До настоящего времени не выработано единой классификации, что связано с многообразием существующих методов. Всем известные экспериментальные методы измерения коэффициента теплопроводности материалов разделяются на две большие группы: стационарные и нестационарные. В первом случае качество расчетной формулы используются частные решения уравнения теплопроводности
при условии, во втором - при условии, где T - температура; ф - время; - коэффициент температуропроводности; л - коэффициент теплопроводности; С - удельная теплоемкость; г - плотность материала; - оператор Лапласа, записанный в соответствующей системе координат; - удельная мощность объемного источника тепла.
Первая группа методов основана на использовании стационарного теплового режима; вторая - нестационарного теплового режима. Стационарные методы определения коэффициента теплопроводности по характеру измерений являются прямыми (т.е. непосредственно определяется коэффициент теплопроводности) и делятся на абсолютные и относительные. В абсолютных методах измеряемые в эксперименте параметры позволяют с помощью расчетной формулы получить искомую величину коэффициента теплопроводности. В относительных методах измеряемые в эксперименте параметры позволяют с помощью расчетной формулы получить искомую величину коэффициента теплопроводности. В относительных методах измеряемых параметров для расчета абсолютной величины оказывается недостаточно. Здесь возможны два случая. Первый - наблюдение за изменением коэффициента теплопроводности по отношению к исходному, принятому за единицу. Второй случай - применение эталонного материала с известными тепловыми свойствами. При этом в расчетной формуле используется коэффициент теплопроводности эталона. Относительные методы имеют некоторое преимущество перед абсолютными методами, так как более просты. Дальнейшее деление стационарных методов можно провести по характеру нагрева (внешний, объемный и комбинированный) и по виду изотерм поля температуры в образцах (плоские, цилиндрические, сферические). Подгруппа методов с внешним нагревом включает все методы, в которых используются наружные (электрические, объемные и др.) нагреватели и нагрев поверхностей образца тепловым излучением или электронной бомбардировкой. Подгруппа методов с объемным нагревом объединяет все методы, где используется нагрев током, пропускаемым через образец, нагрев исследуемого образца от нейтронного или г-излучения или токами сверхвысокой частоты. К подгруппе методов с комбинированным нагревом могут быть отнесены методы, в которых одновременно используется внешний и объемный нагрев образцов, или промежуточный нагрев (например, токами высокой частоты).
Во всех трех подгруппах стационарных методов поле температуры
может быть различным.
Плоские изотермы образуются в случае, когда тепловой поток направлен вдоль оси симметрии образца. Методы с использованием плоских изотерм в литературе называются методами с осевым или продольным потоком тепла, а сами экспериментальные установки - плоскими приборами.
Цилиндрические изотермы соответствуют распространению теплового потока по направлению радиуса цилиндрического образца. В случае, когда тепловой поток направлен по радиусу сферического образца, возникают сферические изотермы. Методы, использующие такие изотермы, называются сферическими, а приборы - шаровыми.
УДК 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 А. В. Лузина, А. В. Рудин
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ СТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА ТЕПЛА
Аннотация. Описывается методика и конструктивные особенности установки для измерения коэффициента теплопроводности металлических образцов, выполненных в форме однородного цилиндрического стержня или тонкой прямоугольной пластины методом стационарного потока тепла. Нагрев исследуемого образца осуществляется посредством прямого электрического нагрева коротким импульсом переменного тока, закрепленным в массивных медных токовых зажимах, которые одновременно выполняют функцию теплоотвода.
Ключевые слова: коэффициент теплопроводности, образец, закон Фурье, стационарный теплообмен, измерительная установка, трансформатор, мультимер, термопара.
Введение
Перенос тепловой энергии от более нагретых участков твердого тела к менее нагретым посредством хаотически движущихся частиц (электронов, молекул, атомов и т.п.) называется явлением теплопроводности. Исследование явления теплопроводности широко используется в различных отраслях промышленности, таких как: нефтяная, авиационно-космическая, автомобильная, металлургическая, горнорудная и т.д.
Различают три основных вида теплообмена: конвекция, тепловое излучение и теплопроводность. Теплопроводность зависит от природы вещества и его физического состояния. При этом в жидкостях и твердых телах (диэлектриках) перенос энергии осуществляется путем упругих волн, в газах - посредством соударения и диффузии атомов (молекул), а в металлах - путем диффузии свободных электронов и с помощью тепловых колебаний решетки. Передача тепла в теле зависит от того, в каком состоянии оно находится: газообразном, жидком или твердом .
