1

Med en stigning i den specifikke effekt af forbrændingsmotorer øges mængden af ​​varme, der skal fjernes fra opvarmede komponenter og dele. Effektiviteten af ​​moderne kølesystemer og måden at øge intensiteten af ​​varmeoverførsel på har næsten nået sin grænse. Formålet med dette arbejde er at studere innovative kølemidler til kølesystemer af termiske enheder baseret på tofasede systemer bestående af et basismedium (vand) og nanopartikler. En af metoderne til at måle den termiske ledningsevne af en væske kaldet 3ω-hot-wire overvejes. Resultaterne af måling af den termiske ledningsevne af en nanofluid baseret på grafenoxid ved forskellige koncentrationer af sidstnævnte præsenteres. Det viste sig, at når man brugte 1,25% grafen, steg den termiske ledningsevnekoefficient for nanofluiden med 70%.

varmeledningsevne

varmeledningskoefficient

grafenoxid

nanofluid

kølesystem

prøvebænk

1. Osipova V.A. Eksperimentel undersøgelse af varmeoverførselsprocesser: lærebog. tilskud til universiteter. - 3. udg., revideret. og yderligere - M.: Energi, 1979. - 320 s.

2. Varmeoverførsel /V.P. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomel - M .: Energi, 1975. - 488 s.

3. Unormalt øgede effektive termiske ledningsevner af ethylenglycol-baserede nanovæsker indeholdende kobbernanopartikler / J.A. Eastman, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson Apple. Phys. Lett. 78,718; 2001.

4. Termisk ledningsevnemålinger ved hjælp af 3-Omega-teknikken: Anvendelse til Power Harvesting Microsystems / David de Koninck; Speciale af Master of Engineering, McGill University, Montréal, Canada, 2008. - 106 s.

5. Termisk ledningsevnemåling / W.A. Wakeham, M.J. Assael 1999 af CRC Press LLC.

Det er kendt, at med de nuværende tendenser i at øge den specifikke effekt af forbrændingsmotorer, såvel som til højere hastigheder og mindre størrelser for mikroelektroniske enheder, er mængden af ​​varme, der skal fjernes fra opvarmede komponenter og dele, konstant stigende. Brugen af ​​forskellige varmeledende væsker til varmefjernelse er en af ​​de mest almindelige og effektive metoder. Effektiviteten af ​​moderne design af køleanordninger, såvel som den sædvanlige måde at øge intensiteten af ​​varmeoverførsel på, har næsten nået sin grænse. Det er kendt, at konventionelle kølemidler (vand, olier, glykoler, fluorcarboner) har en ret lav varmeledningsevne (tabel 1), hvilket er en begrænsende faktor i moderne design af kølesystemer. For at øge deres termiske ledningsevne er det muligt at skabe et flerfaset (mindst tofaset) dispergerende medium, hvor dispersionens rolle spilles af partikler med en væsentlig højere termisk ledningsevne end basisvæsken. Maxwell foreslog i 1881 at tilføje faste stoffer med høj termisk ledningsevne til et basis varmeledende kølemiddel.

Ideen er at blande metalliske materialer som sølv, kobber, jern og ikke-metalliske materialer som aluminiumoxid, CuO, SiC og kulstofrør, som har en højere termisk ledningsevne sammenlignet med en basis termisk væske med en lavere termisk ledningsevne. Indledningsvis blev mikron og endda millimeter-størrelse faste partikler (såsom sølv, kobber, jern, kulstofrør med en højere termisk ledningsevne end basisvæsken) blandet med basisvæsken for at danne opslæmninger. Den temmelig store partikelstørrelse, der anvendes, og vanskeligheden ved at producere partikler i nanostørrelse er blevet begrænsende faktorer i brugen af ​​sådanne suspensioner. Dette problem blev løst af de ansatte i Arizona National Laboratory S. Choi og J. Eastman, som udførte eksperimenter med nanometerstore metalpartikler. De kombinerede forskellige metalnanopartikler og metaloxidnanopartikler med forskellige væsker og fik meget interessante resultater. Disse suspensioner af nanostrukturerede materialer er blevet kaldt "nanofluids".

tabel 1

Sammenligning af termiske konduktivitetskoefficienter for materialer til nanovæsker

For at udvikle moderne innovative kølemidler til kølesystemer af stærkt accelererede varme- og kraftenheder overvejede vi tofasede systemer bestående af et basismedium (vand, ethylenglycol, olier osv.) og nanopartikler, dvs. partikler med karakteristiske størrelser fra 1 til 100 nm. Et vigtigt træk ved nanofluider er, at selv med tilsætning af en lille mængde nanopartikler viser de en signifikant stigning i termisk ledningsevne (nogle gange mere end 10 gange). Desuden afhænger stigningen i den termiske ledningsevne af nanofluiden af ​​temperaturen - med stigende temperatur stiger stigningen i den termiske ledningsevnekoefficient.

Når man opretter sådanne nanofluider, som er et tofaset system, kræves en pålidelig og tilstrækkelig nøjagtig metode til måling af den termiske ledningsevnekoefficient.

Vi har overvejet forskellige metoder til måling af varmeledningskoefficienten for væsker. Som et resultat af analysen blev der valgt en "3ω-wire" metode til at måle den termiske ledningsevne af nanovæsker med en tilstrækkelig høj nøjagtighed.

"3ω-wire" metoden bruges til samtidig at måle materialers termiske ledningsevne og termiske diffusivitet. Den er baseret på måling af den tidsafhængige temperaturstigning i en varmekilde, altså en varm ledning, som er nedsænket i en væske, der skal testes. Metaltråden fungerer samtidigt som en elektrisk modstandsvarmer og et modstandstermometer. Metaltråde er lavet ekstremt små i diameter (flere snesevis af mikron). Temperaturstigningen af ​​ledningen når normalt 10 °C, og konvektionspåvirkningen kan negligeres.

En metaltråd med længde L og radius r suspenderet i en væske fungerer som et varmelegeme og modstandstermometer, som vist i fig. en.

Ris. 1. Skema for installation af "3ω hot wire"-metoden til måling af en væskes termiske ledningsevne

Essensen af ​​den metode, der bruges til at bestemme varmeledningskoefficienten, er som følger. Vekselstrøm løber gennem en metaltråd (varmelegeme). AC-karakteristikken er givet af ligningen

hvor I 0 - er amplituden af ​​den sinusformede vekselstrøm; ω - strømfrekvens; t - tid.

