روشهای ثابت برای تعیین هدایت حرارتی. تعیین رسانایی حرارتی مواد جامد به روش لایه مسطح. انتقال حرارت با هدایت حرارتی

هدف از کار: بررسی روش تعیین تجربی ضریب

هدایت حرارتی مواد جامد به روش صفحه ای

ورزش: 1. ضریب هدایت حرارتی مواد مورد بررسی را تعیین کنید.

2. وابستگی ضریب هدایت حرارتی به دما را تعیین کنید

مواد مورد بررسی

احکام اساسی

تبادل حرارتیک فرآیند غیرقابل برگشت انتقال حرارت در فضا در حضور اختلاف دما است. سه روش اصلی برای انتقال حرارت وجود دارد که از نظر ماهیت فیزیکی با یکدیگر تفاوت قابل توجهی دارند:

رسانایی گرمایی؛

همرفت؛

تابش حرارتی.

در عمل، گرما، به عنوان یک قاعده، به طور همزمان به چندین روش منتقل می شود، اما دانش این فرآیندها بدون مطالعه فرآیندهای انتقال حرارت اولیه غیرممکن است.

رسانایی گرماییفرآیند انتقال حرارت ناشی از حرکت حرارتی ریز ذرات نامیده می شود. در گازها و مایعات ، انتقال حرارت با هدایت حرارتی از طریق انتشار اتم ها و مولکول ها انجام می شود. در جامدات، حرکت آزاد اتم‌ها و مولکول‌ها در طول حجم یک ماده غیرممکن است و فقط به حرکت ارتعاشی آنها نسبت به موقعیت‌های تعادلی خاص کاهش می‌یابد. بنابراین، فرآیند هدایت حرارتی در جامدات ناشی از افزایش دامنه این نوسانات است که به دلیل اختلال در میدان های نیرو بین ذرات نوسانی، در حجم بدن منتشر می شود. در فلزات، انتقال حرارت توسط هدایت حرارتی نه تنها به دلیل ارتعاشات یون ها و اتم های واقع در گره های شبکه کریستالی، بلکه به دلیل حرکت الکترون های آزاد که به اصطلاح "گاز الکترون" را تشکیل می دهند، رخ می دهد. به دلیل وجود حامل های اضافی انرژی حرارتی در فلزات به شکل الکترون های آزاد، هدایت حرارتی فلزات به طور قابل توجهی بالاتر از دی الکتریک جامد است.

هنگام مطالعه فرآیند هدایت حرارتی، از مفاهیم اساسی زیر استفاده می شود:

مقدار حرارت (س  ) - انرژی حرارتی که در طول کل فرآیند از سطح یک منطقه دلخواه F عبور می کند. واحد SI با ژول (J) اندازه گیری می شود.

شار حرارتی (قدرت حرارتی) (س) - مقدار گرمای عبوری در واحد زمان از سطحی با مساحت دلخواه F.

در واحدهای SI، شار حرارتی بر حسب وات (W) اندازه گیری می شود.

چگالی شار حرارتی (q) - مقدار گرمایی که در واحد زمان از یک واحد سطح عبور می کند.

در SI در W / m 2 اندازه گیری می شود.

میدان دما- مجموعه ای از مقادیر دما در یک زمان معین در تمام نقاط فضای اشغال شده توسط بدن. اگر دما در تمام نقاط میدان دما در طول زمان تغییر نکند، چنین میدانی نامیده می شود ثابت، اگر تغییر کرد، پس - غیر ثابت.

سطوحی که توسط نقاطی با دمای یکسان تشکیل شده اند نامیده می شوند همدما.

گرادیان دما (درجهتی) - یک بردار که در امتداد سطح نرمال به سطح همدما در جهت افزایش دما هدایت می شود و از نظر عددی به عنوان حد نسبت تغییر دما بین دو سطح همدما به فاصله بین آنها در امتداد نرمال زمانی که این فاصله به صفر میل می کند تعریف می شود. یا به عبارت دیگر گرادیان دما مشتق دما در این جهت است.

گرادیان دما میزان تغییر دما در جهت نرمال به سطح همدما را مشخص می کند.

فرآیند هدایت حرارتی با قانون اساسی هدایت حرارتی مشخص می شود - قانون فوریه(1822). طبق این قانون، چگالی شار حرارتی منتقل شده توسط هدایت حرارتی با گرادیان دما نسبت مستقیم دارد:

که در آن  ضریب هدایت حرارتی ماده W / (mgrad) است.

علامت (-) نشان می دهد که شار گرما و گرادیان دما در جهت مخالف هستند.

ضریب هدایت حرارتینشان می دهد که چه مقدار گرما در واحد زمان از طریق یک واحد سطح با گرادیان دمایی برابر با یک منتقل می شود.

ضریب رسانایی حرارتی از ویژگی های مهم ترموفیزیکی یک ماده است و آگاهی از آن هنگام انجام محاسبات حرارتی مربوط به تعیین تلفات حرارتی از طریق ساختارهای محصور ساختمانها و سازه ها ، دیوارهای ماشین آلات و دستگاهها ، محاسبه عایق حرارتی و همچنین در مواقع ضروری است. حل بسیاری از مشکلات مهندسی دیگر

یکی دیگر از قوانین مهم هدایت حرارتی است قانون فوریه-کیرشهوف، که ماهیت تغییر دما در فضا و زمان را در طول هدایت حرارتی تعیین می کند. نام دیگر آن است معادله حرارت دیفرانسیل، زیرا با روش های نظریه تحلیل ریاضی بر اساس قانون فوریه به دست می آید. برای یک میدان دمایی ناپایدار سه بعدی، معادله دیفرانسیل هدایت حرارتی به شکل زیر است:

,

جایی که
- ضریب نفوذ حرارتی، مشخص کننده خواص اینرسی حرارتی مواد،

 ، C p ،  - به ترتیب ضریب هدایت حرارتی ، ظرفیت حرارتی ایزوباریک و چگالی ماده ؛

- اپراتور لاپلاس.

برای یک میدان دمای ثابت یک بعدی (
) معادله دیفرانسیل رسانش گرما شکل ساده ای به خود می گیرد

با ادغام معادلات (1) و (2) می توان چگالی شار حرارتی را در بدنه و قانون تغییر دما در داخل بدنه در حین تبادل حرارت توسط هدایت حرارتی تعیین کرد. برای به دست آوردن یک راه حل، شما نیاز به یک کار دارید شرایط عدم ابهام.

شرایط بدون ابهام- این اطلاعات خصوصی اضافی است که مشکل مورد بررسی را مشخص می کند. آنها عبارتند از:

شرایط هندسی که شکل و اندازه بدن را مشخص می کند.

شرایط فیزیکی که ویژگی های فیزیکی بدن را مشخص می کند.

شرایط موقت (اولیه) که توزیع دما را در لحظه اولیه زمان مشخص می کند.

شرایط مرزی مشخصه ویژگی های انتقال حرارت در مرزهای بدن. شرایط مرزی از نوع 1، 2 و 3 وجود دارد.

در شرایط مرزی از نوع 1توزیع دما در سطح بدن داده شده است. در این مورد، تعیین چگالی شار حرارتی از طریق بدن لازم است.

در شرایط مرزی نوع 2چگالی شار گرما و دمای یکی از سطوح بدن داده شده است. برای تعیین درجه حرارت سطح دیگر لازم است.

تحت شرایط مرزی نوع 3شرایط انتقال حرارت بین سطوح بدن و محیط‌هایی که بیرون آن‌ها را می‌شوید باید مشخص باشد. این داده ها برای تعیین چگالی شار حرارتی استفاده می شوند. این مورد به فرآیند مشترک انتقال حرارت توسط هدایت گرما و همرفت اشاره دارد که به آن می گویند انتقال گرما.

اجازه دهید ساده ترین مثال را برای مورد انتقال حرارت از طریق یک دیوار صاف در نظر بگیریم. تختدیوار نامیده می شود ، ضخامت آن بسیار کمتر از دو بعد دیگر - طول و عرض است. در این حالت می توان شرایط عدم ابهام را به صورت زیر مشخص کرد:

هندسی: ضخامت دیوار شناخته شده. میدان دما یک بعدی است، بنابراین دما فقط در جهت محور X تغییر می کند و شار گرما در امتداد نرمال به سطوح دیوار هدایت می شود.

فیزیکی: مواد دیوار و ضریب هدایت حرارتی آن مشخص است و برای کل بدنه = const;

موقت: میدان دما با زمان تغییر نمی کند، یعنی. ثابت است؛

شرایط مرزی: نوع اول ، دمای دیوار T1 و T2 است.

تعیین قانون تغییرات دما در امتداد ضخامت دیوار T = f (X) و چگالی شار حرارتی از طریق دیوار q لازم است.

برای حل مسئله از معادلات (1) و (3) استفاده می کنیم. با در نظر گرفتن شرایط مرزی پذیرفته شده (در x = 0T = T 1؛ در x = T = T 2)، پس از ادغام مضاعف معادله (3)، قانون تغییرات دما را در امتداد ضخامت دیوار به دست می آوریم.

,

توزیع دما در یک دیوار صاف در شکل 1 نشان داده شده است.

عکس. 1. توزیع دما در یک دیوار صاف

سپس چگالی شار حرارتی با توجه به بیان تعیین می شود

,

تعیین ضریب هدایت حرارتی  از نظر تئوری نمی تواند دقت نتیجه لازم برای تمرین مهندسی مدرن را ارائه دهد، بنابراین تنها راه قابل اعتماد، تعیین تجربی آن است.

یکی از روشهای تجربی شناخته شده برای تعیین  است روش لایه مسطح... بر اساس این روش می توان ضریب هدایت حرارتی ماده یک دیوار صاف را بر اساس رابطه (5) تعیین کرد.

;

در این مورد ، مقدار به دست آمده از ضریب هدایت حرارتی به مقدار متوسط ​​دما Tm = 0.5 (T 1 + T 2) اشاره دارد.

با وجود سادگی فیزیکی ، اجرای عملی این روش مشکلات خاص خود را دارد که با دشواری ایجاد میدان دمای ثابت یک بعدی در نمونه های مورد مطالعه و در نظر گرفتن تلفات حرارتی همراه است.

شرح غرفه آزمایشگاهی.

تعیین ضریب هدایت حرارتی بر اساس یک روش آزمایشگاهی بر اساس روش شبیه سازی فرآیندهای فیزیکی واقعی انجام می شود. نصب شامل یک رایانه شخصی است که با طرح منطقه کاری متصل است که روی صفحه نمایش نمایش داده می شود. بخش کار بر اساس قیاس با قسمت واقعی ایجاد می شود و نمودار آن در شکل نشان داده شده است. 2

شکل 2. طرح منطقه کار نصب

بخش کار از 2 نمونه فلوروپلاستیک 12 تشکیل شده است که به شکل دیسک هایی با ضخامت  = 5 میلی متر و قطر d = 140 میلی متر ساخته شده است. نمونه ها بین بخاری 10 با ارتفاع h = 12 میلی متر و قطر d n = 146 میلی متر و یخچال 11 خنک شده با آب قرار می گیرند. ایجاد یک جریان گرما توسط یک عنصر گرمایش با مقاومت الکتریکی R = 41 اهم و یک یخچال 11 با شیارهای مارپیچ برای گردش مستقیم آب خنک کننده انجام می شود. بنابراین، شار گرمایی که از نمونه‌های فلوروپلاستیک بررسی شده عبور می‌کند، توسط آب جاری در یخچال منتقل می‌شود. بخشی از گرمای بخاری از طریق سطوح انتهایی به داخل محیط می رود، بنابراین برای کاهش این تلفات شعاعی، یک پوشش عایق حرارتی 13 از سیمان آزبست ساخته شده است ( k = 0.08 W / (mgrad)). . پوششی با ارتفاع h k = 22 میلی متر به شکل استوانه توخالی با قطر داخلی d n = 146 میلی متر و قطر خارجی d k = 190 میلی متر ساخته شده است. دما با هفت ترموکوپل کروم-کوپل (نوع XK) pos اندازه گیری می شود. 1 ... 7، نصب شده در نقاط مختلف منطقه کار. سوئیچ سنسورهای دما 15 امکان اندازه گیری متوالی ترمو-EMF هر هفت سنسور دما را فراهم می کند. یک ترموکوپل 7 بر روی سطح بیرونی پوشش عایق حرارت نصب شده است تا نشت حرارتی را از طریق آن تشخیص دهد.