Механизм теплопроводности в жидкостях отличен от механизма теплопроводности в газах и имеет много общего с теплопроводностью твердых тел. В областях с повышенной температурой имеются колебания молекул с большой амплитудой. Эти колебания передаются смежным молекулам, и таким образом энергия теплового движения передается постепенно от слоя к слою. Этот механизм обеспечивает сравнительно малую величину коэффициента теплопроводности. С повышением температуры для большинства жидкостей коэффициент теплопроводности уменьшается (исключение составляют вода и глицерин, для них коэффициент теплопроводности увеличивается с повышением температуры) .
Явление переноса кинетической энергии при помощи молекулярного движения в идеальных газах обусловлено передачей тепла посредством теплопроводности. За счет хаотичности молекулярного движения молекулы перемещаются во всех направлениях. Перемещаясь из мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой, молекулы благодаря парным соударениям передают кинетическую энергию движения. В результате молекулярного движения происходит постепенное выравнивание температуры; в неравномерно нагретом газе передача тепла есть перенос определенного количества кинетической энергии при беспорядочном (хаотическом) движении молекул. С уменьшением температуры коэффициент теплопроводности газов понижается.
В металлах основным передатчиком тепла являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Поэтому с некоторым приближением
Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов с повышением температуры увеличивается, с увеличением объемного веса он возрастает. Коэффициент теплопроводности сильно зависит от пористости и влажности материала. Теплопроводность различных материалов изменяется в диапазоне: 2-450 Вт/(м К) .
1. Уравнение теплопроводности
Закон теплопроводности основан на гипотезе Фурье о пропорциональности теплового потока разности температур на единице длины пути переноса тепла в единицу времени . Численно коэффициент теплопроводности равен количеству тепла, протекающего в единицу времени через единицу поверхности, при перепаде температуры на единице длины нормали, равном одному градусу.
Согласно закону Фурье, поверхностная плотность теплового потока ч пропорцио-
нальна градиенту температуры -:
Здесь множитель X называется коэффициентом теплопроводности. Знак минус указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока:
Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность Б, называется тепловым потоком:
О = | чйБ = -1 -кдП^Б. (1.3)
Полное количество теплоты, прошедшее через эту поверхность Б за время т, определится из уравнения
От=-ДЛ-^т. (1.4)
2. Граничные условия теплопроводности
Существуют различные условия однозначности: геометрические - характеризующие форму и размеры тела, в котором протекает процесс теплопроводности; физические - характеризующие физические свойства тела; временные - характеризующие распределение температуры тела в начальный момент времени; граничные - характеризующие взаимодействие тела с окружающей средой .
Граничные условия I рода. В этом случае задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени.
Граничные условия II рода. В этом случае заданной является величина плотности теплового потока для каждой точки поверхности тела в любой момент времени:
Яра = Я (Х, У, 2,1).
Граничные условия III рода. В этом случае задается температура среды T0 и условия теплообмена этой среды с поверхностью тела.
Граничные условия IV рода формируются на основании равенства тепловых потоков, проходящих через поверхность соприкосновения тел.
3. Экспериментальная установка для измерения коэффициента теплопроводности
Современные методы определения коэффициентов теплопроводности можно разделить на две группы: методы стационарного потока тепла и методы нестационарного потока тепла.
В первой группе методов тепловой поток, проходящий через тело или систему тел, остается постоянным по величине и направлению. Температурное поле является стационарным.
В методах нестационарного режима используется переменное во времени температурное поле.
В настоящей работе использован один из методов стационарного потока тепла -метод Кольрауша .
Блок-схема установки для измерения теплопроводности металлических образцов показана на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема измерительной установки
Основным элементом установки является силовой понижающий трансформатор 7, первичная обмотка которого подключена к автотрансформатору типа ЛАТР 10, а вторичная обмотка, изготовленная из медной шины прямоугольного сечения, имеющая шесть витков, непосредственно подключена к массивным медным токовым зажимам 2, которые одновременно выполняют функцию теплоотвода-холодильника. Исследуемый образец 1 закрепляется в массивных медных токовых зажимах 2 с помощью массивных медных болтов (на рисунке не показаны), которые одновременно выполняют функцию теплоотвода. Контроль температуры в различных точках исследуемого образца осуществляется с помощью хромель-копелевых термопар 3 и 5, рабочие концы которых непосредственно закрепляются на цилиндрической поверхности образца 1 - одна в центральной части образца, а другая на конце образца. Свободные концы термопар 3 и 5 подключаются к мультимерам типа ДТ-838 4 и 6, которые позволяют проводить измерения температуры с точностью до 0,5 °С. Нагрев образца осуществляется посредством прямого электрического нагрева коротким импульсом переменного тока с вторичной обмотки силового трансформатора 7. Измерение силы тока в исследуемом образце осуществляется косвенным способом - методом измерения напряжения на вторичной обмотке кольцевого трансформатора тока 8, первичной обмоткой которого является силовая шина вторичной обмотки силового трансформатора 7, пропущенная через свободный зазор кольцевого магнитного сердечника. Измерение напряжения вторичной обмотки трансформатора тока осуществляется мультимером 9.