Vekselstrøm løber gennem ledningen og fungerer som en varmelegeme. I overensstemmelse med Joule-Lenz-loven bestemmes mængden af ​​varme, der frigives, når en elektrisk strøm passerer gennem en leder:

og er en superposition af en jævnstrømskilde og en 2ω moduleret varmekilde,

hvor R E er metaltrådens elektriske modstand under eksperimentelle forhold, og det er en funktion af temperaturen.

Den frigivne termiske effekt genererer en temperaturændring i varmelegemet, som også er en overlejring af DC-komponenten og AC-komponenten 2ω:

hvor ΔT DC er amplituden af ​​temperaturændring under påvirkning af jævnstrøm; ΔT 2ω - amplitude af temperaturændring under påvirkning af vekselstrøm; φ - faseforskydning induceret ved opvarmning af prøvens masse.

Den elektriske modstand af en ledning afhænger af temperaturen, og dette er 2ω-komponenten af ​​AC i ledningens modstand:

hvor C rt - temperaturkoefficient for modstand for en metaltråd; R E0 - varmelegemets referencemodstand ved temperatur T 0 .

Typisk er To temperaturen af ​​bulkprøven.

Spændingen over en metaltråd kan opnås som,

(6)

I ligning (6) indeholder spændingen over ledningen: spændingsfaldet på grund af ledningens DC-modstand ved 1ω og to nye komponenter, der er proportionale med temperaturstigningen i ledningen ved 3ω og ved 1ω. 3ω spændingskomponent kan udtrækkes med en forstærker og derefter bruges til at udlæse amplituden af ​​temperaturændringen ved 2ω:

Frekvensafhængigheden af ​​temperaturændringen ΔT 2ω opnås ved at ændre frekvensen af ​​vekselstrømmen ved en konstant spænding V 1ω. Samtidig kan afhængigheden af ​​temperaturændringen ΔT 2ω af frekvensen tilnærmes som

hvor α f - koefficient for termisk diffusivitet; k f - koefficient for termisk ledningsevne af basisvæsken; η er en konstant.

Ændringen i temperatur ved en frekvens på 2ω i en metaltråd kan udledes ved hjælp af spændingskomponenten af ​​frekvensen 3ω, som vist i ligning (8). Koefficienten for termisk ledningsevne for væsken k f bestemmes af hældningen 2ω af temperaturændringen af ​​metaltråden i forhold til frekvensen ω,

(9)

hvor P er den påførte effekt; ω - er frekvensen af ​​den påførte elektriske strøm; L er længden af ​​metaltråden; ΔT 2ω - amplituden af ​​temperaturændringen ved en frekvens på 2ω i en metaltråd.

3ω-wire-metoden har flere fordele i forhold til den traditionelle hot-wire-metode:

1) temperaturudsving kan være små nok (under 1K sammenlignet med ca. 5K for hot wire-metoden) i testvæsken til at holde væskens egenskaber konstante;

2) baggrundsstøj såsom temperaturændringer har meget mindre effekt på måleresultaterne.

Disse fordele gør denne metode ideel til at måle temperaturafhængigheden af ​​den termiske ledningsevne af nanovæsker.

Installationen til måling af den termiske ledningsevne omfatter følgende komponenter: Winston bridge; signal generator; spektrum analysator; oscilloskop.

Winston-broen er et kredsløb, der bruges til at sammenligne en ukendt modstand R x med en kendt modstand R 0 . Brodiagrammet er vist i fig. 2. Winston-broens fire arme AB, BC, AD og DS er modstandene henholdsvis Rx, R0, R1 og R2. Et galvanometer er forbundet til VD-diagonalen, og en strømkilde er forbundet til AC-diagonalen.

Hvis du vælger værdierne af de variable modstande R1 og R2 passende, så kan du opnå lighed mellem potentialerne for punkt B og D: og du kan finde den ukendte modstand Rx. For at gøre dette bruger vi Kirchhoff-reglerne for forgrenede kæder. Anvender den første og anden Kirchhoff-regler, får vi

R x \u003d R 0 R 1 / R 2.

Nøjagtigheden ved bestemmelse af R x ved denne metode afhænger i høj grad af valget af modstande R 1 og R 2 . Den højeste nøjagtighed opnås ved R 1 ≈ R 2 .

Signalgeneratoren fungerer som en kilde til elektriske svingninger i området 0,01 Hz - 2 MHz med høj nøjagtighed (med en opløsning på 0,01 Hz). Mærke for signalgeneratoren G3-110.

Ris. 2. Diagram over Winston-broen

Spektrumanalysatoren er designet til at isolere 3ω-komponenten af ​​spektret. Før arbejdet påbegyndtes, blev spektrumanalysatoren testet for overensstemmelse med den tredje harmoniske spænding. For at gøre dette føres et signal fra G3-110-generatoren til indgangen på spektrumanalysatoren og parallelt til et digitalt bredbåndsvoltmeter. Den effektive værdi af spændingsamplituden blev sammenlignet på en spektrumanalysator og et voltmeter. Afvigelsen mellem værdierne var 2 %. Spektrumanalysatoren blev også kalibreret på instrumentets interne test ved en frekvens på 10 kHz. Signalværdien ved bærefrekvensen var 80 mV.

Oscilloskop C1-114/1 er designet til at studere formen af ​​elektriske signaler.

Før undersøgelsen påbegyndes, skal varmelegemet (tråden) anbringes i prøvevæskeprøven. Tråden må ikke røre karrets vægge. Dernæst blev der udført en frekvensscanning i området fra 100 til 1600 Hz. På spektrumanalysatoren ved den undersøgte frekvens optages værdien af ​​signalet for 1., 2., 3. harmoniske i automatisk tilstand.

For at måle amplituden af ​​strømstyrken blev der brugt en modstand med en modstand på ~ 0,47 Ω forbundet i serie med kredsløbet. Værdien skal være sådan, at den ikke overstiger den nominelle værdi af målearmen i størrelsesordenen 1 ohm. Ved hjælp af et oscilloskop fandt vi spændingen U. Ved at kende R og U fandt vi amplituden af ​​strømstyrken I 0. For at beregne den påførte effekt måles spændingen i kredsløbet.

