1

Med en økning i den spesifikke kraften til forbrenningsmotorer, øker mengden varme som må fjernes fra oppvarmede enheter og deler. Effektiviteten til moderne kjølesystemer og måten å øke intensiteten på varmeoverføringen har nesten nådd sin grense. Formålet med dette arbeidet er å studere innovative kjølevæsker for kjølesystemer av varme- og kraftenheter basert på tofasesystemer bestående av et basismedium (vann) og nanopartikler. En av metodene for å måle den termiske ledningsevnen til en væske kalt 3ω-hot-wire vurderes. Resultatene av å måle den termiske konduktivitetskoeffisienten til en nanofluid basert på grafenoksid i forskjellige konsentrasjoner av sistnevnte presenteres. Det ble funnet at når 1,25 % grafen ble brukt, økte den termiske konduktivitetskoeffisienten til nanofluiden med 70 %.

termisk ledningsevne

koeffisient for varmeledningsevne

grafenoksid

nanovæske

kjølesystem

test benk

1. Osipova V.A. Eksperimentell studie av varmeoverføringsprosesser: lærebok. håndbok for universiteter. - 3. utgave, Rev. og legg til. - M .: Energiya, 1979 .-- 320 s.

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

3. Unormalt økte effektive varmeledningsevner av etylenglykolbaserte nanofluider som inneholder kobbernanopartikler / J.A. Eastman, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson Appl. Phys. Lett. 78.718; 2001.

4. Termisk konduktivitetsmålinger ved bruk av 3-Omega-teknikken: Applikasjon til Power Harvesting Microsystems / David de Koninck; Avhandling av Master of Engineering, McGill University, Montréal, Canada, 2008 .-- 106 s.

5. Termisk konduktivitetsmåling / W.A. Wakeham, M.J. Assael 1999 av CRC Press LLC.

Det er kjent at med moderne trender for å øke den spesifikke kraften til forbrenningsmotorer, samt høyere hastigheter og mindre størrelser for mikroelektroniske enheter, øker mengden varme som må fjernes fra oppvarmede enheter og deler konstant. Bruken av ulike varmeoverføringsvæsker for varmeavledning er en av de vanligste og mest effektive metodene. Effektiviteten til moderne design av kjøleenheter, så vel som den vanlige metoden for å øke intensiteten av varmeoverføring, har praktisk talt nådd sin grense. Det er kjent at konvensjonelle kjølemidler (vann, oljer, glykoler, fluorkarboner) har en ganske lav varmeledningsevne (tabell 1), som er en begrensende faktor i moderne design av kjølesystemer. For å øke deres termiske ledningsevne, er det mulig å lage et flerfaset (minst tofaset) dispergert medium, hvor rollen som dispersjon spilles av partikler med en betydelig høyere varmeledningskoeffisient enn basisvæsken. Maxwell foreslo i 1881 tilsetning av faste stoffer med høy varmeledningsevne til basiskjølevæsken for varmeoverføring.

Ideen er å blande metalliske materialer som sølv, kobber, jern og ikke-metalliske materialer som alumina, CuO, SiC og karbonrør, som har høyere varmeledningsevne enn en basisvarmeoverføringsvæske med en lavere varmeledningskoeffisient. . Til å begynne med ble mikron og til og med millimeterstore faste partikler (som sølv, kobber, jern, karbonrør, som har en høyere termisk ledningsevne sammenlignet med basisvæsken) blandet med basisvæsker for å oppnå suspensjoner. Den ganske store størrelsen på partiklene som brukes og vanskeligheten med å produsere partikler i nanostørrelse har blitt begrensende faktorer i bruken av slike suspensjoner. Dette problemet ble løst av arbeidet til ansatte ved Arizona National Laboratory S. Choi og J. Eastman, som utførte eksperimenter med metallpartikler av nanometerstørrelse. De kombinerte forskjellige metalliske nanopartikler og metalliske nanopartikler med forskjellige væsker og oppnådde veldig interessante resultater. Disse suspensjonene av nanostrukturerte materialer har blitt kalt "nanofluider".

Tabell 1

Sammenligning av termiske konduktivitetskoeffisienter for materialer for nanofluider

For å utvikle moderne innovative kjølevæsker for kjølesystemer av høyakselererte varme- og kraftenheter, vurderte vi tofasesystemer bestående av et basismedium (vann, etylenglykol, olje, etc.) og nanopartikler, dvs. partikler med karakteristiske størrelser fra 1 til 100 nm. Et viktig trekk ved nanofluider er at selv med tilsetning av en liten mengde nanopartikler, viser de en betydelig økning i termisk ledningsevne (noen ganger mer enn 10 ganger). Dessuten avhenger økningen i den termiske ledningsevnen til nanofluiden av temperaturen - når temperaturen stiger, øker økningen i varmeledningskoeffisienten.

