Materiāla siltumvadītspējas mērīšana mājās. Siltumvadītspējas noteikšana. Plānas plēves tilta temperatūras sensori

To termiskās kustības laikā. Šķidrumos un cietās vielās - dielektriķos - siltuma pārnesi veic, tieši pārnesot molekulu un atomu termisko kustību uz blakus esošām vielas daļiņām. Gāzveida ķermeņos siltuma izplatīšanās ar siltumvadītspēju notiek enerģijas apmaiņas dēļ molekulu ar dažādu siltuma kustības ātrumu sadursmes laikā. Metālos siltumvadītspēja rodas galvenokārt brīvo elektronu kustības dēļ.

Siltumvadītspējas pamatjēdziens ietver vairākus matemātiskus jēdzienus, kuru definīcijas ir vērts atgādināt un izskaidrot.

Temperatūras lauks ir temperatūras vērtību kopums visos ķermeņa punktos noteiktā laika brīdī. Matemātiski tas ir aprakstīts kā t = f(x, y, z, τ). Atšķirt stacionāra temperatūra lauks, kad temperatūra visos ķermeņa punktos nav atkarīga no laika (laika gaitā nemainās), un nestacionārs temperatūras lauks. Turklāt, ja temperatūra mainās tikai pa vienu vai divām telpiskām koordinātām, tad temperatūras lauku sauc attiecīgi par viendimensiju vai divdimensiju.

Izotermiska virsma- tas ir to punktu ģeometriskais lokuss, kuros temperatūra ir vienāda.

Temperatūras gradients — grad t ir vektors, kas vērsts normāli pret izotermisko virsmu un skaitliski vienāds ar temperatūras atvasinājumu šajā virzienā.

Saskaņā ar siltumvadītspējas pamatlikumu - likumu Furjē(1822), siltuma plūsmas blīvuma vektors, ko pārraida siltumvadītspēja, ir proporcionāls temperatūras gradientam:

q = - λ grad t, (3)

Kur λ — vielas siltumvadītspējas koeficients; tās mērvienība W/(m K).

Mīnusa zīme vienādojumā (3) norāda, ka vektors q vērsta pretī vektoram grad t, t.i. vislielākās temperatūras pazemināšanās virzienā.

Siltuma plūsma δQ caur patvaļīgi orientētu elementāru apgabalu dF vienāds ar vektora skalāro reizinājumu q uz elementārās vietas vektoru dF, un kopējo siltuma plūsmu J pa visu virsmu F tiek noteikts, integrējot šo produktu virs virsmas F:

SILTUMVADĪTĪBAS KOEFICIENTS

Siltumvadītspējas koeficients λ likumā Furjē(3) raksturo dotās vielas spēju vadīt siltumu. Siltumvadītspējas koeficientu vērtības ir norādītas atsauces grāmatās termofizikālās īpašības vielas. Skaitliski siltumvadītspējas koeficients λ = q/ grad t vienāds ar siltuma plūsmas blīvumu q ar temperatūras gradientu grad t = 1 K/m. Vieglā gāze, kurai ir visaugstākā siltumvadītspēja, ir ūdeņradis. Plkst telpas apstākļiūdeņraža siltumvadītspējas koeficients λ = 0,2 W/(m K). Smagākām gāzēm ir mazāka siltumvadītspēja – gaisam λ = 0,025 W/(m K), oglekļa dioksīdā λ = 0,02 W/(m K).

Tīram sudrabam un vara ir augstākais siltumvadītspējas koeficients: λ = 400 W/(m K). Oglekļa tēraudiem λ = 50 W/(m K). Šķidrumu siltumvadītspējas koeficients parasti ir mazāks par 1 W/(m K). Ūdens tam ir viens no labākajiem šķidruma siltuma vadītājiem λ = 0,6 W/(m K).

Cieto nemetālisko materiālu siltumvadītspējas koeficients parasti ir mazāks par 10 W/(m K).

Zemākie siltumvadītspējas koeficienti ir porainiem materiāliem – korķim, dažādām šķiedrainām pildvielām, piemēram, organiskajai vatei λ <0,25 W/(m K), pie zema blīvējuma blīvuma tuvojas poras aizpildošā gaisa siltumvadītspējas koeficientam.

Temperatūra, spiediens un porainiem materiāliem arī mitrums var būtiski ietekmēt siltumvadītspējas koeficientu. Uzziņu grāmatās vienmēr ir norādīti nosacījumi, kādos noteiktas vielas siltumvadītspējas koeficients tika noteikts, un šos datus nevar izmantot citiem apstākļiem. Vērtību diapazoni λ dažādiem materiāliem ir parādīti attēlā. 1.

1. att. Dažādu vielu siltumvadītspējas koeficientu vērtību intervāli.

Siltuma pārnese pēc siltumvadītspējas

Viendabīga plakana siena.

Vienkāršākā un ļoti izplatītā problēma, ko atrisina siltuma pārneses teorija, ir caur plakanu biezuma sienu pārraidītās siltuma plūsmas blīvuma noteikšana. δ , uz kuru virsmām tiek uzturēta temperatūra t w1 Un t w2 .(2. att.). Temperatūra mainās tikai visā plāksnes biezumā - viena koordināta X.Šādas problēmas sauc par viendimensionālām, to risinājumi ir visvienkāršākie, un šajā kursā mēs aprobežosimies ar tikai viendimensionālu problēmu izskatīšanu.

Ņemot vērā, ka viena numura gadījumā:

grad t = dt/dх, (5)

un izmantojot siltumvadītspējas pamatlikumu (2), iegūstam stacionāras siltumvadītspējas diferenciālvienādojumu plakanai sienai:

Stacionāros apstākļos, kad enerģija netiek tērēta apkurei, siltuma plūsmas blīvums q nemainās sienas biezums. Lielākajā daļā praktisko problēmu aptuveni tiek pieņemts, ka siltumvadītspējas koeficients λ nav atkarīgs no temperatūras un ir vienāds visā sienas biezumā. Nozīme λ atrodami atsauces grāmatās temperatūrā:

vidējā starp sienu virsmu temperatūrām. (Aprēķinu kļūda šajā gadījumā parasti ir mazāka par sākotnējo datu un tabulu vērtību kļūdu, un ar siltumvadītspējas koeficienta lineāru atkarību no temperatūras: λ = a+ bt precīza aprēķina formula q neatšķiras no aptuvenās). Plkst λ = konst:

(7)

tie. atkarība no temperatūras t no koordinātas X lineāri (2. att.).

2. att. Stacionārs temperatūras sadalījums plakanas sienas biezumā.

Sadalot mainīgos vienādojumā (7) un integrējot pāri t no t w1 pirms tam t w2 un pēc X no 0 līdz δ :

, (8)

iegūstam atkarību siltuma plūsmas blīvuma aprēķināšanai:

, (9)

vai siltuma plūsmas jauda (siltuma plūsma):

(10)

Tāpēc siltuma daudzums, kas nodots caur 1 m 2 sienas, tieši proporcionālas siltumvadītspējas koeficientam λ un temperatūras starpība starp sienas ārējām virsmām ( t w1 - t w2) un apgriezti proporcionāls sienas biezumam δ . Kopējais siltuma daudzums caur sienas laukumu F arī proporcionāli šai platībai.

Iegūtā vienkāršā formula (10) tiek ļoti plaši izmantota termiskajos aprēķinos. Izmantojot šo formulu, viņi ne tikai aprēķina siltuma plūsmas blīvumu caur plakanām sienām, bet arī veic aprēķinus sarežģītākiem gadījumiem, aprēķinos vienkārši aizstājot sarežģītas konfigurācijas sienas ar plakanu sienu. Dažreiz, pamatojoties uz novērtējumu, viens vai otrs variants tiek noraidīts, netērējot vairāk laika tās detalizētai izstrādei.

Ķermeņa temperatūra noteiktā punktā X nosaka pēc formulas:

t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)

Attieksme λF/δ sauc par sienas siltumvadītspēju un abpusējo vērtību δ/λF sienas termiskā vai termiskā pretestība un ir apzīmēta Rλ. Izmantojot termiskās pretestības jēdzienu, siltuma plūsmas aprēķināšanas formulu var attēlot šādi:

Atkarība (11) ir līdzīga likumam Ohm elektrotehnikā (elektriskās strāvas stiprums ir vienāds ar potenciālu starpību, kas dalīta ar vadītāja elektrisko pretestību, caur kuru plūst strāva).

