İnşaatın ölçeği ne olursa olsun ilk adım bir proje geliştirmektir. Çizimler sadece yapının geometrisini değil aynı zamanda ana termal özelliklerin hesaplanmasını da yansıtmaktadır. Bunu yapmak için yapı malzemelerinin ısı iletkenliğini bilmeniz gerekir. İnşaatın temel amacı, aşırı ısınma maliyeti olmadan dayanıklı, dayanıklı, konforlu yapılar inşa etmektir. Bu bakımdan malzemelerin ısıl iletkenlik katsayılarının bilinmesi son derece önemlidir.
Tuğla daha iyi ısı iletkenliğine sahiptir
Göstergenin özellikleri
Termal iletkenlik terimi, termal enerjinin daha fazla ısıtılan nesnelerden daha az ısıtılan nesnelere aktarılmasını ifade eder. Değişim sıcaklık dengesi oluşana kadar devam eder.
Isı transferi, odalardaki sıcaklığın ortam sıcaklığına uygun olduğu sürenin uzunluğuna göre belirlenir. Bu aralık ne kadar küçük olursa, yapı malzemesinin ısı iletkenliği o kadar büyük olur.
Isı iletkenliğini karakterize etmek için, şu veya bu yüzey alanından şu veya bu zamanda ne kadar ısının geçtiğini gösteren ısı iletkenlik katsayısı kavramı kullanılır. Bu gösterge ne kadar yüksek olursa, ısı değişimi o kadar büyük olur ve bina çok daha hızlı soğur. Bu nedenle yapıların inşasında minimum ısı iletkenliğine sahip yapı malzemelerinin kullanılması tavsiye edilir.
Bu videoda yapı malzemelerinin ısı iletkenliği hakkında bilgi edineceksiniz:
Isı kaybı nasıl belirlenir
Isının kaçtığı binanın ana elemanları:
- kapılar (%5-20);
- cinsiyet (%10-20);
- çatı (%15-25);
- duvarlar (%15-35);
- pencereler (%5-15).
Isı kaybının seviyesi bir termal görüntüleme cihazı kullanılarak belirlenir. Kırmızı en zor alanları, sarı ve yeşil ise daha az ısı kaybını gösterir. En az kaybın olduğu alanlar mavi renkle vurgulanır. Isıl iletkenlik değeri laboratuvar koşullarında belirlenerek malzemeye kalite belgesi verilmektedir.
Isı iletkenliğinin değeri aşağıdaki parametrelere bağlıdır:
- Gözeneklilik. Gözenekler yapının heterojenliğini gösterir. Isı içlerinden geçtiğinde soğutma minimum düzeyde olacaktır.
- Nem. Yüksek nem seviyesi, kuru havanın gözeneklerden sıvı damlacıkları ile yer değiştirmesine neden olur, bu nedenle değer birçok kez artar.
- Yoğunluk. Daha yüksek yoğunluk, daha aktif parçacık etkileşimini teşvik eder. Sonuç olarak ısı değişimi ve sıcaklık dengeleme daha hızlı gerçekleşir.
Isıl iletkenlik katsayısı
Bir evde ısı kaybı kaçınılmazdır ve dışarıdaki sıcaklık içeriden daha düşük olduğunda meydana gelir. Yoğunluk değişkendir ve birçok faktöre bağlıdır; başlıcaları şunlardır:
- Isı değişiminde yer alan yüzeylerin alanı.
- Yapı malzemeleri ve yapı elemanlarının ısıl iletkenlik göstergesi.
- Sıcaklık farkı.
Yunan harfi λ, yapı malzemelerinin ısıl iletkenliğini belirtmek için kullanılır. Ölçü birimi – W/(m×°C). Hesaplama 1 m² 1 metre kalınlığındaki duvar için yapılır. Burada 1°C'lik bir sıcaklık farkı varsayılmıştır.
Vaka Analizi
Geleneksel olarak malzemeler ısı yalıtımı ve yapısal olarak ikiye ayrılır. İkincisi en yüksek ısı iletkenliğine sahiptir; duvarlar, tavanlar ve diğer çitlerin yapımında kullanılırlar. Malzeme tablosuna göre betonarme duvarlar yapılırken çevreyle düşük ısı alışverişi sağlamak için kalınlıkları yaklaşık 6 m olmalıdır. yapı hantal ve pahalı olacak.
Tasarım sırasında termal iletkenlik yanlış hesaplanırsa, gelecekteki evin sakinleri enerji kaynaklarından gelen ısının yalnızca% 10'undan memnun olacaktır. Bu nedenle standart yapı malzemelerinden yapılmış evlerin ek olarak yalıtılması tavsiye edilir.
Yalıtımı uygun şekilde su geçirmez hale getirirken, yüksek nem, ısı yalıtımının kalitesini etkilemez ve yapının ısı transferine karşı direnci çok daha yüksek olacaktır.
En iyi seçenek yalıtım kullanmaktır
En yaygın seçenek, yüksek mukavemetli malzemelerden yapılmış destekleyici yapının ek ısı yalıtımıyla birleşimidir. Örneğin:
- Çerçeve evi. Yalıtım saplamaların arasına yerleştirilir. Bazen ısı transferinde hafif bir azalma ile ana çerçevenin dışında ek yalıtım gerekebilir.
- Standart malzemelerden inşaat. Duvarlar tuğla veya cüruf blok olduğunda yalıtım dışarıdan yapılır.
Dış duvarlar için yapı malzemeleri
Günümüzde duvarlar farklı malzemelerden inşa ediliyor ancak en popüler olanları ahşap, tuğla ve yapı blokları. Temel farklar yapı malzemelerinin yoğunluğu ve ısıl iletkenliğindedir. Karşılaştırmalı analiz, bu parametreler arasındaki ilişkide bir orta yol bulmamızı sağlar. Yoğunluk arttıkça malzemenin ve dolayısıyla tüm yapının yük taşıma kapasitesi de artar. Ancak termal direnç azalır, yani enerji maliyetleri artar. Genellikle düşük yoğunluklarda gözeneklilik vardır.
Isı iletkenlik katsayısı ve yoğunluğu.
Duvarlar için yalıtım
Dış duvarların ısıl direncinin yeterli olmadığı durumlarda yalıtım malzemeleri kullanılır. Tipik olarak, konforlu bir iç mekan mikro iklimi oluşturmak için 5-10 cm kalınlık yeterlidir.
λ katsayısının değeri aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Termal iletkenlik, bir malzemenin ısıyı kendi içinden iletme yeteneğini ölçer. Büyük ölçüde bileşime ve yapıya bağlıdır. Metaller ve taş gibi yoğun malzemeler ısıyı iyi iletirken, gaz ve gözenekli yalıtım gibi düşük yoğunluklu maddeler zayıf iletkenlerdir.
Bir maddenin ısıl iletkenliğini incelemek için iki grup yöntem kullanılır: sabit ve sabit olmayan.
Durağan yöntemlerin teorisi daha basit ve daha kapsamlıdır. Ancak durağan olmayan yöntemler, prensip olarak, ısıl iletkenlik katsayısına ek olarak, ısıl yayılma katsayısı ve ısı kapasitesi hakkında bilgi elde etmeyi mümkün kılar. Bu nedenle son zamanlarda maddelerin termofiziksel özelliklerinin belirlenmesine yönelik durağan olmayan yöntemlerin geliştirilmesine büyük önem verilmektedir.
Maddelerin ısıl iletkenliğini belirlemeye yönelik bazı sabit yöntemler burada tartışılmaktadır.
A) Düz katman yöntemi. Düz bir katmandan tek boyutlu bir ısı akışı için termal iletkenlik katsayısı aşağıdaki formülle belirlenir:
Nerede D- kalınlık, T 1 ve T 2 - numunenin "sıcak" ve "soğuk" yüzeyinin sıcaklıkları.
Bu yöntemi kullanarak termal iletkenliği incelemek için tek boyutluya yakın bir ısı akışı oluşturmak gerekir.
Tipik olarak, sıcaklıklar numunenin yüzeyinde değil, onlardan belirli bir mesafede ölçülür (bkz. Şekil 2), bu nedenle, ısıtıcı ve soğutucu katmandaki sıcaklık farkı için ölçülen sıcaklık farkına düzeltmeler eklemek gerekir. kontakların termal direncini en aza indirin.
Sıvıları incelerken konveksiyon olayını ortadan kaldırmak için sıcaklık gradyanının yerçekimi alanı boyunca (aşağıya) yönlendirilmesi gerekir.
Pirinç. 2. Isı iletkenliğini ölçmek için düz katman yöntemlerinin şeması.
1 – incelenmekte olan örnek; 2 – ısıtıcı; 3 – buzdolabı; 4, 5 – yalıtım halkaları; 6 – güvenlik ısıtıcıları; 7 – termokupllar; 8, 9 – diferansiyel termokupllar.
b) Jaeger yöntemi. Yöntem, elektrik akımıyla ısıtılan bir çubuk boyunca ısının yayılmasını tanımlayan tek boyutlu bir ısı denkleminin çözülmesine dayanmaktadır. Bu yöntemi kullanmanın zorluğu, numunenin dış yüzeyinde ısı akışının tek boyutluluğunu ihlal eden katı adyabatik koşullar yaratmanın imkansızlığıdır.
Hesaplama formülü şöyle görünür:
(14)
Nerede S- test numunesinin elektriksel iletkenliği, sen– çubuğun uçlarındaki uç noktalar arasındaki voltaj düşüşü, D.T.– Çubuğun ortası ile çubuğun ucundaki nokta arasındaki sıcaklık farkı.
Pirinç. 3. Jaeger yönteminin şeması.
1 – elektrikli fırın; 2 – örnek; 3 - numuneyi sabitlemek için muylular; T 1 ¸ T 6 – termokuplların kapatıldığı yerler.
Bu yöntem elektriksel olarak iletken malzemelerin incelenmesinde kullanılır.
V) Silindirik katman yöntemi.İncelenen sıvı (yığın malzeme), eş eksenli olarak yerleştirilmiş iki silindirin oluşturduğu silindirik bir tabakayı doldurur. Silindirlerden biri, çoğunlukla iç olan, bir ısıtıcıdır (Şekil 4).
Şekil 4. Silindirik katman yönteminin şeması
1 - iç silindir; 2 - ana ısıtıcı; 3 - test maddesinin katmanı; 4 – dış silindir; 5 - termokupllar; 6 – güvenlik silindirleri; 7 - ek ısıtıcılar; 8 - vücut.
Dış ve iç yüzeylerinin sıcaklığı sabit ve T 1 ve T 2'ye eşit tutulan silindirik bir duvardaki sabit ısı iletkenlik sürecini daha ayrıntılı olarak ele alalım (bizim durumumuzda bu, maddenin tabakasıdır) çalışma kapsamında 5). Silindirik duvarın iç çapının d 1 = 2r 1, dış çapının d 2 = 2r 2, l = sabit olması ve ısının sadece radyal yönde yayılması koşuluyla duvardan geçen ısı akışını hesaplayalım.
Sorunu çözmek için denklem (12)'yi kullanıyoruz. Silindirik koordinatlarda, ne zaman 
; (1O)’ya göre denklem (12) şu şekli alır:
. (15)
Gösterimi tanıtalım dT/doktor= 0, şunu elde ederiz
Bu ifadeyi entegre edip kuvvetlendirdikten sonra orijinal değişkenlere geçerek şunu elde ederiz:
. (16)
Bu denklemden de görülebileceği gibi T=f(r) bağımlılığı logaritmiktir.