سفارش کار.

3.1. حالت دمای نصب با تنظیم دمای سطح داغ صفحات Tg در محدوده 35C تا 120C انتخاب می شود.

3.2 در صفحه کنترل نصب ، کلیدهای ضامن تغذیه دستگاه های نشانگر که ولتاژ را در بخاری برقی U ، ترمو-EMF سنسورهای دما E و سوئیچ ضامن گرمایش را به صورت سری روشن می کنند.

3.3. با چرخش نرم دسته رئوستات، ولتاژ مورد نیاز روی بخاری تنظیم می شود. رئوستات در یک نسخه پله ای ساخته شده است، بنابراین ولتاژ به تدریج تغییر می کند. ولتاژ U و دمای Tg باید مطابق با وابستگی نشان داده شده در شکل 3 با یکدیگر باشند.

شکل 3. منطقه کاری گرمایش.

3.4. با نظرسنجی متوالی سنسورهای دما با استفاده از سوئیچ 15، مقادیر thermo-EMF هفت ترموکوپل تعیین می شود که به همراه مقدار U در پروتکل آزمایش وارد می شوند (جدول 1 را ببینید). ثبت قرائت ها توسط ابزارهای نشانگر روی صفحه کنترل انجام می شود که قرائت آنها روی مانیتور رایانه شخصی تکرار می شود.

3.5. در پایان آزمایش ، همه اجزای تنظیم کننده نصب به موقعیت اصلی خود منتقل می شوند.

3.6 آزمایشات مکرر انجام می شود (در مجموع تعداد آنها باید حداقل 3 باشد) و در مقادیر دیگر Tg به ترتیب ارائه شده در پاراگراف ها انجام می شود. 3.1 ... 3.5.

پردازش نتایج اندازه گیری.

4.1. با توجه به مشخصه کالیبراسیون ترموکوپل کرومل-کوپل، خوانش سنسورهای دما در مقیاس کلوین به درجه تبدیل می شود. .

4.2. میانگین دمای سطوح داخلی گرم و سرد خارجی نمونه ها تعیین می شود

جایی که i شماره ترموکوپل است.

4.3. کل شار حرارتی تولید شده توسط بخاری الکتریکی تعیین می شود

، دبلیو

که در آن U ولتاژ جریان الکتریکی، V است.

R = 41 اهم - مقاومت بخاری برقی.

4.4. شار حرارتی از دست رفته در نتیجه انتقال حرارت از طریق ژاکت را تعیین می کند

که در آن k ضریب مشخص کننده فرآیند انتقال حرارت از طریق پوشش است.

، W / (m 2 grad)

که در آن  k = 0.08 W / (mgrad) ضریب هدایت حرارتی مواد پوشش است.

d n = 0.146 متر قطر بیرونی بخاری است.

d k = 0.190 متر - قطر بیرونی پوشش؛

h n = 0.012 متر - ارتفاع بخاری؛

h k = 0.022 متر - ارتفاع پوشش.

T t - دمای سطح بیرونی پوشش که توسط ترموکوپل 7 تعیین می شود

4.5. شار حرارتی عبوری از نمونه های آزمایشی را با استفاده از هدایت حرارتی تعیین می کند

، دبلیو

4.6 ضریب هدایت حرارتی مواد مورد مطالعه تعیین می شود

، W / (mgrad)

جایی که Q flu شار حرارتی است که با استفاده از رسانایی حرارتی از نمونه آزمایش عبور می کند ، W ؛

 = 0.005 متر - ضخامت نمونه.

- سطح یک نمونه، متر مربع؛

d = 0.140 متر - قطر نمونه;

Tg، T x به ترتیب دمای سطوح گرم و سرد نمونه، K هستند.

4.7. ضریب رسانایی حرارتی به دما بستگی دارد ، بنابراین مقادیر بدست آمده to به دمای متوسط ​​نمونه مربوط می شود

نتایج پردازش داده های تجربی در جدول 1 وارد شده است.

میز 1

نتایج اندازه گیری و پردازش داده های تجربی

قرائت ترموکوپل، mV/K

E 1

4.8. با استفاده از روش گرافیکی-تحلیلی برای پردازش نتایج بدست آمده ، وابستگی هدایت حرارتی مواد مورد مطالعه  به دمای متوسط ​​Tm نمونه به شکل بدست می آید.

جایی که  0 و b- بر اساس تجزیه و تحلیل نمودار وابستگی = f (T m) به صورت گرافیکی تعیین می شوند.

سوالات کنترلی

راه های اصلی انتقال گرما چیست؟

رسانایی حرارتی به چه چیزی گفته می شود؟

مکانیسم هدایت حرارتی در هادی ها و دی الکتریک جامد چه ویژگی هایی دارد؟

چه قوانینی روند هدایت گرما را توصیف می کند؟

به چه چیزی دیوار صاف می گویند؟

شرایط مرزی چیست؟

ماهیت تغییر دما در یک دیوار صاف چیست؟

معنای فیزیکی ضریب هدایت حرارتی چیست؟

چرا آگاهی از ضریب هدایت حرارتی مواد مختلف مورد نیاز است و مقدار آن چگونه تعیین می شود؟

ویژگی های روش شناختی روش لایه مسطح چیست؟

مطالعه انتقال حرارت با انتقال رایگان

هدف از کار: برای مطالعه قاعده های انتقال حرارت جابجایی با استفاده از مثال انتقال حرارت در هنگام همرفت آزاد برای موارد جریان عرضی و طولی در اطراف یک سطح گرم شده. کسب مهارت در پردازش نتایج آزمایش ها و ارائه آنها به صورت کلی.

ورزش:

1. مقادیر تجربی ضرایب انتقال حرارت از یک استوانه افقی و یک استوانه عمودی به محیط تحت همرفت آزاد را تعیین کنید.

2. با پردازش داده های تجربی، پارامترهای معادلات معیار مشخص کننده فرآیند همرفت آزاد نسبت به سطوح افقی و عمودی را بدست آورید.

مفاد نظری اساسی.

سه روش اصلی انتقال حرارت وجود دارد که از نظر ماهیت فیزیکی با یکدیگر تفاوت قابل توجهی دارند:

رسانایی گرمایی؛

همرفت؛

تابش حرارتی.

با هدایت حرارتی، حامل انرژی حرارتی ریز ذرات ماده - اتم ها و مولکول ها، با تابش حرارتی - امواج الکترومغناطیسی هستند.

همرفت- این راهی برای انتقال گرما به دلیل حرکت مقادیر ماکروسکوپی ماده از یک نقطه در فضا به نقطه دیگر است.

بنابراین، همرفت فقط در سیالات - گازها و مایعات امکان پذیر است. در تئوری انتقال حرارت، آنها را به طور کلی با عبارت نشان می دهند "مایع"بدون ایجاد تمایز، در صورت عدم نیاز به شرط جداگانه، بین مایعات و گازهای قطره ای. انتقال حرارت از طریق همرفت معمولاً با هدایت گرما همراه است. این فرایند نامیده می شود تبادل حرارتی همرفتی.

انتقال حرارت همرفتیفرآیند مشترک انتقال حرارت توسط همرفت و رسانش گرما است.

در عمل مهندسی، اغلب آنها با فرآیند انتقال حرارت همرفتی بین سطح یک جسم جامد (به عنوان مثال، سطح دیواره یک کوره، یک دستگاه گرمایش و غیره) و سیالی که این سطح را احاطه کرده است، سروکار دارند. این فرایند نامیده می شود انتقال گرما.

اتلاف گرما- یک مورد خاص از انتقال حرارت همرفتی بین سطح یک جسم جامد (دیوار) و محیط مایع شستشو دهنده آن.

تمیز دادن اجباری و آزاد (طبیعی)همرفت.

جابجایی اجباریتحت تأثیر نیروهای فشاری که به اجبار ایجاد می شوند، به عنوان مثال توسط پمپ، فن و غیره رخ می دهد.

جابجایی رایگان یا طبیعیتحت تأثیر نیروهای جرمی با ماهیت متفاوت رخ می دهد: گرانشی، گریز از مرکز، الکترومغناطیسی و غیره.

در زمین، همرفت آزاد در شرایط گرانش رخ می دهد، به همین دلیل است که به آن می گویند همرفت گرانشی حرارتی... در این حالت ، نیروی محرک فرایند ، نیروی بالابری است که در محیط در حضور ناهمگونی در توزیع چگالی در حجم مورد نظر بوجود می آید. در طول تبادل حرارت ، چنین ناهمگونی به این دلیل بوجود می آید که عناصر فردی محیط می توانند در دماهای مختلف باشند. در این حالت، عناصر محیط با حرارت بیشتر و در نتیجه چگالی کمتر، تحت اثر نیروی بالابر به سمت بالا حرکت می‌کنند و گرما را با خود حمل می‌کنند و عناصر سردتر و در نتیجه متراکم‌تر به سمت فضای خالی جریان می‌یابند. همانطور که در شکل نشان داده شده است. 1.

برنج. 1. ماهیت حرکت جریانها در یک مایع با همرفت آزاد

اگر منبع ثابت گرما در این مکان قرار داشته باشد، پس از گرم شدن، چگالی عناصر گرم شده محیط کاهش می یابد و آنها نیز شروع به شناور شدن به سمت بالا می کنند. بنابراین ، تا زمانی که تفاوت در چگالی عناصر فردی رسانه وجود داشته باشد ، گردش آنها ادامه می یابد ، به عنوان مثال. همرفت آزاد ادامه خواهد داشت. همرفت آزاد که در حجم های زیاد محیط رخ می دهد، جایی که هیچ چیز مانع توسعه جریان های همرفتی نمی شود، نامیده می شود. همرفت آزاد در فضای نامحدود... به عنوان مثال، جابجایی آزاد در یک فضای نامحدود، هنگام گرم کردن اتاق ها، گرم کردن آب در دیگ های آب گرم و بسیاری موارد دیگر رخ می دهد. اگر دیواره های کانال ها یا لایه هایی که با یک محیط سیال پر شده اند ، ایجاد جریان های همرفتی را مختل کند ، در این صورت فرایند در این مورد نامیده می شود همرفت آزاد در فضاهای محدود... چنین فرآیندی، به عنوان مثال، در هنگام تبادل حرارت در داخل فضاهای هوایی بین قاب های پنجره اتفاق می افتد.

قانون اساسی توصیف کننده فرآیند انتقال گرمای همرفتی است قانون نیوتن ریچمن... در شکل تحلیلی برای یک رژیم دمای ثابت انتقال حرارت، به شکل زیر است:

,

جایی که
- مقدار اولیه گرمایی که برای یک دوره ابتدایی از زمان پخش می شود
از یک سطح ابتدایی با مساحت
;

- دمای دیوار؛

- دمای مایع؛

ضریب انتقال حرارت است.

