Măsurarea conductibilității termice a unui material acasă. Determinarea conductibilitatii termice. Senzori de temperatură cu punte cu peliculă subțire

În timpul mișcării lor termice. În lichide și solide - dielectrice - transferul de căldură se realizează prin transferul direct al mișcării termice a moleculelor și atomilor către particulele învecinate ale substanței. În corpurile gazoase, propagarea căldurii prin conductivitate termică are loc datorită schimbului de energie în timpul ciocnirii moleculelor cu viteze diferite de mișcare termică. În metale, conductivitatea termică apare în principal datorită mișcării electronilor liberi.

Conceptul de bază al conductivității termice include o serie de concepte matematice, ale căror definiții merită amintite și explicate.

Câmp de temperatură este o colecție de valori ale temperaturii în toate punctele corpului la un moment dat în timp. Matematic este descris ca t = f(x, y, z, τ). Distinge temperatura staționară câmp, când temperatura în toate punctele corpului nu depinde de timp (nu se modifică în timp) și câmp de temperatură nestaționar. În plus, dacă temperatura se schimbă doar de-a lungul uneia sau două coordonate spațiale, atunci câmpul de temperatură se numește unidimensional sau, respectiv, bidimensional.

Suprafata izoterma- acesta este locul geometric al punctelor la care temperatura este aceeași.

Gradient de temperatură — grad t este un vector îndreptat normal pe suprafața izotermă și numeric egal cu derivata temperaturii în această direcție.

Conform legii de bază a conductibilității termice - legea Fourier(1822), vectorul densității fluxului de căldură transmis de conductibilitatea termică este proporțional cu gradientul de temperatură:

q = - λ grad t, (3)

Unde λ — coeficientul de conductivitate termică a substanței; unitatea sa de măsură W/(m K).

Semnul minus din ecuația (3) indică faptul că vectorul qîndreptată opus vectorului grad t, adică în direcţia celei mai mari scăderi a temperaturii.

Fluxul de căldură δQ printr-o zonă elementară orientată arbitrar dF egal cu produsul scalar al vectorului q la vectorul sitului elementar dF, și fluxul total de căldură Q pe toata suprafata F se determină prin integrarea acestui produs peste suprafață F:

COEFICIENT DE CONDUCTIVITATE TERMICĂ

Coeficient de conductivitate termică λ în lege Fourier(3) caracterizează capacitatea unei substanțe date de a conduce căldura. Valorile coeficienților de conductivitate termică sunt date în cărțile de referință proprietăți termofizice substante. Numeric, coeficientul de conductivitate termică λ = q/ grad t egală cu densitatea fluxului de căldură q cu gradient de temperatură grad t = 1 K/m. Gazul ușor care are cea mai mare conductivitate termică este hidrogenul. La conditiile camerei coeficientul de conductivitate termică a hidrogenului λ = 0,2 W/(m K). Gazele mai grele au o conductivitate termică mai mică - aerul λ = 0,025 W/(m K), în dioxid de carbon λ = 0,02 W/(m K).

Argintul și cuprul pur au cel mai mare coeficient de conductivitate termică: λ = 400 W/(m K). Pentru oțeluri carbon λ = 50 W/(m K). Lichidele au de obicei un coeficient de conductivitate termică mai mic de 1 W/(m K). Apa este unul dintre cei mai buni conductori lichidi de căldură, pentru aceasta λ = 0,6 W/(m K).

Coeficientul de conductivitate termică al materialelor solide nemetalice este de obicei sub 10 W/(m K).

Materialele poroase - pluta, diverse materiale de umplutură fibroase, cum ar fi lâna organică - au cei mai mici coeficienți de conductivitate termică λ <0,25 W/(m K), apropiindu-se la densitate mică de împachetare de coeficientul de conductivitate termică a aerului care umple porii.

Temperatura, presiunea și, pentru materialele poroase, de asemenea umiditatea pot avea un impact semnificativ asupra coeficientului de conductivitate termică. Cărțile de referință oferă întotdeauna condițiile în care a fost determinat coeficientul de conductivitate termică al unei substanțe date, iar aceste date nu pot fi utilizate pentru alte condiții. Intervalele de valori λ pentru diverse materiale sunt prezentate în Fig. 1.

Fig.1. Intervale de valori ale coeficienților de conductivitate termică a diferitelor substanțe.

Transfer de căldură prin conductivitate termică

Perete plat omogen.

Cea mai simplă și foarte comună problemă rezolvată de teoria transferului de căldură este determinarea densității fluxului de căldură transmis printr-un perete plat de grosime. δ , pe suprafețele cărora se mențin temperaturile t w1Şi t w2 .(Fig. 2). Temperatura variază numai pe grosimea plăcii - o coordonata X. Astfel de probleme se numesc unidimensionale, soluțiile lor sunt cele mai simple, iar în acest curs ne vom limita să luăm în considerare doar probleme unidimensionale.

Având în vedere că pentru cazul cu un număr:

grad t = dt/dх, (5)

și folosind legea de bază a conductibilității termice (2), obținem ecuația diferențială a conductibilității termice staționare pentru un perete plat:

În condiții staționare, când energia nu este cheltuită pentru încălzire, densitatea fluxului de căldură q neschimbat de grosimea peretelui. În majoritatea problemelor practice se presupune aproximativ că coeficientul de conductivitate termică λ nu depinde de temperatură și este același pe toată grosimea peretelui. Sens λ găsite în cărțile de referință la temperaturi:

medie între temperaturile suprafețelor pereților. (Eroarea de calcul în acest caz este de obicei mai mică decât eroarea datelor inițiale și a valorilor tabulate și cu o dependență liniară a coeficientului de conductivitate termică de temperatură: λ = a+ bt formula de calcul exacta pentru q nu diferă de cea aproximativă). La λ = const:

(7)

aceste. dependență de temperatură t din coordonata X liniară (fig. 2).

Fig.2. Distribuția staționară a temperaturii pe grosimea unui perete plat.

Prin împărțirea variabilelor în ecuația (7) și integrarea peste t din t w1 la t w2 iar prin X de la 0 la δ :

, (8)

obținem dependența pentru calcularea densității fluxului de căldură:

, (9)

sau puterea fluxului de căldură (flux de căldură):

(10)

Prin urmare, cantitatea de căldură transferată prin 1 m 2 pereți, direct proporțional cu coeficientul de conductivitate termică λ și diferența de temperatură dintre suprafețele exterioare ale peretelui ( t w1 - t w2) și invers proporțională cu grosimea peretelui δ . Cantitatea totală de căldură prin zona peretelui F de asemenea proporţional cu această zonă.

Formula simplă rezultată (10) este foarte utilizată în calculele termice. Folosind această formulă, ei nu numai că calculează densitatea fluxului de căldură prin pereți plani, dar fac și estimări pentru cazuri mai complexe, pur și simplu înlocuind pereții unei configurații complexe cu un perete plat în calcule. Uneori, pe baza unei evaluări, una sau alta opțiune este respinsă fără să se mai aloce timp pentru dezvoltarea sa detaliată.

Temperatura corpului într-un punct X determinat de formula:

t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)

Atitudine λF/δ se numește conductivitatea termică a peretelui și valoarea reciprocă 5/λF termica sau rezistenta termica a peretelui si este desemnata Rλ. Folosind conceptul de rezistență termică, formula de calcul a fluxului de căldură poate fi prezentată astfel:

Dependența (11) este similară cu legea Ohmîn electrotehnică (puterea curentului electric este egală cu diferența de potențial împărțită la rezistența electrică a conductorului prin care trece curentul).

