientas prie sienos ir skysčio ribos.

Pekleto kriterijus (Pe) – apibūdina ryšį tarp skysčio srautu gaunamo (duodamo) šilumos kiekio ir perduodamos (duodamos) šilumos kiekio per konvekcinius šilumos mainus.

,

Kur - skysčio srauto greitis;

- dydžio nustatymas;

- šiluminės difuzijos koeficientas;

- atitinkamai šilumos laidumo koeficientas, izobarinė šiluminė talpa ir skysčio tankis.

Prandtl kriterijus (Pr) – apibūdina fizines skysčio savybes.

,

Kur - kinematinės klampos koeficientas;

- skysčio šiluminės difuzijos koeficientas.

Iš nagrinėjamų panašumo kriterijų aišku, kad į Nusselt kriterijaus išraišką įtrauktas svarbiausias parametras skaičiuojant konvekcinius šilumos perdavimo procesus, apibūdinantis proceso intensyvumą, būtent šilumos perdavimo koeficientas . Tai nulėmė, kad sprendžiant konvekcinio šilumos perdavimo problemas inžineriniais metodais, pagrįstais panašumo teorija, šis kriterijus yra svarbiausias iš nustatytų kriterijų. Šilumos perdavimo koeficiento reikšmė šiuo atveju nustatoma pagal šią išraišką

Šiuo atžvilgiu kriterijų lygtys paprastai rašomos kaip sprendinys Nusselt kriterijaus atžvilgiu ir turi galios funkcijos formą

Kur
- panašumo kriterijų reikšmės, apibūdinančios skirtingus nagrinėjamo proceso aspektus;

- skaitinės konstantos, nustatytos remiantis eksperimentiniais duomenimis, gautais tiriant panašių reiškinių klasę naudojant modelius eksperimentiniu būdu.

Priklausomai nuo konvekcijos tipo ir specifinių proceso sąlygų, į kriterijaus lygtį įtraukto panašumo kriterijų rinkinio, konstantų ir pataisos koeficientų reikšmės gali skirtis.

Praktiškai taikant kriterines lygtis svarbus teisingas lemiamo dydžio ir temperatūros nustatymo klausimas. Temperatūros nustatymas yra būtinas norint teisingai nustatyti skysčio, naudojamo skaičiuojant panašumo kriterijų vertes, fizinių savybių vertes. Nustatančio dydžio pasirinkimas priklauso nuo santykinės skysčio srauto padėties ir plaunamo paviršiaus, t. y. nuo jo srauto pobūdžio. Tokiu atveju turėtumėte vadovautis esamomis rekomendacijomis šiais tipiniais atvejais.

Priverstinė konvekcija, kai skystis juda apvalaus vamzdžio viduje.

- vidinis vamzdžio skersmuo.

Priverstinė konvekcija skysčio judėjimo metu savavališko skerspjūvio kanaluose.

- lygiavertis skersmuo,

Kur - kanalo skerspjūvio plotas;

- sekcijos perimetras.

Skersinis srautas aplink apvalų vamzdį su laisva konvekcija (horizontalus vamzdis (žr. 2 pav.) su termine gravitacine konvekcija)

- išorinis vamzdžio skersmuo.

2 pav. Srauto aplink horizontalų vamzdį pobūdis šiluminės gravitacinės konvekcijos metu

Išilginis srautas aplink plokščią sieną (vamzdis) (žr. 3 pav.) šiluminės gravitacinės konvekcijos metu.

- sienos aukštis (vamzdžio ilgis).

Ryžiai. 3. Srauto aplink vertikalią sienelę (vamzdžio) pobūdis šiluminės gravitacinės konvekcijos metu.

Temperatūros apibrėžimas būtinas norint teisingai nustatyti terpės termofizines savybes, kurių reikšmės skiriasi priklausomai nuo temperatūros.

Kai vyksta šilumos perdavimas, aritmetinis vidurkis tarp sienos ir skysčio temperatūrų imamas kaip lemiama temperatūra.

Konvekciniam šilumos mainams tarp atskirų terpės elementų nagrinėjamo tūrio viduje, lemiančia temperatūra imamas aritmetinis vidurkis tarp šilumos mainuose dalyvaujančių terpės elementų temperatūrų.

Šiame darbe aptariama laboratorinio eksperimento atlikimo procedūra ir kriterijų lygčių gavimo metodika 2 būdingiems srauto aplink šildomą paviršių (skersinį ir išilginį) atvejams su laisva įvairių dujų konvekcija horizontalių ir vertikalių cilindrų atžvilgiu.

EKSPERIMENTINĖ DALIS.

Medžiagų ir medžiagų gebėjimas praleisti šilumą vadinamas šilumos laidumu (X,) ir išreiškiamas šilumos kiekiu, praeinančiu per 1 ploto sienelę. m2, 1 m storio per 1 valandą, kai temperatūros skirtumas priešinguose sienų paviršiuose yra 1 laipsnis. Šilumos laidumo matavimo vienetas yra W/(m-K) arba W/(m-°C).

Nustatomas medžiagų šilumos laidumas

Kur K- šilumos kiekis (energija), W; F- medžiagos (pavyzdžio) skerspjūvio plotas, statmenas šilumos srauto krypčiai, m2; At yra temperatūros skirtumas priešinguose bandinio paviršiuose, K arba °C; b - mėginio storis, m.

Šilumos laidumas yra vienas pagrindinių termoizoliacinių medžiagų savybių rodiklių. Šis indikatorius priklauso nuo daugelio veiksnių: bendro medžiagos poringumo, porų dydžio ir formos, kietosios fazės tipo, dujų, užpildančių poras, tipo, temperatūros ir kt.