Entegrasyon sabitleri C 1 ve C 2, sınır koşulları bu denklemde yerine konulursa belirlenebilir:
en r=r 1 T = T 1 Ve T1 =C1 içinde r1 +C2,
en r=r2 T=T2 Ve T2 =C1 içinde r2 +C2.
Bu denklemlerin çözümü şuna göredir: İLE 1 ve C2 verir:
; 
Bunun yerine bu ifadeleri değiştirmek C1 Ve C2(1b) denklemine girersek, şunu elde ederiz:
(17)
yarıçaplı silindirik bir yüzey alanı boyunca ısı akışı R ve uzunluk Fourier yasası kullanılarak belirlenir (5)
.
Değiştirmeden sonra elde ederiz
. (18)
Bilinen değerler için ısıl iletkenlik katsayısı l Q, T 1 , T 2 , D 1 , D 2, formülle hesaplanır
. (19)
Konveksiyonu engellemek için (sıvı durumunda), silindirik tabakanın küçük bir kalınlığa, genellikle bir milimetrenin kesirine sahip olması gerekir.
Silindirik katman yönteminde son kayıpların azaltılması, / oranının arttırılmasıyla sağlanır. D ve güvenlik ısıtıcıları.
G) Sıcak tel yöntemi. Bu yöntemde ilişki / D azalmaya bağlı olarak artar D. İç silindirin yerine hem ısıtıcı hem de dirençli termometre olan ince bir tel yerleştirilmiştir (Şekil 5). Tasarımın göreceli basitliği ve teorinin ayrıntılı gelişimi sonucunda, ısıtmalı tel yöntemi en gelişmiş ve doğru yöntemlerden biri haline gelmiştir. Sıvıların ve gazların ısıl iletkenliğine ilişkin deneysel çalışmaların uygulanmasında lider bir yer tutar.
Pirinç. 5. Isıtılmış tel yöntemi kullanılarak yapılmış bir ölçüm hücresinin diyagramı. 1 – ölçüm teli, 2 – tüp, 3 – test maddesi, 4 – akım uçları, 5 – potansiyel uçları, 6 – harici termometre.
AB bölümünden gelen tüm ısı akışının radyal olarak uzanması ve T 1 – T 2 sıcaklık farkının büyük olmaması koşuluyla, bu sınırlar dahilinde l = sabit olarak kabul edilebilir, maddenin ısıl iletkenlik katsayısı formülle belirlenir.
, (20)
Nerede Q AB = T×U AB tel üzerinde salınan güçtür.
D) Top yöntemi. Sıvıların ve dökme malzemelerin ısıl iletkenliğini inceleme pratiğinde uygulama bulur. İncelenen maddeye, prensip olarak kontrolsüz ısı kaybını ortadan kaldıran küresel bir tabaka şekli verilmiştir. Teknik olarak bu yöntem oldukça karmaşıktır.
İşin amacı: Katsayının deneysel olarak belirlenmesine yönelik metodolojinin incelenmesi
Katı malzemelerin plaka yöntemiyle ısıl iletkenliği.
Egzersiz yapmak:1. İncelenen malzemenin ısıl iletkenlik katsayısını belirleyin.
2. Isıl iletkenlik katsayısının sıcaklığa bağımlılığını belirleyin
incelenmekte olan materyal.
TEMEL HÜKÜMLER.
Isı değişimi sıcaklık farkının varlığında uzayda kendiliğinden geri dönüşü olmayan bir ısı transferi sürecidir. Fiziksel doğaları bakımından önemli ölçüde farklılık gösteren üç ana ısı transfer yöntemi vardır:
termal iletkenlik;
konveksiyon;
termal radyasyon.
Uygulamada, ısı, kural olarak, aynı anda birkaç yolla aktarılır, ancak bu süreçlere ilişkin bilgi, ısı transferinin temel süreçlerini incelemeden mümkün değildir.
Termal iletkenlik mikropartiküllerin termal hareketinden kaynaklanan ısı transferi sürecidir. Gazlarda ve sıvılarda, termal iletkenlik yoluyla ısı transferi, atomların ve moleküllerin difüzyonu yoluyla gerçekleşir. Katılarda atomların ve moleküllerin maddenin tüm hacmi boyunca serbest hareketi imkansızdır ve yalnızca belirli denge konumlarına göre titreşim hareketlerine indirgenir. Bu nedenle, katılarda termal iletkenlik süreci, salınan parçacıklar arasındaki kuvvet alanlarının bozulması nedeniyle vücut hacmi boyunca yayılan bu salınımların genliğindeki bir artıştan kaynaklanır. Metallerde, termal iletkenlik yoluyla ısı transferi, yalnızca kristal kafesin düğümlerinde bulunan iyonların ve atomların titreşimleri nedeniyle değil, aynı zamanda "elektron gazı" olarak adlandırılan serbest elektronların hareketi nedeniyle de meydana gelir. Serbest elektron formundaki ek termal enerji taşıyıcılarının metallerdeki varlığı nedeniyle, metallerin termal iletkenliği katı dielektriklerden önemli ölçüde daha yüksektir.
Isıl iletkenlik sürecini incelerken aşağıdaki temel kavramlar kullanılır:
Isı miktarı (Q ) – tüm süreç boyunca rastgele bir F alanının yüzeyinden geçen termal enerji. SI sisteminde joule (J) cinsinden ölçülür.
Isı akışı (termal güç) (Q) - F'nin herhangi bir alanının yüzeyinden birim zamanda geçen ısı miktarı.
SI sisteminde ısı akışı watt (W) cinsinden ölçülür.
Isı akısı yoğunluğu (Q) – birim yüzeyden birim zamanda geçen ısı miktarı.
SI sisteminde W/m2 cinsinden ölçülür.
Sıcaklık alanı- bir cismin kapladığı alanın tüm noktalarında belirli bir anda bir dizi sıcaklık değeri. Sıcaklık alanının tüm noktalarındaki sıcaklık zamanla değişmiyorsa, böyle bir alana denir. sabit, eğer değişirse, o zaman – sabit olmayan.
Sıcaklıkları aynı olan noktaların oluşturduğu yüzeylere denir. izotermal.
Sıcaklık gradyanı (mezunT) - normal boyunca izotermal yüzeye artan sıcaklık yönünde yönlendirilen ve sayısal olarak iki izotermal yüzey arasındaki sıcaklık değişiminin, bu mesafe sıfıra yaklaştığında normal boyunca aralarındaki mesafeye oranının sınırı olarak tanımlanan bir vektör. Veya başka bir deyişle sıcaklık gradyanı sıcaklığın bu yönde türevidir.
Sıcaklık gradyanı izotermal yüzeye dik yöndeki sıcaklık değişim hızını karakterize eder.
Termal iletkenlik süreci, termal iletkenliğin temel yasası ile karakterize edilir - Fourier yasası(1822). Bu yasaya göre, termal iletkenlik yoluyla iletilen ısı akısı yoğunluğu, sıcaklık gradyanı ile doğru orantılıdır:
burada maddenin ısıl iletkenlik katsayısıdır, W/(mderece).
(-) işareti ısı akışının ve sıcaklık eğiminin zıt yönde olduğunu gösterir.
Isıl iletkenlik katsayısı sıcaklık gradyanı bire eşit olan birim yüzeyden birim zamanda ne kadar ısı aktarıldığını gösterir.
Isıl iletkenlik katsayısı, bir malzemenin önemli bir termofiziksel özelliğidir ve binaların ve yapıların kapalı yapıları, makine ve aparatların duvarları, ısı yalıtımının hesaplanması ile ilgili ısı kayıplarının belirlenmesi ile ilgili termal hesaplamalar yapılırken bunun bilgisi gereklidir. diğer birçok mühendislik problemini çözüyor.
Isıl iletkenliğin bir diğer önemli yasası ise Fourier-Kirchhoff yasası termal iletkenlik sırasında uzay ve zamandaki sıcaklık değişikliklerinin doğasını belirleyen. Diğer adı ise diferansiyel ısı denklemiçünkü Fourier yasasına dayanan matematiksel analiz teorisinin yöntemleriyle elde edildi. 3 boyutlu sabit olmayan bir sıcaklık alanı için termal iletkenliğin diferansiyel denklemi aşağıdaki forma sahiptir:
,
Nerede 
- malzemenin termal atalet özelliklerini karakterize eden termal yayılma katsayısı,
,C p , - sırasıyla termal iletkenlik katsayısı, izobarik ısı kapasitesi ve maddenin yoğunluğu;
- Laplace operatörü.
Tek boyutlu sabit sıcaklık alanı için ( 
) termal iletkenliğin diferansiyel denklemi basit bir form alır
Denklemler (1) ve (2)'nin entegrasyonuyla, vücuttan geçen ısı akısı yoğunluğunu ve iletim yoluyla ısı transferi sırasında vücut içindeki sıcaklık değişimi yasasını belirlemek mümkündür. Çözüm elde etmek için bir görev gereklidir belirsizlik koşulları.
Benzersizlik Koşulları– bu, söz konusu sorunu karakterize eden ek özel verilerdir. Bunlar şunları içerir:
Vücudun şeklini ve boyutunu karakterize eden geometrik koşullar;
Vücudun fiziksel özelliklerini karakterize eden fiziksel koşullar;
zamanın ilk anında sıcaklık dağılımını karakterize eden geçici (başlangıç) koşullar;
Vücudun sınırlarındaki ısı alışverişinin özelliklerini karakterize eden sınır koşulları. 1., 2. ve 3. tür sınır koşulları vardır.
Şu tarihte: 1. tür sınır koşulları sıcaklıkların vücut yüzeyindeki dağılımı belirlenir. Bu durumda vücuttan geçen ısı akısı yoğunluğunun belirlenmesi gerekir.
Şu tarihte: 2. tür sınır koşullarıısı akısı yoğunluğu ve vücudun yüzeylerinden birinin sıcaklığı belirtilir. Başka bir yüzeyin sıcaklığının belirlenmesi gerekir.
3. tür sınır koşulları altında Vücudun yüzeyleri ile onları dışarıda yıkayan ortam arasındaki ısı transferinin koşulları bilinmelidir. Bu verilerden ısı akısı yoğunluğu belirlenir. Bu durum, iletim ve konveksiyon yoluyla ısı transferinin birleşik sürecini ifade eder. ısı transferi.
Düz bir duvardan ısı iletimi durumuna ilişkin en basit örneği ele alalım. Düz kalınlığı diğer iki boyutundan (uzunluk ve genişlik) önemli ölçüde daha az olan bir duvar denir. Bu durumda teklik koşulları şu şekilde belirtilebilir:
geometrik: duvar kalınlığı bilinmektedir. Sıcaklık alanı tek boyutlu olduğundan sıcaklık yalnızca X ekseni yönünde değişir ve ısı akışı duvar yüzeylerine dik olarak yönlendirilir;
fiziksel: duvar malzemesi ve ısı iletkenlik katsayısı biliniyor ve tüm gövde için =sabit;
geçici: sıcaklık alanı zamanla değişmez; sabittir;
sınır koşulları: 1. tür, duvar sıcaklıkları T 1 ve T 2'dir.