Foarte des, rezistența termică este valoarea δ/λ, care este egală cu rezistența termică a unui perete plat cu o suprafață de 1 m 2.

Exemple de calcule.

Exemplul 1. Determinați fluxul de căldură printr-un perete de beton al unei clădiri cu o grosime de 200 mm, înălțime H = 2,5 m si lungimea 2 m, dacă temperaturile de pe suprafețele sale sunt: t с1= 20 0 C, t s2= - 10 0 C, iar coeficientul de conductivitate termică λ =1 W/(m K):

= 750 W.

Exemplul 2. Determinați coeficientul de conductivitate termică al unui material de perete cu o grosime de 50 mm, dacă densitatea fluxului de căldură prin acesta q = 100 W/m 2, și diferența de temperatură pe suprafețe Δt = 20 0 C.

W/(m K).

Perete multistrat.

Formula (10) poate fi folosită și pentru a calcula fluxul de căldură printr-un perete format din mai multe ( n) straturi de materiale diferite, strâns adiacente între ele (Fig. 3), de exemplu, o chiulasă, o garnitură și un bloc cilindric din materiale diferite etc.

Fig.3. Distribuția temperaturii pe grosimea unui perete plat multistrat.

Rezistența termică a unui astfel de perete este egală cu suma rezistențelor termice ale straturilor individuale:

(12)

În formula (12), trebuie să înlocuiți diferența de temperatură în acele puncte (suprafețe) între care sunt „incluse” toate rezistențele termice însumate, adică. în acest caz: t w1Şi t w(n+1):

, (13)

Unde i- numărul stratului.

Într-un mod staționar, fluxul de căldură specific prin peretele multistrat este constant și același pentru toate straturile. Din (13) rezultă:

. (14)

Din ecuația (14) rezultă că rezistența termică totală a unui perete multistrat este egală cu suma rezistențelor fiecărui strat.

Formula (13) poate fi obținută cu ușurință prin scrierea diferenței de temperatură conform formulei (10) pentru fiecare dintre n straturi ale unui perete multistrat și adăugând totul n expresii ţinând cont de faptul că în toate straturile Q are acelasi sens. Când sunt adăugate împreună, toate temperaturile intermediare vor scădea.

Distribuția temperaturii în interiorul fiecărui strat este liniară, totuși, în diferite straturi, panta dependenței de temperatură este diferită, deoarece conform formulei (7) ( dt/dx)i = - q/λ i. Densitatea fluxului de căldură care trece prin toate straturile este aceeași într-un mod staționar, dar coeficientul de conductivitate termică al straturilor este diferit, prin urmare, temperatura se schimbă mai brusc în straturile cu conductivitate termică mai mică. Deci, în exemplul din Fig. 4, materialul celui de-al doilea strat (de exemplu, o garnitură) are cea mai scăzută conductivitate termică, iar al treilea strat are cea mai mare.

Prin calcularea fluxului de căldură printr-un perete multistrat, este posibil să se determine scăderea temperaturii în fiecare strat folosind relația (10) și să se găsească temperaturile la limitele tuturor straturilor. Acest lucru este foarte important atunci când se utilizează materiale cu o temperatură permisă limitată ca izolatori termici.

Temperatura straturilor este determinată de următoarea formulă:

t sl1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)

t sl2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)

Rezistenta termica de contact. La obținerea formulelor pentru un perete multistrat, s-a presupus că straturile sunt strâns adiacente între ele și, datorită contactului bun, suprafețele de contact ale diferitelor straturi au aceeași temperatură. În mod ideal, un contact strâns între straturile individuale ale unui perete multistrat se obține dacă unul dintre straturi este aplicat pe alt strat în stare lichidă sau sub formă de soluție curgătoare. Corpurile solide se ating între ele numai la vârfurile profilelor de rugozitate (Fig. 4).

Aria de contact a vârfurilor este neglijabil de mică, iar întregul flux de căldură trece prin golul de aer ( h). Acest lucru creează rezistență termică suplimentară (de contact). R la. Rezistențele de contact termic pot fi determinate independent folosind relații empirice adecvate sau experimental. De exemplu, o rezistență termică a intervalului de 0,03 mm aproximativ echivalent cu rezistența termică a unui strat de oțel aproximativ 30 mm.

Fig.4. Imagine a contactelor dintre două suprafețe aspre.

Metode de reducere a rezistenței la contact termic. Rezistența termică totală a contactului este determinată de curățenia prelucrării, sarcină, conductivitatea termică a mediului, coeficienții de conductivitate termică a materialelor pieselor de contact și alți factori.

Cea mai mare eficiență în reducerea rezistenței termice se realizează prin introducerea în zona de contact a unui mediu cu conductivitate termică apropiată de conductibilitatea termică a metalului.

Există următoarele posibilități de umplere a zonei de contact cu substanțe:

Utilizarea de garnituri din metal moale;

Introducerea în zona de contact a unei substanțe pulverulente cu conductivitate termică bună;

Introducerea în zonă a unei substanțe vâscoase cu conductivitate termică bună;

Umplerea spațiului dintre proeminențele de rugozitate cu metal lichid.

Cele mai bune rezultate au fost obținute la umplerea zonei de contact cu staniu topit. În acest caz, rezistența termică a contactului devine practic zero.

Perete cilindric.

Foarte des, lichidele de răcire se deplasează prin țevi (cilindri) și este necesar să se calculeze fluxul de căldură transmis prin peretele cilindric al țevii (cilindru). Problema transferului de căldură printr-un perete cilindric (cu temperaturi cunoscute și constante pe suprafețele interioare și exterioare) este de asemenea unidimensională dacă este luată în considerare în coordonate cilindrice (Fig. 4).

Temperatura se schimbă numai de-a lungul razei și de-a lungul lungimii conductei l iar de-a lungul perimetrului său rămâne neschimbat.

În acest caz, ecuația fluxului de căldură are forma:

. (15)

Dependența (15) arată că cantitatea de căldură transferată prin peretele cilindrului este direct proporțională cu coeficientul de conductivitate termică λ , lungimea conductei l si diferenta de temperatura ( t w1 - t w2) și invers proporțional cu logaritmul natural al raportului dintre diametrul exterior al cilindrului d 2 la diametrul său interior d 1.

Orez. 4. Schimbarea temperaturii de-a lungul grosimii unui perete cilindric cu un singur strat.

La λ = distribuția constantă a temperaturii pe rază r a unui perete cilindric cu un singur strat respectă o lege logaritmică (Fig. 4).

Exemplu. De câte ori se reduc pierderile de căldură prin peretele unei clădiri dacă există 250 de cărămizi groase între două straturi? mm instalați un tampon de spumă de 50 de grosime mm. Coeficienții de conductivitate termică sunt, respectiv, egali cu: λ cărămidă . = 0,5 W/(m K); stilou λ. . = 0,05 W/(m K).