ضریب انتقال حرارتنشان می دهد که چه مقدار گرما در واحد زمان از یک واحد سطح با اختلاف دمایی بین دیوار و مایع یک درجه ساطع می شود. واحد اندازه گیری ضریب انتقال حرارت در سیستم SI W / m 2 ∙ درجه است. با یک فرایند ثابت ثابت ، ضریب انتقال حرارت را می توان از عبارت زیر تعیین کرد:

، W / m 2 ∙ درجه

جایی که - جریان گرما، W;

- مساحت سطح تبادل حرارت، متر مربع؛

- اختلاف دما بین سطح و مایع، درجه

ضریب انتقال حرارت، شدت انتقال حرارت بین دیوار و مایع شستشو دهنده آن را مشخص می کند. انتقال حرارت جابجایی به دلیل ماهیت فیزیکی آن یک فرایند بسیار پیچیده است. ضریب انتقال حرارت به تعداد بسیار زیادی از پارامترهای مختلف بستگی دارد - خواص فیزیکی سیال، ماهیت جریان سیال، سرعت جریان سیال، اندازه و شکل کانال، و همچنین بسیاری از عوامل دیگر. در این رابطه، نمی توان به طور نظری یک وابستگی کلی برای یافتن ضریب انتقال حرارت ارائه داد

ضریب انتقال حرارت را می توان با بیشترین دقت و اطمینان به صورت تجربی بر اساس رابطه (2) تعیین کرد. با این حال ، در عمل مهندسی ، هنگام محاسبه فرآیندهای انتقال حرارت در دستگاههای مختلف فنی ، به عنوان یک قاعده ، نمی توان به صورت تجربی مقدار ضریب انتقال حرارت را در شرایط یک شیء در مقیاس کامل به دلیل پیچیدگی و هزینه بالای راه اندازی چنین آزمایشی. در این صورت برای حل مشکل تعیین ، نظریه شباهت.

ارزش عملی اصلی نظریه شباهت در این واقعیت نهفته است که به شما امکان می دهد نتایج آزمایش جداگانه ای را که بر روی یک مدل در شرایط آزمایشگاهی انجام شده است به کل کلاس فرآیندهای واقعی و اشیاء مشابه فرآیند مورد مطالعه بر روی مدل تعمیم دهید. مفهوم شباهت ، که در رابطه با اشکال هندسی به خوبی شناخته شده است ، می تواند به هرگونه فرایند و پدیده فیزیکی گسترش یابد.

طبقه پدیده های فیزیکیمجموعه ای از پدیده هایی است که با یک سیستم معادلات کلی قابل توصیف هستند و ماهیت فیزیکی یکسانی دارند.

تک پدیده- این بخشی از کلاس پدیده های فیزیکی است که در شرایط خاص منحصر به فرد (هندسی ، فیزیکی ، اولیه ، مرز) متفاوت است.

پدیده های مشابه- گروهی از پدیده های یک طبقه با شرایط عدم ابهام یکسان، به جز مقادیر عددی مقادیر موجود در این شرایط.

تئوری شباهت بر این واقعیت استوار است که کمیت های فیزیکی ابعادی مشخص کننده پدیده را می توان در مجموعه های بدون بعد، و به طوری که تعداد این مجتمع ها از تعداد کمیت های بعدی کمتر خواهد بود. کمپلکس های بی بعد حاصل نامیده می شوند معیارهای شباهت... معیارهای شباهت معنای فیزیکی خاصی دارند و تأثیر نه یک کمیت فیزیکی، بلکه کل مجموعه آنها را که در این معیار گنجانده شده است منعکس می کنند، که تجزیه و تحلیل فرآیند مورد مطالعه را بسیار ساده می کند. خود فرآیند در این مورد می تواند در قالب یک وابستگی تحلیلی نشان داده شود
بین معیارهای شباهت
مشخص کردن جنبه های فردی آن این گونه وابستگی ها نامیده می شوند معادلات معیار... معیارهای شباهت به نام دانشمندانی که سهم قابل توجهی در توسعه هیدرودینامیک و تئوری انتقال حرارت داشتند - ناسلت، پراندتل، گراشوف، رینولدز، کرپیچف و دیگران نامگذاری شدند.

نظریه تشابه مبتنی بر 3 قضیه تشابه است.

قضیه 1:

پدیده های مشابه یکدیگر معیارهای مشابهی دارند.

این قضیه نشان می‌دهد که در آزمایش‌ها فقط باید آن دسته از کمیت‌های فیزیکی را اندازه‌گیری کرد که در معیارهای شباهت موجود است.

قضیه دوم:

معادلات ریاضی اولیه که یک پدیده فیزیکی معین را مشخص می کند همیشه می تواند به عنوان رابطه ای بین معیارهای شباهت که مشخصه این پدیده است نشان داده شود.

این معادلات نامیده می شوند معیار... این قضیه نشان می دهد که نتایج آزمایش ها باید در قالب معادلات معیار ارائه شود.

قضیه 3.

مشابه آن دسته از پدیده هایی هستند که معیارهای تشابه، متشکل از شرایط عدم ابهام، برابر است..

این قضیه شرط لازم برای برقراری شباهت فیزیکی را تعریف می کند. معیارهای تشابه متشکل از شرایط عدم ابهام نامیده می شوند تعریف کردن... آنها برابری همه دیگران را تعیین می کنند یا مشخصمعیارهای شباهت ، که در واقع موضوع قضیه شباهت 1 است. بنابراین، قضیه شباهت 3، قضیه 1 را توسعه و عمیق می کند.

هنگام مطالعه انتقال حرارت جابجایی ، معیارهای تشابه زیر بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

معیار رینولدز (دوباره) - رابطه بین نیروهای اینرسی و نیروهای اصطکاک چسبناکی که در یک سیال عمل می کنند را مشخص می کند. مقدار معیار رینولدز رژیم جریان سیال را تحت همرفت اجباری مشخص می کند.

,

جایی که - سرعت حرکت مایع؛

- ضریب ویسکوزیته سینماتیکی مایع؛

- تعیین اندازه

معیار گراشوف (گر) - رابطه بین نیروهای اصطکاک چسبناک و نیروی بالابرنده که در یک مایع عمل می کند، با همرفت آزاد را مشخص می کند. ارزش معیار Grashof رژیم جریان سیال تحت همرفت آزاد را مشخص می کند.

,

جایی که - شتاب گرانش؛

- تعیین اندازه؛

- ضریب دمای انبساط حجمی مایع (برای گازها
، جایی که - تعریف دما در مقیاس کلوین)؛

- اختلاف دما بین دیوار و مایع؛

- به ترتیب دمای دیوار و مایع؛

- ضریب ویسکوزیته سینماتیکی مایع.

معیار ناسلت (نو) - نسبت بین مقدار گرمای منتقل شده از طریق رسانش گرما و مقدار گرمای منتقل شده از طریق همرفت در طی تبادل حرارتی همرفتی بین سطح جامد (دیوار) و مایع را مشخص می کند. با انتقال حرارت

,

جایی که - ضریب انتقال حرارت؛

- تعیین اندازه؛

ضریب هدایت حرارتی مایع در مرز دیوار و مایع است.

معیار پکلت (پلی اتیلن) - نسبت بین مقدار گرمای دریافتی (تولید شده) توسط جریان سیال و مقدار گرمای منتقل شده (تولید شده) از طریق تبادل حرارتی همرفتی را مشخص می کند.

,

جایی که - نرخ جریان سیال؛

- تعیین اندازه؛

- ضریب نفوذ حرارتی؛

- به ترتیب ، ضریب هدایت حرارتی ، ظرفیت حرارتی ایزوباریک ، چگالی مایع.

معیار پراندل (Pr) - خصوصیات فیزیکی مایع را مشخص می کند.

,

جایی که - ضریب ویسکوزیته سینماتیکی؛

- ضریب نفوذ حرارتی مایع.

از معیارهای شباهت در نظر گرفته شده ، می توان دریافت که مهمترین پارامتر در محاسبه فرآیندهای انتقال حرارت جابجایی ، که شدت روند را مشخص می کند ، یعنی ضریب انتقال حرارت در عبارت معیار ناسلت گنجانده شده است. این امر باعث شد که برای حل مسائل انتقال حرارت همرفتی با روش های مهندسی بر اساس استفاده از تئوری شباهت، این معیار مهمترین معیار تعریف شده باشد. مقدار ضریب انتقال حرارت در این حالت مطابق عبارت زیر تعیین می شود

در این راستا معمولاً معادلات معیار با توجه به معیار ناسلت به صورت حل نوشته می شوند و به صورت تابع توان هستند.

جایی که
- مقادیر معیارهای شباهت که جنبه های مختلف فرآیند مورد بررسی را مشخص می کند.

- ثابت های عددی بر اساس داده های تجربی به دست آمده در مطالعه یک کلاس از پدیده های مشابه در مدل ها به صورت تجربی تعیین می شود.

بسته به نوع همرفت و شرایط فرآیند خاص، مجموعه معیارهای شباهت موجود در معادله معیار، مقادیر ثابت ها و ضرایب تصحیح ممکن است متفاوت باشد.

در کاربرد عملی معادلات معیار، موضوع انتخاب صحیح اندازه تعیین کننده و تعیین دما اهمیت دارد. دمای تعیین کننده برای تعیین صحیح مقادیر خواص فیزیکی مایع مورد استفاده در محاسبه مقادیر معیارهای شباهت ضروری است. انتخاب اندازه تعیین کننده بستگی به موقعیت نسبی جریان سیال و سطح در حال شستشو دارد، یعنی به ماهیت جریان آن. در این مورد، باید با توصیه های موجود برای موارد معمول زیر هدایت شود.

همرفت اجباری هنگامی که یک سیال در داخل یک لوله دایره ای حرکت می کند.

- قطر داخلی لوله

همرفت اجباری در حین حرکت سیال در کانال هایی با مقطع دلخواه.

- قطر معادل،

جایی که - سطح مقطع کانال؛

- محیط بخش.

جریان متقاطع در اطراف یک لوله دایره ای با همرفت آزاد (لوله افقی (شکل 2 را ببینید) با همرفت گرانشی حرارتی)

قطر بیرونی لوله است.

شکل 2. ماهیت جریان در اطراف یک لوله افقی در طول همرفت گرانشی حرارتی

جریان طولی اطراف یک دیوار صاف (لوله) (نگاه کنید به شکل 3) در طول جابجایی گرانشی حرارتی.

- ارتفاع دیوار (طول لوله).

برنج. 3. ماهیت جریان در اطراف یک دیوار عمودی (لوله) در طول همرفت گرانشی حرارتی.

تعیین دما برای تعیین صحیح خواص ترموفیزیکی محیط ضروری است که مقادیر آن بسته به دما تغییر می کند.

در انتقال حرارت، میانگین حسابی بین دمای دیوار و مایع به عنوان دمای تعیین کننده در نظر گرفته می شود.

در تبادل حرارت جابجایی بین عناصر جداگانه محیط در داخل حجم مورد نظر ، میانگین حسابی بین دمای عناصر محیط شرکت کننده در تبادل حرارت به عنوان دمای تعیین کننده در نظر گرفته می شود.

در این مقاله، روش انجام یک آزمایش آزمایشگاهی و روشی برای به دست آوردن معادلات معیار برای 2 حالت معمولی جریان در اطراف یک سطح گرم شده (عرضی و طولی) با همرفت آزاد گازهای مختلف نسبت به سیلندرهای افقی و عمودی را در نظر می گیریم.

بخش تجربی.

تا کنون، یک طبقه بندی یکپارچه ایجاد نشده است که با انواع روش های موجود مرتبط است. روش های آزمایشی شناخته شده برای اندازه گیری هدایت حرارتی مواد به دو گروه بزرگ ثابت و غیر ساکن تقسیم می شوند. در حالت اول، کیفیت فرمول محاسبه از راه‌حل‌های خاصی از معادله هدایت گرما استفاده می‌کند

تحت شرایط، در دوم - در شرایطی که T دما است. f - زمان؛ - ضریب نفوذ حرارتی؛ ل - ضریب هدایت حرارتی؛ C ظرفیت گرمایی ویژه است. d چگالی ماده است. - عملگر لاپلاس که در سیستم مختصات مربوطه نوشته شده است. - قدرت ویژه منبع حرارت حجمی.