Først undersøges et bredt frekvensområde. Der bestemmes et smallere frekvensområde, hvor lineariteten af ​​grafen er højest. Derefter foretages der i det valgte frekvensområde en måling med et finere frekvenstrin.

I tabel. Figur 2 viser resultaterne af måling af den termiske ledningsevne af en nanofluid, som er en 0,35 % suspension af grafenoxid i basisvæsken (vand), ved hjælp af en kobberisoleret ledning 19 cm lang, 100 µm i diameter, ved en temperatur på 26 °C for et frekvensområde på 780...840 Hz.

På fig. 3 viser et generelt billede af stativet til måling af en væskes varmeledningsevne.

I tabel. Figur 3 viser afhængigheden af ​​den termiske ledningsevne af en grafenoxidsuspension af dens koncentration i en væske ved en temperatur på 26 °C. Nanofluidens termiske ledningsevnekoefficienter blev målt ved forskellige koncentrationer af grafenoxid fra 0 til 1,25%.

tabel 2

Resultaterne af måling af nanofluidens termiske ledningsevne

frekvensområde	Cirkulær frekvens	Nuværende styrke	Tredje harmonisk spændingsamplitude	Temperaturændring	Logaritme af cirkulær frekvens	Strøm	Grafens hældning	Koefficient for varmeledningsevne

Ris. Fig. 3. Generelt billede af stativet til måling af en væskes varmeledningsevne

I tabel. 3 viser også værdierne for de termiske ledningsevnekoefficienter bestemt af Maxwell-formlen.

(10)

hvor k er nanofluidens termiske ledningsevne; k f - koefficient for termisk ledningsevne af basisvæsken; k p - koefficient for termisk ledningsevne af den dispergerede fase (nanopartikler); φ - værdien af ​​bulkfasen af ​​hver af dispersionernes faser.

Tabel 3

Termisk ledningsevnekoefficient for grafenoxidsuspension

Forholdet mellem varmeledningskoefficienterne k exp /k theor og k exp /k tab. vand er vist i fig. 4.

Sådanne afvigelser af eksperimentelle data fra dem, der er forudsagt af den klassiske Maxwell-ligning, kan efter vores mening associeres med fysiske mekanismer til at øge den termiske ledningsevne af en nanofluid, nemlig:

På grund af den brownske bevægelse af partikler; væskeblanding skaber en mikrokonvektiv effekt, hvorved varmeoverførselsenergien øges;

Varmeoverførsel ved perkolationsmekanismen hovedsageligt langs klyngekanaler dannet som et resultat af agglomerering af nanopartikler, der trænger ind i hele strukturen af ​​opløsningsmidlet (almindelig væske);

Basisvæskemolekylerne danner højt orienterede lag omkring nanopartiklerne og øger dermed volumenfraktionen af ​​nanopartiklerne.

Ris. 4. Afhængighed af forholdet mellem varmeledningskoefficienter på koncentrationen af ​​grafenoxid

Arbejdet blev udført med inddragelse af udstyret fra Center for Kollektiv Brug af Videnskabeligt Udstyr "Diagnostik af mikro- og nanostrukturer" med økonomisk støtte fra Ministeriet for Undervisning og Videnskab i Den Russiske Føderation.

Anmeldere:

Eparkhin O.M., doktor i tekniske videnskaber, professor, direktør for Yaroslavl-afdelingen af ​​Moscow State University of Railway Engineering, Yaroslavl;

Amirov I.I., doktor i fysiske og matematiske videnskaber, forsker, Yaroslavl-afdelingen af ​​den føderale statsbudgetinstitution "Physico-Technological Institute" fra det russiske videnskabsakademi, Yaroslavl.

Værket blev modtaget af redaktionen den 28. juli 2014.

Bibliografisk link

Zharov A.V., Savinsky N.G., Pavlov A.A., Evdokimov A.N. EKSPERIMENTEL METODE TIL MÅLING AF NANOFLUIDS TERMISKE KONDUKTIVITET // Fundamental Research. - 2014. - Nr. 8-6. - S. 1345-1350;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34766 (adgangsdato: 02/01/2020). Vi gør dig opmærksom på tidsskrifterne udgivet af forlaget "Academy of Natural History"

I overensstemmelse med kravene i føderal lov nr. 261-FZ "On Energy Saving" er kravene til den termiske ledningsevne af bygnings- og varmeisoleringsmaterialer i Rusland blevet strammet. I dag er måling af varmeledningsevne et af de obligatoriske punkter, når man skal beslutte sig for, om man skal bruge et materiale som varmeisolator.

Hvorfor er det nødvendigt at måle termisk ledningsevne i byggeriet?

Kontrol af varmeledningsevne af bygnings- og varmeisoleringsmaterialer udføres på alle stadier af deres certificering og produktion under laboratorieforhold, når materialer udsættes for forskellige faktorer, der påvirker deres ydeevneegenskaber. Der er flere almindelige metoder til måling af varmeledningsevne. For nøjagtig laboratorietestning af materialer med lav termisk ledningsevne (under 0,04 - 0,05 W / m * K), anbefales det at bruge instrumenter, der bruger den stationære varmestrømsmetode. Deres brug er reguleret af GOST 7076.

Virksomheden "Interpribor" tilbyder en termisk ledningsevnemåler, hvis pris sammenlignes positivt med dem, der er tilgængelige på markedet og opfylder alle moderne krav. Den er beregnet til laboratoriekvalitetskontrol af bygge- og varmeisolerende materialer.

Fordele ved ITS-1 termisk ledningsevnemåler

Termisk ledningsevnemåler ITS-1 har et originalt monoblok-design og er kendetegnet ved følgende fordele:

• automatisk målecyklus;
• højpræcisionsmålesti, som gør det muligt at stabilisere temperaturerne i køleskabet og varmeren;
• muligheden for at kalibrere enheden til visse typer materialer under undersøgelse, hvilket yderligere øger nøjagtigheden af ​​resultaterne;
• udtrykkelig evaluering af resultatet i processen med at udføre målinger;
• optimeret "hot" sikkerhedszone;
• informativt grafisk display, der forenkler kontrol og analyse af måleresultater.