Odată cu creșterea puterii specifice a motoarelor cu ardere internă, cantitatea de căldură care trebuie îndepărtată din componentele și piesele încălzite crește. Eficiența sistemelor moderne de răcire și modul de creștere a ratelor de transfer de căldură aproape și-au atins limita. Scopul acestei lucrări este studierea lichidelor de răcire inovatoare pentru sistemele de răcire ale dispozitivelor de putere termică bazate pe sisteme bifazate constând dintr-un mediu de bază (apă) și nanoparticule. Este luată în considerare una dintre metodele de măsurare a conductibilității termice a unui lichid numit 3ω-hot-wire. Sunt prezentate rezultatele măsurării coeficientului de conductivitate termică a unui nanofluid pe bază de oxid de grafen la diferite concentrații ale acestuia din urmă. S-a constatat că atunci când se folosește 1,25% grafen, coeficientul de conductivitate termică al nanofluidului a crescut cu 70%.

conductivitate termică

coeficient de conductivitate termică

oxid de grafen

nanofluid

sistem de racire

banc de testare

1. Osipova V.A. Studiu experimental al proceselor de transfer de căldură: manual. manual pentru universități. – Ed. a III-a, revizuită. si suplimentare – M.: Energie, 1979. – 320 p.

2. Transfer termic / V.P. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomel - M.: Energie, 1975. - 488 p.

3. Conductivități termice eficiente crescute anormal ale nanofluidelor pe bază de etilenglicol care conțin nanoparticule de cupru / J.A. Eastman, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson Appl. Fiz. Lett. 78,718; 2001.

4. Măsurători de conductivitate termică folosind tehnica 3-Omega: Aplicație la microsisteme de recoltare a energiei / David de Koninck; Teză de Master în Inginerie, Universitatea McGill, Montréal, Canada, 2008. – 106 p.

5. Măsurarea conductibilității termice / W.A. Wakeham, M.J. Assael 1999 de CRC Press LLC.

Se știe că odată cu tendințele moderne de creștere a puterii specifice a motoarelor cu ardere internă, precum și cu viteze mai mari și dimensiuni mai mici pentru dispozitivele microelectronice, cantitatea de căldură care trebuie îndepărtată din componentele și piesele încălzite este în continuă creștere. Utilizarea diferitelor lichide conductoare de căldură pentru îndepărtarea căldurii este una dintre cele mai comune și eficiente metode. Eficiența designurilor moderne de dispozitive de răcire, precum și metoda convențională de creștere a ratei de transfer de căldură, aproape a atins limita. Se știe că lichidele de răcire convenționale (apă, uleiuri, glicoli, fluorocarburi) au o conductivitate termică destul de scăzută (Tabelul 1), ceea ce este un factor limitativ în proiectarea sistemelor moderne de răcire. Pentru a le crește conductivitatea termică, este posibil să se creeze un mediu dispersat multifazic (cel puțin bifazic), în care rolul dispersiei este jucat de particule cu un coeficient de conductivitate termică semnificativ mai mare decât lichidul de bază. Maxwell în 1881 a propus adăugarea de particule solide cu conductivitate termică ridicată la un lichid de răcire de bază conducător de căldură.

Ideea este de a amesteca materiale metalice precum argintul, cuprul, fierul și materialele nemetalice precum alumina, CuO, SiC și tuburile de carbon, care au o conductivitate termică mai mare în comparație cu fluidul de bază cu conductivitate termică mai scăzută. Inițial, particulele solide (cum ar fi argint, cupru, fier, tuburi de carbon, care au o conductivitate termică mai mare în comparație cu fluidul de bază) de dimensiuni micron și chiar milimetrice au fost amestecate cu fluidele de bază pentru a forma suspensii. Dimensiunea destul de mare a particulelor utilizate și dificultățile în producerea particulelor de dimensiuni nanometrice au devenit factori limitatori în utilizarea unor astfel de suspensii. Această problemă a fost rezolvată prin munca lui S. Choi și J. Eastman, angajați ai Laboratorului Național din Arizona, care au efectuat experimente cu particule de metal de dimensiuni nanometrice. Au combinat diverse nanoparticule de metal și nanoparticule de oxid de metal cu diverse lichide și au obținut rezultate foarte interesante. Aceste suspensii de materiale nanostructurate au fost numite „nanofluide”.

Tabelul 1

Comparația coeficienților de conductivitate termică a materialelor pentru nanofluide

Pentru a dezvolta lichide de răcire moderne inovatoare pentru sistemele de răcire ale dispozitivelor de putere termică foarte accelerată, am luat în considerare sistemele bifazate constând dintr-un mediu de bază (apă, etilenglicol, uleiuri etc.) și nanoparticule, de exemplu. particule cu dimensiuni caracteristice de la 1 la 100 nm. O caracteristică importantă a nanofluidelor este că, chiar și cu adăugarea de cantități mici de nanoparticule, acestea prezintă o creștere serioasă a conductibilității termice (uneori de peste 10 ori). Mai mult, creșterea conductibilității termice a unui nanofluid depinde de temperatură - cu creșterea temperaturii, creșterea coeficientului de conductivitate termică crește.

Atunci când se creează astfel de nanofluide, care sunt un sistem în două faze, este necesară o metodă fiabilă și suficient de precisă pentru măsurarea coeficientului de conductivitate termică.

Am trecut în revistă diferite metode de măsurare a coeficientului de conductivitate termică pentru lichide. Ca rezultat al analizei, a fost aleasă metoda „3ω-wire” pentru a măsura conductivitatea termică a nanofluidelor cu o precizie destul de mare.

Metoda „3ω-wire” este utilizată pentru a măsura simultan conductivitatea termică și difuzivitatea termică a materialelor. Se bazează pe măsurarea creșterii temperaturii dependente de timp într-o sursă de căldură, adică un fir fierbinte care este scufundat în lichidul de testare. Firul metalic servește atât ca încălzitor de rezistență electrică, cât și ca termometru de rezistență. Firele metalice sunt realizate cu un diametru extrem de mic (câteva zeci de microni). Creșterea temperaturii firului ajunge de obicei la 10 °C și influența convecției poate fi neglijată.

Un fir metalic de lungime L și rază r suspendat într-un lichid acționează ca un încălzitor și un termometru de rezistență, așa cum se arată în Fig. 1.

Orez. 1. Schema de instalare a metodei „3ω fir fierbinte” pentru măsurarea conductivității termice a unui lichid

Esența metodei utilizate pentru determinarea coeficientului de conductivitate termică este următoarea. Curentul alternativ curge printr-un fir metalic (încălzitor). Caracteristica AC este dată de ecuație

unde I 0 este amplitudinea curentului sinusoidal alternativ; ω - frecvența curentă; t - timp.

Curentul alternativ curge prin fir, acționând ca un încălzitor. În conformitate cu legea Joule-Lenz, se determină cantitatea de căldură eliberată atunci când un curent electric trece printr-un conductor:

și este o suprapunere a unei surse de curent continuu și a unei surse de căldură modulată 2ω,

unde RE este rezistența electrică a firului metalic în condițiile experimentale și este o funcție de temperatură.

Puterea termică eliberată generează o schimbare de temperatură în încălzitor, care este, de asemenea, o suprapunere a componentei DC și a componentei 2ω AC:

unde ΔT DC este amplitudinea schimbării temperaturii sub influența curentului continuu; ΔT 2ω - amplitudinea modificării temperaturii sub influența curentului alternativ; φ este defazajul indus prin încălzirea masei probei.

Rezistența electrică a unui fir depinde de temperatură și aceasta este componenta 2ω AC a rezistenței firului:

unde C rt este coeficientul de temperatură al rezistenței pentru un fir metalic; R E0 este rezistența de referință a încălzitorului la temperatura T 0 .