Duvar kalınlığı T=f(X) boyunca sıcaklık değişimi kanununun ve duvarq boyunca ısı akısı yoğunluğunun belirlenmesi gerekmektedir.
Sorunu çözmek için (1) ve (3) denklemlerini kullanıyoruz. Kabul edilen sınır koşullarını hesaba katarak (x=0T=T 1'de; x=T=T 2'de), denklem (3)'ün çift entegrasyonundan sonra, duvar kalınlığı boyunca sıcaklık değişimi yasasını elde ederiz.
,
Düz bir duvardaki sıcaklık dağılımı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1. Düz bir duvarda sıcaklık dağılımı.
Isı akısı yoğunluğu daha sonra ifadeye göre belirlenir.
,
Isıl iletkenlik katsayısının teorik olarak belirlenmesi, modern mühendislik uygulamaları için gerekli olan sonucun doğruluğunu veremez, bu nedenle tek güvenilir yol, deneysel olarak belirlenmesidir.
'yi belirlemek için iyi bilinen deneysel yöntemlerden biri düz katman yöntemi. Bu yönteme göre düz duvarlı bir malzemenin ısıl iletkenlik katsayısı denklem (5)'e göre belirlenebilir.
;
Bu durumda elde edilen ısıl iletkenlik katsayısı değeri T m = 0,5 (T 1 + T 2) ortalama sıcaklığına karşılık gelir.
Fiziksel basitliğine rağmen, bu yöntemin pratik uygulamasının, incelenen numunelerde tek boyutlu sabit bir sıcaklık alanı oluşturmanın ve ısı kayıplarını hesaba katmanın zorluğundan kaynaklanan kendi zorlukları vardır.
LABORATUVAR STANDININ TANIMI.
Isıl iletkenlik katsayısının belirlenmesi, gerçek fiziksel süreçlerin simülasyon yöntemine dayanan bir laboratuvar kurulumunda gerçekleştirilir. Kurulum, monitör ekranında görüntülenen çalışma alanının düzenine bağlı bir bilgisayardan oluşur. Çalışma alanı gerçeğine benzetilerek oluşturulmuş olup diyagramı Şekil 1’de sunulmuştur. 2.
İncir. 2. Kurulum çalışma alanının şeması
Çalışma bölümü, = 5 mm kalınlığında ve d = 140 mm çapında diskler şeklinde yapılmış 2 floroplastik numuneden (12) oluşur. Numuneler, yüksekliği h = 12 mm ve çapı dn = 146 mm olan bir ısıtıcı (10) ile suyla soğutulan bir buzdolabı (11) arasına yerleştirilir. Isı akışının oluşturulması, R = 41 Ohm elektrik direncine sahip bir ısıtma elemanı ve soğutma suyunun yönlendirilmiş sirkülasyonu için spiral oluklara sahip bir buzdolabı (11) tarafından gerçekleştirilir. Böylece, incelenen floroplastik numunelerden geçen ısı akışı, buzdolabının içinden akan su tarafından taşınmaktadır. Isıtıcıdan gelen ısının bir kısmı uç yüzeylerden çevreye kaçar, dolayısıyla bu radyal kayıpları azaltmak için asbestli çimentodan yapılmış bir termal yalıtım kasası (13) sağlanır (k = 0,08 W/(m°derece)). Yüksekliği h k = 22 mm olan kasa, iç çapı d h = 146 mm ve dış çapı d k = 190 mm olan içi boş bir silindir şeklinde yapılmıştır. Sıcaklık yedi adet Chromel-Copel termokupl (XK tipi) konum kullanılarak ölçülür. 1…7, çalışma alanının çeşitli noktalarına kurulur. Sıcaklık sensörü anahtarı 15, yedi sıcaklık sensörünün tamamının termo-EMF'sini sırayla ölçmenize olanak tanır. Isı yalıtımlı mahfazanın dış yüzeyine, içindeki ısı sızıntılarını belirlemek için termokupl 7 monte edilir.
İŞ SIRASI.
3.1. Tesisatın sıcaklık çalışma modu, Tg plakalarının sıcak yüzeyinin sıcaklığının 35°C ila 120°C aralığına ayarlanmasıyla seçilir.
3.2. Kurulum konsolu üzerinde elektrikli ısıtıcı U üzerindeki voltajı kaydeden gösterge cihazlarının güç anahtarları, E sıcaklık sensörlerinin termo-EMF'si ve ısıtma anahtarı sırayla açılır.
3.3. Reosta düğmesinin düzgün bir şekilde döndürülmesiyle ısıtıcıda istenilen voltaj ayarlanır. Reostat kademeli bir versiyonda yapılmıştır, bu nedenle voltaj kademeli olarak değişir. Gerilim U ve sıcaklık Tg, Şekil 3'te sunulan bağımlılığa göre birbirine uygun olmalıdır.
Şek. 3. Çalışma ısıtma bölgesi.
3.4. Anahtar 15'i kullanarak sıcaklık sensörlerini sırayla sorgulayarak, U değeriyle birlikte deney protokolüne girilen yedi termokuplun termo-EMF değerleri belirlenir (bkz. Tablo 1). Okumaların kaydı, kontrol panelindeki okumaları PC monitöründe kopyalanan gösterge cihazları kullanılarak gerçekleştirilir.
3.5. Deneyin sonunda tesisin tüm düzenleyici organları orijinal konumlarına aktarılır.
3.6. Tekrarlanan deneyler (toplam sayıları en az 3 olmalıdır) ve diğer Tg değerlerinde paragraflarda belirtildiği şekilde gerçekleştirilir. 3.1…3.5.
ÖLÇÜM SONUÇLARININ İŞLENMESİ.
4.1. Chromel-Copel termokuplunun kalibrasyon karakteristiğine göre sıcaklık sensörlerinin okumaları 
Kelvin ölçeğinde dereceye dönüştürülür. 
.
4.2. Numunelerin iç sıcak ve dış soğuk yüzeylerinin ortalama sıcaklıkları belirlenir.
burada i termokupl numarasıdır.
4.3. Elektrikli ısıtıcının ürettiği toplam ısı akısı belirlenir
, W
burada U elektrik akımı voltajıdır, V;
R= 41 Ohm – elektrikli ısıtıcının direnci.
4.4. Muhafazadan ısı transferi sonucu kaybedilen ısı akısı belirlenir
burada k, mahfazadan ısı transfer sürecini karakterize eden bir katsayıdır.
, W/(m 2 derece)
burada k = 0,08 W/(mdeg) – mahfaza malzemesinin ısıl iletkenlik katsayısı;
d n = 0,146 m – ısıtıcının dış çapı;
dк = 0,190 m – mahfazanın dış çapı;
h n = 0,012 m – ısıtıcı yüksekliği;
h k = 0,022 m – kasa yüksekliği.
T t – 7. termokupl tarafından belirlenen kasanın dış yüzeyinin sıcaklığı
4.5. İncelenen numunelerden geçen ısı akışı, termal iletkenlik ile belirlenir.
, W
4.6. İncelenen malzemenin ısıl iletkenlik katsayısı belirlenir
, W/(mderece) 
burada Q , termal iletkenlik yoluyla test numunesinden geçen ısı akışıdır, W;
= 0,005 m – numune kalınlığı;
- bir numunenin yüzey alanı, m2;
d= 0,140 m – numune çapı;
T g, T x – sırasıyla numunenin sıcak ve soğuk yüzeylerinin sıcaklıkları, K.
4.7. Isıl iletkenlik katsayısı sıcaklığa bağlıdır, bu nedenle elde edilen değerler numunenin ortalama sıcaklığına karşılık gelir
Deneysel verilerin işlenmesinin sonuçları Tablo 1'e girilmiştir.
tablo 1
Ölçüm sonuçları ve deneysel verilerin işlenmesi
|
Termokupl okumaları, mV/K | ||||||||||||||
|
e 1 | ||||||||||||||
4.8. Elde edilen sonuçların işlenmesinde grafik-analitik yöntemi kullanarak, incelenen malzemenin ısıl iletkenlik katsayısının T m numunesinin ortalama sıcaklığına bağımlılığını şu şekilde elde ederiz:
burada 0 ve b- bağımlılık grafiğinin analizine dayalı olarak grafiksel olarak belirlenir =f(T m).
KONTROL SORULARI
Isı transferinin ana yöntemleri nelerdir?
Isı iletkenliği nedir?
İletkenlerde ve katı dielektriklerde termal iletkenlik mekanizmasının özellikleri nelerdir?
Isı iletimi sürecini hangi yasalar tanımlar?
Düz duvar nedir?
Sınır koşulları nelerdir?
Düz bir duvardaki sıcaklık değişiminin doğası nedir?
Isıl iletkenlik katsayısının fiziksel anlamı nedir?
Çeşitli malzemelerin ısıl iletkenlik katsayısını bilmek neden gereklidir ve değeri nasıl belirlenir?
Düz katman yönteminin metodolojik özellikleri nelerdir?
SERBEST TAŞIMA SIRASINDA ISI TRANSFERİNİN ÇALIŞMASI
İşin amacı: Isıtılmış bir yüzey etrafında enine ve boyuna akış durumları için serbest taşınım sırasındaki ısı transferi örneğini kullanarak taşınımla ısı transferi modellerini inceleyin. Deneysel sonuçları işleme ve bunları genelleştirilmiş bir biçimde sunma becerisi kazanır.
Egzersiz yapmak:
1. Serbest konveksiyon sırasında yatay bir silindirden ve dikey bir silindirden ortama ısı transfer katsayılarının deneysel değerlerini belirleyin.
2. Deneysel verileri işleyerek, yatay ve dikey yüzeye göre serbest konveksiyon sürecini karakterize eden kriter denklemlerinin parametrelerini elde edin.
TEMEL TEORİK HÜKÜMLER.
Fiziksel doğaları bakımından birbirinden önemli ölçüde farklı olan üç ana ısı transfer yöntemi vardır:
termal iletkenlik;
konveksiyon;
termal radyasyon.
Termal iletkenlik ile, termal enerjinin taşıyıcıları, termal radyasyon - elektromanyetik dalgalar ile maddenin mikropartikülleridir - atomlar ve moleküller.
Konveksiyon makroskobik miktardaki maddeyi uzayda bir noktadan diğerine taşıyarak ısıyı aktarmanın bir yoludur.
Bu nedenle, konveksiyon yalnızca akışkanlık özelliğine sahip ortamlarda (gazlar ve sıvılar) mümkündür. Isı transferi teorisinde genellikle şu terimle belirtilirler: "sıvı"Özellikle belirtilmediği sürece damlacık sıvılar ve gazlar arasında bir ayrım yapılmadan. Konveksiyon yoluyla ısı transferi sürecine genellikle termal iletkenlik eşlik eder. Bu süreç denir konvektif ısı değişimi.
Konvektif ısı transferi konveksiyon ve iletim yoluyla ısı transferinin kombine bir işlemidir.
Mühendislik uygulamalarında çoğunlukla katı bir cismin yüzeyi (örneğin, bir fırının duvarının yüzeyi, ısıtma cihazı vb.) ile bu yüzeyi çevreleyen bir akışkan arasındaki konvektif ısı alışverişi süreciyle ilgilenirler. Bu süreç denir ısı transferi.
Isı dağılımı– katı bir cismin (duvarın) yüzeyi ile onu çevreleyen akışkan arasında konvektif ısı alışverişinin özel bir durumu.