Ļoti bieži siltuma pretestība ir vērtība δ/λ, kas ir vienāda ar plakanas sienas termisko pretestību ar laukumu 1 m 2.

Aprēķinu piemēri.

1. piemērs. Nosakiet siltuma plūsmu caur ēkas betona sienu, kuras biezums ir 200 mm, augstums H = 2,5 m un garums 2 m, ja temperatūra uz tā virsmām ir: t с1= 20 0 C, t s2= - 10 0 C, un siltumvadītspējas koeficients λ =1 W/(m K):

= 750 W.

2. piemērs. Nosakiet siltumvadītspējas koeficientu sienas materiālam, kura biezums ir 50 mm, ja siltuma plūsmas blīvums caur to q = 100 W/m 2, un temperatūras starpība uz virsmām Δt = 20 0 C.

W/(m K).

Daudzslāņu siena.

Formulu (10) var izmantot arī, lai aprēķinātu siltuma plūsmu caur sienu, kas sastāv no vairākiem ( n) atšķirīgu materiālu slāņi, kas cieši pieguļ viens otram (3. att.), piemēram, cilindra galva, blīve un cilindru bloks no dažādiem materiāliem u.c.

3. att. Temperatūras sadalījums pa daudzslāņu plakanas sienas biezumu.

Šādas sienas termiskā pretestība ir vienāda ar atsevišķu slāņu siltuma pretestību summu:

(12)

Formulā (12) ir jāaizstāj temperatūras starpība tajos punktos (virsmās), starp kuriem ir “iekļautas” visas summētās termiskās pretestības, t.i. šajā gadījumā: t w1 Un t w(n+1):

, (13)

Kur i- slāņa numurs.

Stacionārajā režīmā īpatnējā siltuma plūsma caur daudzslāņu sienu ir nemainīga un visiem slāņiem vienāda. No (13) izriet:

. (14)

No (14) vienādojuma izriet, ka daudzslāņu sienas kopējā termiskā pretestība ir vienāda ar katra slāņa pretestību summu.

Formulu (13) var viegli iegūt, ierakstot temperatūras starpību saskaņā ar formulu (10) katram no P daudzslāņu sienas slāņus un visu pievienojot P izteiksmes, ņemot vērā to, ka visos slāņos J ir tāda pati nozīme. Saskaitot kopā, visas starpposma temperatūras samazināsies.

Temperatūras sadalījums katrā slānī ir lineārs, tomēr dažādos slāņos temperatūras atkarības slīpums ir atšķirīgs, jo saskaņā ar formulu (7) ( dt/dx)i = - q/λ i. Caur visiem slāņiem ejošās siltuma plūsmas blīvums stacionārajā režīmā ir vienāds, bet slāņu siltumvadītspējas koeficients ir atšķirīgs, tāpēc temperatūra krasāk mainās slāņos ar zemāku siltumvadītspēju. Tātad piemērā 4. attēlā otrā slāņa materiālam (piemēram, blīvei) ir viszemākā siltumvadītspēja, bet trešā slāņa ir visaugstākā.

Aprēķinot siltuma plūsmu caur daudzslāņu sienu, mēs varam noteikt temperatūras kritumu katrā slānī, izmantojot sakarību (10) un atrast temperatūru pie visu slāņu robežām. Tas ir ļoti svarīgi, ja kā siltumizolatorus izmanto materiālus ar ierobežotu pieļaujamo temperatūru.

Slāņu temperatūru nosaka pēc šādas formulas:

t sl1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)

t sl2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)

Kontakta termiskā pretestība. Atvasinot formulas daudzslāņu sienai, tika pieņemts, ka slāņi atrodas cieši blakus viens otram, un laba kontakta dēļ dažādu slāņu saskares virsmām ir vienāda temperatūra. Ideāli ciešs kontakts starp atsevišķiem daudzslāņu sienas slāņiem tiek iegūts, ja viens no slāņiem tiek uzklāts citam slānim šķidrā stāvoklī vai plūstoša šķīduma veidā. Cietie ķermeņi pieskaras viens otram tikai raupjuma profilu augšdaļās (4. att.).

Virsotņu saskares laukums ir nenozīmīgi mazs, un visa siltuma plūsma iet caur gaisa spraugu ( h). Tas rada papildu (kontakta) termisko pretestību R līdz. Termiskās kontakta pretestības var noteikt neatkarīgi, izmantojot atbilstošas empīriskās attiecības vai eksperimentāli. Piemēram, spraugas termiskā pretestība 0,03 mm aptuveni līdzvērtīga tērauda slāņa termiskajai pretestībai aptuveni 30 mm.

4. att. Divu raupju virsmu kontaktu attēls.

Termiskā kontakta pretestības samazināšanas metodes. Kontakta kopējo termisko pretestību nosaka apstrādes tīrība, slodze, barotnes siltumvadītspēja, kontakta daļu materiālu siltumvadītspējas koeficienti un citi faktori.

Vislielākā efektivitāte siltuma pretestības samazināšanā tiek panākta, kontakta zonā ievadot vidi, kuras siltumvadītspēja ir tuvu metāla siltumvadītspējai.

Kontakta zonas piepildīšanai ar vielām ir šādas iespējas:

Mīksta metāla blīvju izmantošana;

Pulverveida vielas ar labu siltumvadītspēju ievadīšana kontakta zonā;

Viskozas vielas ar labu siltumvadītspēju ievadīšana zonā;

Telpas starp raupjuma izvirzījumiem aizpildīšana ar šķidru metālu.

Vislabākie rezultāti tika iegūti, aizpildot kontaktzonu ar izkausētu alvu. Šajā gadījumā kontakta termiskā pretestība kļūst praktiski nulle.

Cilindriska siena.

Ļoti bieži dzesēšanas šķidrumi pārvietojas pa caurulēm (cilindriem), un ir jāaprēķina siltuma plūsma, kas tiek pārnesta caur caurules (cilindra) cilindrisko sienu. Siltuma pārneses problēma caur cilindrisku sienu (ar zināmām un nemainīgām temperatūrām uz iekšējās un ārējās virsmas) arī ir viendimensionāla, ja to aplūko cilindriskās koordinātēs (4. att.).

Temperatūra mainās tikai pa rādiusu un visā caurules garumā l un gar tā perimetru paliek nemainīgs.

Šajā gadījumā siltuma plūsmas vienādojumam ir šāda forma:

. (15)

Atkarība (15) parāda, ka caur cilindra sienu nodotais siltuma daudzums ir tieši proporcionāls siltumvadītspējas koeficientam λ , caurules garums l un temperatūras starpība ( t w1 - t w2) un apgriezti proporcionāls cilindra ārējā diametra attiecības dabiskajam logaritmam d 2 līdz tā iekšējam diametram d 1.

Rīsi. 4. Temperatūras izmaiņas viena slāņa cilindriskas sienas biezumā.

Plkst λ = const temperatūras sadalījums pa rādiusu r no viena slāņa cilindriskas sienas ievēro logaritmisko likumu (4. att.).

Piemērs. Cik reizes tiek samazināti siltuma zudumi caur ēkas sienu, ja starp diviem slāņiem ir 250 biezi ķieģeļi? mm uzstādiet 50 biezu putu spilventiņu mm. Siltumvadītspējas koeficienti ir attiecīgi vienādi ar: λ ķieģelis . = 0,5 W/(m K); λ pildspalva. . = 0,05 W/(m K).