Šilumos laidumo priklausomybė nuo šių veiksnių universaliausia forma išreiškiama Leebo lygtimi:

_______ Ђs ______ - і

kur Kr yra medžiagos šilumos laidumas; Xs – medžiagos kietosios fazės šilumos laidumas; Rs- porų, esančių pjūvyje, statmenoje šilumos srautui, skaičius; Pi-porų, esančių atkarpoje lygiagrečiai šilumos srautui, skaičius; b - radialinė konstanta; є - spinduliuotė; v yra geometrinis veiksnys, turintis įtakos. spinduliuotė porų viduje; Tt- vidutinė absoliuti temperatūra; d- vidutinis porų skersmuo.

Žinant tam tikros šilumą izoliuojančios medžiagos šilumos laidumą, galima teisingai įvertinti jos šilumą izoliuojančias savybes ir apskaičiuoti iš šios medžiagos pagamintos šilumą izoliuojančios konstrukcijos storį tam tikromis sąlygomis.

Šiuo metu yra daugybė medžiagų šilumos laidumo nustatymo metodų, pagrįstų stacionarių ir nestacionarių šilumos srautų matavimu.

Pirmoji metodų grupė leidžia atlikti matavimus plačiame temperatūrų diapazone (nuo 20 iki 700°C) ir gauti tikslesnius rezultatus. Stacionaraus šilumos srauto matavimo metodų trūkumas yra ilga eksperimento trukmė, matuojama valandomis.

Antroji metodų grupė leidžia atlikti eksperimentą V per kelias minutes (iki 1 h), tačiau tinka medžiagų šilumos laidumui nustatyti tik esant santykinai žemai temperatūrai.

Statybinių medžiagų šilumos laidumas matuojamas šiuo metodu, naudojant prietaisą, parodytą pav. 22. Tuo pačiu metu su mažos inercijos pagalba gaminami šilumos skaitikliai pastovaus šilumos srauto, praeinančio per bandomąjį medžiagos pavyzdį, matavimas.

Prietaisą sudaro plokščias elektrinis šildytuvas 7 ir mažos inercijos šilumos skaitiklis 9, montuojamas 2 mm atstumu nuo šaldytuvo paviršiaus 10, per kurį nuolat teka pastovios temperatūros vanduo. Ant šildytuvo ir šilumos skaitiklio paviršių dedamos termoporos 1,2,4 ir 5. Prietaisas dedamas į metalinį korpusą 6, užpildyta termoizoliacine medžiaga. Tvirtas pavyzdys 8 prie šilumos skaitiklio ir šildytuvo yra suspaudimo įtaisas 3. Šildytuvas, šilumos skaitiklis ir šaldytuvas yra 250 mm skersmens disko formos.

Šilumos srautas iš šildytuvo per mėginį ir mažos inercijos šilumos skaitiklį perduodamas į šaldytuvą. Šilumos srauto, praeinančio per centrinę mėginio dalį, kiekis matuojamas šilumos skaitikliu, kuris yra termopilas ant paranito disko, arbašilumos skaitiklis su atkūrimo elementu, kuriame sumontuotas plokščias elektrinis šildytuvas.

Prietaisas gali išmatuoti šilumos laidumą karšto mėginio paviršiaus temperatūroje nuo 25 iki 700 °C.

Įrenginio komplektą sudaro: RO-1 tipo termostatas, KP-59 tipo potenciometras, RNO-250-2 tipo laboratorinis autotransformatorius, MGP termoporos jungiklis, TS-16 termostatas, techninis kintamosios srovės ampermetras iki 5 A ir termosas.

Bandytinų medžiagų pavyzdžiai turi būti apskrito plano, kurio skersmuo 250 mm. Mėginių storis turi būti ne didesnis kaip 50 ir ne mažesnis kaip 10 mm. Mėginių storis matuojamas 0,1 mm tikslumu ir nustatomas kaip keturių matavimų rezultatų aritmetinis vidurkis. Mėginių paviršiai turi būti lygūs ir lygiagrečiai.

Tiriant pluoštines, birias, minkštas ir pusiau standžias termoizoliacines medžiagas, atrinkti mėginiai dedami į 250 mm skersmens ir 30-40 mm aukščio narvus, pagamintus iš 3-4 mm storio asbestinio kartono.

Pasirinkto bandinio tankis, veikiant specifinei apkrovai, turi būti vienodas visame tūryje ir atitikti vidutinį bandomos medžiagos tankį.

Prieš bandymą mėginiai turi būti išdžiovinti iki pastovios masės 105–110 °C temperatūroje.

Tyrimui paruoštas mėginys dedamas ant šilumos skaitiklio ir prispaudžiamas šildytuvu. Tada nustatykite prietaiso šildytuvo termostatą į norimą temperatūrą ir įjunkite šildytuvą. Nustatę stacionarų režimą, kai šilumos skaitiklio rodmenys bus pastovūs 30 minučių, atkreipkite dėmesį į termoporos rodmenis potenciometro skalėje.

Naudojant mažos inercijos šilumos skaitiklį su atkūrimo elementu, šilumos skaitiklio rodmenys perduodami į nulinį galvanometrą, o srovė įjungiama per reostatą ir miliampermetrą kompensacijai, tuo pačiu pasiekiant nulinio galvanometro adatos padėtį 0, po to rodmenys įrašomi prietaiso skalėje mA.

Matuojant šilumos kiekį mažos inercijos šilumos skaitikliu su atkuriančiu elementu, medžiagos šilumos laidumas apskaičiuojamas pagal formulę

kur b yra mėginio storis, m; T - karšto bandinio paviršiaus temperatūra, °C; - šalto bandinio paviršiaus temperatūra, °C; K- šilumos kiekis, praeinantis per bandinį statmena jo paviršiui kryptimi, W /m2.

kur R yra pastovi šilumos skaitiklio šildytuvo varža, Ohm; / - srovės stiprumas, A; F- šilumos skaitiklių plotas, m2.