De obicei, T0 este temperatura probei în vrac.

Tensiunea pe un fir metalic poate fi obținută ca:

(6)

În ecuația (6), tensiunea pe fir conține: căderea de tensiune datorită rezistenței DC a firului la 1ω și două componente noi proporționale cu creșterea temperaturii în fir la 3ω și la 1ω. componenta de stres 3ω poate fi extras folosind un amplificator și apoi folosit pentru a scoate amplitudinea schimbării de temperatură la 2ω:

Dependența de frecvență a schimbării temperaturii ΔT 2ω a fost obținută prin modificarea frecvenței curentului alternativ la o tensiune constantă V 1ω. În același timp, dependența schimbării temperaturii ΔT 2ω de frecvență poate fi aproximată ca

unde α f este coeficientul de difuzivitate termică; k f - coeficientul de conductivitate termică a fluidului de bază; η este o constantă.

Modificarea temperaturii la frecvența 2ω într-un fir metalic poate fi dedusă folosind componenta de tensiune a frecvenței 3ω, așa cum se arată în ecuația (8). Coeficientul de conductivitate termică a lichidului k f este determinat de panta 2ω a modificării temperaturii firului metalic în raport cu frecvența ω,

(9)

unde P este puterea aplicată; ω este frecvența curentului electric aplicat; L este lungimea firului metalic; ΔT 2ω - amplitudinea modificării temperaturii la frecvența 2ω într-un fir metalic.

Metoda 3ω-fire are mai multe avantaje față de metoda tradițională a firului cald:

1) fluctuațiile de temperatură pot fi suficient de mici (sub 1K, comparativ cu aproximativ 5K pentru metoda firului fierbinte) în fluidul de testare pentru a menține proprietățile fluidului constante;

2) zgomotul de fond, cum ar fi schimbările de temperatură, influențează mult mai puțin rezultatele măsurătorilor.

Aceste avantaje fac ca aceasta metoda sa fie ideala pentru masurarea dependentei de temperatura a conductibilitatii termice a nanofluidelor.

Instalatia de masurare a coeficientului de conductivitate termica cuprinde urmatoarele componente: Podul Winston; generator de semnal; analizor de spectru; osciloscop.

O punte Winston este un circuit folosit pentru a compara o rezistență necunoscută R x cu o rezistență cunoscută R 0 . Diagrama podului este prezentată în Fig. 2. Cele patru brațe ale podului Winston AB, BC, AD și DS reprezintă rezistențele Rx, R0, R1 și respectiv R2. Un galvanometru este conectat la diagonala VD, iar o sursă de alimentare este conectată la diagonala AC.

Dacă selectați în consecință valorile rezistențelor variabile R1 și R2, atunci puteți obține egalitatea potențialelor punctelor B și D: φ B = φ D. În acest caz, curentul nu va curge prin galvanometru, adică I g = 0. În aceste condiții, puntea va fi echilibrată și puteți găsi rezistența necunoscută Rx. Pentru a face acest lucru, vom folosi regulile lui Kirchhoff pentru lanțurile ramificate. Aplicând prima și a doua reguli ale lui Kirchhoff, obținem

Rx = R0 · R1/R2.

Precizia determinării Rx folosind această metodă depinde în mare măsură de alegerea rezistențelor R1 și R2. Cea mai mare precizie este atinsă atunci când R 1 ≈ R 2 .

Generatorul de semnal acționează ca o sursă de oscilații electrice în intervalul 0,01 Hz - 2 MHz cu precizie ridicată (cu discretitate la 0,01 Hz). Generator de semnal marca G3-110.

Orez. 2. Schema podului Winston

Analizorul de spectru este proiectat pentru a izola componenta 3ω a spectrului. Înainte de a începe lucrul, analizatorul de spectru a fost testat pentru conformitatea cu tensiunea a treia armonică. Pentru a face acest lucru, un semnal de la generatorul G3-110 este furnizat la intrarea analizorului de spectru și, în paralel, la un voltmetru digital de bandă largă. Valoarea efectivă a amplitudinii tensiunii a fost comparată pe un analizor de spectru și un voltmetru. Discrepanța dintre valori a fost de 2%. Calibrarea analizorului de spectru a fost efectuată și pe testul intern al dispozitivului, la o frecvență de 10 kHz. Valoarea semnalului la frecvența purtătoare a fost de 80 mV.

Osciloscopul C1-114/1 este conceput pentru a studia forma semnalelor electrice.

Înainte de începerea studiului, încălzitorul (firul) trebuie plasat în proba de lichid care se testează. Sârma nu trebuie să atingă pereții vasului. Apoi, scanarea în frecvență a fost efectuată în intervalul de la 100 la 1600 Hz. Pe analizorul de spectru, la frecvența studiată, se înregistrează în mod automat valoarea semnalului armonicii 1, 2, 3.

Pentru a măsura amplitudinea curentului, a fost folosit un rezistor cu o rezistență de ~ 0,47 Ohm în serie cu circuitul. Valoarea trebuie să fie astfel încât să nu depășească valoarea nominală a brațului de măsurare de aproximativ 1 Ohm. Folosind un osciloscop, am găsit tensiunea U. Cunoscând R și U, am găsit amplitudinea curentului I 0 . Pentru a calcula puterea aplicată, se măsoară tensiunea din circuit.

În primul rând, este examinată o gamă largă de frecvențe. Un interval de frecvență mai restrâns este determinat acolo unde liniaritatea graficului este cea mai mare. Apoi, în intervalul de frecvență selectat, măsurătorile se fac cu pași de frecvență mai mici.

În tabel Figura 2 prezintă rezultatele măsurării coeficientului de conductivitate termică al unui nanofluid, care este o suspensie 0,35% de oxid de grafen într-un lichid de bază (apă), folosind un fir de cupru izolat de 19 cm lungime, 100 μm în diametru, la o temperatură de 26 °C pentru domeniul de frecvență 780...840 Hz

În fig. Figura 3 prezintă o vedere generală a suportului pentru măsurarea coeficientului de conductivitate termică a unui lichid.

În tabel Figura 3 arată dependența coeficientului de conductivitate termică al unei suspensii de oxid de grafen de concentrația sa în lichid la o temperatură de 26 °C. Măsurătorile coeficienților de conductivitate termică ai nanofluidului au fost efectuate la diferite concentrații de oxid de grafen de la 0 la 1,25%.

Tabelul 2

Rezultatele măsurării coeficientului de conductivitate termică a nanofluidului

Gama de frecvente	Frecvența circulară	Puterea curentului	Amplitudinea tensiunii a treia armonică	Schimbarea temperaturii	Logaritmul frecvenței circulare	Putere	Panta graficului	Coeficient de conductivitate termică

Orez. 3. Vedere generală a suportului pentru măsurarea coeficientului de conductivitate termică a lichidului

În tabel Tabelul 3 prezintă, de asemenea, valorile coeficienților de conductivitate termică determinate folosind formula lui Maxwell.

(10)

unde k este coeficientul de conductivitate termică al nanofluidului; k f - coeficientul de conductivitate termică a fluidului de bază; k p este coeficientul de conductivitate termică al fazei dispersate (nanoparticule); φ este valoarea fazei de volum a fiecăreia dintre fazele de dispersie.

Tabelul 3

Coeficientul de conductivitate termică al suspensiei de oxid de grafen

Raportul dintre coeficienții de conductivitate termică k exp /k theor și k exp /k tabel. apele sunt prezentate în Fig. 4.