گروه اول روشها بر اساس استفاده از یک رژیم حرارتی ثابت است. دومی یک رژیم حرارتی غیر ثابت است. روش های ثابت برای تعیین ضریب هدایت حرارتی بر اساس ماهیت اندازه گیری ها مستقیم هستند (یعنی ضریب هدایت حرارتی مستقیماً تعیین می شود) و به مطلق و نسبی تقسیم می شوند. در روش های مطلق، پارامترهای اندازه گیری شده در آزمایش، به دست آوردن مقدار مورد نیاز ضریب هدایت حرارتی را با استفاده از فرمول محاسبه ممکن می سازد. در روش های نسبی، پارامترهای اندازه گیری شده در آزمایش اجازه می دهد تا با استفاده از فرمول محاسبه مقدار مورد نظر ضریب هدایت حرارتی را به دست آوریم. در روشهای نسبی ، پارامترهای اندازه گیری شده برای محاسبه مقدار مطلق کافی نیست. دو مورد در اینجا امکان پذیر است. اولین مورد مشاهده تغییر ضریب هدایت حرارتی نسبت به ضریب اولیه، به عنوان یک واحد است. مورد دوم استفاده از یک ماده مرجع با خواص حرارتی شناخته شده است. در این مورد ، از ضریب هدایت حرارتی استاندارد در فرمول محاسبه استفاده می شود. روش های نسبی نسبت به روش های مطلق مزیت هایی دارند زیرا ساده تر هستند. تقسیم بیشتر روش های ثابت را می توان با توجه به ماهیت گرمایش (خارجی، حجمی و ترکیبی) و بر اساس شکل ایزوترم های میدان دما در نمونه ها (مسطح، استوانه ای، کروی) انجام داد. زیرگروه روش های با گرمایش خارجی شامل کلیه روش هایی است که از هیترهای خارجی (برقی، حجمی و ...) استفاده می کنند و سطوح نمونه را با تابش حرارتی یا بمباران الکترونی گرم می کنند. زیرگروه روش‌ها با گرمایش حجمی همه روش‌هایی را که از گرمایش با جریان عبوری از نمونه، گرم کردن نمونه تحت مطالعه از نوترون یا تابش r یا جریان‌های مایکروویو استفاده می‌کنند، متحد می‌کند. زیرگروه روش های گرمایش ترکیبی می تواند شامل روش هایی باشد که همزمان از گرمایش خارجی و حجمی نمونه ها یا گرمایش میانی (مثلاً با جریان های فرکانس بالا) استفاده می کنند.

در هر سه زیر گروه روش های ثابت، میدان دما

ممکن است متفاوت باشد

ایزوترم های صفحه زمانی تشکیل می شوند که شار حرارتی در امتداد محور تقارن نمونه هدایت شود. روش‌هایی که از ایزوترم‌های مسطح در ادبیات استفاده می‌کنند، روش‌هایی با شار حرارتی محوری یا طولی نامیده می‌شوند و خود تنظیمات تجربی را دستگاه‌های تخت می‌نامند.

ایزوترم های استوانه ای مربوط به انتشار شار حرارتی در جهت شعاع نمونه استوانه ای است. در موردی که شار گرما در امتداد شعاع یک نمونه کروی هدایت می شود، ایزوترم های کروی ظاهر می شوند. روش هایی که از چنین ایزوترم ها استفاده می کنند کروی و دستگاه ها کروی نامیده می شوند.

در روند حرکت حرارتی آنها. در مایعات و جامدات - دی الکتریک - انتقال حرارت با انتقال مستقیم حرکت حرارتی مولکول ها و اتم ها به ذرات همسایه ماده انجام می شود. در اجسام گازی ، انتشار گرما با هدایت حرارتی به دلیل تبادل انرژی در هنگام برخورد مولکولها با سرعتهای مختلف حرکت حرارتی اتفاق می افتد. در فلزات، هدایت حرارتی عمدتاً به دلیل حرکت الکترون های آزاد است.

هدایت حرارتی اصلی zek شامل تعدادی مفاهیم ریاضی است که بهتر است تعاریف آنها را یادآوری و توضیح دهیم.

میدان دمامجموعه ای از مقادیر دما در تمام نقاط بدن در یک لحظه معین از زمان است. از نظر ریاضی به این صورت توصیف می شود تی = f(x، y، z، τ). تمیز دادن دمای ثابتزمانی که درجه حرارت در تمام نقاط بدن به زمان بستگی ندارد (در طول زمان تغییر نمی کند) ، و میدان دمایی ناپایدار... علاوه بر این، اگر دما فقط در امتداد یک یا دو مختصات فضایی تغییر کند، میدان دما به ترتیب یک یا دو بعدی نامیده می شود.

سطح ایزوترمالمنبعی از نقاط است که دمای آن یکسان است.

گرادیان دما — grad tیک بردار است که در امتداد سطح نرمال به سطح همدما هدایت می شود و از نظر عددی برابر با مشتق دما در این جهت است.

طبق قانون اساسی هدایت گرما - قانون فوریه(1822)، بردار چگالی شار حرارتی منتقل شده توسط هدایت حرارتی با گرادیان دما متناسب است:

q = - λ grad t, (3)

جایی که λ - ضریب هدایت حرارتی ماده؛ واحد اندازه گیری آن دبلیو/(متر K).

علامت منفی در رابطه (3) نشان می دهد که بردار qبرعکس بردار هدایت می شود grad t، یعنی به سمت بیشترین کاهش دما.

جریان دما δQاز طریق یک منطقه ابتدایی جهت گیری دلخواه dFبرابر حاصلضرب نقطه ای بردار است qبردار یک سایت ابتدایی dFو شار حرارتی کل سدر سراسر سطح افبا ادغام این محصول روی سطح تعیین می شود F:

ضریب هدایت حرارتی

ضریب هدایت حرارتی λ در قانون فوریه(3) توانایی یک ماده معین برای هدایت گرما را مشخص می کند. مقادیر ضرایب رسانایی حرارتی در کتابهای مرجع در مورد خواص ترموفیزیکی مواد آورده شده است. از نظر عددی، ضریب هدایت حرارتی λ = q /درجه تیبرابر چگالی شار حرارتی است qدر یک گرادیان دما grad t = 1 K/m... گاز سبک، هیدروژن، بالاترین رسانایی حرارتی را دارد. در شرایط اتاق ، هدایت حرارتی هیدروژن λ = 0,2 دبلیو/(متر K). گازهای سنگین تر هدایت حرارتی کمتری دارند - هوا λ = 0,025 دبلیو/(متر K، در دی اکسید کربن λ = 0,02 دبلیو/(متر K).

نقره و مس خالص بالاترین رسانایی حرارتی را دارند: λ = 400 دبلیو/(متر K). برای فولادهای کربنی λ = 50 دبلیو/(متر K). در مایعات، ضریب هدایت حرارتی معمولاً کمتر از 1 است دبلیو/(متر K). آب یکی از بهترین هادی های حرارتی مایع برای آن است λ = 0,6 دبلیو/(متر K).

ضریب هدایت حرارتی مواد جامد غیرفلزی معمولاً زیر 10 است دبلیو/(متر K).

مواد متخلخل - چوب پنبه، پرکننده های فیبری مختلف مانند پشم آلی - کمترین ضریب هدایت حرارتی را دارند. λ <0,25 دبلیو/(متر K) با چگالی بسته بندی کم به ضریب هدایت حرارتی هوای پرکننده منافذ نزدیک می شود.

دما، فشار و در مواد متخلخل نیز رطوبت می تواند تأثیر بسزایی بر ضریب هدایت حرارتی داشته باشد. کتاب های مرجع همیشه شرایطی را ارائه می دهند که تحت آن ضریب هدایت حرارتی یک ماده مشخص شده است و برای شرایط دیگر نمی توان از این داده ها استفاده کرد. محدوده ارزش ها λ برای مواد مختلف در شکل نشان داده شده است. 1.

عکس. 1. فواصل مقادیر ضرایب هدایت حرارتی مواد مختلف.

انتقال حرارت با هدایت حرارتی

دیوار مسطح یکنواخت.

ساده ترین و بسیار رایج ترین مشکلی که توسط تئوری انتقال حرارت حل می شود، تعیین چگالی شار حرارتی است که از طریق دیواره ای مسطح با ضخامت منتقل می شود. δ ، روی سطوحی که دمای آنها حفظ می شود t w1و t w2.(شکل 2). دما فقط در امتداد ضخامت صفحه تغییر می کند - یک مختصات NS.چنین مسائلی تک بعدی نامیده می شوند، راه حل آنها ساده ترین است و در این دوره ما خود را به بررسی مسائل یک بعدی محدود می کنیم.

با توجه به اینکه برای مورد یک عددی:

grad t = dt / dx, (5)

و با استفاده از قانون اساسی هدایت حرارتی (2) ، معادله دیفرانسیل هدایت حرارتی ثابت را برای یک دیوار مسطح بدست می آوریم:

در شرایط ثابت، زمانی که انرژی برای گرمایش مصرف نمی شود، چگالی شار حرارتی qبدون تغییر در ضخامت دیوار در اکثر مسائل عملی، تقریباً ضریب هدایت حرارتی فرض می شود λ به دما بستگی ندارد و در کل ضخامت دیوار یکسان است. معنی λ در کتب مرجع در دمای:

میانگین بین دمای سطوح دیوار. (در این مورد ، خطای محاسبه معمولاً کمتر از خطای داده های اولیه و مقادیر جدولی است و با وابستگی خطی ضریب هدایت حرارتی به دما: λ = a + btفرمول محاسبه دقیق برای qبا تقریبی تفاوتی ندارد). در λ = ثابت:

(7)

آن ها وابستگی به دما تیاز مختصات NSخطی (شکل 2).

شکل 2. توزیع ثابت دما بر روی ضخامت یک دیوار صاف.

تقسیم متغیرها در معادله (7) و ادغام روی تیاز جانب t w1قبل از t w2و توسط NSاز 0 تا δ :

, (8)

ما وابستگی برای محاسبه چگالی شار حرارتی را بدست می آوریم:

, (9)

یا توان شار حرارتی (شار حرارتی):

(10)

بنابراین مقدار حرارت منتقل شده از طریق 1 متر 2دیوارها، به طور مستقیم با ضریب هدایت حرارتی متناسب است λ و اختلاف دما بین سطوح خارجی دیوار ( t w1 - t w2) و با ضخامت دیوار نسبت معکوس دارد δ ... مقدار کل گرما از طریق یک دیوار با مساحت افنیز متناسب با این حوزه.

ساده ترین فرمول به دست آمده (10) در محاسبات حرارتی بسیار گسترده است. با استفاده از این فرمول ، نه تنها چگالی شار حرارتی از طریق دیوارهای مسطح محاسبه می شود ، بلکه برآورد مواردی پیچیده تر نیز انجام می شود که با جایگزینی دیوارهای یک پیکربندی پیچیده با یک دیوار مسطح در محاسبات ساده شده است. گاهی اوقات ، بر اساس ارزیابی ، یکی از گزینه ها بدون صرف وقت بیشتر برای مطالعه دقیق آن رد می شود.

دمای بدن در یک نقطه NSبا فرمول تعیین می شود:

t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)

نگرش λF / δهدایت حرارتی دیوار و رسانایی متقابل نامیده می شود δ / λFمقاومت حرارتی یا حرارتی دیوار و نشان داده شده است R λ... با استفاده از مفهوم مقاومت حرارتی، فرمول محاسبه شار حرارتی را می توان به صورت زیر نشان داد:

وابستگی (11) مشابه قانون است اهمدر مهندسی برق (قدرت جریان الکتریکی برابر است با اختلاف پتانسیل تقسیم بر مقاومت الکتریکی رسانایی که جریان از آن عبور می کند).