Ayırt etmek zorla ve özgür (doğal) konveksiyon.
Zorlanmış konveksiyonörneğin bir pompa, fan vb. tarafından zorla oluşturulan basınç kuvvetlerinin etkisi altında meydana gelir.
Serbest veya doğal taşınım farklı nitelikteki kütle kuvvetlerinin etkisi altında oluşur: yerçekimi, merkezkaç, elektromanyetik vb.
Dünya'da yerçekiminin etkisi altında serbest konveksiyon meydana gelir, bu yüzden buna denir. termal yerçekimsel konveksiyon. Bu durumda prosesin itici gücü, söz konusu hacim içindeki yoğunluk dağılımındaki heterojenliğin varlığında ortamda ortaya çıkan kaldırma kuvvetidir. Isı transferi sırasında, bu tür bir heterojenlik, ortamın ayrı ayrı elemanlarının farklı sıcaklıklarda olabilmesi nedeniyle ortaya çıkar. Bu durumda, ortamın daha ısıtılmış ve dolayısıyla daha az yoğun olan elemanları, kaldırma kuvvetinin etkisi altında yukarı doğru hareket edecek, onlarla ısıyı aktaracak ve ortamın daha soğuk ve dolayısıyla daha yoğun elemanları, ortama akacaktır. Şekil 2'de gösterildiği gibi boş alan. 1.
Pirinç. 1. Serbest konveksiyon sırasında bir sıvıdaki akışların hareketinin doğası
Bu yerde sabit bir ısı kaynağı bulunuyorsa, ısıtıldığında ortamın ısıtılan elemanlarının yoğunluğu azalacak ve ayrıca yukarı doğru yüzmeye başlayacaklardır. Yani ortamın bireysel unsurlarının yoğunluklarında farklılık olduğu sürece dolaşımları devam edecektir. serbest konveksiyon devam edecektir. Konvektif akışların gelişmesini hiçbir şeyin engellemediği, ortamın büyük hacimlerinde meydana gelen serbest taşınıma denir. sınırsız alanda serbest konveksiyon. Sınırsız bir alanda serbest konveksiyon, örneğin alan ısıtmada, sıcak su kazanlarında suyun ısıtılmasında ve diğer birçok durumda meydana gelir. Akışkan bir ortamla doldurulmuş kanalların veya katmanların duvarları konvektif akışların gelişmesini engelliyorsa, bu durumda işleme denir. sınırlı bir alanda serbest konveksiyon. Bu işlem, örneğin pencere çerçeveleri arasındaki hava boşluklarındaki ısı değişimi sırasında meydana gelir.
Konvektif ısı transferi sürecini tanımlayan temel yasa Newton-Richmann yasası. Isı transferinin sabit bir sıcaklık rejimi için analitik formda, aşağıdaki forma sahiptir:
,
Nerede 
- Temel bir zaman periyodunda verilen temel ısı miktarı 
temel yüzey alanından 
;
- duvar sıcaklığı;
- sıvı sıcaklığı;
- ısı transfer katsayısı.
Isı transfer katsayısı duvar ile sıvı arasındaki sıcaklık farkı bir derece olduğunda birim yüzeyden birim zamanda ne kadar ısı yayıldığını gösterir. SI sisteminde ısı transfer katsayısının ölçüm birimi W/m 2 ∙derecedir. Sürekli durağan bir süreçte, ısı transfer katsayısı aşağıdaki ifadeden belirlenebilir:
, W/m 2 ∙derece
Nerede 
- ısı akışı, W;
- ısı değişim yüzey alanı, m2;
- yüzey ile sıvı arasındaki sıcaklık farkı, derece.
Isı transfer katsayısı, duvar ile onu yıkayan sıvı arasındaki ısı alışverişinin yoğunluğunu karakterize eder. Konveksiyonla ısı transferi, fiziksel doğası gereği çok karmaşık bir süreçtir. Isı transfer katsayısı çok sayıda farklı parametreye bağlıdır - sıvının fiziksel özellikleri, sıvı akışının doğası, sıvı akışının hızı, kanalın boyutu ve şekli ve diğer birçok faktör. Bu bakımdan ısı transfer katsayısını teorik olarak bulmak için genel bir bağımlılık vermek mümkün değildir.
Isı transfer katsayısı en doğru ve güvenilir şekilde denklem (2) temel alınarak deneysel olarak belirlenebilir. Bununla birlikte, mühendislik uygulamasında, çeşitli teknik cihazlarda ısı transfer süreçlerini hesaplarken, kural olarak, karmaşıklık ve yüksek değer nedeniyle gerçek bir tam ölçekli nesne koşulları altında ısı transfer katsayısının değerini deneysel olarak belirlemek mümkün değildir. böyle bir deney kurmanın maliyeti. Bu durumda belirleme problemini çözmek kurtarmaya gelir. benzerlik teorisi.
Benzerlik teorisinin temel pratik önemi, laboratuvar koşullarında bir model üzerinde gerçekleştirilen tek bir deneyin sonuçlarının, model üzerinde çalışılan sürece benzer gerçek süreçlerin ve nesnelerin tüm sınıfına genelleştirilmesine izin vermesidir. Geometrik şekillerle ilgili olarak iyi bilinen benzerlik kavramı, herhangi bir fiziksel süreç ve olaya genişletilebilir.
Fiziksel fenomen sınıfı genel bir denklem sistemiyle tanımlanabilen ve aynı fiziksel yapıya sahip bir dizi olaydır.
Tek olay– bu, belirli benzersizlik koşulları (geometrik, fiziksel, başlangıç, sınır) ile ayırt edilen bir fiziksel fenomen sınıfının parçasıdır.
Benzer olaylar- bu koşullarda yer alan niceliklerin sayısal değerleri hariç, aynı belirsizlik koşullarına sahip, aynı sınıftan bir grup olay.
Benzerlik teorisi, bir olguyu karakterize eden boyutlu fiziksel niceliklerin birleştirilebileceği gerçeğine dayanmaktadır. boyutsuz kompleksleröyle ki bu komplekslerin sayısı boyutsal büyüklüklerin sayısından az olacaktır. Ortaya çıkan boyutsuz komplekslere denir benzerlik kriterleri. Benzerlik kriterlerinin belirli bir fiziksel anlamı vardır ve tek bir fiziksel miktarın değil, kritere dahil edilen tüm setin etkisini yansıtır; bu, incelenen sürecin analizini önemli ölçüde basitleştirir. Bu durumda sürecin kendisi analitik bir ilişki biçiminde temsil edilebilir. 
benzerlik kriterleri arasında 
, bireysel yönlerini karakterize ediyor. Bu tür bağımlılıklara denir kriter denklemleri. Benzerlik kriterleri, hidrodinamik ve ısı transferi teorisinin gelişimine önemli katkılarda bulunan bilim adamlarının adlarından alınmıştır - Nusselt, Prandtl, Grashof, Reynolds, Kirpichev ve diğerleri.
Benzerlik teorisi 3 benzerlik teoremine dayanmaktadır.
1. teorem:
Birbirine benzeyen olaylar aynı benzerlik kriterlerine sahiptir.
Bu teorem, deneylerde yalnızca benzerlik kriterlerinin içerdiği fiziksel niceliklerin ölçülmesinin gerekli olduğunu göstermektedir.
2. teorem:
Belirli bir fiziksel olguyu karakterize eden orijinal matematiksel denklemler her zaman bu olguyu karakterize eden benzerlik kriterleri arasındaki ilişki biçiminde sunulabilir.
Bu denklemlere denir kriterler. Bu teorem, deney sonuçlarının kriter denklemleri biçiminde sunulması gerektiğini göstermektedir.
3. teorem.
Benzersizlik koşullarından oluşan benzerlik kriterlerinin eşit olduğu fenomenler benzerdir.
Bu teorem fiziksel benzerliğin kurulması için gerekli koşulu tanımlar. Belirsizlik koşullarından oluşan benzerlik kriterlerine denir tanımlayan. Diğerlerinin eşitliğini belirlerler veya azimli Aslında 1. benzerlik teoreminin konusu olan benzerlik kriterleri. Böylece 3. benzerlik teoremi 1. teoremi geliştirir ve derinleştirir.
Konvektif ısı transferini incelerken en sık aşağıdaki benzerlik kriterleri kullanılır.
Reynolds kriteri (Tekrar) – Sıvıya etki eden atalet kuvvetleri ile viskoz sürtünme kuvvetleri arasındaki ilişkiyi karakterize eder. Reynolds kriter değeri, zorlanmış konveksiyon sırasında akışkan akış rejimini karakterize eder.
,
Nerede 
- sıvı hareketinin hızı;
- sıvının kinematik viskozite katsayısı;
- boyutun belirlenmesi.
Grashof kriteri (gr) – Serbest konveksiyon sırasında bir akışkana etki eden viskoz sürtünme kuvvetleri ile kaldırma kuvveti arasındaki ilişkiyi karakterize eder. Grashof kriterinin değeri, serbest taşınım sırasında akışkan akış rejimini karakterize eder.
,
Nerede 
- yerçekimi ivmesi;
- boyutun belirlenmesi;
- sıvının hacimsel genleşmesinin sıcaklık katsayısı (gazlar için) 
, Nerede 
- Kelvin ölçeğinde sıcaklığın belirlenmesi);
- duvar ile sıvı arasındaki sıcaklık farkı;
- sırasıyla duvar ve sıvı sıcaklıkları;
- sıvının kinematik viskozite katsayısı.
Nusselt kriteri (Hayır) - bir katının (duvar) yüzeyi ile bir sıvı arasındaki konvektif ısı değişimi sırasında, termal iletkenlik yoluyla aktarılan ısı miktarı ile konveksiyon yoluyla aktarılan ısı miktarı arasındaki ilişkiyi karakterize eder; ısı transferi sırasında.
,
Nerede 
- ısı transfer katsayısı;
- boyutun belirlenmesi;
- duvar ve sıvı sınırındaki sıvının ısıl iletkenlik katsayısı.
Peclet kriteri (Pe) – akışkan akışı tarafından alınan (verilen) ısı miktarı ile konvektif ısı değişimi yoluyla iletilen (verilen) ısı miktarı arasındaki ilişkiyi karakterize eder.
,
Nerede 
- sıvı akış hızı;
- boyutun belirlenmesi;
- termal yayılma katsayısı;
- sırasıyla termal iletkenlik katsayısı, izobarik ısı kapasitesi ve sıvının yoğunluğu.
Prandtl kriteri (PR) – Bir sıvının fiziksel özelliklerini karakterize eder.
,
Nerede 
- kinematik viskozite katsayısı;
- sıvının termal yayılma katsayısı.
Dikkate alınan benzerlik kriterlerinden, konvektif ısı transfer işlemlerinin hesaplanmasında işlemin yoğunluğunu karakterize eden en önemli parametrenin, yani ısı transfer katsayısının () Nusselt kriteri ifadesine dahil edildiği açıktır. Bu, konvektif ısı transferi problemlerinin benzerlik teorisinin kullanımına dayalı mühendislik yöntemleri kullanılarak çözülmesi için bu kriterin belirlenen kriterlerden en önemlisi olduğunu belirledi. Bu durumda ısı transfer katsayısının değeri aşağıdaki ifadeye göre belirlenir.