ITS-1 leveres i den eneste grundlæggende modifikation, som efter kundens ønske kan suppleres med kontrolprøver (plexiglas og skumplast), en boks til bulkmaterialer og en beskyttelseskasse til opbevaring og transport af enheden.

Indtil nu er der ikke udviklet en samlet klassifikation, som er forbundet med mangfoldigheden af ​​eksisterende metoder. De velkendte eksperimentelle metoder til måling af materialers varmeledningsevne er opdelt i to store grupper: stationære og ikke-stationære. I det første tilfælde bruger kvaliteten af ​​beregningsformlen særlige løsninger af varmeledningsligningen

forudsat, i den anden - forudsat, hvor T er temperaturen; f - tid; - koefficient for termisk diffusivitet; l - koefficient for varmeledningsevne; C - specifik varmekapacitet; d er densiteten af ​​materialet; - Laplace-operatør, skrevet i det tilsvarende koordinatsystem; - specifik effekt af den volumetriske varmekilde.

Den første gruppe af metoder er baseret på brugen af ​​et stationært termisk regime; den anden - ikke-stationær termisk regime. Stationære metoder til bestemmelse af den termiske ledningsevnekoefficient ved arten af ​​målingerne er direkte (dvs. varmeledningsevnen bestemmes direkte) og er opdelt i absolut og relativ. I absolutte metoder gør parametrene målt i forsøget det muligt at opnå den ønskede værdi af varmeledningskoefficienten ved hjælp af beregningsformlen. I relative metoder gør parametrene målt i forsøget det muligt at opnå den nødvendige værdi af varmeledningskoefficienten ved hjælp af beregningsformlen. I relative metoder er de målte parametre ikke nok til at beregne den absolutte værdi. To tilfælde er mulige her. Den første overvåger ændringen i den termiske konduktivitetskoefficient i forhold til den oprindelige, taget som enhed. Det andet tilfælde er brugen af ​​et referencemateriale med kendte termiske egenskaber. I dette tilfælde bruges standardens varmeledningskoefficient i beregningsformlen. Relative metoder har en vis fordel i forhold til absolutte metoder, idet de er enklere. Yderligere opdeling af stationære metoder kan udføres i henhold til arten af ​​opvarmning (ekstern, volumetrisk og kombineret) og i henhold til typen af ​​temperaturfeltisotermer i prøverne (flade, cylindriske, sfæriske). Undergruppen af ​​metoder med ekstern opvarmning omfatter alle metoder, der anvender eksterne (elektriske, volumetriske osv.) varmeapparater og opvarmning af prøveoverfladerne ved termisk stråling eller elektronbombardement. Undergruppen af ​​metoder med volumetrisk opvarmning kombinerer alle metoder, der bruger opvarmning med en strøm, der føres gennem prøven, opvarmning af prøven under undersøgelse fra neutron- eller z-stråling eller ved mikrobølgestrømme. En undergruppe af metoder med kombineret opvarmning kan omfatte metoder, der samtidig bruger ekstern og volumetrisk opvarmning af prøver eller mellemopvarmning (for eksempel ved højfrekvente strømme).

I alle tre undergrupper af stationære metoder er temperaturfeltet

kan være anderledes.

Flade isotermer dannes, når varmefluxen rettes langs prøvens symmetriakse. Metoder, der anvender flade isotermer i litteraturen kaldes metoder med aksial eller langsgående varmestrøm, og selve forsøgsopstillingerne kaldes flade enheder.

Cylindriske isotermer svarer til varmefluxudbredelsen langs radius af den cylindriske prøve. I det tilfælde, hvor varmestrømmen er rettet langs radius af en sfærisk prøve, opstår der sfæriske isotermer. Metoder, der bruger sådanne isotermer, kaldes sfæriske, og enheder kaldes sfæriske.

Fysiske analysemetoder er baseret på brugen af ​​en bestemt fysisk effekt eller en bestemt fysisk egenskab ved et stof. Til gasanalyse brug tæthed, viskositet, termisk ledningsevne, brydningsindeks, magnetisk følsomhed, diffusion, absorption, emission, absorption af elektromagnetisk stråling, samt selektiv absorption, lydhastighed, reaktionsvarme, elektrisk ledningsevne osv. Nogle af disse fysiske egenskaber og fænomener gør kontinuerlig gasanalyse og gør det muligt at opnå høj følsomhed og målenøjagtighed. Valget af en fysisk mængde eller fænomen er meget vigtigt for at eliminere påvirkningen af ​​umålte komponenter indeholdt i den analyserede blanding. Anvendelsen af ​​specifikke egenskaber eller effekter gør det muligt at bestemme koncentrationen af ​​den ønskede komponent i en flerkomponentgasblanding. Uspecifikke fysiske egenskaber kan strengt taget kun bruges til analyse af binære gasblandinger. Viskositet, brydningsindeks og diffusion er uden praktisk betydning ved analyse af gasser.

Overførslen af ​​varme mellem to punkter med forskellige temperaturer sker på tre måder: konvektion, stråling og varmeledning. På konvektion varmeoverførsel er forbundet med overførsel af stof (masseoverførsel); varmeoverførsel stråling sker uden stoffets deltagelse. Varmeoverførsel varmeledningsevne sker med deltagelse af stof, men uden masseoverførsel. Overførslen af ​​energi sker på grund af kollisionen af ​​molekyler. Koefficient for varmeledningsevne ( x) afhænger kun af typen af ​​stof, der overfører varme. Det er en specifik egenskab ved et stof.

Dimensionen af ​​termisk ledningsevne i CGS-systemet cal / (s cm K), i tekniske enheder - kcalDmch-K), i det internationale SI-system - WDm-K). Forholdet mellem disse enheder er som følger: 1 cal / (cm s K) \u003d 360 kcal Dm h K) \u003d 418,68 W Dm-K).

Den absolutte varmeledningsevne under overgangen fra faste til flydende og gasformige stoffer varierer fra X = 418,68 Wdm-K)] (termisk ledningsevne af den bedste varmeleder - sølv) op til x orden 10 _6 (termisk ledningsevne af de mindst ledende gasser).