Når du lager slike nanofluider, som er et tofasesystem, kreves det en pålitelig og tilstrekkelig nøyaktig metode for å måle den termiske konduktivitetskoeffisienten.

Vi har vurdert ulike metoder for å måle koeffisienten for varmeledningsevne for væsker. Som et resultat av analysen ble en "3ω-wire" metode valgt for å måle den termiske ledningsevnen til nanofluider med tilstrekkelig høy nøyaktighet.

"3ω-wire"-metoden brukes til samtidig å måle den termiske ledningsevnen og termisk diffusivitet til materialer. Den er basert på måling av temperaturstigningen som funksjon av tid i en varmekilde, det vil si en varm ledning som senkes ned i en væske for testing. Metalltråden fungerer samtidig som en elektrisk motstandsvarmer og motstandstermometer. Metalltråder er laget ekstremt små i diameter (flere titalls mikron). Temperaturstigningen til ledningen når vanligvis 10 ° C og effekten av konveksjon er ubetydelig.

En metalltråd med lengde L og radius r suspendert i en væske fungerer som et varmeapparat og motstandstermometer, som vist i fig. en.

Ris. 1. Installasjonsskjema for "3ω hot wire"-metoden for å måle den termiske ledningsevnen til en væske

Essensen av metoden som brukes for å bestemme koeffisienten for termisk ledningsevne er som følger. En vekselstrøm går gjennom en metalltråd (varmer). AC-karakteristikken bestemmes av ligningen

hvor I 0 - er amplituden til den sinusformede vekselstrømmen; ω - gjeldende frekvens; det er tid.

En vekselstrøm flyter gjennom ledningen, og fungerer som en varmeovn. I samsvar med Joule-Lenz-loven bestemmes mengden varme som frigjøres når en elektrisk strøm passerer gjennom en leder:

og er en superposisjon av en likestrømkilde og en 2ω modulert varmekilde,

hvor R E er den elektriske motstanden til metalltråden under eksperimentelle forhold og er en funksjon av temperaturen.

Den frigjorte termiske kraften gir opphav til en temperaturendring i varmeren, som også er en superposisjon av DC-komponenten og AC 2ω-komponenten:

hvor ΔT DC er amplituden til temperaturendringen under påvirkning av likestrøm; ΔT 2ω - amplitude av temperaturendringer under påvirkning av vekselstrøm; φ er faseforskyvningen indusert ved oppvarming av prøvemassen.

Den elektriske motstanden til ledningen avhenger av temperaturen og dette er 2ω-komponenten av vekselstrømmen i motstanden til ledningen:

hvor C rt er temperaturkoeffisienten for motstand for en metalltråd; R E0 - referansemotstanden til varmeren ved temperatur T 0.

Typisk er T 0 temperaturen til bulkprøven.

Spenningen over en metalltråd kan oppnås som,

(6)

I ligning (6) inneholder ledningsspenningen: spenningsfallet på grunn av ledningens DC-motstand ved 1ω og to nye komponenter proporsjonale med temperaturstigningen i ledningen ved 3ω og ved 1ω. 3ω spenningskomponent kan trekkes ut med en forsterker og deretter brukes til å sende ut amplituden til temperaturendringen ved 2ω:

Frekvensavhengigheten til temperaturendringen ΔT 2ω ble oppnådd ved å endre frekvensen til vekselstrømmen ved en konstant spenning V 1ω. Samtidig kan frekvensavhengigheten til temperaturendringen ΔT 2ω tilnærmes som

hvor α f er koeffisienten for termisk diffusivitet; k f - koeffisient for termisk ledningsevne til basisfluidet; η er en konstant.

Endringen i temperatur ved en frekvens på 2ω i en metalltråd kan utledes ved å bruke en spenningskomponent med en frekvens på 3ω som vist i ligning (8). Koeffisienten for termisk ledningsevne til væsken k f bestemmes av skråningen 2ω av endringen i temperaturen til metalltråden i forhold til frekvensen ω,

(9)

hvor P er den påførte effekten; ω - er frekvensen til den påførte elektriske strømmen; L er lengden på metalltråden; ΔT 2ω er amplituden til temperaturendringen ved en frekvens på 2ω i en metalltråd.