Palielinoties iekšdedzes dzinēju īpatnējai jaudai, palielinās siltuma daudzums, kas jānoņem no apsildāmām detaļām un detaļām. Mūsdienu dzesēšanas sistēmu efektivitāte un veids, kā palielināt siltuma pārneses ātrumu, ir gandrīz sasnieguši savu robežu. Šī darba mērķis ir izpētīt inovatīvus dzesēšanas šķidrumus siltumenerģijas iekārtu dzesēšanas sistēmām, kuru pamatā ir divfāzu sistēmas, kas sastāv no bāzes vides (ūdens) un nanodaļiņām. Tiek apsvērta viena no šķidruma siltumvadītspējas mērīšanas metodēm, ko sauc par 3ω-karsto stiepli. Tiek parādīti nanofluīda siltumvadītspējas koeficienta mērīšanas rezultāti uz grafēna oksīda bāzes dažādās koncentrācijās. Tika konstatēts, ka, izmantojot 1,25 % grafēnu, nanofluīda siltumvadītspējas koeficients palielinājās par 70 %.

siltumvadītspēja

siltumvadītspējas koeficients

grafēna oksīds

nanofluīds

dzesēšanas sistēma

pārbaudes stends

1. Osipova V.A. Siltuma pārneses procesu eksperimentālā izpēte: mācību grāmata. rokasgrāmata universitātēm. – 3. izdevums, pārstrādāts. un papildu – M.: Enerģētika, 1979. – 320 lpp.

2. Siltuma pārnese / V.P. Isačenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomel - M.: Enerģētika, 1975. - 488 lpp.

3. Vara nanodaļiņas saturošu nanofluīdu anomāli palielināta efektīvā siltumvadītspēja / J.A. Īstmena, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson Appl. Fizik. Lett. 78,718; 2001. gads.

4. Siltumvadītspējas mērījumi, izmantojot 3-Omega tehniku: pielietojums enerģijas ieguves mikrosistēmās / David de Koninck; Inženierzinātņu maģistra darbs, Makgila Universitāte, Monreāla, Kanāda, 2008. – 106 lpp.

5. Siltumvadītspējas mērīšana / W.A. Veikems, M.J. Assael 1999, CRC Press LLC.

Zināms, ka līdz ar mūsdienu tendencēm iekšdedzes dzinēju īpatnējās jaudas palielināšanā, kā arī lielākiem apgriezieniem un mazākiem izmēriem mikroelektroniskajām ierīcēm, nepārtraukti pieaug siltuma daudzums, kas jāatvada no apsildāmām detaļām un detaļām. Dažādu siltumvadošu šķidrumu izmantošana siltuma noņemšanai ir viena no visizplatītākajām un efektīvākajām metodēm. Mūsdienu dzesēšanas ierīču konstrukciju efektivitāte, kā arī parastā siltuma pārneses palielināšanas metode ir gandrīz sasniegusi savu robežu. Ir zināms, ka parastajiem dzesēšanas šķidrumiem (ūdens, eļļas, glikoli, fluorogļūdeņraži) ir diezgan zema siltumvadītspēja (1. tabula), kas ir ierobežojošs faktors mūsdienu dzesēšanas sistēmu konstrukcijās. To siltumvadītspējas paaugstināšanai iespējams izveidot daudzfāzu (vismaz divfāžu) disperso vidi, kur dispersijas lomu spēlē daļiņas ar ievērojami lielāku siltumvadītspējas koeficientu nekā bāzes šķidrumam. Maksvels 1881. gadā ierosināja pievienot pamatnes siltumvadošajam dzesēšanas šķidrumam cietas daļiņas ar augstu siltumvadītspēju.

Ideja ir sajaukt metāliskus materiālus, piemēram, sudrabu, varu, dzelzi, un nemetāliskus materiālus, piemēram, alumīnija oksīdu, CuO, SiC un oglekļa caurules, kurām ir augstāka siltumvadītspēja salīdzinājumā ar zemākas siltumvadītspējas bāzes šķidrumu. Sākotnēji mikronu un pat milimetru lieluma cietās daļiņas (piemēram, sudraba, vara, dzelzs, oglekļa caurules, kurām ir augstāka siltumvadītspēja, salīdzinot ar bāzes šķidrumu) tika sajauktas ar bāzes šķidrumiem, veidojot suspensijas. Izmantoto daļiņu diezgan lielais izmērs un grūtības iegūt nano izmēra daļiņas ir kļuvušas par ierobežojošiem faktoriem šādu suspensiju izmantošanā. Šo problēmu atrisināja Arizonas Nacionālās laboratorijas darbinieku S. Čoi un Dž. Īstmena darbs, kuri veica eksperimentus ar nanometra izmēra metāla daļiņām. Viņi apvienoja dažādas metāla nanodaļiņas un metāla oksīda nanodaļiņas ar dažādiem šķidrumiem un ieguva ļoti interesantus rezultātus. Šīs nanostrukturēto materiālu suspensijas sauc par "nanofluīdiem".

1. tabula

Materiālu siltumvadītspējas koeficientu salīdzinājums nanofluīdiem

Lai izstrādātu modernus inovatīvus dzesēšanas šķidrumus ļoti paātrinātu siltumenerģijas iekārtu dzesēšanas sistēmām, mēs izskatījām divfāžu sistēmas, kas sastāv no bāzes vides (ūdens, etilēnglikols, eļļas utt.) un nanodaļiņām, t.i. daļiņas ar raksturīgajiem izmēriem no 1 līdz 100 nm. Svarīga nanofluīdu iezīme ir tā, ka pat pievienojot nelielu daudzumu nanodaļiņu, tie uzrāda nopietnu siltumvadītspējas pieaugumu (dažreiz vairāk nekā 10 reizes). Turklāt nanofluīda siltumvadītspējas pieaugums ir atkarīgs no temperatūras - pieaugot temperatūrai, palielinās siltumvadītspējas koeficients.

Veidojot šādus nanofluīdus, kas ir divfāžu sistēma, nepieciešama uzticama un pietiekami precīza siltumvadītspējas koeficienta mērīšanas metode.

Mēs esam pārskatījuši dažādas metodes šķidrumu siltumvadītspējas koeficienta mērīšanai. Analīzes rezultātā tika izvēlēta “3ω-stieples” metode, lai ar diezgan augstu precizitāti mērītu nanofluīdu siltumvadītspēju.

"3ω-stieples" metodi izmanto, lai vienlaicīgi izmērītu materiālu siltumvadītspēju un siltuma difūziju. Tā pamatā ir no laika atkarīgās temperatūras paaugstināšanās mērīšana siltuma avotā, tas ir, karstā stieple, kas ir iegremdēta testa šķidrumā. Metāla stieple kalpo gan kā elektriskās pretestības sildītājs, gan kā pretestības termometrs. Metāla stieples ir izgatavotas ārkārtīgi mazā diametrā (vairāki desmiti mikronu). Stiepļu temperatūras paaugstināšanās parasti sasniedz 10 °C, un konvekcijas ietekmi var neņemt vērā.

Metāla stieple ar garumu L un rādiusu r, kas suspendēta šķidrumā, darbojas kā sildītājs un pretestības termometrs, kā parādīts attēlā. 1.

Rīsi. 1. Šķidruma siltumvadītspējas mērīšanas metodes “3ω karstās stieples” uzstādīšanas shēma

Siltumvadītspējas koeficienta noteikšanai izmantotās metodes būtība ir šāda. Maiņstrāva plūst caur metāla stiepli (sildītāju). Maiņstrāvas raksturlielumu nosaka vienādojums

kur I 0 ir sinusoidālās maiņstrāvas amplitūda; ω - strāvas frekvence; t - laiks.

Caur vadu plūst maiņstrāva, kas darbojas kā sildītājs. Saskaņā ar Džoula-Lenca likumu nosaka siltuma daudzumu, kas izdalās, kad elektriskā strāva iet caur vadītāju:

un ir līdzstrāvas avota un 2ω modulēta siltuma avota superpozīcija,

kur R E ir metāla stieples elektriskā pretestība eksperimentālajos apstākļos, un tā ir temperatūras funkcija.

Atbrīvotā siltuma jauda rada temperatūras izmaiņas sildītājā, kas ir arī līdzstrāvas komponenta un 2ω maiņstrāvas komponenta superpozīcija:

kur ΔT DC ir temperatūras izmaiņu amplitūda līdzstrāvas ietekmē; ΔT 2ω - temperatūras izmaiņu amplitūda maiņstrāvas ietekmē; φ ir fāzes nobīde, ko izraisa parauga masas karsēšana.