Gassernes varmeledningsevne stiger kraftigt med stigende temperatur. For nogle gasser (GH 4: NH 3) stiger den relative varmeledningsevne kraftigt med stigende temperatur, og for nogle (Ne) falder den. Ifølge den kinetiske teori bør gassers varmeledningsevne ikke afhænge af tryk. Forskellige årsager fører dog til, at varmeledningsevnen stiger lidt med stigende tryk. I trykområdet fra atmosfærisk til flere millibar afhænger termisk ledningsevne ikke af tryk, da den gennemsnitlige frie vej for molekyler stiger med et fald i antallet af molekyler pr. volumenenhed. Ved et tryk på -20 mbar svarer den gennemsnitlige frie vej for molekylerne til størrelsen af ​​målekammeret.

Målingen af ​​termisk ledningsevne er den ældste fysiske metode til gasanalyse. Det blev beskrevet i 1840, især i værker af A. Schleiermacher (1888-1889) og har været brugt i industrien siden 1928. I 1913 udviklede Siemens en brintkoncentrationsmåler til luftskibe. Derefter blev der i mange årtier udviklet instrumenter baseret på måling af termisk ledningsevne og brugt i stor udstrækning i den hastigt voksende kemiske industri med stor succes. Naturligvis blev først kun binære gasblandinger analyseret. De bedste resultater opnås med en stor forskel i gassernes varmeledningsevne. Brint har den højeste varmeledningsevne blandt gasser. I praksis var det også berettiget at måle koncentrationen af ​​CO s i røggasser, da de termiske ledningsevner af oxygen, nitrogen og kulilte ligger meget tæt på hinanden, hvilket gør det muligt at betragte blandingen af ​​disse fire komponenter som kvasi- binær.

Temperaturkoefficienterne for termisk ledningsevne for forskellige gasser er ikke ens, så du kan finde den temperatur, ved hvilken varmeledningsevnen for forskellige gasser er ens (for eksempel 490 ° C - for kuldioxid og oxygen, 70 ° C - for ammoniak og luft, 75 ° C - for kuldioxid og argon). Når man løser et bestemt analytisk problem, kan disse tilfældigheder bruges ved at tage en ternær gasblanding for en kvasi-binær.

I gasanalyse kan vi antage det termisk ledningsevne er en additiv egenskab. Ved at måle blandingens termiske ledningsevne og kende den termiske ledningsevne af de rene komponenter i den binære blanding, kan man beregne deres koncentrationer. Dette simple forhold kan dog ikke anvendes på nogen binær blanding. Så for eksempel har blandinger af luft - vanddamp, luft - ammoniak, kulilte - ammoniak og luft - acetylen i et bestemt forhold mellem komponenter en maksimal termisk ledningsevne. Derfor er anvendeligheden af ​​varmeledningsmetoden begrænset til et vist koncentrationsområde. For mange blandinger er der en ikke-lineær afhængighed af termisk ledningsevne og sammensætning. Derfor er det nødvendigt at tage en kalibreringskurve, ifølge hvilken måleenhedens skala skal laves.

Termisk ledningsevne sensorer(termokonduktometriske sensorer) består af fire små gasfyldte kamre med lille volumen med tynde platinledere af samme størrelse og med den samme elektriske modstand placeret i dem isoleret fra kabinettet. Den samme jævnstrøm med en stabil værdi løber gennem lederne og opvarmer dem. Ledere - varmeelementer - er omgivet af gas. To kamre indeholder målegassen, de to andre indeholder referencegassen. Alle varmeelementer er inkluderet i Whiteton-broen, med hvilken måling af en temperaturforskel i størrelsesordenen 0,01 ° C ikke er vanskelig. En så høj følsomhed kræver nøjagtig lighed af temperaturerne i målekamrene, så hele målesystemet placeres i en termostat eller i broens målediagonal, og der medfølger en modstand til temperaturkompensation. Så længe varmeafgivelsen fra varmeelementerne i måle- og sammenligningskamrene er den samme, er broen i ligevægt. Når der tilføres gas med en anden termisk ledningsevne til målekamrene, forstyrres denne ligevægt, temperaturen på de følsomme elementer ændres og samtidig deres modstand. Den resulterende strøm i målediagonalen er proportional med koncentrationen af ​​den målte gas. For at øge følsomheden bør driftstemperaturen for de følsomme elementer øges, men man skal sørge for at opretholde en tilstrækkelig stor forskel i gassens varmeledningsevne. Så for forskellige gasblandinger er der en optimal temperatur med hensyn til termisk ledningsevne og følsomhed. Ofte vælges forskellen mellem temperaturen på de følsomme elementer og temperaturen på kamrenes vægge fra 100 til 150°C.

Målecellerne i industrielle termiske konduktometriske analysatorer består normalt af en massiv metalkasse, hvori målekamrene er boret. Dette sikrer ensartet temperaturfordeling og god kalibreringsstabilitet. Da aflæsningerne af den termiske ledningsevnemåler påvirkes af gasstrømningshastigheden, indføres gas i målekamrene gennem bypass-kanalen. Løsningerne fra forskellige designere for at sikre den nødvendige udveksling af gasser er angivet nedenfor. I princippet antages det, at hovedgasstrømmen er forbundet med tilslutningskanaler til målekamrene, gennem hvilke gassen strømmer med et lille fald. I dette tilfælde har diffusion og termisk konvektion en afgørende indflydelse på fornyelsen af ​​gas i målekamrene. Målekamrenes volumen kan være meget lille (flere kubikmillimeter), hvilket giver en lille effekt af konvektiv varmeoverførsel på måleresultatet. For at reducere den katalytiske effekt af platinledere smeltes de til tyndvæggede glaskapillærer på forskellige måder. For at sikre målekammerets modstand mod korrosion er alle gasrørledningsdele dækket med glas. Dette gør det muligt at måle den termiske ledningsevne af blandinger indeholdende klor, hydrogenchlorid og andre ætsende gasser. Termiske konduktometriske analysatorer med lukkede referencekamre bruges overvejende i den kemiske industri. Valg af en passende referencegas forenkler instrumentkalibreringen. Derudover kan du få en skala med et undertrykt nul. For at reducere nulpunktsdriften skal referencekamrene være godt forseglet. I særlige tilfælde, for eksempel ved kraftige udsving i sammensætningen af ​​gasblandingen, er det muligt at arbejde med gennemstrømningskamre. I dette tilfælde, ved hjælp af et specielt reagens, fjernes en af ​​komponenterne fra den målte gasblanding (for eksempel CO og en opløsning af kaustisk kalium), og derefter sendes gasblandingen til sammenligningskamrene. Målings- og sammenligningsgrenene adskiller sig i dette tilfælde kun i fravær af en af ​​komponenterne. Denne metode gør det ofte muligt at analysere komplekse gasblandinger.