3ω-trådsmetoden har flere fordeler fremfor den tradisjonelle varmetrådsmetoden:

1) temperatursvingninger kan være små nok (under 1K, sammenlignet med ca. 5K for hot wire-metoden) i testvæsken til å holde væskeegenskapene konstante;

2) bakgrunnsstøy som temperaturendringer har mye mindre innflytelse på måleresultatene.

Disse fordelene gjør denne metoden ideell for å måle temperaturavhengigheten til den termiske konduktivitetskoeffisienten til nanofluider.

Installasjonen for å måle koeffisienten for termisk ledningsevne inkluderer følgende komponenter: Winston bridge; signal generator; spektrum analysator; oscilloskop.

En Winston-bro er en krets som brukes til å sammenligne en ukjent motstand R x med en kjent motstand R 0. Brodiagrammet er vist i fig. 2. De fire armene til Winston-broen AB, BC, AD og DS representerer motstandene Rx, R0, R1 og R2, henholdsvis. Et galvanometer er koblet til VD-diagonalen, og en strømkilde er koblet til AC-diagonalen.

Hvis verdiene til de variable motstandene R1 og R2 er riktig valgt, er det mulig å oppnå likheten mellom potensialene til punktene B og D: φ B = φ D. I dette tilfellet vil strømmen ikke flyte gjennom galvanometer, det vil si I g = 0. Under disse forholdene vil broen være balansert, og du kan finne den ukjente motstanden Rx. For å gjøre dette vil vi bruke Kirchhoffs regler for forgrenede kjeder. Ved å bruke de første og andre Kirchhoff-reglene får vi

R x = R 0 R 1 / R 2.

Nøyaktigheten i å bestemme R x ved denne metoden avhenger i stor grad av valg av motstand R 1 og R 2. Den største nøyaktigheten oppnås når R 1 ≈ R 2.

Signalgeneratoren fungerer som en kilde til elektriske svingninger i området 0,01 Hz - 2 MHz med høy nøyaktighet (med en oppløsning på 0,01 Hz). Signalgenerator merke G3-110.

Ris. 2. Diagram av Winston-broen

Spektrumanalysatoren er designet for å isolere 3ω-komponenten i spekteret. Før arbeidet startet ble spektrumanalysatoren testet for samsvar med spenningsverdien til den tredje harmoniske. For dette mates et signal fra G3-110-generatoren til inngangen til spektrumanalysatoren og parallelt til et digitalt bredbåndsvoltmeter. Den effektive verdien av spenningsamplituden ble sammenlignet ved bruk av en spektrumanalysator og et voltmeter. Avviket mellom verdiene var 2 %. Spektrumanalysatoren ble også kalibrert på en intern instrumenttest ved 10 kHz. Størrelsen på signalet ved bærefrekvensen var 80 mV.

Oscilloskop C1-114 / 1 er designet for å studere formen til elektriske signaler.

Før testen startes, må varmeren (tråden) plasseres i testvæskeprøven. Ledningen skal ikke berøre karets vegger. Videre ble skanning utført i frekvens i området fra 100 til 1600 Hz. På spektrumanalysatoren ved frekvensen som undersøkes, registreres signalverdien til 1., 2., 3. harmoniske i automatisk modus.

For å måle amplituden til strømmen ble det brukt en motstand med en motstand på ~ 0,47 Ohm i serie i kretsen. Verdien bør være slik at den ikke overstiger målearmens klassifisering i størrelsesorden 1 Ohm. Ved hjelp av et oscilloskop fant vi spenningen U. Når vi kjenner R og U, fant vi amplituden til strømmen I 0. Spenningen over kretsen måles for å beregne den tilførte effekten.

Først undersøkes et bredt frekvensområde. Et smalere frekvensområde bestemmes der lineariteten til grafen er høyest. Deretter, i det valgte frekvensområdet, foretas en måling med et mindre frekvenstrinn.

Bord 2 viser resultatene av å måle den termiske konduktivitetskoeffisienten til en nanofluid, som er en 0,35 % suspensjon av grafenoksid i en basisvæske (vann), ved bruk av en isolert kobbertråd 19 cm lang, 100 μm i diameter, ved en temperatur på 26 ° C for et frekvensområde på 780 ... 840 Hz.

I fig. 3 viser et generelt riss av stativet for måling av koeffisienten for varmeledningsevne til en væske.