Bu bakımdan kriter denklemleri genellikle Nusselt kriterine göre çözüm şeklinde yazılır ve kuvvet fonksiyonu formundadır.
Nerede 
- dikkate alınan sürecin farklı yönlerini karakterize eden benzerlik kriterlerinin değerleri;
- Benzer fenomenlerin bir sınıfının deneysel olarak modeller kullanılarak incelenmesiyle elde edilen deneysel verilere dayanarak belirlenen sayısal sabitler.
Konveksiyon tipine ve prosesin spesifik koşullarına bağlı olarak, kriter denkleminde yer alan benzerlik kriterleri seti, sabitlerin değerleri ve düzeltme faktörleri farklı olabilir.
Kriter denklemlerinin pratik uygulamasında belirleyici boyutun ve sıcaklığın doğru seçilmesi konusu önemlidir. Benzerlik kriterlerinin değerlerinin hesaplanmasında kullanılan sıvının fiziksel özelliklerinin değerlerinin doğru belirlenmesi için belirleyici sıcaklık gereklidir. Belirleyici boyutun seçimi, sıvı akışının ve yıkanan yüzeyin göreceli konumuna, yani akışının doğasına bağlıdır. Bu durumda, aşağıdaki tipik durumlar için mevcut önerilere göre yönlendirilmelisiniz.
Sıvı yuvarlak bir boru içinde hareket ettiğinde zorlanmış konveksiyon.
- borunun iç çapı.
Rastgele kesitli kanallarda sıvı hareketi sırasında zorlanmış konveksiyon.
- eşdeğer çap,
Nerede 
- kanalın kesit alanı;
- bölüm çevresi.
Serbest konveksiyonlu yuvarlak bir boru etrafındaki enine akış (termal yerçekimsel konveksiyonlu yatay boru (bkz. Şekil 2)
- borunun dış çapı.
İncir. 2. Termal yerçekimsel konveksiyon sırasında yatay bir boru etrafındaki akışın doğası
Termal yerçekimsel konveksiyon sırasında düz bir duvar (boru) etrafındaki uzunlamasına akış (bkz. Şekil 3).
- duvar yüksekliği (boru uzunluğu).
Pirinç. 3. Termal yerçekimsel konveksiyon sırasında dikey bir duvar (boru) etrafındaki akışın doğası.
Sıcaklığın tanımlanması 
Değerleri sıcaklığa bağlı olarak değişen ortamın termofiziksel özelliklerinin doğru belirlenmesi için gereklidir.
Isı transferi meydana geldiğinde, duvar ve sıvı sıcaklıkları arasındaki aritmetik ortalama, belirleyici sıcaklık olarak alınır.
Söz konusu hacim içindeki ortamın bireysel elemanları arasında konvektif ısı alışverişi olması durumunda, ısı alışverişine katılan ortam elemanlarının sıcaklıkları arasındaki aritmetik ortalama, belirleyici sıcaklık olarak alınır.
Bu makale, yatay ve dikey silindirlere göre çeşitli gazların serbest taşınımıyla, ısıtılmış bir yüzey etrafındaki (enine ve boyuna) akışın 2 karakteristik durumu için bir laboratuvar deneyinin gerçekleştirilmesi prosedürünü ve kriter denklemlerinin elde edilmesine yönelik metodolojiyi tartışmaktadır.
DENEYSEL BÖLÜM.
Malzemelerin ve maddelerin ısıyı iletme yeteneğine termal iletkenlik (X) adı verilir ve 1 alanlı bir duvardan geçen ısı miktarıyla ifade edilir. m2, Karşıt duvar yüzeylerinde 1 derecelik sıcaklık farkıyla 1 saatte 1 m kalınlık. Isıl iletkenlik ölçüm birimi W/(m-K) veya W/(m-°C)'dir.
Malzemelerin ısıl iletkenliği belirlenir
Nerede Q- ısı miktarı (enerji), W; F- malzemenin (örnek) ısı akış yönüne dik kesit alanı, m2; Numunenin zıt yüzeylerindeki sıcaklık farkı K veya °C'dir; b - numune kalınlığı, m.
Isı iletkenliği, ısı yalıtım malzemelerinin özelliklerinin ana göstergelerinden biridir. Bu gösterge bir dizi faktöre bağlıdır: malzemenin genel gözenekliliği, gözeneklerin boyutu ve şekli, katı fazın türü, gözenekleri dolduran gazın türü, sıcaklık vb.
Isıl iletkenliğin bu faktörlere bağımlılığı en evrensel biçimde Leeb denklemi ile ifade edilir:
_______ Ђ'ler ______ - і
Burada Kr malzemenin ısıl iletkenliğidir; Xs, malzemenin katı fazının termal iletkenliğidir; Rs- ısı akışına dik olan bölümde bulunan gözeneklerin sayısı; Pi- ısı akışına paralel bir bölümde bulunan gözeneklerin sayısı; b - radyal sabit; є - emisyon; v etkileyen geometrik bir faktördür. gözeneklerin içindeki radyasyon; Tt- ortalama mutlak sıcaklık; D- ortalama gözenek çapı.
Belirli bir ısı yalıtım malzemesinin ısı iletkenliğini bilmek, onun ısı yalıtım özelliklerini doğru bir şekilde değerlendirmenize ve bu malzemeden yapılan ısı yalıtım yapısının belirli koşullar altında kalınlığını hesaplamanıza olanak tanır.
Şu anda, sabit ve sabit olmayan ısı akışlarının ölçülmesine dayalı olarak malzemelerin ısıl iletkenliğini belirlemek için bir dizi yöntem vardır.
Birinci grup yöntemler, geniş bir sıcaklık aralığında (20 ila 700° C) ölçüm yapılmasını ve daha doğru sonuçlar elde edilmesini mümkün kılar. Sabit ısı akışını ölçmeye yönelik yöntemlerin dezavantajı, deneyin saat cinsinden ölçülen uzun süresidir.
İkinci yöntem grubu bir deney yapmanızı sağlar V birkaç dakika içinde (en fazla 1 h), ancak malzemelerin termal iletkenliğini yalnızca nispeten düşük sıcaklıklarda belirlemek için uygundur.
Yapı malzemelerinin ısıl iletkenliği, Şekil 2'de gösterilen cihaz kullanılarak bu yöntem kullanılarak ölçülür. 22. Aynı zamanda düşük atalet yardımıyla ısı sayaçları üretiliyor Bir malzeme test örneğinden geçen kararlı durum ısı akışının ölçümü.
Cihaz düz bir elektrikli ısıtıcı 7 ve düşük ataletli bir ısı ölçerden oluşur 9, buzdolabının yüzeyinden 2 mm uzağa monte edilmiştir 10, Suyun içinden sürekli olarak sabit bir sıcaklıkta aktığı yer. Termokupllar ısıtıcı ve ısı sayacının yüzeylerine yerleştirilir. 1,2,4 ve 5. Cihaz metal bir kasaya yerleştirilmiştir 6, ısı yalıtım malzemesi ile doldurulmuştur. Sıkı örnek uyumu 8 Isı sayacı ve ısıtıcıya bir sıkma aparatı ile donatılmıştır 3. Isıtıcı, ısı ölçer ve buzdolabı 250 mm çapında bir disk şeklindedir.
Isıtıcıdan gelen ısı akışı, numune ve düşük ataletli ısı ölçer aracılığıyla buzdolabına aktarılır. Numunenin orta kısmından geçen ısı akışının miktarı, paranit disk üzerindeki bir termopil olan bir ısı ölçer ile ölçülür. veya içine düz bir elektrikli ısıtıcının monte edildiği, yeniden üretme elemanlı ısı sayacı.
Cihaz, numunenin sıcak yüzeyindeki 25 ila 700 °C arasındaki sıcaklıklarda termal iletkenliği ölçebilir.
Cihaz kiti şunları içerir: RO-1 tipi termostat, KP-59 tipi potansiyometre, RNO-250-2 tipi laboratuvar ototransformatörü, MGP termokupl anahtarı, TS-16 termostat, 5 A'ya kadar teknik AC ampermetre ve termos.
Test edilecek malzeme numuneleri 250 mm çapında dairesel bir plana sahip olmalıdır. Numunelerin kalınlığı 50 mm'den fazla, 10 mm'den az olmamalıdır. Numunelerin kalınlığı 0,1 mm hassasiyetle ölçülür ve dört ölçümün sonuçlarının aritmetik ortalaması olarak belirlenir. Numunelerin yüzeyleri düz ve paralel olmalıdır.
Lifli, gevşek, yumuşak ve yarı sert ısı yalıtım malzemeleri test edilirken seçilen numuneler, 250 mm çapında ve 30-40 mm yüksekliğinde, 3-4 mm kalınlığında asbestli kartondan yapılmış kafeslere yerleştirilir.
Seçilen numunenin belirli yük altındaki yoğunluğu tüm hacim boyunca aynı olmalı ve test edilen malzemenin ortalama yoğunluğuna karşılık gelmelidir.
Testten önce numuneler 105-110 °C sıcaklıkta sabit ağırlığa kadar kurutulmalıdır.
Test için hazırlanan numune ısı sayacının üzerine konulur ve ısıtıcı ile preslenir. Daha sonra cihazın ısıtıcısının termostatını istenilen sıcaklığa ayarlayıp ısıtıcıyı açın. Isı sayacı okumalarının 30 dakika boyunca sabit olacağı sabit bir mod oluşturduktan sonra, potansiyometre ölçeğindeki termokupl okumalarını not edin.
Yeniden üretim elemanına sahip düşük ataletli bir ısı ölçer kullanıldığında, ısı ölçer okumaları boş galvanometreye aktarılır ve dengeleme için reostat ve miliammetre aracılığıyla akım açılır, bu arada sıfır galvanometre iğnesinin konumu elde edilir. 0, bundan sonra okumalar cihaz ölçeğine mA cinsinden kaydedilir.
Isı miktarını, yeniden üreten bir elemana sahip düşük ataletli bir ısı ölçerle ölçerken, malzemenin ısıl iletkenliği aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanır.
Burada b numunenin kalınlığıdır, M; T - numunenin sıcak yüzeyinin sıcaklığı, °C; - numunenin soğuk yüzeyinin sıcaklığı, °C; Q- numuneden yüzeyine dik yönde geçen ısı miktarı, W /m2.
Burada R, ısı ölçer ısıtıcısının sabit direncidir, Ohm; / - mevcut güç, A; F- ısı ölçer alanı, m2.
Kalibre edilmiş düşük ataletli bir ısı ölçer ile ısı miktarını (Q) ölçerken hesaplama aşağıdaki formüle göre yapılır: Q= A.E.(W/m2), burada e- elektromotor kuvvet (EMF), mV; A, ısı sayacının kalibrasyon sertifikasında belirtilen cihaz sabitidir.
Numune yüzeylerinin sıcaklığı 0,1 C hassasiyetle ölçülür (kararlı bir durum olduğu varsayılarak). Isı akışı 1 W/m2 hassasiyetle hesaplanır ve ısıl iletkenlik en yakın 0,001 W/(m-°C) hassasiyetle hesaplanır.
Bu cihaz üzerinde çalışırken, SSCB Bakanlar Kurulu'na bağlı Standartlar, Ölçüler ve Ölçü Aletleri Komitesi'nin metroloji araştırma enstitüleri ve laboratuvarları tarafından sağlanan standart örnekleri test ederek periyodik olarak kontrol etmek gerekir.