Изменение величины импульсного тока в исследуемом образце осуществляется с помощью линейного автотрансформатора 10 (ЛАТР), первичная обмотка которого через последовательно включенные сетевой предохранитель 13 и кнопку 12 подключена к сети переменного тока напряжением 220 В. Падение напряжения на исследуемом образце в режиме прямого электрического нагрева осуществляется с помощью мультимера 14, параллельно подключенного непосредственно к токовым зажимам 2. Измерение длительности импульсов тока осуществляется с помощью электрического секундомера 11, подключенного к первичной обмотке линейного автотрансформатора 10. Включение и выключение режима нагрева исследуемого образца обеспечивается кнопкой 12.
При проведении измерений коэффициента теплопроводности на вышеописанной установке необходимо выполнение следующих условий:
Однородность сечения исследуемого образца по всей длине;
Диаметр исследуемого образца должен находиться в интервале от 0,5 мм до 3 мм (в противном случае основная тепловая мощность будет выделятся в силовом трансформаторе, а не в исследуемом образце).
Диаграмма зависимости температуры от длины образца приведена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость температуры от длины образца
Как видно на приведенной диаграмме, зависимость температуры от длины исследуемого образца носит линейный характер с явно выраженным максимумом в центральной части образца, а на концах остается минимальной (постоянной) и равной температуре окружающей среды в течение интервала времени установления равновесного режима теплопередачи, которое для данной экспериментальной установки не превышает 3 минут, т.е. 180 секунд.
4. Вывод рабочей формулы для коэффициента теплопроводности
Количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении электрического тока, можно определить по закону Джоуля - Ленца:
Qэл = 12-Я^ = и I I, (4.1)
где и, I - напряжение и сила тока в исследуемом образце; Я - сопротивление образца.
Количество теплоты, переносимое через поперечное сечение исследуемого образца за интервал времени t, выполненного в виде однородного цилиндрического стержня длиной £ и сечением 5, можно рассчитать по закону Фурье (1.4):
Qs = Я-йТ- 5- t, (4.2)
где 5 = 2-5осн, 5осн =^4-, ат = 2-ДТ = 2-(Гтах -Гтк1); й£ = Д£ = 1-£.
Здесь коэффициенты 2 и 1/2 указывают на то, что тепловой поток направлен от
центра образца к его концам, т.е. раздваивается на два потока. Тогда
^^б = 8-Я-(Гтах -Тт|п) -Б^ . (4.3)
5. Учет тепловых потерь на боковую поверхность
§Ожр = 2- Ббок -ДТха, (5.1)
где Ббок = п-й-1; а - коэффициент теплообмена поверхности исследуемого образца с окружающей средой, имеющий размерность
Разность температур
ДГх = Тх - Т0кр, (5.2)
где Тх - температура в данной точке поверхности образца; Гокр - температура окружающей среды, можно рассчитать из линейного уравнения зависимости температуры образца от его длины:
Тх = Т0 + к-х, (5.3)
где угловой коэффициент к можно определить через тангенс угла наклона линейной зависимости температуры образца от его длины:
ДТ Т - Т Т - Т
к = ф = МТ* = Ттах Ттт = 2 "тах Vр. (5.4)
Подставляя выражения (5.2), (5.3) и (5.4) в уравнение (5.1), получим:
SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,
где Т0 Тсжр.
8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)
После интегрирования выражения (5.5) получим:
Q0Kp = 2nd■ dk j jdt■ x■ dx = 2nd-a-k■-I - | ■ t = -4a^nd■ k■ I2 ■ t. (5.6)
Подставляя полученные выражения (4.1), (4.3) и (5.6) в уравнение теплового баланса аолн = ожр + qs , где Qполн = QЭЛ, получим:
UIt = 8 ■Х ■ S^ ^^-o ■t + -a^n ■d ■ -(Tmax - To) ■t.
Решая полученное уравнение относительно коэффициента теплопроводности, получим:
и1 а £2 , л
Полученное выражение позволяет определять коэффициент теплопроводности тонких металлических стержней в соответствии с проведенными расчетами для типичных исследуемых образцов с относительной погрешностью
AU f (AI f (Л(ЛГ) ^ (At2
не превышающей 1,5 %.
Список литературы
1. Сивухин, Д. В. Общий курс физики / Д. В. Сивухин. - М. : Наука, 1974. - Т. 2. - 551 с.
2. Рудин, А. В. Исследование процессов структурной релаксации в стеклообразующих объектах при различных режимах охлаждения / А. В. Рудин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2003. - № 6. - С. 123-137.