Bord 3 viser avhengigheten av den termiske konduktivitetskoeffisienten til en suspensjon av grafenoksid på konsentrasjonen i en væske ved en temperatur på 26 ° C. Målingene av varmeledningskoeffisienten til nanofluiden ble utført ved forskjellige konsentrasjoner av grafenoksid fra 0 til 1,25%.

tabell 2

Resultater av måling av varmeledningskoeffisienten til nanofluid

frekvensområde	Sirkulær frekvens	Nåværende styrke	Amplitude av spenningen til den tredje harmoniske	Temperaturendring	Logaritme av sirkulær frekvens	Makt	Karthelling	Koeffisient for varmeledningsevne

Ris. 3. Generelt sett av stativet for måling av koeffisienten for varmeledningsevne til en væske

Bord 3 viser også verdiene til varmeledningskoeffisientene bestemt av Maxwell-formelen.

(10)

hvor k er koeffisienten for termisk ledningsevne til nanofluiden; k f - koeffisient for termisk ledningsevne til basisfluidet; k p - koeffisient for termisk ledningsevne til den dispergerte fasen (nanopartikler); φ er verdien av den volumetriske fasen til hver av fasene av dispersjoner.

Tabell 3

Termisk konduktivitetskoeffisient for grafenoksidsuspensjon

Forholdet mellom koeffisientene for termisk ledningsevne k exp / k theor og k exp / k tab. vann er vist i fig. 4.

Slike avvik fra eksperimentelle data fra de som er forutsagt av den klassiske Maxwell-ligningen, kan etter vår mening assosieres med de fysiske mekanismene for å øke den termiske ledningsevnen til nanofluiden, nemlig:

På grunn av den brownske bevegelsen til partikler; blanding av væsken skaper en mikrokonvektiv effekt, og øker dermed energien til varmeoverføring;

Varmeoverføring ved hjelp av perkolasjonsmekanismen, hovedsakelig langs klyngekanaler dannet som et resultat av agglomerering av nanopartikler som trenger inn i hele strukturen til løsningsmidlet (vanlig væske);

Basisvæskemolekylene danner svært orienterte lag rundt nanopartikler, og øker dermed volumfraksjonen av nanopartikler.

Ris. 4. Avhengighet av forholdet mellom varmeledningskoeffisienter på konsentrasjonen av grafenoksid

Arbeidet ble utført ved hjelp av utstyret til Senter for kollektiv bruk av vitenskapelig utstyr "Diagnostikk av mikro- og nanostrukturer" med økonomisk støtte fra Utdannings- og vitenskapsdepartementet i Den russiske føderasjonen.

Anmeldere:

Eparkhin OM, doktor i tekniske vitenskaper, professor, direktør for Yaroslavl-grenen ved Moscow State Transport University, Yaroslavl;

Amirov II, doktor i fysiske og matematiske vitenskaper, forsker ved Yaroslavl-grenen av Federal State Budgetary Scientific Institution "Fysikk- og teknologiinstituttet" ved det russiske vitenskapsakademiet, Yaroslavl.

Arbeidet ble mottatt 28. juli 2014.

Bibliografisk referanse

Zharov A.V., Savinsky N.G., Pavlov A.A., Evdokimov A.N. EKSPERIMENTELL METODE FOR MÅLING AV TERMISK KONDUKTIVITET TIL EN NANOVÆSKE // Grunnforskning. - 2014. - Nr. 8-6. - S. 1345-1350;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34766 (dato for tilgang: 02/01/2020). Vi gjør deg oppmerksom på tidsskriftene utgitt av "Academy of Natural Sciences"

I samsvar med kravene i føderal lov nr. 261-FZ "On Energy Saving", er kravene til termisk ledningsevne for bygnings- og varmeisolerende materialer i Russland strammet. I dag er måling av varmeledningsevne et av de obligatoriske punktene når man skal bestemme seg for om man skal bruke et materiale som varmeisolator.

Hvorfor er det nødvendig å måle varmeledningsevne i konstruksjon?

Kontrollen av varmeledningsevnen til bygnings- og varmeisolerende materialer utføres på alle stadier av deres sertifisering og produksjon under laboratorieforhold, når materialene er utsatt for ulike faktorer som påvirker dets operasjonelle egenskaper. Det finnes flere vanlige metoder for å måle varmeledningsevne. For nøyaktig laboratorietesting av materialer med lav termisk ledningsevne (under 0,04 - 0,05 W / m * K), anbefales det å bruke enheter som bruker den stasjonære varmefluksmetoden. Bruken deres er regulert av GOST 7076.

Interpribor-selskapet tilbyr en termisk konduktivitetsmåler, hvis pris kan sammenlignes med de på markedet og oppfyller alle moderne krav. Den er beregnet for laboratoriekvalitetskontroll av bygnings- og varmeisolasjonsmaterialer.