Astfel de abateri ale datelor experimentale de la cele prezise de ecuația clasică Maxwelliană, în opinia noastră, pot fi asociate cu mecanisme fizice de creștere a conductivității termice a unui nanofluid, și anume:

Datorită mișcării browniene a particulelor; amestecarea lichidului creează un efect micro-convectiv, crescând astfel energia de transfer de căldură;

Transferul de căldură prin mecanismul de percolare predominant de-a lungul canalelor cluster formate ca urmare a aglomerării nanoparticulelor care pătrund în întreaga structură a solventului (lichid obișnuit);

Moleculele fluidului de bază formează straturi foarte orientate în jurul nanoparticulelor, crescând astfel fracția de volum a nanoparticulelor.

Orez. 4. Dependența raportului coeficienților de conductivitate termică de concentrația de oxid de grafen

Lucrarea a fost realizată folosind echipamentul Centrului de Utilizare Colectivă a Echipamentelor Științifice „Diagnosticarea micro și nanostructurilor” cu sprijin financiar din partea Ministerului Educației și Științei al Federației Ruse.

Recenzători:

Eparkhin O.M., doctor în științe tehnice, profesor, director al filialei Yaroslavl a Universității de Stat de Transport din Moscova, Yaroslavl;

Amirov I.I., doctor în științe fizice și matematice, cercetător la filiala Yaroslavl a Instituției Federale de Științe pentru Bugetul de Stat „Institutul Fizico-Tehnologic” al Academiei Ruse de Științe, Yaroslavl.

Lucrarea a fost primită de redactor pe 28 iulie 2014.

Link bibliografic

Zharov A.V., Savinsky N.G., Pavlov A.A., Evdokimov A.N. METODĂ EXPERIMENTALĂ DE MĂSURARE A CONDUCTIVITĂȚII TERMICĂ A NANOFLUIDELOR // Cercetare fundamentală. – 2014. – Nr. 8-6. – P. 1345-1350;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34766 (data acces: 02/01/2020). Vă aducem în atenție reviste apărute la editura „Academia de Științe ale Naturii”

Până în prezent, nu a fost elaborată o clasificare unificată, ceea ce se datorează varietății metodelor existente. Metodele experimentale binecunoscute pentru măsurarea conductibilității termice a materialelor sunt împărțite în două mari grupe: staționare și nestaționare. În primul caz, calitatea formulei de calcul utilizează soluții parțiale ale ecuației de conducție a căldurii

prevăzut, în al doilea - prevăzut, unde T este temperatura; f - timp; - coeficient de difuzivitate termică; l - coeficientul de conductivitate termică; C - capacitatea termică specifică; g - densitatea materialului; - operator Laplace, scris în sistemul de coordonate corespunzător; - puterea specifica a sursei volumetrice de caldura.

Primul grup de metode se bazează pe utilizarea unui regim termic staționar; al doilea - regim termic nestaţionar. Metodele staționare pentru determinarea coeficientului de conductivitate termică după natura măsurătorilor sunt directe (adică coeficientul de conductivitate termică este determinat direct) și sunt împărțite în absolute și relative. În metodele absolute, parametrii măsurați experimental fac posibilă obținerea valorii dorite a coeficientului de conductivitate termică folosind o formulă de calcul. În metodele relative, parametrii măsurați experimental fac posibilă obținerea valorii dorite a coeficientului de conductivitate termică folosind o formulă de calcul. În metodele relative, parametrii măsurați nu sunt suficienți pentru a calcula valoarea absolută. Există două cazuri posibile aici. Prima este monitorizarea modificării coeficientului de conductivitate termică în raport cu cel inițial, luat ca unitate. Al doilea caz este utilizarea unui material de referință cu proprietăți termice cunoscute. În acest caz, coeficientul de conductivitate termică al standardului este utilizat în formula de calcul. Metodele relative au un anumit avantaj față de metodele absolute, deoarece sunt mai simple. O împărțire ulterioară a metodelor staționare poate fi efectuată în funcție de natura încălzirii (externă, volumetrică și combinată) și de tipul de izoterme ale câmpului de temperatură din probe (plate, cilindrice, sferice). Subgrupul de metode cu încălzire externă include toate metodele care utilizează încălzitoare externe (electrice, volumetrice etc.) și încălzirea suprafețelor probei prin radiație termică sau bombardament electronic. Un subgrup de metode cu încălzire volumetrică combină toate metodele care utilizează încălzirea printr-un curent trecut printr-o probă, încălzirea probei studiate din neutroni sau radiații g sau curenți de frecvență ultraînaltă. Un subgrup de metode cu încălzire combinată poate include metode care utilizează simultan încălzirea externă și volumetrică a probelor sau încălzirea intermediară (de exemplu, cu curenți de înaltă frecvență).

În toate cele trei subgrupe de metode staționare, câmpul de temperatură

poate fi diferit.

Izotermele plate se formează atunci când fluxul de căldură este direcționat de-a lungul axei de simetrie a probei. Metodele care utilizează izoterme plate în literatură sunt numite metode cu flux de căldură axial sau longitudinal, iar configurațiile experimentale în sine sunt numite dispozitive plate.

Izotermele cilindrice corespund propagării fluxului de căldură de-a lungul razei unei probe cilindrice. În cazul în care fluxul de căldură este direcționat de-a lungul razei unei probe sferice, apar izoterme sferice. Metodele care utilizează astfel de izoterme sunt numite sferice, iar dispozitivele sunt numite sferice.

1 Instituție de învățământ bugetar de stat de învățământ profesional superior din regiunea Moscova „Universitatea Internațională a Naturii, Societății și Omului „Dubna” (Universitatea „Dubna”)

2 CJSC Asociația Interregională de Producție de Achiziții Tehnice „TECHNOKOMPLEKT” (CJSC MPOTC TECHNOKOMPLEKT)

A fost dezvoltată o metodă de măsurare a conductivității termice a plăcilor de diamant policristalin. Metoda presupune aplicarea a două termometre de rezistență cu peliculă subțire realizate într-un circuit de punte pe părțile opuse ale plăcii. Pe de o parte, la locul unuia dintre termometrele de rezistență, placa este încălzită prin contact cu o tijă de cupru fierbinte. Pe partea opusă (la locația altui termometru de rezistență), placa este răcită prin contact cu o tijă de cupru răcită cu apă. Fluxul de căldură prin placă este măsurat prin termocupluri montate pe o tijă de cupru fierbinte și controlate de un dispozitiv automat. Termometrele de rezistență cu peliculă subțire, depuse prin metoda depunerii în vid, au o grosime de 50 de nanometri și sunt aproape integrale cu suprafața plăcii. Prin urmare, temperaturile măsurate corespund exact temperaturilor de pe suprafețele opuse ale plăcii. Sensibilitatea ridicată a termometrelor de rezistență cu peliculă subțire este asigurată datorită rezistenței crescute a rezistențelor acestora, ceea ce permite utilizarea unei tensiuni de alimentare în punte de cel puțin 20 V.

conductivitate termică

plăci de diamant policristalin

senzor de temperatură punte cu peliculă subțire

1. Bityukov V.K., Petrov V.A., Tereshin V.V. Metodologia de determinare a coeficientului de conductivitate termică a materialelor translucide // Școala Internațională de Termofizică, Tambov, 2004. – pp. 3-9.