3. Павлов, П. В. Физика твердого тела: учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальностям «Физика» / П. В. Павлов, А. Ф. Хохлов. - М. : Высш. шк., 1985. - 384 с.
4. Берман, Р. Теплопроводность твердых тел / Р. Берман. - М., 1979. - 287 с.
5. Лившиц, Б. Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б. Г. Лившиц, В. С. Крапошин. - М. : Металлургия, 1980. - 320 с.
Лузина Анна Вячеславовна Luzina Anna Vyacheslavovna
магистрант, master degree student,
Пензенский государственный университет Penza State University E-mail: [email protected]
Рудин Александр Васильевич
кандидат физико-математических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой физики, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Rudin Aleksandr Vasil"evich
candidate of physical and mathematical sciences, associate professor,
deputy head of sub-department of physics, Penza State University
УДК 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 Лузина, А. В.
Измерение теплопроводности металлических образцов методом стационарного потока тепла /
А. В. Лузина, А. В. Рудин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. - № 3 (15). -С. 76-82.
Для исследования теплопроводности вещества используют две группы методов: стационарные и нестационарные.
Теория стационарных методов более проста и разработана более полно. Но нестационарные методы в принципе помимо коэффициента теплопроводности позволяют получить информации о коэффициенте температуропроводности и теплоёмкости. Поэтому в последнее время большое внимание уделяется разработке нестационарных методов определения теплофизических свойств веществ.
Здесь рассматриваются некоторые стационарные методы определения коэффициента теплопроводности веществ.
а) Метод плоского слоя. При одномерном тепловом потоке через плоский слой коэффициент теплопроводности определяется по формуле
где d - толщина, T 1 и T 2 - температуры "горячей" и "холодной" поверхности образца.
Для исследования теплопроводности этим методом необходимо создать близкий к одномерному тепловой поток.
Обычно температуры измеряют не на поверхности образца, а на некотором расстоянии от них (см. рис. 2.), поэтому необходимо в измеренную разность температур ввести поправки на перепад температуры в слое нагревателя и холодильника, свести к минимуму термическое сопротивление контактов.
При исследовании жидкостей для устранения явления конвекции градиент температур должен быть направлен вдоль поля гравитации (вниз).
Рис. 2. Схема методов плоского слоя для измерения теплопроводности.
1 – исследуемый образец; 2 – нагреватель; 3 – холодильник; 4, 5 – изоляционные кольца; 6 – охранные нагреватели; 7 – термопары; 8, 9 – дифференциальные термопары.
б) Метод Егера. Метод основан на решении одномерного уравнения теплопроводности, описывавшего распространение теплоты вдоль стержня, нагреваемого электрическим током. Трудность использования этого метода состоит в невозможности создания строгих адиабатных условий на внешней поверхности образца, что нарушает одномерность теплового потока.
Расчётная формула имеет вид:
(14)
где s - электропроводность исследуемого образца, U – падение напряжения между крайними точками на концах стержня, DT – разность температур между серединой стержня и точкой на конце стержня.
Рис. 3. Схема метода Егера.
1 – электропечь; 2 – образец; 3 – цапфы крепления образца; Т 1 ¸ Т 6 – места заделки термопар.
Этот метод используют при исследовании электропроводных материалов.
в) Метод цилиндрического слоя. Исследуемая жидкость (сыпучий материал заполняет цилиндрический слой, образованный двумя расположенными коаксиально цилиндрами. Один из цилиндров, чаще всего внутренний, является нагревателем (рис.4).
Рис.4.Схема метода цилиндрического слоя
1 - внутренний цилиндр; 2 - основной нагреватель; 3 - слой исследуемого вещества; 4 – наружный цилиндр; 5 - термопары; 6 – охранные цилиндры; 7 - дополнительные нагреватели; 8 - корпус.
Рассмотрим подробнее стационарный процесс теплопроводности в цилиндрической стенке, температура наружной и внутренней поверхностей которой поддерживается постоянными и равными Т 1 и Т 2 (в нашем случае это слой исследуемого вещества 5). Определим тепловой поток через стенку при условии, что внутренний диаметр цилиндрической стенки d 1 = 2r 1 , а наружный d 2 = 2r 2 , l = const и теплота распространяется только в радиальном направлении.
Для решения задачи воспользуемся уравнением (12). В цилиндрических координатах, когда 
; уравнение (12), согласно (1О), принимает вит:
. (15)
Введём обозначение dT /dr = 0, получим
После интегрирования и потенцирования этого выражения, переходя к первоначальным переменным получим:
. (16)
Как видно изэтого уравнения, зависимость T=f(r) носит логарифмический характер.