Matuojant šilumos kiekį (Q) su kalibruotu mažos inercijos šilumos skaitikliu, skaičiuojama pagal formulę K= A.E.(W/m2), kur E- elektrovaros jėga (EMF), mV; A – šilumos skaitiklio kalibravimo sertifikate nurodyta prietaiso konstanta.

Mėginio paviršių temperatūra matuojama 0,1 C tikslumu (darant pastovią būseną). Šilumos srautas skaičiuojamas 1 W/m2 tikslumu, o šilumos laidumas skaičiuojamas 0,001 W/(m-°C) tikslumu.

Dirbant su šiuo prietaisu, būtina periodiškai jį tikrinti tiriant standartinius pavyzdžius, kuriuos pateikia metrologijos tyrimų institutai ir Standartų, matų ir matavimo priemonių komiteto prie SSRS Ministrų Tarybos laboratorijos.

Atlikus eksperimentą ir gavus duomenis, surašomas medžiagų tyrimo aktas, kuriame turi būti nurodyti šie duomenys: tyrimus atlikusios laboratorijos pavadinimas ir adresas; testavimo data; medžiagos pavadinimas ir savybės; vidutinis medžiagos tankis sausoje būsenoje; vidutinė mėginio temperatūra bandymo metu; medžiagos šilumos laidumas šioje temperatūroje.

Dviejų plokštelių metodas leidžia gauti patikimesnius rezultatus nei aptarti aukščiau, nes iš karto tiriami du dvyniai ir, be to, termiškai. einantis srautas mėginiai turi dvi kryptis: per vieną mėginį eina iš apačios į viršų, o per kitą – iš viršaus į apačią. Ši aplinkybė labai prisideda prie bandymo rezultatų vidurkinimo ir eksperimentines sąlygas priartina prie faktinių medžiagos naudojimo sąlygų.

Dviejų plokščių įrenginio, skirto medžiagų šilumos laidumui nustatyti taikant pastovios būsenos metodą, schema parodyta fig. 23.

Prietaisą sudaro centrinis šildytuvas 1, apsauginis šildytuvas 2, aušinimo diskai 6, kuris

Tuo pačiu metu presuojami medžiagų pavyzdžiai 4 prie šildytuvų, izoliacinis užpildymas 3, termoporos 5 ir korpusas 7.

Įrenginyje yra tokia valdymo ir matavimo įranga. Įtampos stabilizatorius (SN), autotransformatoriai (T), vatmetras (W), Ampermetrai (A), apsauginis šildytuvo temperatūros reguliatorius (P), termoporos jungiklis (I), galvanometras arba potenciometras temperatūros matavimui (G) Ir indas su ledu (C).

Siekiant užtikrinti identiškas kraštines sąlygas bandomųjų pavyzdžių perimetro, šildytuvo forma laikoma disko forma. Kad būtų lengviau apskaičiuoti, pagrindinio (darbinio) šildytuvo skersmuo yra 112,5 mm, o tai atitinka 0,01 m2 plotą.

Medžiagos šilumos laidumo bandymas atliekamas taip.

Iš bandymui parinktos medžiagos pagaminti du dvyniai diskų pavidalo, kurių skersmuo lygus apsauginio žiedo skersmeniui (250 mm). Mėginių storis turi būti vienodas ir svyruoti nuo 10 iki 50 mm. Mėginių paviršiai turi būti lygūs ir lygiagrečiai, be įbrėžimų ir įlenkimų.

Pluoštinių ir birių medžiagų bandymai atliekami specialiuose narvuose iš asbestinio kartono.

Prieš bandymą mėginiai išdžiovinami iki pastovaus svorio ir matuojamas jų storis 0,1 mm tikslumu.

Mėginiai dedami ant abiejų elektrinio šildytuvo pusių ir prispaudžiami prie jo aušinimo diskais. Tada nustatykite įtampos reguliatorių (latr) į tokią padėtį, kuri užtikrintų nurodytą elektrinio šildytuvo temperatūrą. Jie įjungia vandens cirkuliaciją aušinimo diskuose ir, pasiekę galvanometru stebimą pastovią būseną, išmatuoja temperatūrą prie karšto ir šalto mėginių paviršių, tam naudoja atitinkamas termoporas ir galvanometrą arba potenciometrą. Tuo pačiu metu matuojamas energijos suvartojimas. Po to išjunkite elektrinį šildytuvą, o po 2-3 valandų sustabdykite vandens tiekimą į aušinimo diskus.

Medžiagos šilumos laidumas, W/(m-°C),

Kur W- elektros sąnaudos, W; b - mėginio storis, m; F- elektrinio šildytuvo vieno paviršiaus plotas, m2;. t yra karšto bandinio paviršiaus temperatūra, °C; I2- temperatūra šaltame bandinio paviršiuje, °C.

Galutiniai šilumos laidumo nustatymo rezultatai yra susiję su vidutine mėginių temperatūra
Kur t - karšto bandinio paviršiaus temperatūra (dviejų mėginių vidurkis), °C; t 2 - temperatūra šaltame bandinių paviršiuje (dviejų mėginių vidurkis), °C.

Vamzdžių metodas. Šilumą izoliuojančių gaminių su lenktu paviršiumi (apvalkalai, cilindrai, segmentai) šilumos laidumui nustatyti naudojama instaliacija, kurios schema parodyta

Ryžiai. 24. Šis įrenginys yra plieninis vamzdis, kurio skersmuo 100-150 mm, o ilgis ne mažesnis kaip 2,5 m. vamzdis: centrinė (darbinė) dalis, kuri užima maždaug ]/ vamzdžio ilgį, ir šoninės, kurios padeda pašalinti šilumos nutekėjimą per įrenginio (vamzdžio) galus.