اغلب، مقاومت حرارتی را مقدار δ / λ می نامند که برابر با مقاومت حرارتی یک دیوار صاف با مساحت 1 است. متر 2.

مثال های محاسباتی.

مثال 1... شار گرما را از طریق دیوار بتنی یک ساختمان با ضخامت 200 تعیین کنید میلی متر، ارتفاع اچ = 2,5 مترو طول 2 متراگر دمای سطوح آن عبارتند از: t с1= 20 0 C، t с2= - 10 0 С و ضریب هدایت حرارتی λ =1 دبلیو/(متر K):

= 750 دبلیو.

مثال 2... ضریب هدایت حرارتی مصالح دیوار با ضخامت 50 را تعیین کنید میلی متر, اگر چگالی شار حرارتی از آن عبور کند q = 100 دبلیو/متر 2و اختلاف دما روی سطوح Δt = 20 0 C.

دبلیو/(متر K).

دیوار چند لایه.

فرمول (10) همچنین می تواند برای محاسبه شار حرارتی از طریق یک دیوار متشکل از چندین ( n) لایه های محکم مجاور مواد غیر مشابه (شکل 3)، به عنوان مثال، یک سر سیلندر، یک واشر و یک بلوک سیلندر ساخته شده از مواد مختلف و غیره.

شکل 3. توزیع دما بر روی ضخامت یک دیوار صاف چند لایه.

مقاومت حرارتی چنین دیواری برابر است با مجموع مقاومت های حرارتی هر لایه:

(12)

در فرمول (12) لازم است که اختلاف دما در آن نقاط (سطوح) جایگزین شود، که بین آنها تمام مقاومت های حرارتی جمع شده "شامل" می شود، یعنی. در این مورد: t w1و t w (n + 1):

, (13)

جایی که من- شماره لایه

در حالت ثابت ، شار حرارتی خاص از طریق دیوار چند لایه ثابت است و برای همه لایه ها یکسان است. از (13) به شرح زیر است:

. (14)

از رابطه (14) به دست می آید که مقاومت حرارتی کلی دیوار چند لایه برابر است با مجموع مقاومت های هر لایه.

فرمول (13) را می توان با نوشتن اختلاف دما مطابق فرمول (10) برای هر یک از آنها به راحتی بدست آورد. NSلایه های یک دیوار چند لایه و اضافه کردن همه NSعبارات با در نظر گرفتن این واقعیت که در همه لایه ها سهمین معنی را دارد وقتی با هم جمع شوند، تمام دماهای میانی کاهش می یابد.

توزیع دما در هر لایه خطی است، اما در لایه های مختلف شیب وابستگی دما متفاوت است، زیرا طبق فرمول (7) ( dt / dx)من = - q / λ i... چگالی شار حرارتی عبوری از تمام فیل‌ها در حالت ساکن یکسان است و ضریب هدایت حرارتی لایه‌ها متفاوت است، بنابراین دما در لایه‌هایی با رسانایی حرارتی کمتر تغییر می‌کند. بنابراین، در مثال در شکل 4، مواد لایه دوم (به عنوان مثال، واشر) کمترین رسانایی حرارتی، و بالاترین - لایه سوم را دارد.

با محاسبه شار حرارتی از طریق دیوار چند لایه ، می توان افت دما را در هر لایه با توجه به رابطه (10) تعیین و درجه حرارت را در مرزهای همه لایه ها پیدا کرد. این امر هنگام استفاده از مواد با دمای مجاز محدود به عنوان عایق حرارت بسیار مهم است.

دمای لایه ها با فرمول زیر تعیین می شود:

t w1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)

t w2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)

تماس با مقاومت حرارتی... هنگام استخراج فرمول برای یک دیوار چند لایه، فرض بر این بود که لایه ها کاملاً در مجاورت یکدیگر هستند و به دلیل تماس خوب، سطوح تماس لایه های مختلف دارای دمای یکسان هستند. اگر یکی از لایه‌ها در حالت مایع یا به شکل محلول سیال روی لایه‌ای دیگر اعمال شود، به طور ایده‌آل، تماس نزدیک بین لایه‌های جداگانه یک دیوار چند لایه حاصل می‌شود. اجسام سفت و محکم فقط با نوک پروفیل های زبری یکدیگر را لمس می کنند (شکل 4).

سطح تماس رأسها ناچیز است و کل شار حرارتی از شکاف هوا عبور می کند ( ساعت). این مقاومت حرارتی اضافی (تماسی) ایجاد می کند R به... مقاومت های تماس حرارتی را می توان به طور مستقل با استفاده از وابستگی های تجربی مناسب یا تجربی تعیین کرد. به عنوان مثال ، مقاومت حرارتی شکاف 0.03 است میلی مترتقریبا معادل مقاومت حرارتی یک لایه فولادی با ضخامت حدود 30 است میلی متر.

شکل 4. تصویری از تماس دو سطح ناهموار.

روش های کاهش مقاومت تماس حرارتیمقاومت حرارتی کل تماس با خلوص پردازش، بار، هدایت حرارتی محیط، رسانایی حرارتی مواد قطعات در تماس و سایر عوامل تعیین می شود.

بیشترین کارایی کاهش مقاومت حرارتی با وارد شدن به ناحیه تماس یک محیط با رسانایی گرمایی نزدیک به رسانایی حرارتی فلز حاصل می شود.

امکانات زیر برای پر کردن محل تماس با مواد وجود دارد:

استفاده از واشر فلزی نرم؛

آشنایی با منطقه تماس یک ماده پودری با هدایت حرارتی خوب.

مقدمه ای بر منطقه یک ماده چسبناک با هدایت حرارتی خوب؛

پر کردن فضای بین برجستگی های زبری با فلز مایع.

بهترین نتایج هنگام پر کردن منطقه تماس با قلع مذاب بدست آمد. در این حالت، مقاومت حرارتی کنتاکت عملاً صفر می شود.

دیوار استوانه ای.

اغلب، حامل های گرما از طریق لوله ها (سیلندر) حرکت می کنند و لازم است شار حرارتی منتقل شده از طریق دیواره استوانه ای لوله (سیلندر) محاسبه شود. مشکل انتقال حرارت از طریق دیوار استوانه ای (در دماهای مشخص و ثابت در سطوح داخلی و خارجی) نیز اگر در مختصات استوانه ای در نظر گرفته شود، تک بعدی است (شکل 4).

دما فقط در طول شعاع و در طول لوله تغییر می کند لو در امتداد محیط آن بدون تغییر باقی می ماند.

در این مورد، معادله جریان گرما به شکل زیر است:

. (15)

وابستگی (15) نشان می دهد که مقدار حرارت منتقل شده از طریق دیواره سیلندر نسبت مستقیمی با ضریب هدایت حرارتی دارد. λ ، طول لوله لو اختلاف دما ( t w1 - t w2و با لگاریتم طبیعی نسبت قطر خارجی استوانه نسبت معکوس دارد. د 2به قطر داخلی آن د 1.

برنج. 4. تغییر دما در ضخامت یک دیوار استوانه ای تک لایه.

در λ = توزیع دمای ثابت در شعاع rیک دیوار استوانه ای تک لایه از قانون لگاریتمی پیروی می کند (شکل 4).

مثال... چند برابر تلفات حرارتی از طریق دیوار ساختمان کاهش می یابد اگر بین دو لایه آجر 250 میلی متریک پد فوم با ضخامت 50 میلی متر نصب کنید میلی متر... ضرایب هدایت حرارتی به ترتیب برابر است: λ kirp . = 0,5 دبلیو/(متر K); قلم λ. . = 0,05 دبلیو/(متر K).

مطابق با الزامات قانون فدرال شماره 261-FZ "در مورد صرفه جویی در انرژی"، الزامات مربوط به هدایت حرارتی ساختمان و مواد عایق حرارت در روسیه سخت تر شده است. امروزه اندازه گیری هدایت حرارتی یکی از نکات اجباری هنگام تصمیم گیری در مورد استفاده از یک ماده به عنوان عایق حرارتی است.

چرا اندازه گیری هدایت حرارتی در ساخت و ساز ضروری است؟

کنترل رسانایی حرارتی مصالح ساختمانی و عایق حرارتی در تمام مراحل صدور گواهینامه و تولید آنها در شرایط آزمایشگاهی انجام می شود، زمانی که مواد در معرض عوامل مختلف مؤثر بر خواص عملیاتی آن قرار می گیرند. چندین روش رایج برای اندازه گیری هدایت حرارتی وجود دارد. برای آزمایش دقیق آزمایشگاهی مواد با رسانایی حرارتی پایین (زیر 0.04 - 0.05 W / m * K) ، توصیه می شود از دستگاه هایی با روش جریان حرارت ثابت استفاده کنید. استفاده از آنها توسط GOST 7076 تنظیم می شود.

شرکت Interpribor یک متر هدایت حرارتی را ارائه می دهد که قیمت آن با آنچه در بازار وجود دارد قابل مقایسه است و تمام نیازهای مدرن را برآورده می کند. برای کنترل کیفیت آزمایشگاهی مصالح ساختمانی و عایق حرارتی در نظر گرفته شده است.

مزایای دستگاه هدایت حرارتی ITS-1

متر هدایت حرارتی ITS-1 دارای طراحی تک بلوک اصلی است و دارای مزایای زیر است:

• چرخه اندازه گیری خودکار؛
• مسیر اندازه گیری با دقت بالا که امکان تثبیت دمای یخچال و بخاری را فراهم می کند.
• امکان کالیبراسیون دستگاه برای انواع خاصی از مواد مورد بررسی ، که علاوه بر این دقت نتایج را افزایش می دهد.
• ارزیابی صریح نتیجه در فرآیند انجام اندازه گیری ها؛
• منطقه امنیتی "گرم" بهینه شده؛
• صفحه نمایش گرافیکی آموزنده که کنترل و تجزیه و تحلیل نتایج اندازه گیری را ساده می کند.

ITS-1 در یک تغییر اساسی واحد ارائه می شود که به درخواست مشتری ، می توان آن را با نمونه های کنترل (پلکسی گلاس و پنوپلکس) ، یک جعبه برای مواد فله و یک قاب محافظ برای ذخیره و حمل دستگاه تکمیل کرد.

GOST 7076-99

UDC 691: 536.2.08: 006.354 گروه Ж19

استاندارد بین ایالتی

مصالح و محصولات ساختمانی

روشی برای تعیین هدایت حرارتی و مقاومت حرارتی

در شرایط حرارتی ثابت

مصالح و محصولات ساختمانی

روش تعیین حرارت حالت پایدار

رسانایی و مقاومت حرارتی

تاریخ معرفی 2000-04-01

پیشگفتار

1 توسعه یافته توسط پژوهشکده فیزیک ساختمان (NIISF) فدراسیون روسیه

معرفی شده توسط گوستروی روسیه

2 تصویب شده توسط کمیسیون علمی و فنی بین ایالتی برای استانداردسازی، مقررات فنی و صدور گواهینامه در ساخت و ساز (ISTC) در 20 مه 1999

نام ایالت	نام نهاد دولتی مدیریت ساخت و ساز
جمهوری ارمنستان	وزارت توسعه شهری جمهوری ارمنستان
جمهوری قزاقستان	کمیته ساخت وزارت انرژی ، صنعت و تجارت جمهوری قزاقستان
جمهوری قرقیزستان	بازرسی دولتی برای معماری و ساخت و ساز تحت حکومت جمهوری قرقیزستان
جمهوری مولداوی	وزارت توسعه سرزمینی، ساخت و ساز و خدمات عمومی جمهوری مولداوی
فدراسیون روسیه	گوستروی روسیه
جمهوری تاجیکستان	کمیته معماری و ساختمان جمهوری تاجیکستان
جمهوری ازبکستان	کمیته دولتی معماری و ساخت و ساز جمهوری ازبکستان
	کمیته دولتی ساخت و ساز، معماری و سیاست مسکن اوکراین

3 GOST 7076-87 را جایگزین کنید

4 از 1 آوریل 2000 به عنوان استاندارد دولتی فدراسیون روسیه با فرمان Gosstroy روسیه مورخ 24 دسامبر 1999 شماره 89 به اجرا درآمد.