For nylig, i stedet for metalledere, bruges halvledertermistorer nogle gange som følsomme elementer. Fordelen ved termistorer er en 10 gange højere temperaturmodstandskoefficient sammenlignet med metaltermistorer. Dette opnår en kraftig stigning i følsomheden. Men samtidig stilles der meget højere krav til stabilisering af brostrømmen og temperaturen af ​​kammervæggene.

Tidligere end andre, og mest udbredt, begyndte termiske konduktometriske instrumenter at blive brugt til analyse af røggasser fra ovne. På grund af designets høje følsomhed, høje hastighed, lette vedligeholdelse og pålidelighed samt dets lave omkostninger, blev analysatorer af denne type hurtigt introduceret i industrien i fremtiden.

Termiske konduktometriske analysatorer er bedst egnede til at måle koncentrationen af ​​brint i blandinger. Ved valg af referencegasser skal der også tages hensyn til blandinger af forskellige gasser. Følgende data kan bruges som et eksempel på minimumsmåleområder for forskellige gasser (tabel 6.1).

Tabel 6.1

Minimumsmåleområder for forskellige gasser,

% til volumen

Det maksimale måleområde er oftest 0-100 %, hvorved 90 eller endda 99 % kan undertrykkes. I særlige tilfælde gør varmeledningsevneanalysatoren det muligt at have flere forskellige måleområder på ét instrument. Dette bruges for eksempel til overvågning af påfyldning og tømning af brintkølede turbogeneratorer i termiske kraftværker. På grund af eksplosionsfaren er generatorhuset ikke fyldt med luft, men først tilføres kuldioxid som rensegas og derefter brint. På samme måde producerer frigivelsen af ​​gas fra generatoren. Med tilstrækkelig høj reproducerbarhed kan følgende måleområder opnås på en enkelt analysator: 0-100 % (vol.) CO (i luft til udrensning med kuldioxid), 100-0 % H 2 i CO (til påfyldning med brint) og 100-80% H2 (i luft for at kontrollere renheden af ​​brint under generatordrift). Dette er en billig måde at måle på.

For at bestemme brintindholdet i klor, der frigives under elektrolysen af ​​kaliumchlorid ved hjælp af en termokonduktometrisk analysator, er det muligt at arbejde både med en forseglet referencegas (SO 2 , Ar) og med en strømmende referencegas. I sidstnævnte tilfælde sendes blandingen af ​​brint og klor først til målekammeret og derefter til efterbrænderen med en temperatur >200°C. Hydrogen brænder med overskydende klor for at danne hydrogenchlorid. Den resulterende blanding af HC og C12 føres ind i sammenligningskammeret. I dette tilfælde bestemmes koncentrationen af ​​brint ud fra forskellen i termiske ledningsevner. Denne metode reducerer betydeligt påvirkningen af ​​blanding af små mængder luft.

For at mindske den fejl, der opstår ved analyse af en våd gas, skal gassen tørres, hvilket enten sker ved hjælp af en fugtabsorber eller ved at sænke gastemperaturen under dugpunktet. Der er en anden mulighed for at kompensere for fugtighedens påvirkning, som kun gælder ved måling med et strømmende referencegasskema.

For at arbejde med eksplosive gasser fremstiller en række virksomheder eksplosionssikre enheder. I dette tilfælde er kamrene i termiske ledningsevnemålere designet til højt tryk, flammedæmpere er installeret ved indgangen og udgangen af ​​kamrene, og udgangssignalet er begrænset til et egensikkert niveau. Sådanne anordninger kan dog ikke bruges til at analysere blandinger af eksplosive gasser med oxygen eller brint med klor.

• Centimeter - gram - sekund - et system af enheder, der var meget udbredt før vedtagelsen af ​​International System of Units (SI).

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 A. V. Luzina, A. V. Rudin

MÅLING AF TERMISK KONDUKTIVITET AF METALPRØVER VED DEN STATIONÆRE VARMEFLOWMETODE

Anmærkning. Teknikken og designegenskaberne ved installationen til måling af den termiske ledningsevne af metalprøver lavet i form af en homogen cylindrisk stang eller en tynd rektangulær plade ved metoden med stationær varmestrøm er beskrevet. Opvarmningen af ​​testprøven udføres ved hjælp af direkte elektrisk opvarmning med en kort vekselstrømimpuls, fastgjort i massive kobberstrømsklemmer, som samtidig udfører funktionen som en køleplade.

Nøgleord: varmeledningskoefficient, prøve, Fourierlov, stationær varmeoverførsel, måleopsætning, transformer, multimeter, termoelement.

Introduktion

Overførslen af ​​termisk energi fra mere opvarmede dele af et fast legeme til mindre opvarmede ved hjælp af tilfældigt bevægende partikler (elektroner, molekyler, atomer osv.) kaldes fænomenet termisk ledningsevne. Undersøgelsen af ​​fænomenet termisk ledningsevne er meget udbredt i forskellige industrier, såsom: olie, rumfart, bilindustrien, metallurgisk, minedrift osv.

Der er tre hovedtyper af varmeoverførsel: konvektion, termisk stråling og termisk ledningsevne. Termisk ledningsevne afhænger af stoffets natur og dets fysiske tilstand. I dette tilfælde udføres energioverførsel i væsker og faste stoffer (dielektriske stoffer) af elastiske bølger, i gasser - ved kollision og diffusion af atomer (molekyler) og i metaller - ved diffusion af frie elektroner og ved hjælp af termiske vibrationer af gitteret. Overførslen af ​​varme i en krop afhænger af, om den er i gasformig, flydende eller fast tilstand.