Vamzdis montuojamas ant pakabų arba stovų 1,5-2 m atstumu nuo kambario grindų, sienų ir lubų.

Vamzdžio ir bandomosios medžiagos paviršiaus temperatūra matuojama termoporomis. Atliekant bandymus, būtina reguliuoti apsaugos sekcijų suvartojamą elektros energiją, kad būtų pašalinti temperatūros skirtumai tarp darbo ir apsaugos sekcijų
mi. Bandymai atliekami pastoviomis šiluminėmis sąlygomis, kai vamzdžio ir izoliacinės medžiagos paviršių temperatūra yra pastovi 30 minučių.

Veikiančio šildytuvo elektros suvartojimas gali būti matuojamas vatmetru arba atskirai voltmetru ir ampermetru.

Medžiagos šilumos laidumas, W/(m ■ °C),

X -_____ D

Kur D - išbandyto gaminio išorinis skersmuo, m; d - Vidinis tiriamos medžiagos skersmuo, m; - temperatūra ant vamzdžio paviršiaus, °C; t 2 - temperatūra ant išorinio bandomojo produkto paviršiaus, °C; I yra šildytuvo darbinės dalies ilgis, m.

Be šilumos laidumo, šiuo prietaisu galima išmatuoti šilumos srauto kiekį šilumą izoliuojančioje konstrukcijoje, pagamintoje iš vienos ar kitos šilumą izoliuojančios medžiagos. Šilumos srautas (W/m2)

Šilumos laidumo nustatymas, remiantis netolygaus šilumos srauto metodais (dinaminiai matavimo metodai). Metodai pagrįsti įjungta nepastovių šilumos srautų matavimas (dinaminiai matavimo metodai), pastaruoju metu vis dažniau naudojami termofiziniams dydžiams nustatyti. Šių metodų pranašumas yra ne tik lyginamasis eksperimentų atlikimo greitis, bet Ir didesnis informacijos kiekis, gautas per vieną patirtį. Čia prie kitų valdomo proceso parametrų pridedamas dar vienas – laikas. Dėl šios priežasties tik dinaminiai metodai leidžia, remiantis vieno eksperimento rezultatais, gauti termofizines medžiagų charakteristikas, tokias kaip šilumos laidumas, šiluminė talpa, šiluminė difuzija, aušinimo (kaitinimo) greitis.

Šiuo metu yra daug metodų ir prietaisų dinaminėms temperatūroms ir šilumos srautams matuoti. Tačiau jie visi reikalauja žinoti
Konkrečių sąlygų įvedimas ir gautų rezultatų pataisų įvedimas, nes šiluminių dydžių matavimo procesai nuo kitokio pobūdžio (mechaninių, optinių, elektrinių, akustinių ir kt.) dydžių matavimo skiriasi savo reikšminga inercija.

Todėl metodai, pagrįsti stacionarių šilumos srautų matavimu, skiriasi nuo nagrinėjamų metodų tuo, kad jie yra daug identiškesni tarp matavimo rezultatų ir tikrosios išmatuotų šiluminių dydžių verčių.

Dinaminių matavimo metodų tobulinimas vyksta trimis kryptimis. Pirma, tai klaidų analizės metodų kūrimas ir matavimo rezultatų pataisymai. Antra, automatinių korekcijos prietaisų kūrimas dinamines klaidas kompensuoti.

Panagrinėkime du labiausiai paplitusius SSRS metodus, pagrįstus nestabilaus šilumos srauto matavimu.

1. Reguliaraus šiluminio režimo su bikalorimetru metodas. Taikant šį metodą, galima naudoti įvairių tipų bikalorimetrų konstrukcijas. Panagrinėkime vieną iš jų – mažo dydžio plokščią bikalorijų matuoklį MPB-64-1 (25 pav.), kuris suprojektuotas.
nustatyti pusiau standžių, pluoštinių ir birių termoizoliacinių medžiagų šilumos laidumą kambario temperatūroje.

Įrenginys MPB-64-1 yra cilindrinis padalintas apvalkalas (dėklas), kurio vidinis skersmuo yra 105 mm, V kurio centre yra šerdis su įmontuota V su šildytuvu ir diferencialinių termoporų baterija. Prietaisas pagamintas iš D16T duraliuminio.

Bikalo-rimetro diferencialinių termoporų termopolėje sumontuotos varinės-kopelės termoporos, kurių elektrodų skersmuo yra 0,2 mm. Termopolio posūkių galai išvedami ant stiklo pluošto žiedo žalvarinių žiedlapių, impregnuotų BF-2 klijais, o po to per laidus iki kištuko. Šildymo elementas pagamintas iš 0,1 mm skersmens nichrominė viela, prisiūta ant apvalios plokštelės stiklo audiniai. Šildymo elemento laido galai, taip pat termopilo vielos galai išvedami į žalvarinius žiedo žiedlapius, o tada per kištuką į maitinimo šaltinį. Šildymo elementas gali būti maitinamas nuo 127 V kintamosios srovės.

Įrenginys yra hermetiškai sandarus dėl vakuuminio guminio sandariklio, esančio tarp korpuso ir dangtelių, taip pat tarp rankenos, įvorės ir korpuso esančios liaukos sandariklio (kanapių ir raudono švino).

Termoporos, šildytuvas ir jų laidai turi būti gerai izoliuoti nuo korpuso.