Vada elektriskā pretestība ir atkarīga no temperatūras, un tā ir stieples pretestības 2ω maiņstrāvas sastāvdaļa:

kur C rt ir metāla stieples pretestības temperatūras koeficients; R E0 ir sildītāja atsauces pretestība temperatūrā T 0 .

Parasti T0 ir kopējā parauga temperatūra.

Spriegumu pāri metāla stieplei var iegūt kā:

(6)

(6) vienādojumā spriegums pāri vadam satur: sprieguma kritumu stieples līdzstrāvas pretestības dēļ pie 1ω un divas jaunas sastāvdaļas, kas ir proporcionālas temperatūras pieaugumam stieplē pie 3ω un pie 1ω. 3ω sprieguma komponents var iegūt, izmantojot pastiprinātāju, un pēc tam izmantot, lai izvadītu temperatūras izmaiņu amplitūdu pie 2ω:

Temperatūras izmaiņu ΔT 2ω atkarība no frekvences tika iegūta, mainot maiņstrāvas frekvenci pie nemainīga sprieguma V 1ω. Tajā pašā laikā temperatūras izmaiņu ΔT 2ω atkarību no frekvences var tuvināt kā

kur α f ir termiskās difūzijas koeficients; k f - bāzes šķidruma siltumvadītspējas koeficients; η ir konstante.

Temperatūras izmaiņas pie frekvences 2ω metāla stieplē var secināt, izmantojot frekvences 3ω sprieguma komponentu, kā parādīts (8) vienādojumā. Šķidruma siltumvadītspējas koeficientu k f nosaka metāla stieples temperatūras maiņas slīpums 2ω attiecībā pret frekvenci ω,

(9)

kur P ir pielietotā jauda; ω ir pielietotās elektriskās strāvas frekvence; L ir metāla stieples garums; ΔT 2ω - temperatūras izmaiņu amplitūda pie frekvences 2ω metāla stieplē.

3ω stiepļu metodei ir vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālo karsto stiepļu metodi:

1) temperatūras svārstības testa šķidrumā var būt pietiekami mazas (zem 1K, salīdzinot ar aptuveni 5K karstās stieples metodei), lai saglabātu nemainīgas šķidruma īpašības;

2) fona troksnis, piemēram, temperatūras izmaiņas, daudz mazāk ietekmē mērījumu rezultātus.

Šīs priekšrocības padara šo metodi ideāli piemērotu nanofluīdu siltumvadītspējas temperatūras atkarības mērīšanai.

Siltumvadītspējas koeficienta mērīšanas iekārta ietver šādas sastāvdaļas: Vinstona tilts; signālu ģenerators; spektra analizators; osciloskops.

Vinstona tilts ir ķēde, ko izmanto, lai salīdzinātu nezināmu pretestību R x ar zināmu pretestību R 0 . Tilta diagramma ir parādīta attēlā. 2. Vinstona tilta četras plecas AB, BC, AD un DS apzīmē attiecīgi pretestības Rx, R0, R1 un R2. Galvanometrs ir pievienots VD diagonālei, un strāvas avots ir pievienots maiņstrāvas diagonālei.

Ja pareizi izvēlaties mainīgo pretestību R1 un R2 vērtības, varat sasniegt punktu B un D potenciālu vienādību: φ B = φ D. Šajā gadījumā strāva neplūdīs caur galvanometru, tas ir, , I g = 0. Šādos apstākļos tilts būs līdzsvarots, un jūs varat atrast nezināmo pretestību Rx. Lai to izdarītu, mēs izmantosim Kirchhoff noteikumus sazarotām ķēdēm. Piemērojot Kirchhoff pirmo un otro noteikumu, mēs iegūstam

R x = R 0 · R 1 / R 2 .

Rx noteikšanas precizitāte, izmantojot šo metodi, lielā mērā ir atkarīga no pretestības R 1 un R 2 izvēles. Vislielākā precizitāte tiek sasniegta, ja R 1 ≈ R 2 .

Signāla ģenerators darbojas kā elektrisko svārstību avots diapazonā no 0,01 Hz - 2 MHz ar augstu precizitāti (ar diskrētumu pie 0,01 Hz). Signāla ģeneratora zīmols G3-110.

Rīsi. 2. Vinstona tilta shēma

Spektra analizators ir paredzēts, lai izolētu spektra 3ω komponentu. Pirms darba uzsākšanas tika pārbaudīta spektra analizatora atbilstība trešajam harmonikas spriegumam. Lai to izdarītu, signāls no ģeneratora G3-110 tiek piegādāts spektra analizatora ieejai un paralēli platjoslas digitālajam voltmetram. Sprieguma amplitūdas efektīvā vērtība tika salīdzināta ar spektra analizatoru un voltmetru. Atšķirība starp vērtībām bija 2%. Spektra analizatora kalibrēšana tika veikta arī ierīces iekšējā testā ar frekvenci 10 kHz. Signāla vērtība pie nesējfrekvences bija 80 mV.

Osciloskops C1-114/1 ir paredzēts elektrisko signālu formas pētīšanai.

Pirms pētījuma uzsākšanas sildītājs (vads) jāievieto pārbaudāmajā šķidruma paraugā. Vadam nevajadzētu pieskarties kuģa sienām. Pēc tam tika veikta frekvenču skenēšana diapazonā no 100 līdz 1600 Hz. Spektra analizatorā pētāmajā frekvencē automātiskajā režīmā tiek ierakstīta 1., 2., 3. harmonikas signāla vērtība.

Strāvas amplitūdas mērīšanai virknē ar ķēdi tika izmantots rezistors ar pretestību ~0,47 Ohm. Vērtībai jābūt tādai, lai tā nepārsniegtu mērīšanas pleca nominālvērtību aptuveni 1 omu. Izmantojot osciloskopu, mēs atradām spriegumu U. Zinot R un U, mēs atradām strāvas I 0 amplitūdu. Lai aprēķinātu pielietoto jaudu, tiek mērīts spriegums ķēdē.

Pirmkārt, tiek pārbaudīts plašs frekvenču diapazons. Šaurāks frekvenču diapazons tiek noteikts tur, kur grafika linearitāte ir visaugstākā. Pēc tam izvēlētajā frekvenču diapazonā tiek veikti mērījumi ar mazākiem frekvences soļiem.

Tabulā 2. attēlā parādīti nanofluīda, kas ir 0,35% grafēna oksīda suspensija bāzes šķidrumā (ūdenī), siltumvadītspējas koeficienta mērīšanas rezultāti, izmantojot izolētu vara stiepli 19 cm garumā, 100 μm diametrā, temperatūrā 26 °C frekvenču diapazonam 780...840 Hz

Attēlā 3. attēlā parādīts šķidruma siltumvadītspējas koeficienta mērīšanas stenda vispārīgs skats.

Tabulā 3. attēlā parādīta grafēna oksīda suspensijas siltumvadītspējas koeficienta atkarība no tā koncentrācijas šķidrumā 26 °C temperatūrā. Nanofluīda siltumvadītspējas koeficientu mērījumi tika veikti dažādās grafēna oksīda koncentrācijās no 0 līdz 1,25%.

2. tabula

Nanofluīda siltumvadītspējas koeficienta mērīšanas rezultāti

frekvenču diapazons	Apļveida frekvence	Pašreizējais spēks	Trešā harmoniskā sprieguma amplitūda	Temperatūras maiņa	Apļveida frekvences logaritms	Jauda	Grafika slīpums	Siltumvadītspējas koeficients

Rīsi. 3. Šķidruma siltumvadītspējas koeficienta mērīšanas stenda kopskats

Tabulā 3. tabulā parādītas arī siltumvadītspējas koeficientu vērtības, kas noteiktas, izmantojot Maksvela formulu.

(10)

kur k ir nanofluīda siltumvadītspējas koeficients; k f - bāzes šķidruma siltumvadītspējas koeficients; k p ir izkliedētās fāzes (nanodaļiņu) siltumvadītspējas koeficients; φ ir katras dispersijas fāzes tilpuma fāzes vērtība.