Постоянные интегрирования C 1 и C 2 можно, определить, если в это уравнение подставить граничные условия:
при r=r 1 Т = Т 1 и T 1 =C 1 lnr 1 +C 2 ,
при r=r 2 T=T 2 и T 2 =C 1 lnr 2 +C 2 .
Решение этих уравнений относительно С 1 и С 2 даёт:
; 
Подставив эти выражения вместо С 1 и С 2 в уравнение (1б) , получим
(17)
тепловой поток через площадь цилиндрической поверхности радиуса r и длиной определяется с помощью закона Фурье (5)
.
После подстановки получим
. (18)
Коэффициент теплопроводности l при известных величинах Q , Т 1 , T 2 , d 1 , d 2 , рассчитывают по формуле
. (19)
Для подавления конвекции (в случав жидкости) цилиндрический слой должен иметь малую толщину, обычно доли миллиметра.
Уменьшение торцевых потерь в методе цилиндрического слоя достигается за счёт увеличения отношения /d и охранными нагревателями.
г) Метод нагретой проволоки. В этом методе отношение /d увеличивается за счёт уменьшения d . Внутренний цилиндр заменяется тонкой проволокой, являвшейся одновременно нагревателем и термометром сопротивления (рис.5). В результате относительной простоты конструкции и детальной разработки теории, метод нагретой проволоки стал одним из наиболее совершенных и точных. В практике экспериментальных исследований теплопроводности жидкостей игазов он занимает ведущее место.
Рис. 5. Схема измерительной ячейки, выполненной по методу нагретой проволоки. 1 – измерительная проволока, 2 – трубка, 3 – исследуемое вещество, 4 – токоподводы, 5 – потенциальные отводы, 6 – наружный термометр.
При условия, что весь тепловой поток от участка AВ распространяется радиально и разность температур T 1 – T 2 не велика, так что в этих пределах можно считать l = const, коэффициент теплопроводности вещества определяется по формуле
, (20)
где Q AB = T×U AB – мощность, выделяемая на проволоке.
д) Метод шара. Находит применение в практике исследований теплопроводности жидкостей и сыпучих материалов. Исследуемому веществу придают форму сферического слоя, что позволяет, в принципе, исключать неконтролируемые потери теплоты. В техническом отношении этот метод достаточно сложен.
В процессе их теплового движения. В жидкостях и твердых телах- диэлектриках - перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.
В основной зеком теплопроводности входит ряд математических понятий, оп-ределения которых, целесообразно напомнить и пояснить.
Температурное поле — это со-вокупности значений температуры во всех точках тела в данный момент време-ни. Математически оно описывается ввиде t = f (x, y, z, τ ). Различают стационарное температурное поле, когда температура во всех точках тела не зависит от времени (не изменяется с течением времени), и нестационарное температурное поле . Кроме то-го, если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле на-зывают соответственно одно- или двух - мерным.
Изотермическая поверхность - это геометрическое место точек, температура в которых одинакова.
Градиент температуры — grad t есть вектор, направленный по нор-мали к изотермической поверхности и численно равный производной от тем-пературы по этому направлению.
Согласно основному закону тепло-проводности — закону Фурье (1822 г.), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:
q = - λ grad t , (3)
где λ — коэффициент теплопро-водности вещества; его единица измерения Вт /(м·К ).
Знак минус в уравнении (3) ука-зывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t , т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.
Тепловой поток δQ через произволь-но ориентированную элементарную пло-щадку dF равен скалярному произведе-нию вектора q на вектор элементарной площадки dF , а полный тепловой поток Q через всю поверхность F определяется интегрированием этого произведения по поверхности F:
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Коэффициент теплопроводности λ в законе Фурье (3) характеризует спо-собность данного вещества проводить теплоту. Значения коэффициентов тепло-проводности приводятся в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Численно коэффициент теплопроводности λ = q/ grad t равен плотности теплового потока q при градиенте температуры grad t = 1 К/м . Наиболь-шей теплопроводностью обладает легкий газ — водород. При комнатных условиях коэффициент теплопроводности водорода λ = 0,2 Вт /(м·К ). У более тяжелых газов теплопроводность меньше — у воз-духа λ = 0,025 Вт /(м·К ), у диоксида уг-лерода λ = 0,02 Вт /(м·К ).
Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают чистые серебро и медь: λ = 400 Вт /(м·К ). Для углеродистых сталей λ = 50 Вт /(м·К ). У жидкостей коэффициент теплопроводности, как правило, меньше 1 Вт /(м·К ). Вода является одним из лучших жидких проводников теплоты, для нее λ = 0,6 Вт /(м·К ).
Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт /(м·К ).