Fordeler med ITS-1 termisk konduktivitetsmåler

ITS-1 termisk konduktivitetsmåler har en original monoblokk-design og er preget av følgende fordeler:

• automatisk måling syklus;
• høy presisjon målebane, som gjør det mulig å stabilisere temperaturene til kjøleskapet og varmeren;
• muligheten til å kalibrere enheten for visse typer undersøkte materialer, noe som i tillegg øker nøyaktigheten av resultatene;
• uttrykkelig vurdering av resultatet i løpet av målingene;
• optimalisert "varm" sikkerhetssone;
• informativt grafisk display som forenkler kontroll og analyse av måleresultater.

ITS-1 leveres i en enkel grunnleggende modifikasjon, som på forespørsel fra klienten kan suppleres med kontrollprøver (plexiglass og penoplex), en boks for bulkmaterialer og et beskyttende etui for oppbevaring og transport av enheten.

Til nå har det ikke blitt utviklet en enhetlig klassifisering, som er assosiert med mangfoldet av eksisterende metoder. De velkjente eksperimentelle metodene for å måle den termiske ledningsevnen til materialer er delt inn i to store grupper: stasjonære og ikke-stasjonære. I det første tilfellet bruker kvaliteten på beregningsformelen spesielle løsninger av varmeledningsligningen

under betingelsen, i den andre - under tilstanden der T er temperaturen; f - tid; - koeffisient for termisk diffusivitet; l - koeffisient for termisk ledningsevne; C er den spesifikke varmekapasiteten; g er tettheten til materialet; - Laplace-operatøren skrevet i det tilsvarende koordinatsystemet; - spesifikk kraft til den volumetriske varmekilden.

Den første gruppen av metoder er basert på bruk av et stasjonært termisk regime; det andre er et ikke-stasjonært termisk regime. Stasjonære metoder for å bestemme den termiske konduktivitetskoeffisienten ved arten av målingene er direkte (dvs. den termiske konduktivitetskoeffisienten bestemmes direkte) og er delt inn i absolutte og relative. I absolutte metoder gjør parametrene målt i eksperimentet det mulig å oppnå den nødvendige verdien av den termiske konduktivitetskoeffisienten ved å bruke beregningsformelen. I relative metoder tillater parametrene målt i eksperimentet bruk av beregningsformelen for å oppnå ønsket verdi av varmeledningskoeffisienten. I relative metoder er de målte parameterne ikke nok til å beregne den absolutte verdien. To tilfeller er mulige her. Den første er å observere endringen i varmeledningskoeffisienten i forhold til den opprinnelige, tatt som en enhet. Det andre tilfellet er bruken av et referansemateriale med kjente termiske egenskaper. I dette tilfellet brukes den termiske konduktivitetskoeffisienten til standarden i beregningsformelen. Relative metoder har en viss fordel fremfor absolutte metoder fordi de er enklere. Ytterligere inndeling av stasjonære metoder kan utføres i henhold til arten av oppvarming (ekstern, volumetrisk og kombinert) og i henhold til formen av isotermer av temperaturfeltet i prøvene (flat, sylindrisk, sfærisk). Undergruppen av metoder med ekstern oppvarming omfatter alle metoder som bruker eksterne (elektriske, volumetriske, etc.) varmeovner og oppvarming av prøveoverflatene ved termisk stråling eller elektronbombardement. Undergruppen av metoder med volumetrisk oppvarming forener alle metoder som bruker oppvarming med en strøm som går gjennom prøven, oppvarming av prøven som studeres fra nøytron- eller r-stråling, eller av mikrobølgestrømmer. Undergruppen av metoder med kombinert oppvarming kan omfatte metoder som samtidig bruker ekstern og volumetrisk oppvarming av prøver, eller mellomoppvarming (for eksempel ved høyfrekvente strømmer).

I alle tre undergruppene av stasjonære metoder, temperaturfeltet

kan være annerledes.

Plane isotermer dannes når varmefluksen rettes langs prøvens symmetriakse. Metoder som bruker flate isotermer i litteraturen kalles metoder med aksial eller langsgående varmefluks, og selve forsøksoppsettene kalles flate enheter.

Sylindriske isotermer tilsvarer forplantningen av varmefluksen i retning av radiusen til den sylindriske prøven. Når varmefluksen rettes langs radien til en sfærisk prøve, vises sfæriske isotermer. Metoder som bruker slike isotermer kalles sfæriske, og enheter kalles sfæriske.