Deneyi gerçekleştirdikten ve verileri aldıktan sonra, aşağıdaki verileri içermesi gereken bir malzeme test sertifikası hazırlanır: testleri yapan laboratuvarın adı ve adresi; test tarihi; malzemenin adı ve özellikleri; kuru durumda malzemenin ortalama yoğunluğu; test sırasında ortalama numune sıcaklığı; Bu sıcaklıkta malzemenin ısıl iletkenliği.
İki plakalı yöntem, iki ikiz numunenin aynı anda test edilmesi ve buna ek olarak termal test yapılması nedeniyle yukarıda tartışılanlardan daha güvenilir sonuçlar elde edilmesini sağlar. içinden geçen akış numunelerin iki yönü vardır: bir numuneden aşağıdan yukarıya, diğerinden ise yukarıdan aşağıya doğru gider. Bu durum, test sonuçlarının ortalamasının alınmasına büyük ölçüde katkıda bulunur ve deneysel koşulları malzemenin gerçek hizmet koşullarına yaklaştırır.
Kararlı durum yöntemini kullanarak malzemelerin ısıl iletkenliğini belirlemek için iki plakalı bir cihazın şematik diyagramı, Şekil 1'de gösterilmektedir. 23.
Cihaz bir merkezi ısıtıcı 1, bir güvenlik ısıtıcısından oluşur. 2, soğutma diskleri 6, hangisi
Aynı zamanda malzeme numuneleri preslenir 4 ısıtıcılara, yalıtım dolgusuna 3, termokupllar 5 ve kasa 7.
Cihaz aşağıdaki kontrol ve ölçüm ekipmanlarını içerir. Gerilim dengeleyici (SN), ototransformatörler (T), Wattmetre (K), Sıcaklık ölçümü için ampermetreler (A), güvenlik ısıtıcısı sıcaklık kontrol cihazı (P), termokupl anahtarı (I), galvanometre veya potansiyometre (G) Ve buzlu bir kap (C).
Test numunelerinin çevresinde aynı sınır koşullarını sağlamak için ısıtıcı şeklinin disk olduğu varsayılır. Hesaplama kolaylığı için ana (çalışan) ısıtıcının çapı 112,5 mm olarak alınmıştır, bu da 0,01 m2'lik bir alana karşılık gelir.
Malzemenin termal iletkenliği aşağıdaki şekilde test edilir.
Test için seçilen malzemeden, koruma halkasının çapına (250 mm) eşit çapta diskler şeklinde iki ikiz numune yapılır. Numunelerin kalınlığı aynı olmalı ve 10 ila 50 mm arasında olmalıdır. Numunelerin yüzeyleri düz ve paralel olmalı, çizik veya ezik olmamalıdır.
Lifli ve dökme malzemelerin testleri, asbestli kartondan yapılmış özel kafeslerde gerçekleştirilir.
Testten önce numuneler sabit ağırlığa kadar kurutulur ve kalınlıkları en yakın 0,1 mm'ye kadar ölçülür.
Numuneler elektrikli ısıtıcının her iki yanına yerleştirilir ve soğutma diskleri ile ısıtıcıya doğru bastırılır. Daha sonra voltaj regülatörünü (latr) elektrikli ısıtıcının belirtilen sıcaklığını sağlayacak konuma ayarlayın. Soğutma disklerindeki suyun dolaşımını açarlar ve galvanometre tarafından gözlemlenen kararlı duruma ulaştıktan sonra uygun termokupllar ve bir galvanometre veya potansiyometre kullanarak numunelerin sıcak ve soğuk yüzeylerindeki sıcaklığı ölçerler. Aynı zamanda enerji tüketimi de ölçülür. Bundan sonra elektrikli ısıtıcıyı kapatın ve 2-3 saat sonra soğutma disklerine su beslemesini durdurun.
Malzemenin ısıl iletkenliği, W/(m-°C),
Nerede K- elektrik tüketimi, W; b - numune kalınlığı, m; F- elektrikli ısıtıcının bir yüzeyinin alanı, m2; t numunenin sıcak yüzeyindeki sıcaklıktır, °C; I2- numunenin soğuk yüzeyindeki sıcaklık, °C.
Termal iletkenliğin belirlenmesine yönelik nihai sonuçlar, numunelerin ortalama sıcaklığıyla ilgilidir.
Nerede T
- numunenin sıcak yüzeyindeki sıcaklık (iki numunenin ortalaması), °C; T
2
-
numunelerin soğuk yüzeyindeki sıcaklık (iki numunenin ortalaması), °C.
Boru yöntemi. Kavisli bir yüzeye (kabuklar, silindirler, bölümler) sahip ısı yalıtım ürünlerinin ısı iletkenliğini belirlemek için şematik diyagramı şekilde gösterilen bir kurulum kullanılır.
Pirinç. 24. Bu tesisat 100-150 mm çapında ve en az 2,5 m uzunluğunda çelik borudur. Borunun içine uzunluğu boyunca üç bağımsız bölüme ayrılan refrakter malzeme üzerine bir ısıtma elemanı monte edilir. boru: borunun uzunluğunun yaklaşık 1/1'ini kaplayan merkezi (çalışma) bölüm ve cihazın (boru) uçlarından ısı sızıntısını ortadan kaldırmaya yarayan yan bölümler.
Boru, odanın zemininden, duvarlarından ve tavanından 1,5-2 m mesafede askılara veya standlara monte edilir.
Borunun ve test malzemesinin yüzeyinin sıcaklığı termokupllar ile ölçülür. Test yaparken, çalışma ve güvenlik bölümleri arasındaki sıcaklık farklarını ortadan kaldırmak için güvenlik bölümlerinin tükettiği elektrik gücünün düzenlenmesi gerekir.
mi. Testler, borunun ve yalıtım malzemesinin yüzeylerindeki sıcaklığın 30 dakika boyunca sabit kaldığı kararlı durum termal koşulları altında gerçekleştirilir.
Çalışan bir ısıtıcının elektrik tüketimi, bir wattmetre ile veya ayrı ayrı bir voltmetre ve ampermetre ile ölçülebilir.
Malzemenin ısıl iletkenliği, W/(m ■ °C),
X -_____ D
Nerede D - test edilen ürünün dış çapı, m; D - Test edilen malzemenin iç çapı, m; - boru yüzeyindeki sıcaklık, °C; T 2 - test ürününün dış yüzeyindeki sıcaklık, °C; I ısıtıcının çalışma bölümünün uzunluğu, m.
Isı iletkenliğine ek olarak, bu cihaz, bir veya başka bir ısı yalıtım malzemesinden yapılmış bir ısı yalıtım yapısındaki ısı akış miktarını ölçebilir. Isı Akısı (W/m2)
Kararsız ısı akışı yöntemlerine (dinamik ölçüm yöntemleri) dayalı olarak ısı iletkenliğinin belirlenmesi. Yöntemlere dayalı Açık Kararsız ısı akışlarının ölçümü (dinamik ölçüm yöntemleri), son zamanlarda termofiziksel büyüklüklerin belirlenmesinde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu yöntemlerin avantajı yalnızca deney yürütmenin karşılaştırmalı hızı değil, aynı zamanda Ve Tek bir deneyimde daha fazla miktarda bilgi elde edilir. Burada, kontrollü sürecin diğer parametrelerine bir tane daha eklenir - zaman. Bu sayede, yalnızca dinamik yöntemler, bir deneyin sonuçlarına dayanarak, malzemelerin ısıl iletkenliği, ısı kapasitesi, ısıl yayılımı, soğuma (ısıtma) hızı gibi termofiziksel özelliklerinin elde edilmesini mümkün kılar.
Şu anda dinamik sıcaklıkları ve ısı akışlarını ölçmek için çok sayıda yöntem ve cihaz bulunmaktadır. Ancak hepsinin ihtiyacı var Bilmek
Termal miktarları ölçme işlemleri, önemli ataletleri nedeniyle başka nitelikteki (mekanik, optik, elektriksel, akustik vb.) miktarların ölçümünden farklı olduğundan, belirli koşulların getirilmesi ve elde edilen sonuçlarda değişikliklerin getirilmesi.
Bu nedenle, sabit ısı akışlarının ölçülmesine dayalı yöntemler, ölçüm sonuçları ile ölçülen termal büyüklüklerin gerçek değerleri arasında çok daha özdeş olmaları nedeniyle, söz konusu yöntemlerden farklıdır.
Dinamik ölçüm yöntemlerinin iyileştirilmesi üç yönde ilerlemektedir. Birincisi, hataları analiz etmek ve ölçüm sonuçlarına düzeltmeler eklemek için yöntemlerin geliştirilmesidir. İkincisi, dinamik hataları telafi etmek için otomatik düzeltme cihazlarının geliştirilmesi.
Kararsız ısı akışını ölçmeye dayanan SSCB'deki en yaygın iki yöntemi ele alalım.
1. Bikalo-rimetre ile düzenli termal rejim yöntemi. Bu yöntemi uygularken çeşitli tiplerde iki kalorimetre tasarımları kullanılabilir. Bunlardan birini ele alalım - tasarlanmış küçük boyutlu düz iki kalorili sayaç tipi MPB-64-1 (Şekil 25).
yarı sert, lifli ve dökme ısı yalıtım malzemelerinin oda sıcaklığında ısı iletkenliğini belirlemek.
MPB-64-1 cihazı, iç çapı 105 mm olan silindirik bir bölünmüş kabuktur (kutu). V ortasında yerleşik bir çekirdek bulunan V bir ısıtıcı ve bir diferansiyel termokupl bataryası ile. Cihaz D16T duraluminden yapılmıştır.
Bikalo-rimetrenin diferansiyel termokupllarının termopili, elektrotların çapı 0,2 mm olan bakır-copel termokupllarla donatılmıştır. Termopil dönüşlerinin uçları, BF-2 tutkalı ile emprenye edilmiş bir fiberglas halkanın pirinç yaprakları üzerine ve ardından teller aracılığıyla tapaya çıkarılır. Isıtma elemanı Yuvarlak bir plaka üzerine dikilmiş 0,1 mm çapında nikrom tel bardak kumaşlar. Isıtma elemanı telinin uçları ve termopil telinin uçları, halkanın pirinç yapraklarına ve ardından bir fiş aracılığıyla güç kaynağına çıkarılır. Isıtma elemanına 127 V AC gücünden güç verilebilir.
Cihaz, gövde ile kapaklar arasına yerleştirilen vakumlu kauçuk contanın yanı sıra sap, çıkıntı ve gövde arasındaki salmastra (kenevir ve kırmızı kurşun) sayesinde hava geçirmez şekilde kapatılmıştır.
Termokupllar, ısıtıcı ve bunların kabloları mahfazadan iyi bir şekilde yalıtılmalıdır.
Test numunelerinin boyutları çap olarak geçmemelidir 104 mm ve kalınlık - 16 mm. Cihaz aynı anda iki ikiz numuneyi test eder.
Cihazın çalışması aşağıdaki prensibe dayanmaktadır.
Belirli bir sıcaklığa ısıtılan katının soğutulması işlemi T° ve sıcaklıktaki bir ortama yerleştirildi ©<Ґ при весьма большой теплопередаче (а) от телаİle Ortam (“->-00) ve bu ortamın sabit sıcaklıktaki durumu (0=const), üç aşamaya ayrılmıştır.