3. tabula

Grafēna oksīda suspensijas siltumvadītspējas koeficients

Siltumvadītspējas koeficientu attiecība k exp /k theor un k exp /k tab. ūdeņi ir parādīti attēlā. 4.

Šādas eksperimentālo datu novirzes no tām, ko paredz klasiskais Maksvela vienādojums, mūsuprāt, var būt saistītas ar nanofluīda siltumvadītspējas palielināšanas fizikāliem mehānismiem, proti:

Daļiņu Brauna kustības dēļ; šķidruma sajaukšana rada mikrokonvekcijas efektu, tādējādi palielinot siltuma pārneses enerģiju;

Siltuma pārnese ar perkolācijas mehānismu pārsvarā pa klasteru kanāliem, kas veidojas nanodaļiņu aglomerācijas rezultātā, iekļūstot visā šķīdinātāja (parastā šķidruma) struktūrā;

Bāzes šķidruma molekulas veido ļoti orientētus slāņus ap nanodaļiņām, tādējādi palielinot nanodaļiņu tilpuma daļu.

Rīsi. 4. Siltumvadītspējas koeficientu attiecības atkarība no grafēna oksīda koncentrācijas

Darbs veikts, izmantojot Zinātniskā aprīkojuma kolektīvās izmantošanas centra “Mikro- un nanostruktūru diagnostika” aprīkojumu ar Krievijas Federācijas Izglītības un zinātnes ministrijas finansiālu atbalstu.

Recenzenti:

Eparkhins O.M., tehnisko zinātņu doktors, profesors, Maskavas Valsts transporta universitātes Jaroslavļas Jaroslavļas filiāles direktors;

Amirovs I.I., fizisko un matemātikas zinātņu doktors, Krievijas Zinātņu akadēmijas federālās valsts budžeta iestādes “Fizikālais un tehnoloģiskais institūts” Jaroslavļas filiāles pētnieks, Jaroslavļa.

Darbs redaktorā saņemts 2014. gada 28. jūlijā.

Bibliogrāfiskā saite

Žarovs A.V., Savinskis N.G., Pavlovs A.A., Evdokimovs A.N. EKSPERIMENTĀLĀ METODE NANOŠĶIDRUMU TERMĀLĀS VADĪTĪBAS MĒRĪŠANAI // Fundamentālie pētījumi. – 2014. – Nr.8-6. – P. 1345-1350;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34766 (piekļuves datums: 01.02.2020.). Jūsu uzmanībai piedāvājam izdevniecības "Dabaszinātņu akadēmija" izdotos žurnālus

Līdz šim nav izstrādāta vienota klasifikācija, kas ir saistīts ar esošo metožu daudzveidību. Plaši zināmās eksperimentālās metodes materiālu siltumvadītspējas mērīšanai iedala divās lielās grupās: stacionārās un nestacionārās. Pirmajā gadījumā aprēķinu formulas kvalitāte izmanto siltuma vadīšanas vienādojuma daļējus risinājumus

ar nosacījumu, otrajā - ar nosacījumu, kur T ir temperatūra; f - laiks; - termiskās difūzijas koeficients; l - siltumvadītspējas koeficients; C - īpatnējā siltuma jauda; g - materiāla blīvums; - Laplasa operators, rakstīts attiecīgajā koordinātu sistēmā; - tilpuma siltuma avota īpatnējā jauda.

Pirmā metožu grupa ir balstīta uz stacionāra termiskā režīma izmantošanu; otrais - nestacionārs termiskais režīms. Stacionārās metodes siltumvadītspējas koeficienta noteikšanai pēc mērījumu rakstura ir tiešas (t.i., siltumvadītspējas koeficientu nosaka tieši) un iedala absolūtajā un relatīvajā. Absolūtajās metodēs eksperimentāli izmērītie parametri ļauj iegūt vēlamo siltumvadītspējas koeficienta vērtību, izmantojot aprēķina formulu. Relatīvās metodēs eksperimentāli izmērītie parametri ļauj iegūt vēlamo siltumvadītspējas koeficienta vērtību, izmantojot aprēķina formulu. Relatīvās metodēs ar izmērītajiem parametriem nepietiek, lai aprēķinātu absolūto vērtību. Šeit ir iespējami divi gadījumi. Pirmais ir siltumvadītspējas koeficienta izmaiņu uzraudzība attiecībā pret sākotnējo, kas tiek uzskatīta par vienotību. Otrais gadījums ir atsauces materiāla izmantošana ar zināmām termiskām īpašībām. Šajā gadījumā aprēķina formulā tiek izmantots standarta siltumvadītspējas koeficients. Relatīvām metodēm ir dažas priekšrocības salīdzinājumā ar absolūtajām metodēm, jo tās ir vienkāršākas. Tālāku stacionāro metožu iedalījumu var veikt pēc sildīšanas veida (ārējā, tilpuma un kombinētā) un pēc temperatūras lauka izotermu veida paraugos (plakana, cilindriska, sfēriska). Metožu apakšgrupā ar ārējo apsildi ietilpst visas metodes, kurās izmanto ārējos (elektriskos, tilpuma u.c.) sildītājus un paraugu virsmu sildīšanu ar termisko starojumu vai elektronu bombardēšanu. Metožu apakšgrupa ar tilpuma sildīšanu apvieno visas metodes, kurās izmanto karsēšanu ar strāvu, kas iet caur paraugu, pētāmā parauga karsēšanu no neitronu vai g-starojuma vai īpaši augstas frekvences strāvu. Metožu apakšgrupā ar kombinēto sildīšanu var ietilpt metodes, kurās vienlaikus izmanto paraugu ārējo un tilpuma sildīšanu vai starpsildīšanu (piemēram, ar augstfrekvences strāvām).

Visās trīs stacionāro metožu apakšgrupās temperatūras lauks

var būt dažādi.

Plakanas izotermas veidojas, kad siltuma plūsma tiek virzīta pa parauga simetrijas asi. Metodes, kurās izmanto plakanas izotermas, literatūrā sauc par metodēm ar aksiālo vai garenisko siltuma plūsmu, un pašus eksperimentālos iestatījumus sauc par plakanām ierīcēm.

Cilindriskās izotermas atbilst siltuma plūsmas izplatībai pa cilindriska parauga rādiusu. Gadījumā, ja siltuma plūsma tiek virzīta pa sfēriska parauga rādiusu, rodas sfēriskas izotermas. Metodes, kurās izmanto šādas izotermas, sauc par sfēriskām, un ierīces sauc par sfēriskām.

1 Maskavas apgabala valsts budžeta augstākās profesionālās izglītības iestāde “Starptautiskā dabas, sabiedrības un cilvēka universitāte “Dubna” (Universitāte “Dubna”)

2 AS “Starpreģionālā tehniskā iepirkuma asociācija “TECHNOKOMPLEKT” (CJSC “MPOTK “TECHNOKOMPLEKT”)

Izstrādāta metode polikristālisko dimanta plākšņu siltumvadītspējas mērīšanai. Metode ietver divu plānslāņa pretestības termometru uzlikšanu tilta ķēdē plāksnes pretējās pusēs. No vienas puses, vienā no pretestības termometriem, plāksne tiek uzkarsēta, saskaroties ar karstu vara stieni. Pretējā pusē (cita pretestības termometra vietā) plāksne tiek atdzesēta, saskaroties ar vara stieni, kas atdzesēts ar ūdeni. Siltuma plūsmu caur plāksni mēra ar termopāriem, kas uzstādīti uz karsta vara stieņa un tiek kontrolēti ar automātisku ierīci. Plānās kārtiņas pretestības termometri, kas uzklāti, izmantojot vakuuma pārklāšanas metodi, ir 50 nanometri biezi un ir gandrīz neatņemami ar plāksnes virsmu. Tāpēc izmērītās temperatūras precīzi atbilst temperatūrai uz pretējām plāksnes virsmām. Plānplēves pretestības termometru augsta jutība tiek nodrošināta to rezistoru paaugstinātās pretestības dēļ, kas ļauj izmantot tilta barošanas spriegumu vismaz 20 V.

siltumvadītspēja

polikristāliskā dimanta plāksnes

plānslāņa tilta temperatūras sensors

1. Bitjukovs V.K., Petrovs V.A., Terešins V.V. Caurspīdīgu materiālu siltumvadītspējas koeficienta noteikšanas metodika // International Thermophysical School, Tambov, 2004. – 3.-9.lpp.