Fysiske analysemetoder er basert på bruk av en spesifikk fysisk effekt eller en spesifikk fysisk egenskap ved et stoff. Til gassanalyse bruk tetthet, viskositet, termisk ledningsevne, brytningsindeks, magnetisk følsomhet, diffusjon, absorpsjon, emisjon, absorpsjon av elektromagnetisk stråling, samt selektiv absorpsjon, lydhastighet, termisk effekt av reaksjon, elektrisk ledningsevne, etc. Noen av disse fysiske egenskapene og fenomener gjør kontinuerlig gassanalyse og lar deg oppnå høy følsomhet og nøyaktighet av målinger. Valget av en fysisk mengde eller et fenomen er svært viktig for å utelukke påvirkningen av umålte komponenter i den analyserte blandingen. Bruken av spesifikke egenskaper eller effekter gjør det mulig å bestemme konsentrasjonen av den ønskede komponenten i en flerkomponentgassblanding. Strengt tatt kan ikke-spesifikke fysiske egenskaper kun brukes til analyse av binære gassblandinger. Viskositet, brytningsindeks og diffusjon er ikke av praktisk betydning ved analyse av gasser.

Varmeoverføring mellom to punkter med forskjellige temperaturer skjer på tre måter: konveksjon, stråling og varmeledning. På konveksjon varmeoverføring er assosiert med overføring av materie (masseoverføring); varmeoverføring stråling skjer uten medvirkning av materie. Varmeoverføring termisk ledningsevne skjer med deltagelse av materie, men uten masseoverføring. Energioverføring skjer på grunn av kollisjon av molekyler. Koeffisient for varmeledningsevne ( X) avhenger bare av typen varmeoverførende stoff. Det er en spesifikk egenskap ved et stoff.

Dimensjonen på termisk ledningsevne i CGS-systemet cal / (s cm K), i tekniske enheter - kcalDmch-K), i det internasjonale SI-systemet - WDm-K). Forholdet mellom disse enhetene er som følger: 1 cal / (cm s K) = 360 kcalDm h K) = = 418,68 WDm-K).

Den absolutte varmeledningsevnen i overgangen fra faste til flytende og gassformige stoffer varierer fra X = 418,68 WDm-K)] (varmeledningsevne for den beste varmelederen - sølv) opp til X ca. 10_6 (varmeledningsevne for de minst ledende gassene).

Den termiske ledningsevnen til gasser øker kraftig med økende temperatur. For noen gasser (GH 4: NH 3) øker den relative varmeledningsevnen kraftig med økende temperatur, og for noen (Ne) synker den. I følge den kinetiske teorien skal ikke varmeledningsevnen til gasser avhenge av trykk. Ulike årsaker fører imidlertid til at med økende trykk øker varmeledningsevnen litt. I trykkområdet fra atmosfærisk til flere millibar er termisk ledningsevne ikke avhengig av trykk, siden den gjennomsnittlige frie banen til molekyler øker med en reduksjon i antall molekyler per volumenhet. Ved et trykk på -20 mbar tilsvarer den frie banen til molekylene størrelsen på målekammeret.

Termisk konduktivitetsmåling er den eldste fysiske gassanalysemetoden. Det ble beskrevet i 1840, spesielt i verkene til A. Schleiermacher (1888-1889) og har blitt brukt i industrien siden 1928. I 1913 utviklet Siemens en hydrogenkonsentrasjonsmåler for luftskip. Etter det, i mange tiår, ble enheter basert på måling av varmeledningsevne utviklet med stor suksess og ble mye brukt i den raskt voksende kjemiske industrien. Naturligvis ble først bare binære gassblandinger analysert. De beste resultatene oppnås med stor forskjell i varmeledningsevnen til gasser. Blant gasser har hydrogen den høyeste varmeledningsevnen. I praksis var det også berettiget å måle konsentrasjonen av CO i røykgasser, siden de termiske ledningsevnene til oksygen, nitrogen og karbonmonoksid ligger svært nær hverandre, noe som gjør at en blanding av disse fire komponentene kan anses som kvasi- binær.

Temperaturkoeffisientene for varmeledningsevnen til forskjellige gasser er ikke de samme, så du kan finne temperaturen der varmeledningsevnen til forskjellige gasser faller sammen (for eksempel 490 ° С - for karbondioksid og oksygen, 70 ° С - for ammoniakk og luft, 75 ° С - for karbondioksid og argon) ... Når man løser et visst analytisk problem, kan disse tilfeldighetene brukes ved å akseptere den ternære gassblandingen som kvasi-binær.