معرفی

این استاندارد بین المللی از نظر اصطلاحی با استانداردهای ISO 7345: 1987 و ISO 9251: 1987 هماهنگ است و با مفاد اصلی ISO 8301: 1991، ISO 8302: 1991 مطابقت دارد که روش هایی را برای تعیین مقاومت حرارتی و هدایت حرارتی موثر با استفاده از آن تعیین می کند. دستگاهی مجهز به متر حرارتی و دستگاهی با منطقه امنیتی گرم.

مطابق با استانداردهای ISO، این استاندارد الزاماتی را برای نمونه ها، دستگاه و کالیبراسیون آن ایجاد می کند، دو طرح آزمایش اصلی اتخاذ شده است: نامتقارن (با یک متر حرارت) و متقارن (با دو متر حرارت).

1 منطقه استفاده

این استاندارد در مورد مصالح و محصولات ساختمانی و همچنین مواد و محصولات در نظر گرفته شده برای عایق کاری حرارتی تجهیزات صنعتی و خطوط لوله اعمال می شود و روشی را برای تعیین رسانایی گرمایی موثر و مقاومت حرارتی آنها در دمای متوسط ​​نمونه از منفی 40 تا 200+ تعیین می کند. ج.

این استاندارد برای مواد و محصولات با رسانایی حرارتی بیش از 1.5 W / (m) اعمال نمی شود × K).

کولیس GOST 166-89. شرایط فنی

GOST 427-75 اندازه گیری خط کش های فلزی. شرایط فنی

GOST 24104-88 تراز آزمایشگاهی برای اهداف عمومی و نمونه. مشخصات کلی

3 تعاریف و نمادها

3.1 برای اهداف این استاندارد ، اصطلاحات زیر با تعاریف مناسب استفاده می شود.

جریان دما- مقدار گرمای عبوری از نمونه در واحد زمان.

چگالی شار حرارتی- شار حرارتی که از یک واحد مساحت عبور می کند.

شرایط حرارتی ثابت- حالتی که در آن تمام پارامترهای ترموفیزیکی در نظر گرفته شده با گذشت زمان تغییر نمی کنند.

مقاومت حرارتی نمونه- نسبت اختلاف دما بین صفحات جلویی نمونه به چگالی شار حرارتی در شرایط یک رژیم حرارتی ثابت.

میانگین دمای نمونه- میانگین حسابی دماهای اندازه گیری شده در وجه های جلویی نمونه.

هدایت حرارتی موثرل effمواد(مربوط به عبارت "ضریب هدایت حرارتی"، اتخاذ شده در استانداردهای فعلی برای مهندسی حرارت ساختمان) - نسبت ضخامت نمونه آزمایشی مواد دبهمقاومت حرارتی آن آر.

3.2 تعیین مقادیر و واحدهای اندازه گیری در جدول 1 آورده شده است.

میز 1

تعیین	کمیت	واحد اندازه گیری
l eff	هدایت حرارتی موثر	W / (متر × K)
	مقاومت حرارتی	متر 2 × K / W
	ضخامت نمونه قبل از آزمایش
	مقاومت حرارتی نمونه های استاندارد	متر 2 × K / W
D T 1, D تی 2	تفاوت دما بین چهره های جلویی نمونه های استاندارد
e 1 ، ه 2	سیگنال های خروجی حرارت سنج دستگاه زمانی که با استفاده از نمونه های استاندارد کالیبره می شود
f 1، f 2	ضرایب کالیبراسیون حرارت سنج دستگاه هنگام کالیبره شدن با استفاده از نمونه های استاندارد	W / (mV × متر 2)
	ضخامت نمونه در طول آزمایش
	مقاومت حرارتی قطعه آزمایش	متر 2 × K / W
	تغییر نسبی در وزن نمونه پس از خشک شدن
	تغییر نسبی در جرم نمونه در طول آزمایش
	وزن نمونه هنگام دریافت از سازنده
	وزن نمونه پس از خشک شدن
	وزن نمونه پس از آزمایش
D T u	تفاوت دما بین وجه های نمونه آزمایشی
	میانگین دمای قطعه آزمایش
	دمای صفحه داغ نمونه آزمایشی
	دمای صورت سرد نمونه آزمایش
	مقدار ضریب کالیبراسیون حرارت سنج دستگاه، مربوط به مقدار شار حرارتی جریان یافته از طریق نمونه آزمایشی پس از ایجاد یک رژیم حرارتی ثابت (با یک طرح آزمایش نامتقارن)	W / (mV × متر 2)
	سیگنال خروجی حرارت سنج دستگاه پس از ایجاد یک شار حرارتی ثابت از طریق نمونه آزمایشی (با طرح آزمایش نامتقارن)
	مقاومت حرارتی بین سطح نمونه و سطح کار صفحه دستگاه
من افو	هدایت حرارتی موثر مواد قطعه آزمایش	W / (متر × K)
	مقاومت حرارتی مواد ورق که از آن کف و پوشش جعبه برای نمونه ای از مواد فله ساخته شده است	متر 2 × K / W
f ¢ تو ، اف² تو	مقادیر ضریب کالیبراسیون اولین و دومین حرارت سنج دستگاه مربوط به مقدار شار حرارتی جریان یافته از طریق نمونه آزمایشی پس از ایجاد یک رژیم حرارتی ثابت (با یک طرح آزمایش متقارن)	W / (mV × متر 2)
ه ¢ تو ، ه² تو	سیگنال خروجی مترهای حرارتی اول و دوم پس از ایجاد شار حرارتی ثابت از طریق نمونه آزمایش (با طرح آزمایش متقارن)
	چگالی شار حرارتی ثابتی که از نمونه آزمایش عبور می کند
	منطقه اندازه گیری
	برق تامین شده به بخاری منطقه اندازه گیری صفحه داغ دستگاه

4 عمومی

4.1 ماهیت روش شامل ایجاد یک شار حرارتی ثابت است که از یک نمونه مسطح با ضخامت معین عبور می کند و عمود بر وجه های جلویی (بزرگترین) نمونه هدایت می شود و چگالی این شار حرارتی، دمای جبهه مقابل را اندازه گیری می کند. چهره ها و ضخامت نمونه

4.2 تعداد نمونه های مورد نیاز برای تعیین هدایت حرارتی موثر یا مقاومت حرارتی و روش نمونه برداری باید در استاندارد ماده یا محصول خاص مشخص شود. اگر استاندارد یک ماده یا محصول خاص تعداد نمونه های مورد آزمایش را مشخص نکرده باشد، هدایت حرارتی موثر یا مقاومت حرارتی بر روی پنج نمونه تعیین می شود.

4.3 دما و رطوبت نسبی هوا در اتاقی که آزمایش ها در آن انجام می شود باید به ترتیب (5 ± 295) کلوین و (10 ± 50 درصد) باشد.

5 ابزار اندازه گیری

برای انجام آزمایش، درخواست دهید:

دستگاهی برای اندازه گیری هدایت حرارتی موثر و مقاومت حرارتی که مطابق با روش تعیین شده تایید شده و الزامات مندرج در ضمیمه A را برآورده می کند.

دستگاهی برای تعیین چگالی مواد فیبری مطابق با GOST 17177 ؛

دستگاهی برای تعیین ضخامت محصولات فیبری مسطح مطابق با GOST 17177.

کابینت برقی خشک کن ، حرارت بالای آن کمتر از 383 K نیست ، حد خطای مجاز تنظیم و کنترل خودکار دما 5 K است.

کولیس ورنیه مطابق با GOST 166:

برای اندازه گیری ابعاد خارجی و داخلی با محدوده اندازه گیری 0-125 میلی متر، مقدار قرائت ورنیه - 0.05 میلی متر، حاشیه خطا - 0.05 میلی متر.

برای اندازه گیری ابعاد خارجی با محدوده اندازه گیری 0-500 میلی متر، مقدار شمارش ورنیه - 0.1 میلی متر، حد مجاز خطا 0.1 میلی متر.

خط کش اندازه گیری فلزی مطابق با GOST 427 با حد بالایی اندازه گیری 1000 میلی متر، حد مجاز انحراف از مقادیر اسمی طول مقیاس و فاصله بین هر ضربه و ابتدا یا انتهای مقیاس - 0.2 میلی متر.

ترازوهای آزمایشگاهی برای استفاده عمومی مطابق با GOST 24104:

با حداکثر وزن 5 کیلوگرم، مقدار تقسیم 100 میلی گرم است، انحراف استاندارد قرائت های ترازو بیش از 50.0 میلی گرم نیست، خطای تعادل نابرابر بازوی راکر بیش از 250.0 میلی گرم نیست، حد خطای مجاز 375 میلی گرم است.

با حداکثر وزن 20 کیلوگرم، مقدار تقسیم 500 میلی گرم است، انحراف استاندارد قرائت های تعادل بیش از 150.0 میلی گرم نیست، خطا از تعادل نابرابر بازوی راکر بیش از 750.0 میلی گرم نیست، حد مجاز خطای مجاز 1500 میلی گرم است.

مجاز است از سایر ابزارهای اندازه گیری با مشخصات اندازه گیری و تجهیزات با مشخصات فنی بدتر از موارد مشخص شده در این استاندارد استفاده شود.

6 آمادگی آزمون

6.1 نمونه ای به صورت موازی مستطیل شکل ساخته می شود که بزرگترین وجوه (جلو) آن به شکل مربع با ضلع برابر با ضلع سطوح کار صفحات دستگاه است. اگر سطوح کار صفحات دستگاه به شکل دایره باشد، بزرگترین لبه های نمونه نیز باید شکل دایره ای داشته باشد که قطر آن برابر با قطر سطوح کار صفحات است. دستگاه (پیوست A، بند A. 2.1).

6.2 ضخامت قطعه آزمایش باید حداقل پنج برابر کمتر از طول یا قطر لبه صورت باشد.

6-3 لبه های نمونه در تماس با سطوح کار صفحات دستگاه باید صاف و موازی باشد. انحراف وجه های جلوی نمونه سخت از موازی بودن نباید بیش از 0.5 میلی متر باشد.

نمونه های صلب با اختلاف ضخامت و انحراف از صافی آسیاب می شوند.

6.4 ضخامت نمونه موازی با یک کولیس با خطای حداکثر 0.1 میلی متر در چهار گوشه در فاصله (50.0 ± 5.0) میلی متر از راس گوشه و در وسط هر طرف اندازه گیری می شود.

ضخامت نمونه دیسک با یک کولیس با خطای بیش از 0.1 میلی متر در امتداد ژنراتیس های واقع در چهار صفحه متقابل عمود بر روی محور عمودی اندازه گیری می شود.

میانگین حسابی نتایج تمام اندازه گیری ها به عنوان ضخامت نمونه در نظر گرفته می شود.

6.5 طول و عرض نمونه در پلان با خط کش با خطای حداکثر 0.5 میلی متر اندازه گیری می شود.

6.6 صحت شکل هندسی و ابعاد یک نمونه از مواد عایق حرارت مطابق با GOST 17177 تعیین می شود.

6.7 اندازه متوسط ​​آخال ها (گرانول های پرکننده، منافذ بزرگ و غیره) که از نظر خصوصیات ترموفیزیکی با نمونه اصلی متفاوت است، نباید از 0.1 ضخامت نمونه تجاوز کند.