Mekanismen for varmeledning i væsker er forskellig fra mekanismen for varmeledning i gasser og har meget til fælles med varmeledning af faste stoffer. I områder med forhøjet temperatur er der vibrationer af molekyler med stor amplitude. Disse vibrationer overføres til tilstødende molekyler, og energien fra termisk bevægelse overføres således gradvist fra lag til lag. Denne mekanisme giver en relativt lille værdi af den termiske ledningsevne. Med stigende temperatur falder den termiske ledningsevne for de fleste væsker (undtagelsen er vand og glycerin, for hvilke varmeledningsevnen stiger med stigende temperatur).

Fænomenet med overførsel af kinetisk energi ved hjælp af molekylær bevægelse i ideelle gasser skyldes overførsel af varme gennem varmeledning. På grund af tilfældigheden af ​​molekylær bevægelse bevæger molekyler sig i alle retninger. Når molekylerne bevæger sig fra steder med en højere temperatur til steder med en lavere temperatur, overfører molekylerne den kinetiske bevægelsesenergi på grund af parrede kollisioner. Som et resultat af molekylær bevægelse sker der en gradvis udligning af temperaturen; i en ujævnt opvarmet gas er varmeoverførsel overførsel af en vis mængde kinetisk energi under den tilfældige (kaotiske) bevægelse af molekyler. Når temperaturen falder, falder gassernes varmeledningsevne.

I metaller er den vigtigste varmetransmitter frie elektroner, som kan sammenlignes med en ideel monoatomisk gas. Derfor med en vis tilnærmelse

Koefficienten for termisk ledningsevne for bygnings- og varmeisolerende materialer stiger med stigende temperatur, og med en stigning i bulkdensitet stiger den. Den termiske ledningsevnekoefficient afhænger stærkt af materialets porøsitet og fugtindhold. Den termiske ledningsevne af forskellige materialer varierer i området: 2-450 W / (m K).

1. Varmeligning

Loven om varmeledning er baseret på Fourier-hypotesen om proportionaliteten af ​​varmestrømmen til temperaturforskellen pr. længdeenhed af varmeoverførselsvejen pr. tidsenhed. Numerisk er varmeledningskoefficienten lig med mængden af ​​varme, der strømmer per tidsenhed gennem en enhedsoverflade, med et temperaturfald pr. længdeenhed af normalen lig med en grad.

Ifølge Fouriers lov er overfladevarmefluxtætheden h proportional med

sluttemperaturgradient -:

Her kaldes faktoren X for varmeledningskoefficienten. Minustegnet angiver, at varme overføres i retning af faldende temperatur. Mængden af ​​varme, der er passeret pr. tidsenhed gennem en enhed af isoterm overflade, kaldes varmefluxtætheden:

Mængden af ​​varme, der passerer per tidsenhed gennem den isotermiske overflade B, kaldes varmefluxen:

O = | chB = -1 -kdP^B. (1.3)

Den samlede varmemængde, der har passeret denne overflade S i løbet af tiden t, bestemmes ud fra ligningen

Fra=-DL-^t. (1.4)

2. Grænsebetingelser for varmeledningsevne

Der er forskellige betingelser for unikhed: geometrisk - karakterisering af formen og dimensionerne af kroppen, hvor varmeledningsprocessen finder sted; fysisk - karakterisering af kroppens fysiske egenskaber; midlertidig - karakterisering af fordelingen af ​​kropstemperatur i det indledende tidspunkt; grænse - karakteriserer kroppens interaktion med omgivelserne.

Grænsebetingelser af den første slags. I dette tilfælde indstilles temperaturfordelingen på kropsoverfladen for hvert tidspunkt.

Grænsebetingelser af den anden slags. I dette tilfælde er værdien af ​​varmefluxtætheden for hvert punkt på kropsoverfladen til enhver tid givet:

Yara \u003d I (X, Y, 2.1).

Grænsebetingelser af den tredje slags. I dette tilfælde indstilles temperaturen på mediet T0 og betingelserne for varmeveksling af dette medium med kroppens overflade.

Grænsebetingelser af IV-typen dannes på basis af ligheden af ​​varmestrømme, der passerer gennem kroppens kontaktflade.

3. Forsøgsopstilling til måling af varmeledningsevnen

Moderne metoder til bestemmelse af termiske konduktivitetskoefficienter kan opdeles i to grupper: metoder til stationær varmestrøm og metoder til ikke-stationær varmestrøm.

I den første gruppe af metoder forbliver varmestrømmen, der passerer gennem et legeme eller system af kroppe, konstant i størrelse og retning. Temperaturfeltet er stationært.

De ikke-stationære regime-metoder bruger et tidsvarierende temperaturfelt.

I dette arbejde anvendes en af ​​metoderne til stationær varmestrøm, Kohlrausch-metoden.

Blokdiagrammet for installationen til måling af den termiske ledningsevne af metalprøver er vist i fig. en.

Ris. 1. Blokdiagram over måleopstillingen

Hovedelementet i installationen er en power step-down transformer 7, hvis primærvikling er forbundet med en autotransformer af LATR 10 typen, og sekundærviklingen, lavet af en rektangulær kobberbus med seks vindinger, er direkte forbundet til massive kobberstrømklemmer 2, som samtidig udfører funktionen af ​​et kølelegeme-køleskab . Testprøven 1 er fastgjort i massive kobberstrømklemmer 2 ved hjælp af massive kobberbolte (ikke vist på figuren), som samtidig udfører funktionen som en køleplade. Temperaturkontrol på forskellige punkter af prøven udføres ved hjælp af chromel-copel termoelementer 3 og 5, hvis arbejdsender er direkte fikseret på den cylindriske overflade af prøven 1 - den ene i den centrale del af prøven, og den anden i slutningen af ​​prøven. De frie ender af termoelementer 3 og 5 er forbundet til multimetre af typen DT-838 4 og 6, som tillader temperaturmålinger med en nøjagtighed på 0,5 °C. Prøven opvarmes ved direkte elektrisk opvarmning med en kort vekselstrømpuls fra effekttransformatorens 7 sekundære vikling. Målingen af ​​strømmen i testprøven udføres indirekte - ved at måle spændingen på ringens sekundære vikling. strømtransformator 8, hvis primære vikling er effektbussen i den sekundære vikling af effekttransformatoren 7 passeret gennem det frie mellemrum af den ringformede magnetiske kerne. Målingen af ​​spændingen af ​​den sekundære vikling af strømtransformatoren udføres af et multimeter 9.