I gassanalyse kan det antas at termisk ledningsevne er en additiv egenskap. Etter å ha målt den termiske ledningsevnen til blandingen og kjenne til den termiske ledningsevnen til de rene komponentene i den binære blandingen, kan man beregne konsentrasjonene deres. Dette enkle forholdet kan imidlertid ikke brukes på noen binær blanding. Så, for eksempel, blandinger av luft - vanndamp, luft - ammoniakk, karbonmonoksid - ammoniakk og luft - acetylen i et visst forhold mellom komponenter har maksimal varmeledningsevne. Derfor er anvendeligheten av termisk konduktivitetsmetode begrenset til et visst konsentrasjonsområde. For mange blandinger er det en ikke-lineær avhengighet av termisk ledningsevne og sammensetning. Derfor er det nødvendig å fjerne kalibreringskurven, i henhold til hvilken skalaen til opptaksenheten skal lages.

Termiske konduktivitetssensorer(varmeledningsevnesensorer) består av fire små gassfylte kamre med et lite volum med tynne platinaledere av samme størrelse og elektrisk motstand plassert i dem isolert fra kroppen. Den samme konstante strømmen av konstant størrelse flyter gjennom lederne og varmer dem opp. Ledere - varmeelementer - er omgitt av gass. To kamre inneholder den målte gassen, de to andre inneholder referansegassen. Alle varmeelementer er inkludert i Wheaton-broen, med hvilken målingen av en temperaturforskjell i størrelsesorden 0,01 ° C ikke er vanskelig. En så høy følsomhet krever nøyaktig lik temperatur i målekamrene, derfor plasseres hele målesystemet i en termostat eller i broens målediagonal, og en motstand er slått på for temperaturkompensasjon. Så lenge varmefjerningen fra varmeelementene i måle- og sammenligningskamrene er den samme, er broen i likevekt. Når en gass med en annen termisk ledningsevne tilføres målekamrene, brytes denne likevekten, temperaturen til de følsomme elementene endres og, sammen med dette, deres motstand. Den resulterende strømmen i målediagonalen er proporsjonal med konsentrasjonen av den målte gassen. For å øke følsomheten bør driftstemperaturen til de følsomme elementene økes, men man må passe på å opprettholde en tilstrekkelig stor forskjell i gassens varmeledningsevne. Så for forskjellige gassblandinger er det en optimal temperatur når det gjelder termisk ledningsevne og følsomhet. Ofte velges forskjellen mellom temperaturen på de følsomme elementene og temperaturen på veggene i kamrene fra 100 til 150 ° C.

Målecellene til industrielle termiske konduktivitetsanalysatorer består vanligvis av et massivt metallhus, der målekamrene er boret. Dette sikrer en jevn temperaturfordeling og god kalibreringsstabilitet. Siden avlesningene til termisk konduktivitetsmåler påvirkes av gassstrømningshastigheten, injiseres gassen inn i målekamrene gjennom bypass-kanalen. Løsningene til ulike konstruktører for å sikre nødvendig gassutveksling er gitt nedenfor. I prinsippet forutsettes det at hovedgassstrømmen er forbundet ved å koble kanaler til målekamrene, gjennom hvilke gassen strømmer under en liten differensial. I dette tilfellet har diffusjon og termisk konveksjon en avgjørende innflytelse på gassfornyelsen i målekamrene. Volumet på målekamrene kan være svært lite (noen kubikkmillimeter), noe som gir en liten effekt av konvektiv varmeoverføring på måleresultatet. For å redusere den katalytiske effekten av platinaledere, smeltes de på forskjellige måter til tynnveggede glasskapillærer. For å sikre motstanden til målekammeret mot korrosjon, dekk alle gassrørledningsdeler med glass. Dette lar deg måle den termiske ledningsevnen til blandinger som inneholder klor, hydrogenklorid og andre etsende gasser. Termiske konduktivitetsanalysatorer med lukkede referansekamre brukes hovedsakelig i kjemisk industri. Å velge riktig referansegass forenkler instrumentkalibreringen. I tillegg kan en skala med undertrykt null oppnås. For å redusere nulldrift må referansekamrene være godt forseglet. I spesielle tilfeller, for eksempel med sterke svingninger i sammensetningen av gassblandingen, er det mulig å arbeide med gjennomstrømningssammenlikningskamre. I dette tilfellet, ved bruk av et spesielt reagens, fjernes en av komponentene fra den målte gassblandingen (for eksempel CO med en løsning av kaustisk kalium), og deretter ledes gassblandingen til sammenligningskamrene. I dette tilfellet skiller måle- og sammenligningsgrenene seg bare i fravær av en av komponentene. Denne metoden gjør det ofte mulig å analysere komplekse gassblandinger.