1. Sıcaklık dağılımı V vücut başlangıçta doğası gereği rastgeledir, yani düzensiz bir termal rejim meydana gelir.
2. Zamanla soğutma düzenli hale gelir, yani düzenli bir rejim başlar.
Vücudun her noktasındaki sıcaklık değişimi üstel bir yasaya uyar:
Q - AUe.-"1
Burada © vücudun bir noktasında artan sıcaklıktır; U bir noktanın koordinatlarının bir fonksiyonudur; doğal logaritmaların e-tabanları; t vücudun soğumasının başlangıcından itibaren geçen zamandır; t - soğutma hızı; A, başlangıç koşullarına bağlı olarak cihaz sabitidir.
3. Düzenli bir soğutma rejiminden sonra soğutma, vücudun çevre ile termal dengesinin başlamasıyla karakterize edilir.
İfadenin farklılaştırılmasından sonra soğuma hızı t
İle T koordinatlarda İçindeİÇİNDE-Tşu şekilde ifade edilir:
Nerede A Ve İÇİNDE - cihaz sabitleri; İLE - malzemenin özgül ısı kapasitesi ile kütlesinin çarpımına eşit olan test malzemesinin toplam ısı kapasitesi, J/(kg-°C); t - soğutma hızı, 1/saat;
Test aşağıdaki şekilde gerçekleştirilir. Numuneler cihaza yerleştirildikten sonra cihaz kapakları tırtıllı bir somun kullanılarak gövdeye sıkıca bastırılır. Cihaz, karıştırıcılı bir termostata, örneğin oda sıcaklığında suyla doldurulmuş bir TS-16 termostatına indirilir, ardından diferansiyel termokupllardan oluşan bir termopil galvanometreye bağlanır. Cihaz, test edilen malzemenin numunelerinin dış ve iç yüzeylerinin sıcaklıkları eşitlenene kadar bir termostat içerisinde tutulur ve bu, galvanometre okumasıyla kaydedilir. Bundan sonra çekirdek ısıtıcı açılır. Çekirdek, termostattaki suyun sıcaklığından 30-40° daha yüksek bir sıcaklığa kadar ısıtılır ve ardından ısıtıcı kapatılır. Galvanometre iğnesi ölçeğe döndüğünde zamanla azalan galvanometre okumaları kaydedilir. Toplam 8-10 puan kaydedilir.
1n0-m koordinat sisteminde apsis ve ordinat eksenlerini bazı noktalarda kesen düz bir çizgi gibi görünmesi gereken bir grafik oluşturulur. Daha sonra ortaya çıkan düz çizginin eğim açısının tanjantı hesaplanır; bu, malzemenin soğuma hızını ifade eder:
__ 6 tonda - İçinde O2 __ 6 02
ТІь- - J
T2 - Tj 12 - "El
Burada Bi ve 02, Ti ve T2 zamanına karşılık gelen koordinatlardır.
Deney tekrar tekrarlanır ve soğuma hızı yeniden belirlenir. Birinci ve ikinci deneylerde hesaplanan soğuma hızı değerlerindeki farklılık %5'ten az ise bu iki deneyle sınırlıdır. İki deney sonucunda soğuma hızının ortalama değeri belirlenir ve malzemenin ısıl iletkenliği W/(m*°C) olarak hesaplanır.
X = (A + YSuR)/u.
Örnek. Test edilen malzeme, ortalama kuru yoğunluğu 80 kg/m3 olan, fenolik bağlayıcı içeren bir mineral yün mattır.
1. Cihaza tartılan malzeme miktarını hesaplayın,
Рп, cihazın silindirik bir kabına yerleştirilen bir malzeme numunesi olduğunda, kg; Vn - cihazın bir silindirik kabının hacmi 140 cm3'tür; рср - malzemenin ortalama yoğunluğu, g/cm3.
2. Tanımlıyoruz iş B.C.Y.P. , Nerede İÇİNDE - 0,324'e eşit cihaz sabiti; C, malzemenin özgül ısı kapasitesidir ve 0,8237 kJ/(kg-K)'ye eşittir. Daha sonra VSUR= =0,324 0,8237 0,0224 = 0,00598.
3. Sonuçlar gözlemleri Cihazdaki örneklerin zamanla soğuması tabloya girilir. 2.
Soğuma hızları t ve t2 değerlerindeki farklar %5'ten azdır, bu nedenle tekrarlanan deneylerin yapılmasına gerek yoktur.
4. Ortalama soğutma hızını hesaplayın
T=(2,41 + 2,104)/2=2,072.
Gerekli tüm miktarları bilerek termal iletkenliği hesaplıyoruz
(0,0169+0,00598) 2,072=0,047 W/(m-K)
Veya W/(m-°C).
Bu durumda numunelerin ortalama sıcaklığı 303 K veya 30°C olmuştur. Formülde 0,0169 -L (cihaz sabiti) bulunur.
2. Prob yöntemi. Isı iletimini belirlemek için çeşitli türlerde prob yöntemi vardır
Kullanılan cihazlarda birbirinden farklılık gösteren ısı yalıtım malzemelerinin özellikleri ve probun ısıtılma prensipleri. Bu yöntemlerden birini ele alalım - elektrikli ısıtıcısı olmayan silindirik prob yöntemi.
Bu yöntem aşağıdaki gibidir. Sıcak ısı yalıtım malzemesinin kalınlığına 5-6 mm çapında (Şekil 26) ve yaklaşık 100 mm uzunluğunda metal bir çubuk yerleştirilir ve içine monte edilmiş bir çubuk kullanılarak
Termokupllar sıcaklığı algılar. Sıcaklık iki aşamada belirlenir: deneyin başlangıcında (prob ısıtıldığı anda) ve sonunda, bir denge durumu oluştuğunda ve probun sıcaklığındaki artış durduğunda. Bu iki sayım arasındaki süre bir kronometre kullanılarak ölçülür. h Malzemenin ısıl iletkenliği, W/(m°C), , R2CV
Nerede R- çubuğun yarıçapı, m; İLE- çubuğun yapıldığı malzemenin özgül ısı kapasitesi, kJ/(kgХ ХК); Çubuğun V hacmi, m3; t - sıcaklık okumaları arasındaki zaman aralığı, h; tx ve U - birinci ve ikinci okumalar sırasındaki sıcaklık değerleri, K veya °C.
Bu yöntem çok basittir ve bir malzemenin termal iletkenliğini hem laboratuvar hem de üretim koşullarında hızlı bir şekilde belirlemenizi sağlar. Ancak bu göstergenin yalnızca kaba bir tahmini için uygundur.
Termal hareketleri sırasında. Sıvılarda ve katılarda - dielektrikler - ısı transferi, moleküllerin ve atomların termal hareketinin maddenin komşu parçacıklarına doğrudan aktarılmasıyla gerçekleştirilir. Gaz halindeki cisimlerde, ısının termal iletkenlik yoluyla yayılması, farklı termal hareket hızlarına sahip moleküllerin çarpışması sırasında enerji alışverişi nedeniyle meydana gelir. Metallerde termal iletkenlik esas olarak serbest elektronların hareketinden kaynaklanır.
Temel termal iletkenlik kavramı, tanımlarının hatırlanması ve açıklanması gereken bir dizi matematiksel kavramı içerir.
Sıcaklık alanı zamanın belirli bir anında vücudun tüm noktalarındaki sıcaklık değerlerinin toplamıdır. Matematiksel olarak şu şekilde tanımlanır: T = F(x, y, z, τ). Ayırt etmek sabit sıcaklık alan, vücudun tüm noktalarındaki sıcaklığın zamana bağlı olmadığı (zamanla değişmediği) ve sabit olmayan sıcaklık alanı. Ek olarak, sıcaklık yalnızca bir veya iki uzaysal koordinat boyunca değişiyorsa, sıcaklık alanı sırasıyla bir veya iki boyutlu olarak adlandırılır.
İzotermal yüzey- sıcaklığın aynı olduğu noktaların geometrik yeri.
Sıcaklık gradyanı — mezun izotermal yüzeye dik olarak yönlendirilmiş ve sayısal olarak bu yönde sıcaklığın türevine eşit bir vektördür.
Isıl iletkenliğin temel yasasına göre - yasa Fourier(1822), termal iletkenlik tarafından iletilen ısı akısı yoğunluğunun vektörü, sıcaklık gradyanı ile orantılıdır:
Q = - λ mezun, (3)
Nerede λ - maddenin ısıl iletkenlik katsayısı; onun ölçü birimi K/(mK).
Denklem (3)'teki eksi işareti, vektörün Q vektörün tersine yönlendirilmiş mezun, yani sıcaklıktaki en büyük düşüşün olduğu yönde.
Isı akışı δQ keyfi olarak yönlendirilmiş bir temel alan aracılığıyla dF vektörün skaler çarpımına eşit Q temel sitenin vektörüne dF ve toplam ısı akısı Q tüm yüzey boyunca F bu ürünün yüzeye entegre edilmesiyle belirlenir F:
ISI İLETKENLİK KATSAYISI
Isıl iletkenlik katsayısı λ Hukuk Fourier(3) belirli bir maddenin ısıyı iletme yeteneğini karakterize eder. Isıl iletkenlik katsayılarının değerleri, maddelerin termofiziksel özelliklerine ilişkin referans kitaplarında verilmektedir. Sayısal olarak, ısıl iletkenlik katsayısı λ = Q/ mezun Tısı akısı yoğunluğuna eşit Q sıcaklık gradyanlı mezun = 1 K/m. Isıl iletkenliği en yüksek olan hafif gaz hidrojendir. Oda koşullarında hidrojenin ısıl iletkenlik katsayısı λ = 0,2 K/(mK). Daha ağır gazlar daha az ısı iletkenliğine sahiptir - hava λ = 0,025 K/(mK), karbondioksitte λ = 0,02 K/(mK).
Saf gümüş ve bakır en yüksek termal iletkenlik katsayısına sahiptir: λ = 400 K/(mK). Karbon çelikleri için λ = 50 K/(mK). Sıvıların ısıl iletkenlik katsayısı genellikle 1'den küçüktür K/(mK). Su, ısıyı en iyi sıvı ileten maddelerden biridir. λ = 0,6 K/(mK).
Metalik olmayan katı malzemelerin ısıl iletkenlik katsayısı genellikle 10'un altındadır. K/(mK).
Gözenekli malzemeler (mantar, organik yün gibi çeşitli lifli dolgu maddeleri) en düşük ısı iletkenlik katsayılarına sahiptir. λ <0,25 K/(mK), düşük paketleme yoğunluğunda gözenekleri dolduran havanın termal iletkenlik katsayısına yaklaşır.
Sıcaklık, basınç ve gözenekli malzemeler için nem, termal iletkenlik katsayısı üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Referans kitapları her zaman belirli bir maddenin ısıl iletkenlik katsayısının belirlendiği koşulları sağlar ve bu veriler başka koşullar için kullanılamaz. Değer aralıkları λ Şekil 2'de çeşitli malzemeler gösterilmektedir. 1.
Şekil 1. Çeşitli maddelerin ısıl iletkenlik katsayılarının değerlerinin aralıkları.
Isıl iletkenlik yoluyla ısı transferi
Homojen düz duvar.