Bandinių matmenys neturi viršyti skersmens 104 mm ir storis - 16 mm. Prietaisas vienu metu tikrina du dvynius mėginius.

Prietaiso veikimas grindžiamas tokiu principu.

Kietos medžiagos, įkaitintos iki temperatūros, aušinimo procesas T° ir patalpintas į aplinką, kurios temperatūra yra ©<Ґ при весьма большой теплопередаче (а) от телаĮ Aplinka (“->-00) ir esant pastoviai šios aplinkos temperatūrai (0 = const), skirstoma į tris etapus.

1. Temperatūros pasiskirstymas V kūnas iš pradžių yra atsitiktinio pobūdžio, t.y., vyksta netvarkingas terminis režimas.

2. Laikui bėgant vėsinimas tampa tvarkingas, t.y., prasideda reguliarus režimas, kurio metu
romas, temperatūros pokytis kiekviename kūno taške paklūsta eksponentiniam dėsniui:

K - AUe.-"1

Kur © yra padidėjusi temperatūra tam tikroje kūno vietoje; U yra tam tikra taško koordinačių funkcija; e-natūralių logaritmų bazė; t – laikas nuo kūno atvėsimo pradžios; t - aušinimo greitis; A yra įrenginio konstanta, priklausomai nuo pradinių sąlygų.

3. Po reguliaraus vėsinimo režimo vėsinimui būdingas kūno šiluminės pusiausvyros su aplinka atsiradimas.

Aušinimo greitis t diferencijavus išraišką

Autorius T koordinatėmis ĮIN-T išreiškiamas taip:

Kur A Ir IN – prietaiso konstantos; SU - bandomosios medžiagos bendroji šiluminė talpa, lygi medžiagos savitosios šiluminės talpos ir jos masės sandaugai, J/(kg-°C t - aušinimo greitis, 1/h);

Bandymas atliekamas taip. Įdėjus mėginius į instrumentą, instrumento dangteliai rievėta veržle tvirtai prispaudžiami prie korpuso. Įrenginys nuleidžiamas į termostatą su maišytuvu, pavyzdžiui, į termostatą TS-16, pripildytą kambario temperatūros vandens, tada prie galvanometro prijungiama diferencinių termoporų termopilė. Įrenginys laikomas termostate, kol išsilygins tiriamos medžiagos bandinių išorinių ir vidinių paviršių temperatūros, o tai užfiksuojama galvanometro rodmeniu. Po to įjungiamas šerdies šildytuvas. Šerdis įkaitinama iki 30–40° aukštesnės nei termostate esančio vandens temperatūra, o tada šildytuvas išjungiamas. Kai galvanometro adata grįžta į skalę, registruojami laikui bėgant mažėjantys galvanometro rodmenys. Iš viso fiksuojama 8-10 taškų.

1n0 m koordinačių sistemoje sudaromas grafikas, kuris turėtų atrodyti kaip tiesė, kai kuriuose taškuose kertanti abscisių ir ordinačių ašis. Tada apskaičiuojama gautos tiesės polinkio kampo liestinė, kuri išreiškia medžiagos aušinimo greitį:

__ Per 6t - Į O2 __ 6 02

ТІь-- j

T2 – Tj 12 – „El

Kur Bi ir 02 yra atitinkamos laiko Ti ir T2 ordinatės.

Eksperimentas kartojamas dar kartą ir vėl nustatomas aušinimo greitis. Jei pirmojo ir antrojo eksperimento metu apskaičiuotų aušinimo greičio verčių neatitikimas yra mažesnis nei 5%, tada jie apsiriboja šiais dviem eksperimentais. Iš dviejų eksperimentų rezultatų nustatoma vidutinė aušinimo greičio vertė ir apskaičiuojamas medžiagos šilumos laidumas, W/(m*°C)

X = (A + YSuR)/u.

Pavyzdys. Išbandyta medžiaga – mineralinės vatos kilimėlis su fenolio rišikliu, kurio vidutinis tankis sausas 80 kg/m3.

1. Apskaičiuokite į prietaisą pasvertos medžiagos kiekį,

kur Рп yra medžiagos pavyzdys, įdėtas į vieną cilindrinį prietaiso indą, kg; Vn - vienos cilindrinės įrenginio talpos tūris 140 cm3; рср - vidutinis medžiagos tankis, g/cm3.

2. Mes apibrėžiame dirbti B.C.Y.P. , Kur IN - prietaiso konstanta lygi 0,324; C – medžiagos savitoji šiluminė talpa, lygi 0,8237 kJ/(kg-K). Tada VSUR= =0,324 0,8237 0,0224 = 0,00598.

3. Rezultatai pastebėjimai mėginių aušinimas įrenginyje laikui bėgant įrašomas į lentelę. 2.

Aušinimo greičių t ir t2 reikšmių skirtumai yra mažesni nei 5%, todėl kartotinių eksperimentų atlikti nereikia.

4. Apskaičiuokite vidutinį aušinimo greitį

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

Žinodami visus reikiamus kiekius apskaičiuojame šilumos laidumą

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

Arba W/(m-°C).

Šiuo atveju vidutinė mėginių temperatūra buvo 303 K arba 30 ° C. Formulėje 0,0169 -L (prietaiso konstanta).

2. Zondo metodas. Yra keletas zondo metodų, skirtų šilumos laidumui nustatyti
termoizoliacinių medžiagų savybės, kurios viena nuo kitos skiriasi naudojamais prietaisais ir zondo šildymo principais. Panagrinėkime vieną iš šių būdų - cilindrinio zondo metodą be elektrinio šildytuvo.

Šis metodas yra toks. Į karštos termoizoliacinės medžiagos storį ir viduje sumontuotu strypu įkišamas 5-6 mm skersmens (26 pav.) ir apie 100 mm ilgio metalinis strypas.