2. Duhnovskis M.P., Ratņikova A.K. Materiāla termofizikālo īpašību noteikšanas metode un ierīce tās ieviešanai // RF Patent Nr. 2319950 IPC G01N25/00 (2006).

3. Kolpakovs A., Kartaševs E. Jaudas moduļu termisko apstākļu kontrole. //Sastāvdaļas un tehnoloģijas. – 2010. – 4.nr. – 83.-86.lpp.

4. Polikristālisko dimanta plēvju siltumvadītspējas noteikšana, izmantojot fotoakustisko efektu // ZhTP, 1999. – T. 69. – Izdevums. 4. – 97.-101.lpp.

5. Pulvermateriālu siltumvadītspējas mērīšanas iekārta // Trešajā starptautiskajā konferencē un Trešajā starptautiskajā jauno zinātnieku un speciālistu skolā “Ūdeņraža izotopu mijiedarbība ar konstrukcijas materiāliem” (IНISM-07) prezentēto ziņojumu tēzes. – Sarov, 2007. – P. 311-312.

6. Carkova O.G. Metālu, keramikas un dimanta plēvju optiskās un termofizikālās īpašības zem augstas temperatūras lāzera karsēšanas // Vispārējās fizikas institūta materiāli. A.M.Prohorova, 2004. – T. 60. – P. 30-82.

7. Miniturizēts plānslāņa temperatūras sensors plašam mērījumu diapazonam // Proc. 2. IEEE starptautiskais seminārs par sensoru un saskarņu sasniegumiem, IWASI. – 2007. – P.120-124.

Mūsdienu elektronikas komponenti, īpaši jaudas elektronika, rada ievērojamu daudzumu siltuma. Lai nodrošinātu šo komponentu drošu darbību, šobrīd tiek radītas siltuma izlietnes ierīces, kurās tiek izmantotas sintētiskās dimanta plāksnes ar īpaši augstu siltumvadītspēju. Precīzai šo materiālu siltumvadītspējas mērīšanai ir liela nozīme mūsdienu spēka elektronikas ierīču izveidē.

Lai ar pieņemamu precizitāti izmērītu siltumvadītspējas vērtību siltuma izlietnes galvenajā virzienā (perpendikulāri plāksnes biezumam), uz parauga virsmas ir jāizveido siltuma plūsma ar virsmas blīvumu vismaz 20 , pateicoties polikristālisko dimanta siltuma izlietnes plākšņu ļoti augstajai siltumvadītspējai. Literatūrā aprakstītās metodes, izmantojot lāzersistēmas (sk.), nodrošina nepietiekamu virsmas siltuma plūsmas blīvumu 3,2 un papildus rada nevēlamu izmērītā parauga uzkarsēšanu. Siltumvadītspējas mērīšanas metodes, izmantojot parauga impulsa karsēšanu ar fokusētu staru, un metodes, kurās izmanto fotoakustisko efektu, nav tiešas metodes, un tāpēc nevar nodrošināt nepieciešamo mērījumu ticamības un precizitātes līmeni, kā arī prasa sarežģītu aprīkojumu un apgrūtinošus aprēķinus. . Darbā aprakstītā mērīšanas metode, kas ir balstīta uz plakņu termisko viļņu principu, ir piemērota tikai materiāliem ar salīdzinoši zemu siltumvadītspēju. Stacionāro siltumvadītspējas metodi var izmantot tikai siltuma vadītspējas mērīšanai virzienā gar plāksni, un šis virziens nav galvenais siltuma noņemšanas virziens un nav zinātniski interesants.

Izvēlētās mērīšanas metodes apraksts

Nepieciešamo stacionārās siltuma plūsmas virsmas blīvumu var sasniegt, saskaroties ar karstu vara stieni vienā dimanta plāksnes pusē un kontaktējoties ar aukstu vara stieni dimanta plāksnes pretējā pusē. Izmērītā temperatūras starpība var būt neliela, piemēram, tikai 2 °C. Tāpēc ir nepieciešams precīzi izmērīt temperatūru abās plāksnes pusēs kontaktpunktos. To var izdarīt, izmantojot miniatūrus plānslāņa pretestības termometrus, kurus var izgatavot, termometra tilta mērīšanas ķēdi vakuumuzklājot uz plāksnes virsmas. Darbā ir aprakstīta mūsu iepriekšējā pieredze miniatūru, augstas precizitātes plānslāņa pretestības termometru projektēšanā un ražošanā, kas apliecina šīs tehnoloģijas izmantošanas iespējamību un lietderību konkrētajā gadījumā. Plānplēves termometriem ir ļoti mazs biezums 50–80 nm, un tāpēc to temperatūra neatšķiras no tās plāksnes virsmas temperatūras, uz kuras tie tiek uzklāti. Karsto vara stieni silda ar elektriski izolētu nihroma stiepli, kas ap stieni aptīta ievērojamā garumā, lai nodrošinātu nepieciešamo siltuma jaudu. Vara stieņa siltumvadītspēja nodrošina siltuma plūsmas pārnešanu ar blīvumu vismaz 20 stieņa aksiālajā virzienā. Šīs siltuma plūsmas lielumu mēra, izmantojot divus plānus hroma-alumela termopārus, kas atrodas noteiktā attālumā viens no otra divās daļās gar stieņa asi. Siltuma plūsma, kas iet caur plāksni, tiek noņemta, izmantojot vara stieni, kas atdzesēts ar ūdeni. Lai samazinātu termisko pretestību vara stieņu saskares vietās ar plāksni, tiek izmantota silikona smērviela, piemēram, DowCorningTC-5022. Termiskā kontakta pretestība neietekmē izmērīto siltuma plūsmu, tās rada nelielu plāksnes un sildītāja temperatūras paaugstināšanos. Tādējādi plāksnes siltumvadītspēja galvenajā siltuma noņemšanas virzienā tiek noteikta ar tiešiem siltuma plūsmas lieluma mērījumiem, kas iet caur plāksni, un temperatūras starpības lielumu uz tās virsmām. Šiem mērījumiem var izmantot parauga plāksni, kuras izmēri ir aptuveni 8x8 mm.

Jāpiebilst, ka plānās kārtiņas pretestības termometrus turpmāk varēs izmantot, lai uzraudzītu termoelektronikas izstrādājumu darbību, kas satur siltumizolējošas dimanta plāksnes. Literatūrā arī uzsvērta jaudas moduļu integrētās termiskās uzraudzības nozīme.

Stenda dizaina apraksts, tā galvenie elementi un instrumenti

Plānas plēves tilta temperatūras sensori

Augstas precizitātes temperatūras mērīšanai uz polikristāliskas mākslīgās dimanta plāksnes virsmas tiek uzklāta pretestības termometra tilta ķēde, izmantojot magnetrona izsmidzināšanu. Šajā shēmā divi rezistori ir izgatavoti no platīna vai titāna, bet pārējie divi ir izgatavoti no nihroma. Telpas temperatūrā visu četru rezistoru pretestības ir vienādas un vienādas. Apsveriet gadījumu, kad divi rezistori ir izgatavoti no platīna. Mainoties temperatūrai, palielinās rezistoru pretestība:

Pretestību summas: . Tilta pretestība ir. Signāla lielums tilta mērīšanas diagonālē ir vienāds ar: U m= es 1 R 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- es 4 R 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .

Nelielām temperatūras izmaiņām par dažiem grādiem varam pieņemt, ka tilta kopējā pretestība ir vienāda ar R0, strāva caur tilta plecu ir vienāda ar 0,5.U0/R0, kur U0 ir tilta barošanas spriegums. Saskaņā ar šiem pieņēmumiem mēs iegūstam mērīšanas signāla lielumu, kas vienāds ar:

U m= 0,5. U 0 . 3,53.10 -3 Δ T= 1,765.10 -3 .U 0 Δ T.