Пористые материалы - пробка, различные волокнистые наполнители типа органической ваты - обладают наименьшими коэффициентами теплопроводности λ <0,25 Вт /(м·К ), приближающимся при малой плотности набивки к коэффициенту теплопроводности воздуха, наполняющего поры.
Значительное влияние на коэффициент теплопроводности могут оказывать температура, давление, а у пористых материалов ещё и влажность. В справочниках всегда приводятся условия, при которых определялся коэффициент теплопроводности данного вещества, и для других условий эти данныеиспользовать нельзя. Диапазоны значений λ для различных материалов приведены на рис. 1.
Рис.1. Интервалы значений коэффициентов теплопроводности различных веществ.
Перенос теплоты теплопроводностью
Однородная плоская стенка .
Про-стейшей и очень распространенной за-дачей, решаемой теорией теплообмена, является определение плотности тепло-вого потока, передаваемого через плоскую стенку толщиной δ , на повер-хностях которой поддерживаются темпе-ратуры t w1 и t w2 . (рис.2). Температура изменяется только по толщине пластины - по одной координате х. Такие за-дачи называются одномерными, решения их наиболее просты, и в данном курсе мы ограничимся рассмотрением только од-номерных задач.
Учитывая, что для од-номерного случая :
grad t = dt/dх , (5)
и используя основной закон теплопроводности (2), получаем дифференци-альное уравнение стационарной тепло-проводности для плоской стенки:
В стационарных условиях, когда энергия не расходуется на нагрев, плот-ность теплового потока q неизменна по толщине стенки. В большинстве практи-ческих задач приближенно пред-полагается, что коэффициент тепло-проводности λ не зависит от температуры и одинаков по всей толщине стенки. Зна-чение λ находят в справочниках при температуре:
средней между температурами поверхно-стей стенки. (Погрешность расчетов при этом обычно меньше погрешности исход-ных данных и табличных величин, а при линейной зависимости коэффициента теплопроводности от температуры: λ = а+ bt точная расчетная формула для q не отличается от приближенной). При λ = const :
(7)
т.е. зависимость температуры t от координаты х линейна (рис. 2).
Рис.2. Стационарное распределение темпе-ратуры по толщине плоской стенки.
Разделив переменные в уравнении (7) и проинтегрировав по t от t w1 до t w2 и по х от 0 до δ :
, (8)
получим зависимость для расчета плот-ности теплового потока:
, (9)
или мощность теплового потока (тепловой поток):
(10)
Следовательно, количество теплоты, переданной через 1 м 2 стенки, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ и разности температур наружных поверхностей стенки (t w1 - t w2 ) и обратно пропорционально толщине стенки δ . Общее количество теплоты через стенку площадью F еще и пропорционально этой площади.
Полученная простейшая формула (10) имеет очень широкое распространение в тепло-вых расчетах. По этой формуле не только рассчитывают плотности теплового потока через плоские стенки, но и делают оценки для случаев более сложных, уп-рощенно заменяя в расчетах стенки сложной конфигурации на плоскую стенку. Иногда уже на основании оценки тот или иной вариант отвергается без дальней-ших затрат времени на его детальную проработку.
Температура тела в точке х определяется по формуле:
t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)
Отношение λF/δ называется тепло-вой проводимостью стенки, а обратная величина δ/λF тепловым или термическим сопротивлением стенки и обозначается R λ . Пользуясь понятием термического сопро-тивления, формулу для расчета теплово-го потока можно представить в виде:
Зависимость (11) аналогична закону Ома в электротехни-ке (сила электрического тока равна раз-ности потенциалов, деленной на электри-ческое сопротивление проводника, по ко-торому течет ток).
Очень часто термическим сопротив-лением называют величину δ/λ, которая равна термическому сопротивлению плоской стенки площадью 1 м 2 .
Примеры расчетов .
Пример 1 . Определить тепловой поток через бетонную стену здания толщиной 200 мм , высотой H = 2,5 м и длиной 2 м , если температуры на ее поверхностях: t с1 = 20 0 С, t с2 = - 10 0 С, а коэффициент теплопроводно-сти λ =1 Вт /(м·К ):
= 750 Вт
.
Пример 2 . Определить коэффициент теплопроводности материала стенки толщиной 50 мм , если плотность теплового потока через нее q = 100 Вт /м 2 , а разность температур на поверхностях Δt = 20 0 С.
Вт
/(м·К
).
Многослойная стенка .
Формулой (10) можно воспользоваться и для расчета теплового потока через стенку, состоя-щую из нескольких (n ) плотно прилегающих друг к другу слоев разнородных материа-лов (рис. 3), например, головку цилиндров, прокладку и блока цилиндров, выполненных из разных материалов, и т д.
Рис.3. Распределение температуры по толщине многослойной плоской стенки.