Termoporos nustato temperatūrą. Temperatūra nustatoma dviem etapais: eksperimento pradžioje (šiuo metu zondas įkaista) ir pabaigoje, kai susidaro pusiausvyra ir zondo temperatūros kilimas sustoja. Laikas tarp šių dviejų skaičiavimų matuojamas naudojant chronometrą. h Medžiagos šilumos laidumas, W/(m °C), , R2CV

Kur R- strypo spindulys, m; SU- medžiagos, iš kurios pagamintas strypas, savitoji šiluminė talpa, kJ/(kgХ ХК); V formos strypo tūris, m3; t - laiko intervalas tarp temperatūros rodmenų, h; tx ir U - temperatūros vertės pirmojo ir antrojo rodmenų metu, K arba °C.

Šis metodas yra labai paprastas ir leidžia greitai nustatyti medžiagos šilumos laidumą tiek laboratorinėmis, tiek gamybos sąlygomis. Tačiau jis tinka tik apytikriam šio rodiklio įvertinimui.

Jų terminio judėjimo metu. Skysčiuose ir kietosiose medžiagose - dielektrikuose - šilumos perdavimas atliekamas tiesiogiai perduodant molekulių ir atomų šiluminį judėjimą į kaimynines medžiagos daleles. Dujiniuose kūnuose šilumos sklidimas pagal šilumos laidumą vyksta dėl energijos mainų susidūrus molekulėms, turinčioms skirtingą šiluminio judėjimo greitį. Metaluose šilumos laidumas atsiranda daugiausia dėl laisvųjų elektronų judėjimo.

Pagrindinė šilumos laidumo sąvoka apima daugybę matematinių sąvokų, kurių apibrėžimus reikėtų priminti ir paaiškinti.

Temperatūros laukas yra temperatūros verčių rinkinys visuose kūno taškuose tam tikru laiko momentu. Matematiškai jis apibūdinamas kaip t = f(x, y, z, τ). Išskirti stacionari temperatūra laukas, kai temperatūra visuose kūno taškuose nepriklauso nuo laiko (laikui nekinta), ir nestacionarus temperatūros laukas. Be to, jei temperatūra kinta tik išilgai vienos ar dviejų erdvinių koordinačių, tada temperatūros laukas atitinkamai vadinamas vienmačiu arba dvimačiu.

Izoterminis paviršius- tai geometrinis taškų, kuriuose temperatūra yra vienoda, lokusas.

Temperatūros gradientas — grad t yra vektorius, nukreiptas normaliai į izoterminį paviršių ir skaitiniu požiūriu lygus temperatūros išvestinei šia kryptimi.

Pagal pagrindinį šilumos laidumo dėsnį – dėsnį Furjė(1822), šilumos srauto tankio vektorius, perduodamas šilumos laidumu, yra proporcingas temperatūros gradientui:

q = - λ grad t, (3)

Kur λ — medžiagos šilumos laidumo koeficientas; jo matavimo vienetas W/(m K).

Minuso ženklas (3) lygtyje rodo, kad vektorius q nukreiptas priešais vektoriui grad t, t.y. didžiausio temperatūros mažėjimo kryptimi.

Šilumos srautas δQ per savavališkai orientuotą elementarią sritį dF lygus vektoriaus skaliarinei sandaugai qį elementariosios vietos vektorių dF, ir bendras šilumos srautas K per visą paviršių F nustatomas integruojant šį gaminį ant paviršiaus F:

ŠILUMO LAIDUMO KOEFICIENTAS

Šilumos laidumo koeficientas λ teisėje Furjė(3) apibūdina tam tikros medžiagos gebėjimą praleisti šilumą. Šilumos laidumo koeficientų reikšmės pateiktos medžiagų termofizinių savybių žinynuose. Skaitmeniškai šilumos laidumo koeficientas λ = q/ grad t lygus šilumos srauto tankiui q su temperatūros gradientu grad t = 1 K/m. Lengvosios dujos, kurių šilumos laidumas yra didžiausias, yra vandenilis. Kambario sąlygomis vandenilio šilumos laidumo koeficientas λ = 0,2 W/(m K). Sunkesnės dujos turi mažesnį šilumos laidumą – orą λ = 0,025 W/(m K), anglies dvideginyje λ = 0,02 W/(m K).

Grynas sidabras ir varis turi aukščiausią šilumos laidumo koeficientą: λ = 400 W/(m K). Angliniam plienui λ = 50 W/(m K). Skysčių šilumos laidumo koeficientas paprastai yra mažesnis nei 1 W/(m K). Vanduo jam yra vienas geriausių skysčio šilumos laidininkų λ = 0,6 W/(m K).

Nemetalinių kietųjų medžiagų šilumos laidumo koeficientas paprastai yra mažesnis nei 10 W/(m K).

Akytos medžiagos – kamštiena, įvairūs pluoštiniai užpildai, tokie kaip organinė vata – turi mažiausius šilumos laidumo koeficientus λ <0,25 W/(m K), esant mažam užpildymo tankiui, artėja prie poras užpildančio oro šilumos laidumo koeficiento.

Temperatūra, slėgis, o porėtoms medžiagoms ir drėgmė gali turėti didelės įtakos šilumos laidumo koeficientui. Žinynai visada pateikia sąlygas, kuriomis buvo nustatytas tam tikros medžiagos šilumos laidumo koeficientas, ir šie duomenys negali būti naudojami kitoms sąlygoms. Vertės diapazonai λ įvairioms medžiagoms parodyta pav. 1.

1 pav. Įvairių medžiagų šilumos laidumo koeficientų verčių intervalai.