2. Dukhnovsky M.P., Ratnikova A.K. Metodă de determinare a caracteristicilor termofizice ale unui material și un dispozitiv pentru implementarea acestuia // Brevet RF Nr. 2319950 IPC G01N25/00 (2006).

3. Kolpakov A., Kartashev E. Controlul condițiilor termice ale modulelor de putere. //Componente și tehnologii. – 2010. – Nr. 4. – p. 83-86.

4. Determinarea conductivității termice a filmelor de diamant policristalin folosind efectul fotoacustic // ZhTP, 1999. – T. 69. – Issue. 4. – p. 97-101.

5. Instalație pentru măsurarea conductibilității termice a materialelor pulverulente // Rezumate ale rapoartelor prezentate la a treia conferință internațională și la a treia școală internațională de tineri oameni de știință și specialiști „Interacțiunea izotopilor de hidrogen cu materialele structurale” (IНISM-07). – Sarov, 2007. – P. 311-312.

6. Tsarkova O.G. Proprietăți optice și termofizice ale metalelor, ceramicii și filmelor de diamant sub încălzire cu laser la temperatură înaltă // Proceedings of the Institute of General Physics. A.M. Prokhorova, 2004. – T. 60. – P. 30-82.

7. Senzor de temperatură cu film subțire minituarizat pentru o gamă largă de măsurători // Proc. al celui de-al doilea workshop internațional IEEE privind progresele în senzori și interfețe, IWASI. – 2007. – P.120-124.

Componentele electronice moderne, în special electronica de putere, generează cantități semnificative de căldură. Pentru a asigura funcționarea fiabilă a acestor componente, în prezent sunt create dispozitive de radiator care utilizează plăci de diamant sintetic cu conductivitate termică ultra-înaltă. Măsurarea precisă a conductibilității termice a acestor materiale este de mare importanță pentru crearea dispozitivelor moderne de electronice de putere.

Pentru a măsura cu o precizie acceptabilă valoarea conductibilității termice în direcția principală a radiatorului (perpendicular pe grosimea plăcii), este necesar să se creeze un flux de căldură pe suprafața probei cu o densitate a suprafeței de cel puțin 20 , datorită conductivității termice foarte ridicate a plăcilor radiatoare din diamant policristalin. Metodele descrise în literatură care utilizează sisteme laser (vezi) asigură o densitate insuficientă a fluxului termic de suprafață 3,2 și, în plus, provoacă încălzirea nedorită a probei măsurate. Metodele de măsurare a conductibilității termice folosind încălzirea în impulsuri a unei probe cu un fascicul focalizat și metodele care utilizează efectul fotoacustic nu sunt metode directe și, prin urmare, nu pot oferi nivelul necesar de fiabilitate și acuratețe a măsurătorilor și necesită, de asemenea, echipamente complexe și calcule greoaie. . Metoda de măsurare descrisă în lucrare, care se bazează pe principiul undelor termice plane, este potrivită numai pentru materiale cu conductivitate termică relativ scăzută. Metoda de conductivitate termică staționară poate fi utilizată numai pentru a măsura conductibilitatea termică în direcția de-a lungul plăcii, iar această direcție nu este direcția principală de îndepărtare a căldurii și nu prezintă interes științific.

Descrierea metodei de măsurare selectate

Densitatea de suprafață necesară a fluxului de căldură staționar poate fi atinsă prin contactarea unei tije de cupru fierbinte pe o parte a plăcii de diamant și contactând o tijă de cupru rece pe partea opusă a plăcii de diamant. Diferența de temperatură măsurată poate fi mică, de exemplu, doar 2 °C. Prin urmare, este necesar să se măsoare cu precizie temperatura pe ambele părți ale plăcii la punctele de contact. Acest lucru se poate face folosind termometre de rezistență miniaturale cu peliculă subțire, care pot fi fabricate prin depunerea în vid a circuitului de măsurare a podului termometrului pe suprafața plăcii. Lucrarea descrie experiența noastră anterioară în proiectarea și fabricarea de termometre de rezistență miniaturale, de înaltă precizie, cu film subțire, ceea ce confirmă fezabilitatea și utilitatea utilizării acestei tehnologii în cazul pe care îl luăm în considerare. Termometrele cu peliculă subțire au o grosime foarte mică de 50–80 nm și, prin urmare, temperatura lor nu diferă de temperatura suprafeței plăcii pe care sunt aplicate. Tija de cupru fierbinte este încălzită cu un fir de nicrom izolat electric, înfășurat în jurul tijei pe o lungime considerabilă pentru a asigura puterea de căldură necesară. Conductivitatea termică a tijei de cupru asigură transferul unui flux de căldură cu o densitate de cel puțin 20 pe direcția axială a tijei. Mărimea acestui flux de căldură este măsurată folosind două termocupluri subțiri cromel-alumel situate la o distanță dată unul de celălalt în două secțiuni de-a lungul axei tijei. Fluxul de căldură care trece prin placă este îndepărtat folosind o tijă de cupru răcită cu apă. Pentru a reduce rezistența termică la punctele de contact ale tijelor de cupru cu placa, se utilizează unsoare siliconică precum DowCorningTC-5022. Rezistențele de contact termic nu afectează fluxul de căldură măsurat, ele provoacă o ușoară creștere a temperaturii plăcii și a încălzitorului. Astfel, conductivitatea termică a plăcii în direcția principală de îndepărtare a căldurii este determinată de măsurători directe ale mărimii fluxului de căldură care trece prin placă și mărimea diferenței de temperatură pe suprafețele acesteia. Pentru aceste măsurători se poate folosi o placă de probă cu dimensiuni de aproximativ 8x8mm.

Trebuie remarcat faptul că termometrele de rezistență cu peliculă subțire pot fi utilizate în viitor pentru a monitoriza funcționarea produselor electronice de putere care conțin plăci de diamant cu radiație termică. Literatura de specialitate subliniază, de asemenea, importanța monitorizării termice integrate a modulelor de putere.

Descrierea designului standului, elementele și instrumentele sale principale

Senzori de temperatură cu punte cu peliculă subțire

Pentru măsurarea temperaturii de înaltă precizie, un circuit de punte al unui termometru de rezistență este aplicat pe suprafața unei plăci de diamant artificial policristalin folosind pulverizarea cu magnetron. În acest circuit, două rezistențe sunt fabricate din platină sau titan, iar celelalte două sunt din nicrom. La temperatura camerei, rezistențele tuturor celor patru rezistențe sunt aceleași și egale. Luați în considerare cazul în care două rezistențe sunt fabricate din platină Pe măsură ce temperatura se schimbă, rezistența rezistențelor crește:

Cantităţi de rezistenţe: . Rezistența podului este de . Mărimea semnalului pe diagonala de măsurare a podului este egală cu: U m= eu 1 R 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- eu 4 R 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .

Pentru o mică schimbare de temperatură de câteva grade, putem presupune că rezistența totală a punții este egală cu R0, curentul prin brațul punții este egal cu 0,5.U0/R0, unde U0 este tensiunea de alimentare a podului. În baza acestor ipoteze, obținem mărimea semnalului de măsurare egală cu:

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

Să presupunem că valoarea Δ T= 2? C, apoi cu o tensiune de alimentare de 20 V obținem mărimea semnalului de măsurare egală cu U m=70 mV Ținând cont de faptul că eroarea instrumentelor de măsură nu va fi mai mare de 70 μV, constatăm că conductivitatea termică a plăcii poate fi măsurată cu o eroare de cel mult 0,1%.