Термическое сопротивление такой стенки равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев:
(12)
В формулу (12) нужно подставить разность температур в тех точках (по-верхностях), между которыми «включе-ны» все суммируемые термические сопротивления, т.е. в данном случае: t w1 и t w(n+1) :
, (13)
где i - номер слоя.
При стационарном режиме удельный тепловой поток через многослойную стенку постоянен и для всех слоев одинаков. Из (13) следует:
. (14)
Из уравнения (14) следует, что общее термическое сопротивление многослойной стенки равно сумме сопротивлений каждого слоя.
Формулу (13) легко получить, записав разность температур по формуле (10) для каждого из п слоев многослой-ной стенки и сложив все п выражений с учетом того, что во всех слоях Q имеет одно и то же значение. При сложении все промежуточные температуры сократятся.
Распределение температуры в преде-лах каждого слоя — линейное, однако, в различных слоях крутизна температур-ной зависимости различна, поскольку со-гласно формуле (7) (dt/dx ) i = - q/λ i . Плотность теплового потока, проходяще-го через все слон, в стационарном режи-ме одинакова, а коэффициент теплопро-водности слоев различен, следовательно, более резко температура меняется в сло-ях с меньшей теплопроводностью. Так, в примере на рис.4 наименьшей тепло-проводностью обладает материал второ-го слоя (например, прокладки), а наибольшей — третьего слоя.
Рассчитав тепловой поток через мно-гослойную стенку, можно определить па-дение температуры в каждом слое по соотношению (10) и найти температу-ры на границах всех слоев. Это очень важно при использовании в качестве теплоизоляторов материалов с ограничен-ной допустимой температурой.
Температура слоев определяется по следующей формуле:
t сл1 = t c т1 - q × (d 1 × l 1 -1)
t сл2 = t c л1 - q × (d 2 × l 2 -1)
Контактное термическое сопротивле-ние . При выводе формул для многослойной стенки предполагалось, что слои плотно прилегают друг к другу, и благодаря хорошему контакту соприкасающиеся поверхности разных слоев имеют одну и ту же температуру. Идеально плотный контакт между отдельными слоями многослойной стенки получается, если одни из слоев наносят на другой слой в жидком состоянии или в виде текучего раствора. Твердые тела касаются друг друга только вершинами профилей шеро-ховатостей (рис.4).
Площадь контакта вершин пренебрежимо мала, и весь тепловой по-ток идет через воздушный зазор (h ). Это создает дополнительное (контактное) термическое сопротивление R к . Термические контактные сопротивления, могут быть определены самостоятельно с использованием соответствующих эмпирических зависимостей или экспериментально. Например, термическое сопротивление зазора в 0,03 мм примерно эквивалентно термическому сопро-тивлению слоя стали толщиной около 30 мм .
Рис.4. Изображение контактов двух шерохо-ватых поверхностей.
Методы снижения термического контактного сопротивления. Полное термическое сопротивление контакта определяется чистотой обработки, нагрузкой, теплопроводностью среды, коэффициентами теплопроводности материалов контактирующих деталей и другими факторами.
Наибольшую эффективность снижения термического сопротивления дает введение в контактную зону среды с теплопроводностью, близкой к теплопроводности металла.
Существуют следующие возможности заполнения контактной зоны веществами:
Использование прокладок из мягких металлов;
Введение в контактную зону порошкообразного вещества с хорошей тепловой проводимостью;
Введение в зону вязкого вещества с хорошей тепловой проводимостью;
Заполнение пространства между выступами шероховатостей жидким металлом.
Наилучшие результаты получены при заполнении контактной зоны расплавленным оловом. В этом случае термическое сопротивление контакта практически становится равным нулю.
Цилиндрическая стенка .
Очень часто теплоносители движутся по трубам (цилиндрам), и требуется рассчитать тепловой поток, передаваемый через цилиндрическую стенку трубы (цилиндра). Задача о передаче теплоты через цилиндрическую стенку (при известных и постоянных значениях температуры на внутренней и наружной поверхностях) также является одномерной, если ее рассматри-вать в цилиндрических координатах (рис.4).
Температура изменяется только вдоль радиуса, а по длине трубы l и по ее периметру остается неизменной.
В этом случае уравнение теплового потока имеет вид:
. (15)
Зависимость (15) показывает, что количество теплоты, переданной через стенку цилиндра, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ , длине трубы l и температурному напору (t w1 - t w2 ) и обратно пропорционально натуральному логарифму отношения внешнего диаметра цилиндра d 2 к его внутреннему диаметру d 1 .
Рис. 4. Изменение температуры по толщине однослойной цилиндрической стенки.