Šilumos perdavimas pagal šilumos laidumą

Vienalytė plokščia siena.

Paprasčiausia ir labai dažna šilumos perdavimo teorijos išspręsta problema yra šilumos srauto, perduodamo per plokščią storio sienelę, tankio nustatymas. δ , ant kurių paviršių palaikoma temperatūra t w1 Ir t w2 .(2 pav.). Temperatūra kinta tik per plokštės storį - išilgai vienos koordinatės X. Tokios problemos vadinamos vienmatėmis, jų sprendimai yra patys paprasčiausi, o šiame kurse apsiribosime tik vienmačių problemų svarstymu.

Atsižvelgiant į tai, kad vieno numerio atveju:

grad t = dt/dх, (5)

ir naudojant pagrindinį šilumos laidumo dėsnį (2), gauname plokščios sienos stacionaraus šilumos laidumo diferencinę lygtį:

Stacionariomis sąlygomis, kai energija nenaudojama šildymui, šilumos srauto tankis q nepakitęs sienelės storio. Daugumoje praktinių problemų apytiksliai daroma prielaida, kad šilumos laidumo koeficientas λ nepriklauso nuo temperatūros ir yra vienodas per visą sienelės storį. Reikšmė λ rasta žinynuose esant temperatūrai:

vidutinis tarp sienų paviršių temperatūrų. (Šiuo atveju skaičiavimų paklaida paprastai yra mažesnė už pradinių duomenų ir lentelėse pateiktų verčių paklaidą, o šilumos laidumo koeficiento tiesinė priklausomybė nuo temperatūros: λ = a+ bt tiksli skaičiavimo formulė q nesiskiria nuo apytikslės). At λ = konst:

(7)

tie. priklausomybė nuo temperatūros t nuo koordinatės X linijinis (2 pav.).

2 pav. Stacionarus temperatūros pasiskirstymas per plokščios sienos storį.

Padalijus (7) lygties kintamuosius ir integruojant per t iš t w1 prieš t w2 ir pagal X nuo 0 iki δ :

, (8)

gauname priklausomybę šilumos srauto tankiui apskaičiuoti:

, (9)

arba šilumos srauto galia (šilumos srautas):

(10)

Todėl šilumos kiekis, perduodamas per 1 m 2 sienos, tiesiogiai proporcingos šilumos laidumo koeficientui λ ir temperatūros skirtumas tarp išorinių sienos paviršių ( t w1 - t w2) ir atvirkščiai proporcingas sienelės storiui δ . Bendras šilumos kiekis per sienos plotą F taip pat proporcingas šiam plotui.

Gauta paprasta formulė (10) labai plačiai naudojama šiluminiams skaičiavimams. Naudodami šią formulę jie ne tik apskaičiuoja šilumos srauto tankį per plokščias sienas, bet ir apskaičiuoja sudėtingesnius atvejus, skaičiavimuose paprasčiausiai pakeisdami sudėtingos konfigūracijos sienas plokščia siena. Kartais, remiantis įvertinimu, vienas ar kitas variantas yra atmetamas, neskiriant daugiau laiko jo detaliam vystymui.

Kūno temperatūra tam tikrame taške X nustatoma pagal formulę:

t x = t w1 – (t w1 – t w2) × (x × d)

Požiūris λF/δ vadinamas sienos šilumos laidumu, o abipuse verte δ/λFšiluminė arba šiluminė sienos varža ir yra paskirta Rλ. Naudojant šiluminės varžos sąvoką, šilumos srauto skaičiavimo formulė gali būti pateikta taip:

Priklausomybė (11) yra panaši į įstatymą Om elektrotechnikoje (elektros srovės stipris lygus potencialų skirtumui, padalintam iš laidininko, kuriuo teka srovė, elektrinės varžos).

Labai dažnai šiluminė varža yra vertė δ/λ, kuri yra lygi plokščios sienos, kurios plotas yra 1, šiluminei varžai. m 2.

Skaičiavimo pavyzdžiai.

1 pavyzdys. Nustatykite šilumos srautą per 200 storio pastato betoninę sieną mm, aukštis H = 2,5 m ir ilgis 2 m, jei jo paviršių temperatūra yra: t с1= 20 0 C, t s2= - 10 0 C, o šilumos laidumo koeficientas λ =1 W/(m K):

= 750 W.

2 pavyzdys. Nustatykite 50 storio sienos medžiagos šilumos laidumo koeficientą mm, jei šilumos srauto tankis per jį q = 100 W/m 2, ir temperatūrų skirtumą ant paviršių Δt = 20 0 C.

W/(m K).

Daugiasluoksnė siena.

Formulė (10) taip pat gali būti naudojama šilumos srautui per sieną, susidedančią iš kelių ( n) glaudžiai vienas šalia kito esantys nepanašių medžiagų sluoksniai (3 pav.), pvz., cilindro galvutė, tarpinė ir cilindrų blokas iš skirtingų medžiagų ir kt.

3 pav. Temperatūros pasiskirstymas išilgai daugiasluoksnės plokščios sienos storio.

Tokios sienos šiluminė varža lygi atskirų sluoksnių šiluminių varžų sumai:

(12)

(12) formulėje reikia pakeisti temperatūrų skirtumą tuose taškuose (paviršiuose), tarp kurių "įtraukiamos" visos suminės šiluminės varžos, t.y. tokiu atveju: t w1 Ir t w(n+1):

, (13)

Kur i- sluoksnio numeris.

Stacionariu režimu savitasis šilumos srautas per daugiasluoksnę sienelę yra pastovus ir vienodas visiems sluoksniams. Iš (13) seka:

. (14)

Iš (14) lygties matyti, kad daugiasluoksnės sienos bendra šiluminė varža yra lygi kiekvieno sluoksnio varžų sumai.