Isı transferi teorisinin çözdüğü en basit ve çok yaygın problem, düz bir duvar kalınlığından iletilen ısı akışının yoğunluğunun belirlenmesidir. δ sıcaklığı korunan yüzeylerde t w1 Ve t w2 .(İncir. 2). Sıcaklık yalnızca plakanın kalınlığı boyunca değişir - bir koordinat boyunca X. Bu tür problemlere tek boyutlu denir, çözümleri en basit olanlardır ve bu derste kendimizi yalnızca tek boyutlu problemleri ele almakla sınırlayacağız.
Tek rakamlı durum için bunu göz önünde bulundurursak:
mezun = dt/dх, (5)
ve termal iletkenliğin temel yasasını (2) kullanarak, düz bir duvar için sabit termal iletkenliğin diferansiyel denklemini elde ederiz:
Sabit koşullar altında, ısıtma için enerji harcanmadığı zaman, ısı akısı yoğunluğu Q duvar kalınlığına göre değişmez. Çoğu pratik problemde, yaklaşık olarak termal iletkenlik katsayısının olduğu varsayılır. λ sıcaklığa bağlı değildir ve tüm duvar kalınlığı boyunca aynıdır. Anlam λ referans kitaplarında aşağıdaki sıcaklıklarda bulunur:
duvar yüzeylerinin sıcaklıkları arasındaki ortalama. (Bu durumda hesaplamaların hatası genellikle ilk verilerin ve tablolanmış değerlerin hatasından daha azdır ve termal iletkenlik katsayısının sıcaklığa doğrusal bağımlılığı vardır: λ = a+ bt için kesin hesaplama formülü Q yaklaşık olandan farklı değildir). Şu tarihte: λ = sabit:
(7)
onlar. sıcaklık bağımlılığı T koordinattan X doğrusal (Şekil 2).
İncir. 2. Düz bir duvarın kalınlığı boyunca sabit sıcaklık dağılımı.
Denklem (7)'deki değişkenleri bölerek ve entegre ederek T itibaren t w1önce t w2 ve tarafından X 0'dan δ :
, (8)
ısı akısı yoğunluğunu hesaplamak için bağımlılığı elde ederiz:
, (9)
veya ısı akış gücü (ısı akışı):
(10)
Bu nedenle 1'den aktarılan ısı miktarı m2 duvarlar, ısıl iletkenlik katsayısıyla doğru orantılıdır λ ve duvarın dış yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ( t w1 - t w2) ve duvar kalınlığı ile ters orantılıdır δ . Duvar alanından geçen toplam ısı miktarı F bu alanla da orantılıdır.
Ortaya çıkan basit formül (10), termal hesaplamalarda çok yaygın olarak kullanılır. Bu formülü kullanarak, yalnızca düz duvarlardan geçen ısı akısı yoğunluğunu hesaplamakla kalmıyorlar, aynı zamanda daha karmaşık durumlar için de tahminler yapıyorlar; hesaplamalarda karmaşık konfigürasyondaki duvarları düz bir duvarla değiştiriyorlar. Bazen, bir değerlendirmeye dayanarak, bir veya başka bir seçenek, ayrıntılı geliştirilmesine daha fazla zaman harcanmadan reddedilir.
Bir noktada vücut sıcaklığı X formülle belirlenir:
t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)
Davranış λF/δ duvarın ısıl iletkenliği denir ve karşılıklı değer δ/λF duvarın termal veya termal direnci ve belirlenir Rλ. Isıl direnç kavramını kullanarak, ısı akışını hesaplama formülü şu şekilde sunulabilir:
Bağımlılık (11) yasaya benzer Ohm elektrik mühendisliğinde (elektrik akımının gücü, potansiyel farkın içinden akımın aktığı iletkenin elektrik direncine bölünmesine eşittir).
Çoğu zaman termal direnç, alanı 1 olan düz bir duvarın termal direncine eşit olan δ/λ değeridir. m2.
Hesaplama örnekleri.
örnek 1. 200 mm kalınlığındaki bir binanın beton duvarındaki ısı akışının belirlenmesi mm, yükseklik H = 2,5 M ve uzunluk 2 M, eğer yüzeylerindeki sıcaklıklar: t с1= 20 0 C, ts2= - 10 0 C ve ısıl iletkenlik katsayısı λ =1 K/(mK):
= 750 K.
Örnek 2. Kalınlığı 50 olan bir duvar malzemesinin ısıl iletkenlik katsayısının belirlenmesi mm, içinden geçen ısı akısı yoğunluğu ise Q = 100 K/m2 ve yüzeylerdeki sıcaklık farkı Δt = 20 0 C.
K/(mK).
Çok katmanlı duvar.
Formül (10), birkaç parçadan oluşan bir duvardan geçen ısı akışını hesaplamak için de kullanılabilir ( N) birbirine sıkıca bitişik farklı malzeme katmanları (Şekil 3), örneğin bir silindir kafası, bir conta ve farklı malzemelerden yapılmış bir silindir bloğu vb.
Şek. 3. Çok katmanlı düz bir duvarın kalınlığı boyunca sıcaklık dağılımı.
Böyle bir duvarın termal direnci, tek tek katmanların termal dirençlerinin toplamına eşittir:
(12)
Formül (12)'de, tüm toplam termal dirençlerin "dahil edildiği" noktalardaki (yüzeyler) sıcaklık farkını değiştirmeniz gerekir; bu durumda: t w1 Ve tw(n+1):
, (13)
Nerede Ben- katman numarası.
Sabit modda, çok katmanlı duvardan geçen spesifik ısı akışı sabittir ve tüm katmanlar için aynıdır. (13)'ten şu sonuç çıkıyor:
. (14)
Denklem (14)'ten, çok katmanlı bir duvarın toplam termal direncinin, her katmanın dirençlerinin toplamına eşit olduğu sonucu çıkar.
Formül (13) her biri için formül (10)'a göre sıcaklık farkı yazılarak kolaylıkla elde edilebilir. Pçok katmanlı bir duvarın katmanları ve her şeyin eklenmesi P tüm katmanlarda olduğu gerçeğini dikkate alan ifadeler Q aynı anlama sahiptir. Birbirine eklendiğinde tüm ara sıcaklıklar düşecektir.
Her katman içindeki sıcaklık dağılımı doğrusaldır, ancak farklı katmanlarda sıcaklığa bağımlılığın eğimi farklıdır, çünkü formül (7)'ye göre ( dt/dx)Ben = - q/λ ben. Sabit modda tüm katmanlardan geçen ısı akışının yoğunluğu aynıdır ancak katmanların ısıl iletkenlik katsayısı farklıdır, dolayısıyla ısıl iletkenliği daha düşük olan katmanlarda sıcaklık daha keskin değişir. Dolayısıyla, Şekil 4'teki örnekte, ikinci katmanın malzemesi (örneğin bir conta) en düşük termal iletkenliğe sahiptir ve üçüncü katman en yüksek termal iletkenliğe sahiptir.
Çok katmanlı bir duvardan geçen ısı akışını hesaplayarak, (10) ilişkisini kullanarak her katmandaki sıcaklık düşüşünü belirleyebilir ve tüm katmanların sınırlarındaki sıcaklıkları bulabiliriz. Isı yalıtkanları olarak izin verilen sıcaklığın sınırlı olduğu malzemeler kullanıldığında bu çok önemlidir.
Katmanların sıcaklığı aşağıdaki formülle belirlenir:
t sl1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)
t sl2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)
Temas termal direnci. Çok katmanlı bir duvar için formüller türetilirken, katmanların birbirine sıkı bir şekilde bitişik olduğu ve iyi temas nedeniyle farklı katmanların temas eden yüzeylerinin aynı sıcaklığa sahip olduğu varsayılmıştır. Çok katmanlı bir duvarın tek tek katmanları arasında ideal olarak sıkı temas, katmanlardan birinin başka bir katmana sıvı halde veya akıcı bir çözelti biçiminde uygulanması durumunda elde edilir. Katı cisimler birbirine yalnızca pürüzlülük profillerinin üst kısımlarında temas eder (Şekil 4).
Köşelerin temas alanı ihmal edilebilecek kadar küçüktür ve ısı akışının tamamı hava boşluğundan geçer ( H). Bu, ek (temaslı) termal direnç oluşturur R'den. Termal temas dirençleri, uygun ampirik ilişkiler kullanılarak bağımsız olarak veya deneysel olarak belirlenebilir. Örneğin, 0,03'lük bir aralık termal direnci mm yaklaşık olarak bir çelik tabakasının termal direncine yaklaşık 30 eşdeğerdir mm.
Şekil 4. İki pürüzlü yüzey arasındaki temasların görüntüsü.
Termal temas direncini azaltma yöntemleri. Kontağın toplam termal direnci, işlemenin temizliği, yük, ortamın ısıl iletkenliği, temas eden parçaların malzemelerinin ısıl iletkenlik katsayıları ve diğer faktörlerle belirlenir.
Isıl direncin azaltılmasında en yüksek verimlilik, temas bölgesine metalin ısıl iletkenliğine yakın ısıl iletkenliğe sahip bir ortamın sokulmasıyla elde edilir.
Temas bölgesinin maddelerle doldurulması için aşağıdaki olasılıklar mevcuttur:
Yumuşak metal contaların kullanılması;
İyi ısı iletkenliğine sahip toz halindeki bir maddenin temas bölgesine sokulması;
İyi ısı iletkenliğine sahip viskoz bir maddenin bölgesine giriş;
Pürüzlülük çıkıntıları arasındaki boşluğun sıvı metal ile doldurulması.
En iyi sonuçlar, temas bölgesi erimiş kalay ile doldurulduğunda elde edildi. Bu durumda kontağın termal direnci neredeyse sıfır olur.
Silindirik duvar.
Çoğu zaman, soğutucular borular (silindirler) boyunca hareket eder ve borunun (silindir) silindirik duvarından iletilen ısı akışını hesaplamak gerekir. Silindirik bir duvardan (iç ve dış yüzeyleri bilinen ve sabit sıcaklıklara sahip) ısı transferi problemi, silindirik koordinatlarda ele alındığında da tek boyutludur (Şekil 4).
Sıcaklık yalnızca yarıçap boyunca ve borunun uzunluğu boyunca değişir ben ve çevresi boyunca değişmeden kalır.
Bu durumda ısı akışı denklemi şu şekildedir:
. (15)
Bağımlılık (15), silindir duvarından aktarılan ısı miktarının ısıl iletkenlik katsayısı ile doğru orantılı olduğunu gösterir. λ , boru uzunluğu ben ve sıcaklık farkı ( t w1 - t w2) ve silindirin dış çapı oranının doğal logaritması ile ters orantılıdır gün 2 iç çapına kadar gün 1.
Pirinç. 4. Tek katmanlı silindirik duvarın kalınlığı boyunca sıcaklık değişimi.
Şu tarihte: λ = yarıçap başına sabit sıcaklık dağılımı R tek katmanlı silindirik bir duvarın logaritmik yasaya uyması (Şekil 4).
Örnek. İki kat arasında 250 kalınlıkta tuğla varsa bir binanın duvarından ısı kayıpları kaç kat azalır? mm 50 kalınlığında bir köpük ped takın mm. Isıl iletkenlik katsayıları sırasıyla şuna eşittir: λ tuğla . = 0,5 K/(mK); λ kalem. . = 0,05 K/(mK).