Pieņemsim, ka vērtība Δ T= 2? C, tad ar barošanas spriegumu 20 V iegūstam mērīšanas signāla lielumu, kas vienāds ar U m=70 mV.Ņemot vērā, ka mērinstrumentu kļūda būs ne vairāk kā 70 μV, konstatējam, ka plāksnes siltumvadītspēju var izmērīt ar kļūdu, kas nav sliktāka par 0,1%.

Tenzometram un termistoriem jaudas izkliedes vērtība parasti nav lielāka par 200 mW. Ja barošanas spriegums ir 20 V, tas nozīmē, ka tilta pretestībai jābūt vismaz 2000 omi. Tehnoloģisku apsvērumu dēļ termistors sastāv no n pavedieniem ar platumu 30 mikroni, kas atrodas 30 mikronu attālumā viens no otra. Rezistora kvēldiega biezums ir 50 nm. Rezistora kvēldiega garums ir 1,5 mm. Tad viena platīna vītnes pretestība ir 106 omi. 20 platīna pavedieni veidos rezistoru ar pretestību 2120 omi. Rezistora platums būs 1,2 mm. Viena nihroma vītnes pretestība ir 1060 omi. Tāpēc nihroma rezistoram būs 2 vītnes un 0,12 mm platums. Gadījumā, ja divi rezistori R 0 , R 3 ir izgatavoti no titāna, sensora jutība samazināsies par 12%, tomēr 20 platīna vītņu vietā rezistoru var izgatavot no 4 titāna vītnēm.

1. attēlā parādīta plānslāņa tilta temperatūras sensora diagramma.

1. att. Plānas plēves tilta temperatūras sensors

1. parauga plāksnes izmērs ir 8x8 mm un biezums 0,25 mm. Izmēri atbilst gadījumam, kad tiek izmantoti platīna rezistori un tiek izmantoti nihroma rezistori. 2 rezistoru pieslēgumi savā starpā (ēnoti), kontaktu paliktņi 3,4,5,6 barošanas kopnes un mērījumi tiek veikti ar vara-niķeļa vadītājiem. Saskares lokam ar sildītāja 7 vara stieņiem, no vienas puses, un dzesētāja, no otras puses, diametrs ir 5 mm. 1. attēlā parādītā pretestības termometra elektriskā ķēde ir uzlikta abās parauga plāksnes pusēs. Elektriskai izolācijai katra pretestības termometra virsma ir pārklāta ar plānu silīcija dioksīda vai silīcija oksīda plēvi, izmantojot vakuuma pārklājumu.

Apkures un dzesēšanas ierīces

Sildītāju un dzesētāju izmanto, lai izveidotu stacionāru temperatūras starpību starp abām dimanta plāksnes virsmām (2. attēls).

Rīsi. 2. Stenda izkārtojums:

1 - korpuss, 2 - dzesēšanas korpuss, 3 - dimanta plāksne, 4 - sildītāja stienis, 5 - nihroma stieple, 6 - stikls, 7 - siltumizolācija, 8 - mikrometriskā skrūve, 9 - korpusa vāks, 10 - diska atspere, 11, 12 - termopāri, 13 - tērauda lode,

14 - atbalsta plāksne, 15 - skrūve.

Sildītājs sastāv no elektriski izolētas nihroma stieples 5, kas uztīta uz vara sildītāja stieņa 4. No ārpuses sildītāju noslēdz vara caurule 6, ko ieskauj siltumizolācija 7. Apakšējā daļā vara stienis 4. kura diametrs ir 5 mm, un stieņa 4 gals saskaras ar dimanta plāksnes 3 virsmu. Pretējā pusē dimanta plāksne saskaras ar vara korpusa 2 augšējo cilindrisko daļu, ko dzesē ūdens (dzesēšanas korpuss). 11,12-hroma-alumela termopāri.

Apzīmēsim temperatūru, ko mēra ar termopāri 11, - temperatūru, ko mēra ar termopāri 12, - temperatūru uz plāksnes 3 virsmas sildītāja pusē, - temperatūru uz plāksnes 3 virsmas dzesētāja pusē un - ūdeni. temperatūra. Aprakstītajā ierīcē notiek siltuma apmaiņas procesi, ko raksturo šādi vienādojumi:

(1)

( (2)

) (4)

kur: - sildītāja elektriskā jauda,

Sildītāja efektivitāte,

vara siltumvadītspēja,

l ir kontaktstieņa garums,

d - kontaktstieņa diametrs,

3. plāksnes paredzamā siltumvadītspēja,

t-plāksnes biezums,

Siltuma noņemšanas koeficients ūdens ātrumam,

Dzesēšanas virsmas laukums,

Ūdens tilpuma siltumietilpība,

D ir ūdens caurules diametrs dzesēšanas korpusā,

Ūdens temperatūras maiņa.

Pieņemsim, ka temperatūras starpība plāksnē ir 2°C. Tad caur plāksni iziet siltuma plūsma 20. Ar vara stieņa diametru 5 mm šī siltuma plūsma atbilst jaudai 392,4 W. Ņemot sildītāja efektivitāti vienādu ar 0,5, iegūstam sildītāja elektrisko jaudu 684,8 W. No vienādojumiem (3.4) izriet, ka ūdens gandrīz nemaina savu temperatūru, un temperatūra uz dimanta plāksnes 3 virsmas būs vienāda No (1.2) vienādojumiem iegūstam (ar kontakta vara stieņa garumu 2 mm, un ka temperatūra, ko mēra ar termopāri 11, ir vienāda ar = 248ºC.

Vara stieņa 4 sildīšanai tiek izmantota nihroma stieple 5, izolēta. Sildītāja vadu gali iziet caur rievu 4. daļā. Sildītāja vadi caur resnākiem vara vadiem ir savienoti ar PR1500 triac elektrisko jaudas pastiprinātāju, ko kontrolē TRM148 regulators. Regulatora programma tiek iestatīta pēc temperatūras, ko mēra ar termopāri 11, kas tiek izmantota kā atgriezeniskā saite regulatoram.

Parauga dzesēšanas ierīce sastāv no vara korpusa 2, kura augšējā daļā ir kontakta cilindrs ar diametru 5 mm. Korpuss 2 tiek atdzesēts ar ūdeni.

Sildīšanas ierīce ir uzstādīta uz diska atsperes 10 un ir savienota ar precīzās skrūves 8 galvu, izmantojot lodi 13, kas atrodas daļas 4 padziļinājumā. Atspere 10 ļauj regulēt spriegumu kontaktā stienis 4 ar paraugu 3. To panāk, pagriežot precīzās skrūves 8 augšējo galvu, izmantojot atslēgu. Noteikta skrūves kustība atbilst zināmam atsperes 10 spēkam. Veicot sākotnējo atsperes spēku kalibrēšanu bez parauga, kad stienis 4 ir saskarē ar korpusu 2, mēs varam panākt labu virsmu mehānisko kontaktu plkst. pieļaujamie spriegumi. Ja nepieciešams precīzi izmērīt kontaktspriegumus, statīva konstrukciju var modificēt, savienojot korpusu 2 ar kalibrētām lokšņu atsperēm ar statīva 1 korpusa apakšējo daļu.

Termopāri 11 un 12 ir uzstādīti, kā parādīts 2. attēlā, šauros iegriezumos stieņa 4 galvā. Termopāra stieples hroms un alumelis ar diametru 50 mikroni ir sametināti kopā un pārklāti ar epoksīda līmi elektroizolācijai, pēc tam tiek uzstādīti tā iekšpusē. sagriež un nostiprina ar līmi. Ir iespējams arī aizblīvēt katra veida termopāra stieples galu tuvu viens otram, neveidojot krustojumu. 10 cm attālumā biezāki (0,5 mm) tāda paša nosaukuma vadi jāpielodē pie plānām termopāra vadiem, kas tiks savienoti ar regulatoru un multimetru.

Secinājums

Izmantojot šajā darbā aprakstīto metodi un mērinstrumentus, ir iespējams precīzi izmērīt sintētisko dimanta plākšņu siltumvadītspēju.