مجاز به آزمایش نمونه ای با اجزای ناهمگن است که اندازه متوسط ​​آن از 0.1 ضخامت آن بیشتر است. گزارش آزمون باید اندازه متوسط ​​موارد را بیان کند.

6.8 جرم نمونه را تعیین کنید م 1 هنگام دریافت از سازنده

6.9 نمونه تا وزن ثابت در دمای مشخص شده در سند استاندارد برای ماده یا محصول خشک می شود. یک نمونه خشک شده تا وزن ثابت در نظر گرفته می شود اگر کاهش وزن آن پس از خشک شدن دیگر به مدت 0.5 ساعت از 0.1٪ تجاوز نکند. در پایان خشک شدن، جرم نمونه را تعیین کنید م 2 و چگالی آن r تو، پس از آن نمونه بلافاصله یا در دستگاهی برای تعیین مقاومت حرارتی آن یا در یک ظرف مهر و موم شده قرار می گیرد.

آزمایش یک نمونه مرطوب در دمای صورت سرد بیش از 273 کلوین و افت دما بیش از 2 کلوین در هر سانتی متر ضخامت نمونه مجاز است.

6.10 یک نمونه از مواد فله خشک شده باید در جعبه ای قرار داده شود که کف و درب آن از مواد ورق نازک ساخته شده است. طول و عرض جعبه باید برابر با ابعاد مربوط به سطوح کار صفحات دستگاه، عمق - به ضخامت نمونه آزمایش باشد. ضخامت یک نمونه از مواد حجیم باید حداقل 10 برابر اندازه متوسط ​​گرانول ها، دانه ها و ورقه های تشکیل دهنده این ماده باشد.

انتشار نیمکره ای نسبی سطوح پایین و درب جعبه در دمایی که این سطوح در طول آزمایش دارند باید بیش از 0.8 باشد.

مقاومت حرارتی R Lمواد ورقی که ته و درب جعبه از آن ساخته شده است باید مشخص باشد.

6.11 یک نمونه از مواد فله به چهار قسمت مساوی تقسیم می شود که یکی یکی در جعبه ریخته می شود و هر قسمت را فشرده می کنند تا قسمت مربوط به حجم داخلی جعبه را اشغال کند. جعبه با یک درب بسته می شود. درب به دیواره های جانبی جعبه وصل شده است.

6.12 جعبه حاوی نمونه فله را وزن کنید. چگالی نمونه مواد فله از مقدار تعیین شده جرم جعبه با نمونه و مقادیر از پیش تعیین شده حجم داخلی و جرم جعبه خالی محاسبه می شود.

6.13 خطا در تعیین جرم و اندازه نمونه ها نباید بیش از 0.5٪ باشد.

7 تست

7.1 آزمایش ها باید بر روی دستگاه از پیش کالیبره شده انجام شود. ترتیب و فرکانس کالیبراسیون در پیوست B آورده شده است.

7.2 نمونه مورد آزمایش را در دستگاه قرار دهید. محل نمونه - افقی یا عمودی. هنگامی که نمونه به صورت افقی قرار می گیرد، جهت جریان گرما از بالا به پایین است.

در طول آزمایش، تفاوت دما بین چهره نمونه D T uدمای متوسط ​​نمونه در طول آزمایش باید در سند هنجاری برای نوع خاصی از ماده یا محصول ذکر شود.

7.3 مقادیر از پیش تعیین شده دمای سطوح کار صفحات دستگاه را تنظیم کنید و به طور متوالی هر 300 ثانیه اندازه گیری ها را انجام دهید:

سیگنال های متر حرارتی e uو سنسورهای دمای صورت نمونه ، اگر چگالی شار حرارتی از طریق نمونه آزمایش با استفاده از متر سنج اندازه گیری شود.

برق عرضه شده به بخاری منطقه اندازه گیری صفحه داغ دستگاه و سیگنال های سنسورهای دمای سطوح جلوی نمونه، در صورتی که چگالی شار حرارتی از طریق نمونه آزمایشی با اندازه گیری توان الکتریکی تامین شده تعیین شود. به بخاری منطقه اندازه گیری صفحه داغ دستگاه.

7.4 در صورتی که مقادیر مقاومت حرارتی نمونه که از نتایج 5 اندازه گیری متوالی سیگنال ها از سنسورهای دما و چگالی شار حرارتی محاسبه می شود، با یکدیگر متفاوت باشند، شار حرارتی از طریق نمونه آزمایشی ثابت (ایستا) در نظر گرفته می شود. کمتر از 1٪، در حالی که این مقادیر به طور یکنواخت افزایش نمی یابد و کاهش نمی یابد.

7.5 پس از رسیدن به یک رژیم حرارتی ثابت، ضخامت نمونه قرار داده شده در دستگاه را اندازه گیری کنید. d uبا کولیس با خطای بیش از 0.5٪.

7.6 پس از پایان آزمایش، جرم نمونه را تعیین کنید. م 3 .

8 بیان نتایج آزمون

8.1 تغییر وزن نسبی نمونه در اثر خشک شدن را محاسبه کنید تی r و در حین آزمایش تی w و چگالی نمونه r توبا فرمول های:

تیr =(م 1 ¾ م 2 ) / م 2 , (2)

تیw= (م 2 ¾ م 3 ) / م 3 , (3)

حجم نمونه تست V uاز نتایج اندازه گیری طول و عرض آن پس از پایان آزمایش و ضخامت - در طول آزمایش محاسبه می شود.

8.2 تفاوت دما بین چهره ها را محاسبه کنید D T uو میانگین دمای قطعه آزمایش تی موبا فرمول های:

D T u = تی 1تو ¾ تی 2تو , (5)

تی مو= (تی 1تو + تی 2u.) / 2 (6)

8.3 هنگام محاسبه پارامترهای ترموفیزیکی نمونه و چگالی شار حرارتی ثابت ، میانگین مقادیر حسابی نتایج پنج اندازه گیری سیگنال های سنسورهای اختلاف دما و سیگنال متر گرما یا توان الکتریکی ، انجام شده است پس از ایجاد یک شار حرارتی ثابت از طریق نمونه آزمایشی، به فرمول های محاسباتی جایگزین می شوند.

8.4 هنگام آزمایش بر روی یک ابزار نامتقارن، مقاومت حرارتی نمونه R uبا فرمول محاسبه می شود

(7)

جایی که R kمساوی با 0.005 متر مربع × K / W ، و برای مواد و محصولات عایق حرارتی صفر است.

8.5 هدایت حرارتی موثر مواد نمونه ل effuبا فرمول محاسبه می شود

(8)

8.6 مقاومت حرارتی R uو هدایت حرارتی موثر ل effuنمونه ای از مواد فله با فرمول های زیر محاسبه می شود:

, (9)

. (10)

8.7 چگالی شار حرارتی ثابت q uاز طریق نمونه آزمایش شده بر روی دستگاه مونتاژ شده بر اساس طرح های نامتقارن و متقارن، به ترتیب با فرمول های زیر محاسبه می شود:

q u = f u e u , (11)

. (12)

8.8 هنگام انجام آزمایش بر روی دستگاهی با منطقه امنیتی داغ، که در آن چگالی شار حرارتی با اندازه گیری توان الکتریکی عرضه شده به بخاری منطقه اندازه گیری صفحه داغ دستگاه، مقاومت حرارتی، هدایت حرارتی موثر و چگالی شار حرارتی ثابت از طریق نمونه با فرمول محاسبه می شود:

, (13)

, (14)

هنگام آزمایش مواد فله در فرمول های (13) و (14) به جای R kارزش را جایگزین کنید R L..

8-9 مقادیر میانگین حسابی مقاومت حرارتی و هدایت حرارتی موثر همه نمونه های آزمایش شده به عنوان نتیجه آزمایش در نظر گرفته می شود.

9 گزارش تست

گزارش آزمون باید شامل اطلاعات زیر باشد:

نام ماده یا محصول؛

تعیین و نام سند نظارتی که بر اساس آن ماده یا محصول ساخته شده است.

شرکت تولیدی؛

شماره دسته؛

تاریخ تولید؛

تعداد کل نمونه های آزمایش شده؛

نوع دستگاهی که آزمایش روی آن انجام شد؛

موقعیت نمونه های آزمایشی (افقی، عمودی)؛

روش ساخت نمونه از مواد فله با نشان دادن مقاومت حرارتی پایین و درب جعبه که نمونه ها در آن آزمایش شده اند.

ابعاد هر نمونه؛

ضخامت هر نمونه قبل از شروع آزمایش و در طول آزمایش، نشان می دهد که آیا آزمایش با فشار ثابت روی نمونه انجام شده است یا در ضخامت نمونه ثابت.

فشار ثابت (اگر ثابت بود)؛

اندازه متوسط ​​ادخال های ناهمگن در نمونه ها (در صورت وجود)؛

روش خشک کردن نمونه؛

تغییر نسبی جرم هر نمونه به دلیل روز آن.

میزان رطوبت هر نمونه قبل و بعد از آزمایش ؛

چگالی هر نمونه در طول آزمایش؛

تغییر نسبی در جرم هر نمونه که در طول آزمایش رخ داده است.

دمای صورت گرم و سرد هر نمونه؛

تفاوت درجه حرارت بین صورت گرم و سرد هر نمونه.

میانگین دمای هر نمونه؛

چگالی شار حرارتی از طریق هر نمونه پس از ایجاد یک رژیم حرارتی ثابت.

مقاومت حرارتی هر نمونه؛

هدایت حرارتی موثر مواد هر نمونه ؛

میانگین حسابی مقاومت حرارتی همه نمونه های آزمایش شده.

میانگین حسابی هدایت حرارتی موثر همه نمونه‌های آزمایش شده؛

جهت جریان گرما؛

تاریخ تست؛

تاریخ آخرین کالیبراسیون دستگاه (اگر آزمایش بر روی دستگاه مجهز به متر حرارت انجام شده باشد)؛

برای نمونه های استاندارد مورد استفاده در کالیبراسیون دستگاه، موارد زیر باید مشخص شود: نوع، مقاومت حرارتی، تاریخ تأیید، مدت اعتبار تأیید، سازمانی که تأیید را انجام داده است.

ارزیابی خطا در اندازه گیری مقاومت حرارتی یا هدایت حرارتی موثر.

بیانیه ای مبنی بر انطباق کامل یا عدم رعایت نسبی روش آزمایش با الزامات این استاندارد. اگر در طول آزمون، انحرافات از الزامات این استاندارد پذیرفته شد، باید در گزارش آزمون نشان داده شود.

10 خطا در تعیین هدایت حرارتی موثر

و مقاومت حرارتی

خطای نسبی در تعیین رسانایی گرمایی موثر و مقاومت حرارتی با این روش از 3 ± درصد تجاوز نمی کند، اگر آزمایش با رعایت کامل الزامات این استاندارد انجام شود.

پیوست اول

(ضروری)

الزامات دستگاهها برای تعیین هدایت حرارتی موثر و مقاومت حرارتی در یک رژیم حرارتی ثابت

آ.1 نمودارهای ابزار

برای اندازه گیری هدایت حرارتی موثر و مقاومت حرارتی در یک رژیم حرارتی ثابت، از دستگاه های زیر استفاده می شود:

مونتاژ شده در یک طرح نامتقارن ، مجهز به یک متر حرارتی ، که بین نمونه آزمایش و صفحه سرد دستگاه یا بین نمونه و صفحه داغ دستگاه قرار دارد (شکل A.1) ؛

مونتاژ بر اساس یک طرح متقارن ، مجهز به دو متر گرما ، یکی از آنها بین نمونه آزمایش و صفحه سرد دستگاه ، و دوم بین نمونه و صفحه داغ دستگاه (شکل A.2) ؛

دستگاهی که در آن چگالی شار حرارتی عبوری از نمونه آزمایشی با اندازه گیری توان الکتریکی عرضه شده به هیتر ناحیه اندازه گیری صفحه داغ دستگاه (دستگاه دارای ناحیه امنیتی داغ) تعیین می شود (شکل A.3).