При λ = const распределение темпера-туры порадиусу r однослойной цилиндрической стенки подчиняется ло-гарифмическому закону (рис. 4).
Пример . Во сколько раз уменьшаются тепловые потери через стенку здания, если между двумя слоями кирпичей толщиной по 250 мм установить прокладку пенопласта толщиной 50 мм . Коэффициенты теплопроводности соответственно равны: λ кирп . = 0,5 Вт /(м·К ); λ пен. . = 0,05 Вт /(м·К ).
Теплопроводность — важнейшая теплофизическая характеристика материалов. Её необходимо учитывать при конструировании нагревательных устройств, выборе толщины защитных покрытий, учёте тепловых потерь. Если под рукой или в наличии нет соответствующего справочника, а состав материала точно не известен, его теплопроводность необходимо вычислить или измерить экспериментально.
Составляющие теплопроводности материалов
Теплопроводность характеризует процесс теплопереноса в однородном теле с определёнными габаритными размерами. Поэтому исходными параметрами для измерения служат:
- Площадь в направлении, перпендикулярном направлению теплового потока.
- Время, в течение которого происходит перенос тепловой энергии.
- Температурный перепад между отдельными, наиболее удалёнными друг от друга частями детали или исследуемого образца.
- Мощность теплового источника.
Для соблюдения максимальной точности результатов требуется создать стационарные (установившиеся во времени) условия теплопередачи. В этом случае фактором времени можно пренебречь.
Определить теплопроводность можно двумя способами — абсолютным и относительным.
Абсолютный метод оценки теплопроводности
В данном случае определяется непосредственное значение теплового потока, который направляется на исследуемый образец. Чаще всего образец принимается стержневым или пластинчатым, хотя в некоторых случаях (например, при определении теплопроводности коаксиально размещённых элементов) он может иметь вид полого цилиндра. Недостаток пластинчатых образцов — необходимость в строгой плоскопараллельности противоположных поверхностей.
Поэтому для металлов, характеризующихся высокой теплопроводностью, чаще принимают образец в форме стержня.
Суть замеров состоит в следующем. На противоположных поверхностях поддерживаются постоянные температуры, возникающие от источника тепла, который расположен строго перпендикулярно к одной из поверхностей образца.
В этом случае искомый параметр теплопроводности λ составит
λ=(Q*d)/F(T2-T1), Вт/м∙К, где:
Q — мощность теплового потока;
d — толщина образца;
F — площадь образца, на которую воздействует тепловой поток;
Т1 и Т2 — температуры на поверхностях образца.
Поскольку мощность теплового потока для электронагревателей может быть выражена через их мощность UI, а для измерения температуры могут быть использованы подключённые к образцу термодатчики, то вычислить показатель теплопроводности λ не составит особых трудностей.
Для того, чтобы исключить непроизводительные потери тепла, и повысить точность метода, узел образца и нагревателя следует поместить в эффективный теплоизолирующий объём, например, в сосуд Дьюара.
Относительный метод определения теплопроводности
Исключить из рассмотрения фактор мощности теплового потока можно, если использовать один из способов сравнительной оценки. С этой целью между стержнем, теплопроводность которого требуется определить, и источником тепла помещают эталонный образец, теплопроводность материала которого λ 3 известна. Для исключения погрешностей измерения образцы плотно прижимаются друг к другу. Противоположный конец измеряемого образца погружается в охлаждающую ванну, после чего к обоим стержням подключаются по две термопары.
Теплопроводность вычисляется из выражения
λ=λ 3 (d(T1 3 -T2 3)/d 3 (T1-T2)), где:
d — расстояние между термопарами в исследуемом образце;
d 3 — расстояние между термопарами в образце-эталоне;
T1 3 и T2 3 — показания термопар, установленных в образце-эталоне;
Т1 и Т2 — показания термопар, установленных в исследуемом образце.
Теплопроводность можно определить и по известной электропроводности γ материала образца. Для этого в качестве испытуемого образца принимают проводник из проволоки, на концах которого любым способом поддерживается постоянная температура. Через проводник пропускается постоянный электрический ток силой I, причём клеммный контакт должен приближаться к идеальному.
По достижении стационарного теплового состояния температурный максимум T max будет располагаться посредине образца, с минимальными значениями Т1 и Т2 на его торцах. Измерив разность потенциалов U между крайними точками образца, значение теплопроводности можно установить из зависимости
Точность оценки теплопроводности возрастает с возрастанием длины испытуемого образца, а также с увеличением силы тока, который пропускается через него.
Относительные методы измерения теплопроводности точнее абсолютных, и более удобны в практическом применении, однако требуют существенных затрат времени на выполнение замеров. Это связано с длительностью установления стационарного теплового состояния в образце, теплопроводность которого определяется.