Siltumvadītspējas mērīšanas metodes izstrāde tiek veikta darba “Progresīvu tehnoloģiju un viedo spēka elektronikas produktu projektu izstrāde izmantošanai sadzīves un rūpniecisku iekārtu iekārtās, transportā, degvielas un enerģijas kompleksā un speciālās sistēmās (barošanas modulis ar polikristāliskā dimanta radiatoru)” ar Krievijas Federācijas Izglītības un zinātnes ministrijas finansiālu atbalstu 2014.gada 5.marta valsts līguma Nr.14.429.12.0001 ietvaros.

Recenzenti:

Akišins P.G., fizisko un matemātikas zinātņu doktors, vecākais pētnieks (asociētais profesors), katedras vadītāja vietnieks, Informācijas tehnoloģiju laboratorija, Apvienotais kodolpētījumu institūts (JINR), Dubna;

Ivanovs V.V., Fizikālo un matemātikas zinātņu doktors, vecākais pētnieks (asociētais profesors), galvenais pētnieks, Informācijas tehnoloģiju laboratorija, Apvienotais kodolpētījumu institūts (JINR), Dubna.

Bibliogrāfiskā saite

Mioduševskis P.V., Bakmajevs S.M., Tingajevs N.V. PRECĪZS MATERIĀLA ULTRAAUGSTAS SILUMVAADĪTĪBAS MĒRĪŠANA UZ PLĀNĀM PLĀKSNĒM // Mūsdienu zinātnes un izglītības problēmas. – 2014. – Nr.5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (piekļuves datums: 01.02.2020.). Jūsu uzmanībai piedāvājam izdevniecības "Dabaszinātņu akadēmija" izdotos žurnālus

Neatkarīgi no būvniecības mēroga, pirmais solis ir izstrādāt projektu. Rasējumi atspoguļo ne tikai konstrukcijas ģeometriju, bet arī galveno siltuma raksturlielumu aprēķinus. Lai to izdarītu, jums jāzina būvmateriālu siltumvadītspēja. Būvniecības galvenais mērķis ir būvēt izturīgas konstrukcijas, izturīgas konstrukcijas, kas ir komfortablas bez pārmērīgām apkures izmaksām. Šajā sakarā ārkārtīgi svarīgas ir zināšanas par materiālu siltumvadītspējas koeficientiem.

Ķieģeļiem ir labāka siltumvadītspēja

Rādītāja raksturojums

Termins siltumvadītspēja attiecas uz siltumenerģijas pārnešanu no vairāk apsildāmiem objektiem uz mazāk apsildāmiem objektiem. Apmaiņa turpinās, līdz iestājas temperatūras līdzsvars.

Siltuma pārnesi nosaka laika ilgums, kurā temperatūra telpās ir atbilstoša apkārtējās vides temperatūrai. Jo mazāks šis intervāls, jo lielāka ir būvmateriāla siltumvadītspēja.
Siltuma vadītspējas raksturošanai tiek izmantots siltumvadītspējas koeficienta jēdziens, kas parāda, cik daudz siltuma iziet cauri tādai un tādai virsmas laukumam tādā un tādā laikā. Jo augstāks šis rādītājs, jo lielāka ir siltuma apmaiņa, un ēka atdziest daudz ātrāk. Tādējādi, būvējot konstrukcijas, ieteicams izmantot būvmateriālus ar minimālu siltumvadītspēju.
Šajā video jūs uzzināsit par būvmateriālu siltumvadītspēju:
Kā noteikt siltuma zudumus
Ēkas galvenie elementi, caur kuriem izplūst siltums:
durvis (5-20%);
dzimums (10-20%);
jumts (15-25%);
sienas (15-35%);
logi (5-15%).

Siltuma zudumu līmeni nosaka, izmantojot termovizoru. Sarkans apzīmē vissarežģītākos apgabalus, dzeltens un zaļš norāda uz mazākiem siltuma zudumiem. Apgabali ar vismazākajiem zaudējumiem ir iezīmēti zilā krāsā. Laboratorijas apstākļos nosaka siltumvadītspējas vērtību, materiālam tiek izsniegts kvalitātes sertifikāts.
Siltumvadītspējas vērtība ir atkarīga no šādiem parametriem:
Porainība. Poras norāda uz struktūras neviendabīgumu. Kad siltums iet caur tiem, dzesēšana būs minimāla.
Mitrums. Augsts mitruma līmenis provocē sausā gaisa izspiešanu ar šķidruma pilieniem no porām, tāpēc vērtība daudzkārt palielinās.
Blīvums. Lielāks blīvums veicina aktīvāku mijiedarbību starp daļiņām. Rezultātā siltuma apmaiņa un temperatūras balansēšana notiek ātrāk.

Siltumvadītspējas koeficients
Siltuma zudumi mājā ir neizbēgami, un tie rodas, ja ārā ir zemāka temperatūra nekā iekšpusē. Intensitāte ir mainīga un ir atkarīga no daudziem faktoriem, no kuriem galvenie ir šādi:
Siltuma apmaiņā iesaistīto virsmu laukums.
Būvmateriālu un būvelementu siltumvadītspējas rādītājs.
Temperatūras starpība.

Grieķu burts λ tiek lietots, lai apzīmētu būvmateriālu siltumvadītspēju. Mērvienība – W/(m×°C). Aprēķins veikts uz 1 m² metru biezas sienas. Šeit tiek pieņemta temperatūras starpība 1°C.

Gadījuma izpēte
Parasti materiālus iedala siltumizolācijā un konstrukcijā. Pēdējiem ir visaugstākā siltumvadītspēja, tos izmanto sienu, griestu un citu žogu celtniecībai. Saskaņā ar materiālu tabulu, būvējot sienas no dzelzsbetona, lai nodrošinātu zemu siltuma apmaiņu ar vidi, to biezumam jābūt aptuveni 6 m Bet tad struktūra būs apjomīga un dārga.
Ja projektēšanas laikā tiek nepareizi aprēķināta siltumvadītspēja, topošās mājas iedzīvotāji apmierinās tikai 10% siltuma no enerģijas avotiem. Tāpēc mājas, kas izgatavotas no standarta būvmateriāliem, ieteicams papildus siltināt.

Pareizi hidroizolējot izolāciju, augsts mitrums neietekmē siltumizolācijas kvalitāti, un konstrukcijas izturība pret siltuma pārnesi kļūs daudz augstāka.

Labākais risinājums ir izmantot izolāciju
Visizplatītākā iespēja ir no augstas stiprības materiāliem izgatavotas nesošās konstrukcijas kombinācija ar papildu siltumizolāciju. Piemēram:
Karkasa māja. Izolācija ir novietota starp tapām. Dažreiz, nedaudz samazinot siltuma pārnesi, galvenā rāmja ārpusei ir nepieciešama papildu izolācija.
Būvniecība no standarta materiāliem. Ja sienas ir ķieģeļu vai plēnes bloku, izolācija tiek veikta no ārpuses.

Būvmateriāli ārsienām
Sienas mūsdienās tiek būvētas no dažādiem materiāliem, bet populārākie joprojām ir: koks, ķieģelis un celtniecības bloki. Galvenās atšķirības ir būvmateriālu blīvumā un siltumvadītspējā. Salīdzinošā analīze ļauj mums atrast vidusceļu attiecībās starp šiem parametriem. Jo lielāks blīvums, jo lielāka ir materiāla un līdz ar to arī visas konstrukcijas nestspēja. Bet termiskā pretestība kļūst mazāka, tas ir, enerģijas izmaksas palielinās. Parasti pie mazāka blīvuma ir porainība.
Siltumvadītspējas koeficients un tā blīvums.
Izolācija sienām
Izolācijas materiāli tiek izmantoti, ja ārsienu siltumizturība nav pietiekama. Parasti 5-10 cm biezums ir pietiekams, lai izveidotu komfortablu iekštelpu mikroklimatu.
Koeficienta λ vērtība ir norādīta nākamajā tabulā.
Siltumvadītspēja mēra materiāla spēju nodot siltumu caur sevi. Tas lielā mērā ir atkarīgs no sastāva un struktūras. Blīvi materiāli, piemēram, metāli un akmens, ir labi siltuma vadītāji, savukārt zema blīvuma vielas, piemēram, gāze un poraina izolācija, ir slikti vadītāji.