Pentru tensiometru și termistori, este de obicei acceptată o valoare de disipare a puterii de cel mult 200 mW. Cu o tensiune de alimentare de 20 V, aceasta înseamnă că rezistența punții trebuie să fie de cel puțin 2000 ohmi. Din motive tehnologice, termistorul este format din n filamente cu lățimea de 30 microni, situate la o distanță de 30 microni unul de celălalt. Grosimea filamentului rezistor este de 50 nm. Lungimea filamentului rezistorului este de 1,5 mm. Apoi, rezistența unui fir de platină este de 106 ohmi. 20 de fire de platină vor alcătui un rezistor cu o rezistență de 2120 ohmi. Lățimea rezistenței va fi de 1,2 mm. Rezistența unui fir de nicrom este de 1060 ohmi. Prin urmare, un rezistor nicrom va avea 2 fire și o lățime de 0,12 mm. În cazul în care două rezistențe R 0 , R 3 sunt realizate din titan, sensibilitatea senzorului va scădea cu 12%, totuși, în loc de 20 de fire de platină, rezistența poate fi făcută din 4 fire de titan.

Figura 1 prezintă o diagramă a unui senzor de temperatură cu punte cu peliculă subțire.

Fig.1. Senzor de temperatură punte cu peliculă subțire

Placa de probă 1 are o dimensiune de 8x8 mm și o grosime de 0,25 mm. Dimensiunile corespund cazului în care se folosesc rezistențe de platină și se folosesc rezistențe de nicrom. Conexiunile a 2 rezistențe între ele (umbrite), contacte 3,4,5,6 magistrale de alimentare și măsurătorile se fac cu conductori de cupru-nichel. Cercul de contact cu tijele de cupru ale încălzitorului 7, pe de o parte, și răcitorului, pe de altă parte, are un diametru de 5 mm. Circuitul electric al termometrului de rezistență prezentat în figura 1 este aplicat pe ambele părți ale plăcii de probă. Pentru izolarea electrică, suprafața fiecărui termometru de rezistență este acoperită cu o peliculă subțire de dioxid de siliciu sau oxid de siliciu prin depunere în vid.

Dispozitive de încălzire și răcire

Un încălzitor și un răcitor sunt folosite pentru a crea o diferență staționară de temperatură între cele două suprafețe ale plăcii diamantate (Figura 2).

Orez. 2. Dispunerea standului:

1 - carcasă, 2 - carcasă de răcire, 3 - placă diamantată, 4 - tijă de încălzire, 5 - sârmă nicrom, 6 - sticlă, 7 - izolație termică, 8 - șurub micrometric, 9 - capac carcasă, 10 - arc disc, 11, 12 - termocupluri, 13 - bilă de oțel,

14 - placă de sprijin, 15 - șurub.

Încălzitorul este format dintr-un fir de nichel 5 izolat electric, care este înfășurat pe o tijă de încălzire de cupru 4. La exterior, încălzitorul este închis de un tub de cupru 6, înconjurat de izolație termică 7. În partea inferioară, tija de cupru 4 are un diametru de 5 mm iar capătul tijei 4 este în contact cu suprafața plăcii diamantate 3. Pe partea opusă, placa de diamant este în contact cu partea cilindrică superioară a carcasei de cupru 2, răcită cu apă (carcasa de răcire). Termocupluri 11,12-cromel-alumel.

Să notăm temperatura măsurată de termocuplul 11, - temperatura măsurată de termocuplul 12, - temperatura de pe suprafața plăcii 3 pe partea de încălzire, - temperatura de pe suprafața plăcii 3 pe partea rece și - apa temperatură. În dispozitivul descris au loc procese de schimb de căldură, caracterizate prin următoarele ecuații:

(1)

( (2)

) (4)

unde: - puterea electrică a încălzitorului,

Eficiența încălzitorului,

Conductibilitatea termică a cuprului,

l este lungimea tijei de contact,

d - diametrul tijei de contact,

Conductivitatea termică așteptată a plăcii 3,

grosimea plăcii în T,

Coeficientul de îndepărtare a căldurii pentru viteza apei,

Suprafata de racire,

Capacitatea termică volumetrică a apei,

D este diametrul conductei de apă din carcasa de răcire,

Schimbarea temperaturii apei.

Să presupunem că diferența de temperatură pe placă este de 2°C. Apoi un flux de căldură 20 trece prin placă Cu o tijă de cupru cu diametrul de 5 mm, acest flux de căldură corespunde unei puteri de 392,4 W. Luând randamentul încălzitorului egal cu 0,5, obținem puterea electrică a încălzitorului 684,8 W. Din ecuațiile (3.4) rezultă că apa aproape nu își schimbă temperatura, iar temperatura de pe suprafața plăcii de diamant 3 va fi egală Din ecuațiile (1.2) obținem (cu o lungime a tijei de cupru de contact de 2 mm,). și că temperatura măsurată de un termocuplu 11 este egală cu = 248ºC.

Pentru a încălzi tija de cupru 4, se folosește sârmă de nicrom 5, izolat. Capetele firelor de încălzire ies printr-o canelură din partea 4. Firele de încălzire sunt conectate prin fire de cupru mai groase la amplificatorul de putere electrică triac PR1500, care este controlat de regulatorul TRM148. Programul controlerului este setat de temperatura măsurată de termocuplul 11, care este folosit ca feedback pentru controler.

Dispozitivul de răcire a probei constă dintr-o carcasă de cupru 2, care are în partea superioară un cilindru de contact cu un diametru de 5 mm. Carcasa 2 este răcită cu apă.

Dispozitivul de încălzire este instalat pe un arc cu disc 10 și este conectat la capul șurubului de precizie 8 folosind o bilă 13, care este situată în locașul piesei 4. Arcul 10 vă permite să reglați tensiunea în contactul dintre tija 4 cu proba 3. Acest lucru se realizează prin rotirea capului superior al șurubului de precizie 8 cu ajutorul unei chei. O anumită mișcare a șurubului corespunde unei forțe cunoscute a arcului 10. Efectuând o calibrare inițială a forțelor arcului fără eșantion atunci când tija 4 este în contact cu corpul 2, putem obține un bun contact mecanic al suprafețelor la tensiuni admisibile. Dacă este necesar să se măsoare cu precizie tensiunile de contact, designul suportului poate fi modificat prin conectarea corpului 2 cu arcuri lamelare calibrate la partea inferioară a corpului standului 1.

Termocuplurile 11 și 12 sunt instalate, așa cum se arată în figura 2, în tăieturi înguste în capul tijei 4. Termocuplurile de sârmă chromel și alumel cu un diametru de 50 de microni sunt sudate împreună și acoperite cu adeziv epoxidic pentru izolarea electrică, apoi instalate în interiorul acestuia. tăiate și fixate cu lipici. De asemenea, este posibil să se calafate capătul fiecărui tip de fir de termocuplu aproape unul de celălalt, fără a forma o joncțiune. La o distanță de 10 cm, firele mai groase (0,5 mm) cu același nume trebuie lipite la fire subțiri de termocuplu, care vor fi conectate la regulator și la multimetru.

Concluzie

Folosind metoda și instrumentele de măsurare descrise în această lucrare, este posibil să se măsoare cu precizie coeficientul de conductivitate termică a plăcilor de diamant sintetic.