1 - بخاری؛ 2 - متر حرارتی ؛ 3 - نمونه آزمایشی؛ 4 - یخچال

شکل A.1 - نمودار یک دستگاه با یک متر حرارت

1 - بخاری؛ 2 - متر حرارتی؛ 3 - یخچال ؛ 4 - نمونه آزمایشی

شکل A.2 - نمودار دستگاه با دو متر گرما

1 - یخچال ؛ 2 - نمونه های آزمایشی؛ 3 - صفحات بخاری برای منطقه اندازه گیری ؛

4 - سیم پیچ بخاری منطقه اندازه گیری؛ 5 - صفحات بخاری منطقه امنیتی ؛

6 - سیم پیچ بخاری منطقه حفاظتی

شکل A. 3 - نمودار یک دستگاه با منطقه امنیتی داغ

الف.2 بخاری و کولر

الف-2-1 صفحات بخاری یا یخچال ممکن است به شکل مربع باشد که ضلع آن حداقل 250 میلی متر باشد یا دایره ای که قطر آن حداقل 250 میلی متر باشد.

الف-2-2- سطوح کار صفحات بخاری و یخچال باید از فلز ساخته شود. انحراف از صافی سطوح کار نباید بیش از 0.025٪ حداکثر اندازه خطی آنها باشد.

A-2-3 انتشار نیمکره نسبی سطوح کار صفحات بخاری و یخچال در تماس با نمونه آزمایشی در دمایی که این سطوح در طول آزمایش دارند باید بیش از 0.8 باشد.

آ.3 متر حرارتی

А.3.1 ابعاد سطوح کار کنتور حرارتی باید برابر با ابعاد سطوح کار صفحات بخاری و یخچال باشد.

الف. 3.2 انتشار نیمکره نسبی وجه جلویی گرما سنج در تماس با نمونه آزمایشی در دمایی که این وجه در طول آزمایش دارد باید بیش از 0.8 باشد.

الف. 3.3 منطقه اندازه گیری گرما سنج باید در قسمت مرکزی لبه جلویی آن قرار گیرد. مساحت آن باید حداقل 10% و نه بیشتر از 40% کل سطح جلو باشد.

А.3.4 قطر سیم های ترموکوپل مورد استفاده در ساخت باتری ترموالکتریک کنتور حرارتی نباید بیشتر از 0.2 میلی متر باشد.

A.4 سنسورهای دما

تعداد سنسورهای دما بر روی هر سطح کار صفحه بخاری یا یخچال و سطح جلویی دستگاه اندازه گیری گرما در تماس با نمونه آزمایش باید برابر با یک عدد صحیح 10 باشد. Ö A و حداقل دو نفر باشند. قطر سیم های مناسب برای این سنسورها نباید بیشتر از 0.6 میلی متر باشد.

A.5 سیستم اندازه گیری الکتریکی

سیستم اندازه گیری الکتریکی باید از اندازه گیری سیگنال سنسورهای اختلاف دمای سطح با خطای بیش از 0.5٪، سیگنال سنج حرارتی - با خطای بیش از 0.6٪ یا الکتریکی اطمینان حاصل کند. برق تامین شده به بخاری منطقه اندازه گیری صفحه داغ دستگاه - با خطای بیش از 0، 2٪.

خطای کل در اندازه گیری اختلاف دما بین سطوح صفحات دستگاه و حرارت سنج در تماس با وجوه جلوی نمونه آزمایشی نباید بیش از 1% باشد. خطای کل مجموع خطاهای ناشی از اعوجاج میدان دما در نزدیکی سنسورهای دما، تغییرات در خصوصیات این سنسورها تحت تاثیر شرایط خارجی و خطای معرفی شده توسط سیستم اندازه گیری الکتریکی است.

الف.6 وسیله ای برای اندازه گیری ضخامت قطعه آزمایش

دستگاه باید مجهز به دستگاهی باشد که به شما امکان می دهد ضخامت نمونه را در طول آزمایش آن با کولیس با خطای بیش از 0.5٪ اندازه گیری کنید.

الف.7 قاب ابزار

دستگاه باید مجهز به قاب باشد که امکان حفظ جهت گیری های مختلف در فضای بلوک دستگاه حاوی نمونه آزمایش را فراهم کند.

الف.8 دستگاهی برای تثبیت نمونه آزمایشی

دستگاه باید مجهز به دستگاهی باشد که یا فشار مشخص شده ثابتی بر روی نمونه آزمایشی قرار داده شده در دستگاه ایجاد کند یا شکاف ثابتی را بین سطوح کاری صفحات دستگاه حفظ کند.

حداکثر فشار ایجاد شده توسط این دستگاه بر روی نمونه آزمایش باید 2.5 کیلو پاسکال، حداقل - 0.5 کیلو پاسکال، خطا در تنظیم فشار - بیش از 1.5٪ باشد.

A.9 دستگاهی برای کاهش اتلاف حرارتی جانبی یا افزایش حرارتی نمونه آزمایش

اتلاف حرارت جانبی یا افزایش گرما در طول آزمایش باید با عایق بندی سطوح جانبی نمونه آزمایش با لایه ای از مواد عایق حرارتی که مقاومت حرارتی آن کمتر از مقاومت حرارتی نمونه نیست محدود شود.

الف. 10 جلد ابزار

دستگاه باید مجهز به محفظه ای باشد که دمای هوا در آن برابر با دمای متوسط ​​نمونه آزمایشی باشد.

ضمیمه B

(ضروری)

کالیبراسیون دستگاه مجهز به متر حرارتی

ب.1 الزامات عمومی

کالیبراسیون دستگاه مجهز به متر حرارتی باید با استفاده از سه نمونه استاندارد مقاومت حرارتی ، مطابق با روش تعیین شده ، به ترتیب از شیشه کوارتز نوری ، شیشه آلی و فوم یا فایبرگلاس انجام شود.

ابعاد مواد مرجع باید با ابعاد نمونه مورد آزمایش برابر باشد. در فرآیند کالیبراسیون دستگاه ، دمای قسمت های جلویی نمونه های استاندارد باید به همان نسبت با دماهایی برابر باشد که در حین آزمایش صورت های جلویی نمونه آزمایش را داشته باشند.

کل محدوده مقادیر مقاومت حرارتی قابل اندازه گیری بر روی دستگاه باید به دو زیر محدوده تقسیم شود:

حد پایین زیر محدوده اول حداقل مقدار مقاومت حرارتی قابل اندازه گیری در این دستگاه است. حد بالایی مقدار مقاومت حرارتی یک نمونه استاندارد ساخته شده از شیشه آلی و دارای ضخامتی برابر با ضخامت نمونه مورد آزمایش است.

حد پایینی زیر باند دوم، حد بالایی زیر باند اول است. حد بالایی حداکثر مقدار مقاومت حرارتی قابل اندازه گیری در این دستگاه است.

B.2 کالیبراسیون دستگاه مونتاژ شده بر اساس طرح نامتقارن

قبل از شروع کالیبراسیون ، مقدار عددی مقاومت حرارتی نمونه مورد آزمایش باید با استفاده از داده های مرجع شناخته شده تخمین زده شود و تعیین شود که این مقدار به کدام زیر محدوده تعلق دارد. کالیبراسیون حرارت سنج فقط در این زیر محدوده انجام می شود.

اگر مقاومت حرارتی نمونه مورد آزمایش در اولین زیر محدوده باشد، کالیبراسیون حرارت سنج

با استفاده از نمونه های استاندارد ساخته شده از کوارتز نوری و شیشه آلی انجام شد. اگر مقاومت حرارتی نمونه متعلق به زیر محدوده دوم باشد، کالیبراسیون با استفاده از نمونه های استاندارد ساخته شده از شیشه آلی و مواد عایق حرارت انجام می شود.

اولین نمونه استاندارد با مقاومت حرارتی کمتر را در دستگاه قرار دهید. آر اس 1 , D تی 1 صفحه آن و خروجی متر گرما ه 1 طبق روشی که در بخش 7 توضیح داده شده است. سپس دومین نمونه استاندارد با مقاومت حرارتی بالا در دستگاه قرار می گیرد. آر اس 2 , اندازه گیری اختلاف دما D تی 2 وجهی و خروجی متر حرارتی ه 2 با استفاده از همان تکنیک. بر اساس نتایج این اندازه گیری ها، ضرایب کالیبراسیون محاسبه می شود f 1 و f 2 متر حرارتی طبق فرمول:

مقدار ضریب کالیبراسیون حرارت سنج تو،متناظر با مقدار شار حرارتی جریان یافته از طریق نمونه آزمایشی پس از ایجاد یک شار حرارتی ثابت، با درون یابی خطی با استفاده از فرمول تعیین می شود.

... (B.3)

B.3 کالیبراسیون دستگاه مونتاژ شده بر اساس طرح متقارن

روش تعیین ضریب کالیبراسیون هر متر حرارت از دستگاه مونتاژ شده بر اساس یک طرح متقارن مشابه روش تعیین ضریب کالیبراسیون کنتور حرارتی است که در B.2 توضیح داده شده است.

ب.4 فرکانس کالیبراسیون ابزار

دستگاه باید ظرف 24 ساعت قبل از آزمایش یا بعد از آزمایش کالیبره شود.

اگر با توجه به نتایج کالیبراسیون های انجام شده در مدت 3 ماه، تغییر ضریب کالیبراسیون کنتور حرارتی از ± 1٪ تجاوز نکند، این دستگاه می تواند هر 15 روز یک بار کالیبره شود. در این حالت، نتایج آزمایش تنها پس از کالیبراسیون پس از آزمایش به مشتری قابل انتقال است و اگر مقدار ضریب کالیبراسیون تعیین شده از نتایج کالیبراسیون بعدی با مقدار ضریب تعیین شده از نتایج آزمایش متفاوت باشد. کالیبراسیون قبلی حداکثر ± 1٪.

ضریب کالیبراسیون مورد استفاده در محاسبه پارامترهای ترموفیزیکی نمونه آزمایشی به عنوان میانگین حسابی دو مقدار مشخص شده این ضریب تعیین می شود.

اگر اختلاف مقدار ضریب کالیبراسیون بیش از 1% باشد، نتایج تمام آزمایشات انجام شده در فاصله زمانی بین این دو درجه بندی نامعتبر تلقی می شود و آزمایش ها باید تکرار شوند.

ضمیمه B

کتابشناسی - فهرست کتب

ISO 7345: 1987 عایق حرارتی. کمیت ها و تعاریف فیزیکی

ISO 9251: 1987 عایق حرارتی. حالت های انتقال حرارت و خواص مواد

ایزو 8301: 1991 عایق حرارتی. تعیین مقاومت حرارتی و پارامترهای ترموفیزیکی مرتبط در یک رژیم حرارتی ثابت دستگاهی مجهز به متر حرارتی

ISO 8302: 1991 عایق حرارتی. تعیین مقاومت حرارتی و شاخص های ترموفیزیکی مرتبط. دستگاه با منطقه محافظ داغ

کلمات کلیدی: مقاومت حرارتی، هدایت حرارتی موثر، نمونه استاندارد

معرفی

1 منطقه استفاده

3 تعاریف و نمادها

4 عمومی

5 ابزار اندازه گیری

6 آمادگی آزمون

7 تست

8 بیان نتایج آزمون

9 گزارش تست

10 خطا در تعیین هدایت حرارتی موثر و مقاومت حرارتی

ضمیمه A الزامات برای دستگاه هایی برای تعیین هدایت حرارتی موثر و مقاومت حرارتی در یک رژیم حرارتی ثابت

ضمیمه B کالیبراسیون دستگاه مجهز به متر حرارتی

ضمیمه ب کتابشناسی