Formulę (13) galima lengvai gauti užrašant temperatūrų skirtumą pagal (10) formulę kiekvienam iš P daugiasluoksnės sienos sluoksnių ir viską pridedant P išraiškos atsižvelgiant į tai, kad visuose sluoksniuose K turi tą pačią reikšmę. Sudėjus kartu, visos tarpinės temperatūros sumažės.

Temperatūros pasiskirstymas kiekviename sluoksnyje yra tiesinis, tačiau skirtinguose sluoksniuose temperatūros priklausomybės nuolydis skiriasi, nes pagal (7) formulę ( dt/dx)i = - q/λ i. Šilumos srauto, einančio per visus sluoksnius, tankis stacionariame režime yra vienodas, tačiau skiriasi sluoksnių šilumos laidumo koeficientas, todėl temperatūra smarkiau kinta sluoksniuose, kurių šilumos laidumas mažesnis. Taigi 4 pav. pavaizduotame pavyzdyje antrojo sluoksnio medžiaga (pavyzdžiui, tarpinė) turi mažiausią šilumos laidumą, o trečio sluoksnio – didžiausią.

Skaičiuodami šilumos srautą per daugiasluoksnę sieną, galime nustatyti temperatūros kritimą kiekviename sluoksnyje naudodami ryšį (10) ir rasti temperatūras visų sluoksnių ribose. Tai labai svarbu naudojant kaip šilumos izoliatorius medžiagas, kurių leistina temperatūra yra ribota.

Sluoksnių temperatūra nustatoma pagal šią formulę:

t sl1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)

t sl2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)

Kontaktinė šiluminė varža. Išvedant daugiasluoksnės sienos formules, buvo daroma prielaida, kad sluoksniai yra glaudžiai greta vienas kito, o dėl gero kontakto skirtingų sluoksnių besiliečiančių paviršių temperatūra yra vienoda. Idealiai sandarus atskirų daugiasluoksnės sienos sluoksnių kontaktas pasiekiamas, jei vienas iš sluoksnių yra padengiamas kitam sluoksniui skystoje būsenoje arba tekančio tirpalo pavidalu. Kietieji kūnai liečiasi vienas su kitu tik šiurkštumo profilių viršūnėse (4 pav.).

Viršūnių kontaktinis plotas yra nežymiai mažas, o visas šilumos srautas eina per oro tarpą ( h). Taip sukuriama papildoma (kontaktinė) šiluminė varža R iki. Šiluminio kontakto varžos gali būti nustatomos nepriklausomai, naudojant atitinkamus empirinius ryšius arba eksperimentiškai. Pavyzdžiui, tarpo šiluminė varža 0,03 mm maždaug atitinka plieno sluoksnio šiluminę varžą apie 30 mm.

4 pav. Dviejų šiurkščių paviršių kontaktų vaizdas.

Šiluminio kontakto varžos mažinimo metodai. Bendrą kontakto šiluminę varžą lemia apdorojimo švara, apkrova, terpės šilumos laidumas, besiliečiančių dalių medžiagų šilumos laidumo koeficientai ir kiti veiksniai.

Didžiausias efektyvumas mažinant šiluminę varžą pasiekiamas į kontaktinę zoną įvedant terpę, kurios šilumos laidumas artimas metalo šilumos laidumui.

Yra šios galimybės užpildyti kontaktinę zoną medžiagomis:

Minkšto metalo tarpiklių naudojimas;

Miltelių pavidalo medžiagos, turinčios gerą šilumos laidumą, įvedimas į kontaktinę zoną;

klampios medžiagos, turinčios gerą šilumos laidumą, įvedimas į zoną;

Tarpo tarp šiurkštumo iškyšų užpildymas skystu metalu.

Geriausi rezultatai gauti kontaktinę zoną užpildant išlydyta skarda. Tokiu atveju kontakto šiluminė varža tampa praktiškai lygi nuliui.

Cilindrinė sienelė.

Labai dažnai aušinimo skysčiai juda vamzdžiais (cilindriais), reikia apskaičiuoti šilumos srautą, perduodamą per cilindrinę vamzdžio (cilindro) sienelę. Šilumos perdavimo per cilindrinę sienelę (su žinomomis ir pastoviomis temperatūromis vidiniame ir išoriniame paviršiuose) problema taip pat yra vienmatė, jei ji nagrinėjama cilindrinėmis koordinatėmis (4 pav.).

Temperatūra keičiasi tik vamzdžio spinduliu ir išilgai l ir išilgai jo perimetro išlieka nepakitęs.

Šiuo atveju šilumos srauto lygtis yra tokia:

. (15)

Priklausomybė (15) rodo, kad per cilindro sienelę perduodamos šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas šilumos laidumo koeficientui λ , vamzdžio ilgis l ir temperatūros skirtumas ( t w1 - t w2) ir atvirkščiai proporcingas cilindro išorinio skersmens santykio natūraliajam logaritmui d 2 iki jo vidinio skersmens d 1.

Ryžiai. 4. Temperatūros pokytis išilgai vieno sluoksnio cilindrinės sienelės storio.

At λ = const temperatūros pasiskirstymas per spindulį r vieno sluoksnio cilindrinės sienos paklūsta logaritminiam dėsniui (4 pav.).

Pavyzdys. Kiek kartų sumažinami šilumos nuostoliai per pastato sieną, jei tarp dviejų sluoksnių yra 250 storių plytų? mm sumontuokite 50 storio putplasčio trinkelę mm. Šilumos laidumo koeficientai yra atitinkamai lygūs: λ plyta . = 0,5 W/(m K); λ rašiklis. . = 0,05 W/(m K).