Dezvoltarea unei metode de măsurare a conductibilității termice se realizează în cadrul lucrării „Dezvoltarea tehnologiilor avansate și a proiectelor de produse electronice de putere inteligente pentru utilizare în echipamente de uz casnic și industrial, în transport, în complexul de combustibil și energie și în sisteme speciale (modul de putere cu radiator de diamant policristalin)” cu sprijin financiar al Ministerului Educației și Științei al Federației Ruse în cadrul contractului de stat nr. 14.429.12.0001 din 05 martie 2014.

Recenzători:

Akishin P.G., Doctor în Științe Fizice și Matematice, cercetător principal (profesor asociat), șef adjunct al departamentului, Laboratorul de Tehnologii Informaționale, Institutul Comun de Cercetare Nucleară (JINR), Dubna;

Ivanov V.V., Doctor în Științe Fizice și Matematice, cercetător principal (profesor asociat), cercetător șef, Laboratorul de Tehnologii Informaționale, Institutul Comun de Cercetare Nucleară (JINR), Dubna.

Link bibliografic

Miodushevsky P.V., Bakmaev S.M., Tingaev N.V. MĂSURAREA PRECISĂ A CONDUCTIVITĂȚII TERMICE ULTRA ÎNALTE A MATERIALULUI PE PLACI SUBȚIRI // Probleme moderne de știință și educație. – 2014. – Nr 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (data acces: 02/01/2020). Vă aducem în atenție reviste apărute la editura „Academia de Științe ale Naturii”

Indiferent de amploarea construcției, primul pas este dezvoltarea unui proiect. Desenele reflectă nu numai geometria structurii, ci și calculul principalelor caracteristici termice. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți conductivitatea termică a materialelor de construcție. Scopul principal al construcției este de a construi structuri durabile, structuri durabile care sunt confortabile, fără costuri excesive de încălzire. În acest sens, cunoașterea coeficienților de conductivitate termică a materialelor este extrem de importantă.

Cărămida are o conductivitate termică mai bună

Caracteristicile indicatorului

Termenul de conductivitate termică se referă la transferul de energie termică de la obiecte mai încălzite la cele mai puțin încălzite. Schimbul continuă până când apare echilibrul de temperatură.

Transferul de căldură este determinat de durata de timp în care temperatura din încăperi este în concordanță cu temperatura ambiantă. Cu cât acest interval este mai mic, cu atât conductivitatea termică a materialului de construcție este mai mare.
Pentru a caracteriza conductivitatea căldurii se folosește conceptul de coeficient de conductivitate termică, care arată câtă căldură trece printr-o suprafață într-un anume timp. Cu cât acest indicator este mai mare, cu atât schimbul de căldură este mai mare, iar clădirea se răcește mult mai repede. Astfel, la construirea structurilor, se recomandă utilizarea materialelor de construcție cu conductivitate termică minimă.
În acest videoclip veți afla despre conductivitatea termică a materialelor de construcție:
Cum se determină pierderea de căldură
Principalele elemente ale clădirii prin care scapă căldura:
uși (5-20%);
gen (10-20%);
acoperiș (15-25%);
pereți (15-35%);
ferestre (5-15%).

Nivelul de pierdere de căldură este determinat cu ajutorul unei camere termice. Roșu indică zonele cele mai dificile, galbenul și verdele indică mai puține pierderi de căldură. Zonele cu cele mai mici pierderi sunt evidențiate cu albastru. Valoarea conductibilității termice este determinată în condiții de laborator, iar materialului i se eliberează un certificat de calitate.
Valoarea conductibilității termice depinde de următorii parametri:
Porozitate. Porii indică eterogenitatea structurii. Când căldura trece prin ele, răcirea va fi minimă.
Umiditate. Un nivel ridicat de umiditate provoacă deplasarea aerului uscat prin picături de lichid din pori, motiv pentru care valoarea crește de multe ori.
Densitate. Densitatea mai mare promovează o interacțiune mai activă între particule. Ca rezultat, schimbul de căldură și echilibrarea temperaturii au loc mai rapid.

Coeficient de conductivitate termică
Pierderea de căldură într-o casă este inevitabilă și apare atunci când temperatura exterioară este mai mică decât în interior. Intensitatea este variabilă și depinde de mulți factori, principalii fiind următorii:
Aria suprafețelor implicate în schimbul de căldură.
Indicator de conductivitate termică a materialelor și elementelor de construcție.
Diferența de temperatură.

Litera greacă λ este folosită pentru a desemna conductivitatea termică a materialelor de construcție. Unitate de măsură – W/(m×°C). Calculul se face pentru 1 m² de perete gros de un metru. Aici se presupune o diferență de temperatură de 1°C.

Studiu de caz
În mod convențional, materialele sunt împărțite în izolație termică și structurală. Acestea din urmă au cea mai mare conductivitate termică sunt folosite pentru a construi pereți, tavane și alte garduri. Conform tabelului de materiale, atunci când se construiesc pereți din beton armat, pentru a asigura un schimb scăzut de căldură cu mediul, grosimea acestora ar trebui să fie de aproximativ 6 m structura va fi voluminoasă și costisitoare.
Dacă conductivitatea termică este calculată incorect în timpul proiectării, locuitorii viitoarei locuințe se vor mulțumi cu doar 10% din căldură din surse de energie. Prin urmare, se recomandă izolarea suplimentară a caselor din materiale de construcție standard.

La impermeabilizarea corectă a izolației, umiditatea ridicată nu afectează calitatea izolației termice, iar rezistența structurii la transferul de căldură va deveni mult mai mare.

Cea mai bună opțiune este utilizarea izolației
Cea mai comună opțiune este o combinație a unei structuri de susținere din materiale de înaltă rezistență cu izolație termică suplimentară. De exemplu:
Casă cu cadru. Izolația este plasată între știfturi. Uneori, cu o ușoară scădere a transferului de căldură, este necesară o izolație suplimentară la exteriorul cadrului principal.
Construcție din materiale standard. Când pereții sunt din cărămidă sau bloc de cemento, izolarea se face din exterior.

Materiale de constructii pentru pereti exteriori
Zidurile de astăzi sunt construite din diferite materiale, dar cele mai populare rămân: lemn, cărămidă și blocuri de construcție. Principalele diferențe sunt în densitatea și conductibilitatea termică a materialelor de construcție. Analiza comparativă ne permite să găsim o cale de mijloc în relația dintre acești parametri. Cu cât densitatea este mai mare, cu atât este mai mare capacitatea portantă a materialului și, prin urmare, a întregii structuri. Dar rezistența termică devine mai mică, adică costurile cu energia cresc. De obicei, la densități mai mici există porozitate.
Coeficientul de conductivitate termică și densitatea acestuia.
Izolație pentru pereți
Materialele de izolare sunt utilizate atunci când rezistența termică a pereților exteriori nu este suficientă. De obicei, o grosime de 5-10 cm este suficientă pentru a crea un microclimat interior confortabil.
Valoarea coeficientului λ este dată în tabelul următor.
Conductivitatea termică măsoară capacitatea unui material de a transmite căldură prin el însuși. Depinde foarte mult de compoziție și structură. Materialele dense precum metalele și piatra sunt buni conductori de căldură, în timp ce substanțele cu densitate scăzută, cum ar fi gazele și izolația poroasă, sunt conductoare slabe.