Ændringen i størrelsen af ​​den pulserede strøm i testprøven udføres ved hjælp af en lineær autotransformer 10 (LATR), hvis primærvikling er forbundet til AC-nettet med en spænding på 220 V gennem en serieforbundet netsikring 13 og en knap 12. Spændingsfaldet over testprøven i tilstanden med direkte elektrisk opvarmning udføres ved hjælp af et multimeter 14, der er parallelt direkte forbundet med strømklemmer 2. Varigheden af ​​strømimpulser måles ved hjælp af et elektrisk stopur 11 forbundet med den primære vikling af en lineær autotransformator 10. Tænd og sluk for opvarmningstilstanden for testprøven leveres af knap 12.

Ved udførelse af målinger af varmeledningskoefficienten på den ovenfor beskrevne installation skal følgende betingelser være opfyldt:

Homogenitet af sektionen af ​​testprøven langs hele længden;

Testprøvens diameter skal være i området fra 0,5 mm til 3 mm (ellers frigives den termiske hovedeffekt i krafttransformatoren og ikke i prøven).

Et diagram over temperaturens afhængighed af prøvens længde er vist i fig. 2.

Ris. 2. Temperaturens afhængighed af prøvelængden

Som det kan ses af diagrammet, er temperaturens afhængighed af længden af ​​prøven under undersøgelse lineær med et udtalt maksimum i den centrale del af prøven, og i enderne forbliver det minimal (konstant) og lig med omgivelsestemperaturen i løbet af tidsintervallet for etablering af ligevægtsvarmeoverførselstilstanden, som for denne forsøgsinstallation ikke overstiger 3 minutter, dvs. 180 sekunder.

4. Udledning af arbejdsformlen for varmeledningskoefficienten

Mængden af ​​varme, der frigives i lederen under passagen af ​​elektrisk strøm, kan bestemmes af Joule-Lenz-loven:

Qel = 12-I^ = og I I, (4.1)

hvor u, I - spænding og strømstyrke i prøven; Jeg er prøvemodstanden.

Mængden af ​​varme, der overføres gennem tværsnittet af prøven under undersøgelse i et tidsinterval t, lavet i form af en ensartet cylindrisk stang med længden t og tværsnit 5, kan beregnes i henhold til Fourierloven (1.4):

Qs \u003d R-dT- 5-t, (4.2)

hvor 5 \u003d 2-5 grundlæggende, 5 grundlæggende \u003d ^ 4-, ved \u003d 2-DT \u003d 2- (Gmax -Gtk1); dt = Dt = 1-t.

Her angiver koefficienterne 2 og 1/2, at varmefluxen er rettet fra

fra midten af ​​prøven til dens ender, dvs. deler sig i to vandløb. Derefter

^^b \u003d S-R-(Gmax -Tm | n) -B^. (4.3)

5. Regnskab for varmetab på sidefladen

§Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

hvor Bbok = n-th-1; a er varmeoverførselskoefficienten for overfladen af ​​testprøven med omgivelserne med dimensionen

temperaturforskel

DGx \u003d Tx - T0cr, (5.2)

hvor Tx er temperaturen ved et givet punkt på prøveoverfladen; Gocr - omgivelsestemperatur, kan beregnes ud fra den lineære ligning af prøvetemperaturens afhængighed af dens længde:

Tx = T0 + k-x, (5,3)

hvor vinkelkoefficienten k kan bestemmes gennem tangenten af ​​hældningen af ​​prøvetemperaturens lineære afhængighed af dens længde:

DT T - T T - T

k \u003d f \u003d MT * \u003d Tmax Ttt \u003d 2 "max Vr. (5.4)

Ved at erstatte udtryk (5.2), (5.3) og (5.4) i ligning (5.1), får vi:

SQaup \u003d 2a-nd■ dx■ (+ kx-T0Kr) dt,

hvor T0 Tszhr.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5,5)

Efter integration af udtryk (5.5) får vi:

Q0Kp = 2.■ dk j jdt■ x■ dx = 2.-a-k■-I - | ■ t = -4a^nd■ k■ I2 ■ t. (5,6)

Indsættelse af de opnåede udtryk (4.1), (4.3) og (5.6) i varmebalanceligningen

UIt = 8 ■X ■ S^ ^^-o ■t + -a^n ■d ■ -(Tmax - To) ■t.

Ved at løse den resulterende ligning med hensyn til varmeledningskoefficienten får vi:

u1 a £2 , l

Det resulterende udtryk gør det muligt at bestemme den termiske ledningsevnekoefficient for tynde metalstænger i overensstemmelse med beregningerne udført for typiske prøver under undersøgelse med en relativ fejl

AU f (AI f (L(LH) ^ (At2

ikke over 1,5 %.

Bibliografi

1. Sivukhin, D. V. Almen kursus i fysik / D. V. Sivukhin. - M. : Nauka, 1974. - T. 2. - 551 s.

2. Rudin, A. V. Undersøgelse af strukturelle afspændingsprocesser i glasdannende objekter under forskellige køleforhold / A. V. Rudin // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Volga-regionen. Naturvidenskab. - 2003. - Nr. 6. - S. 123-137.

3. Pavlov, P. V. Faststoffysik: lærebog. manual for studerende, der studerer i specialerne "Fysik" / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: Højere. skole, 1985. - 384 s.

4. Berman, R. Termisk ledningsevne af faste stoffer / R. Berman. - M., 1979. - 287 s.

5. Livshits, B. G. Fysiske egenskaber af metaller og legeringer / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - M.: Metallurgi, 1980. - 320 s.

Luzina Anna Vyacheslavovna Luzina Anna Vyacheslavovna

bachelor, kandidatstuderende,

Penza State University Penza State University E-mail: [e-mailbeskyttet]

Rudin Alexander Vasilievich

Kandidat for fysiske og matematiske videnskaber, lektor, souschef for Institut for Fysik, Penza State University E-mail: [e-mailbeskyttet]

Rudin Alexander Vasil"evich

kandidat for fysiske og matematiske videnskaber, lektor,

stedfortrædende leder af underafdelingen for fysik, Penza State University

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 Luzina, A.V.

Måling af termisk ledningsevne af metalprøver ved metoden med stationær varmestrøm /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Bulletin fra Penza State University. - 2016. - Nr. 3 (15). -MED. 76-82.