Nylig, i stedet for metallledere, er halvledertermistorer noen ganger brukt som føleelementer. Fordelen med termistorer er at er 10 ganger høyere enn for metalltermistorer. Dette oppnår en kraftig økning i følsomheten. Men samtidig stilles det mye høyere krav til stabilisering av brostrømmen og temperaturen på kammerveggene.

Tidligere enn andre og mest utbredt begynte termiske konduktivitetsinstrumenter å bli brukt for analyse av røykgasser fra ovner. På grunn av deres høye følsomhet, høye hastighet, enkle vedlikehold og designpålitelighet, samt deres lave kostnader, ble analysatorer av denne typen raskt introdusert i industrien i fremtiden.

Termiske konduktivitetsanalysatorer er best egnet for å måle konsentrasjonen av hydrogen i blandinger. Ved valg av referansegasser må det også vurderes blandinger av ulike gasser. Følgende data kan brukes som eksempel på minimumsmåleområder for ulike gasser (tabell 6.1).

Tabell 6.1

Minimum måleområder for ulike gasser,

% til volum

Det maksimale måleområdet er oftest området 0-100 %, mens 90 eller til og med 99 % kan undertrykkes. I spesielle tilfeller gjør en termisk konduktivitetsanalysator det mulig å ha flere forskjellige måleområder på en enhet. Dette brukes for eksempel ved overvåking av fylling og tømming av hydrogenkjølte turbingeneratorer i termiske kraftverk. På grunn av eksplosjonsfaren fylles ikke generatorkroppen med luft, men først tilføres karbondioksid som rensegass og deretter hydrogen. Gassen frigjøres fra generatoren på samme måte. Med tilstrekkelig høy reproduserbarhet kan følgende måleområder oppnås på én analysator: 0-100 % (vol.) CO (i luft for spyling med karbondioksid), 100-0 % H2 i CO (for fylling med hydrogen) og 100-80 % H 2 (i luft for å kontrollere renheten til hydrogen under generatordrift). Dette er en billig måte å måle på.

For å bestemme hydrogeninnholdet i kloret som utvikles under elektrolysen av kaliumklorid ved hjelp av en termokonduktometrisk analysator, kan man arbeide både med en forseglet referansegass (SO 2, Ar) og med en flytende referansegass. I sistnevnte tilfelle sendes blandingen av hydrogen og klor først til målekammeret og deretter til etterbrenneren med en temperatur > 200 ° C. Hydrogen brenner med overflødig klor for å danne hydrogenklorid. Den resulterende blandingen av HC og C12 mates inn i sammenligningskammeret. I dette tilfellet bestemmes hydrogenkonsentrasjonen fra forskjellen i varmeledningsevne. Denne metoden reduserer effekten av små mengder luftforurensning betydelig.

For å redusere feilen som oppstår ved analyse av en våtgass, må gassen tørkes, noe som utføres enten ved hjelp av en fuktabsorber eller ved å senke gasstemperaturen under duggpunktet. Det er en annen mulighet for å kompensere for fuktighetspåvirkning, som kun gjelder ved måling med en flytende referansegass.

For arbeid med eksplosive gasser produserer en rekke selskaper eksplosjonssikre enheter. I dette tilfellet er kamrene til termiske konduktivitetsmålere designet for høyt trykk, flammestoppere er installert ved innløpet og utløpet av kamrene, og utgangssignalet er begrenset til et egensikkert nivå. Men selv slike enheter kan ikke brukes til å analysere blandinger av eksplosive gasser med oksygen eller hydrogen med klor.

• Centimeter - gram - sekund er et system med måleenheter som ble mye brukt før vedtakelsen av 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 AV TERMISK KONDUKTIVITET TIL METALLPRØVER VED STASJONÆR VARMESTRØMMETODEN

Merknad. Teknikken og designfunksjonene til installasjonen for å måle den termiske konduktivitetskoeffisienten til metallprøver laget i form av en jevn sylindrisk stang eller en tynn rektangulær plate ved metoden for stasjonær varmefluks er beskrevet. Oppvarmingen av prøven som studeres utføres ved hjelp av direkte elektrisk oppvarming med en kort vekselstrømpuls, festet i massive kobberstrømklemmer, som samtidig utfører funksjonen til en kjøleribbe.

Stikkord: varmeledningskoeffisient, prøve, Fouriers lov, stasjonær varmeveksling, måleapparat, transformator, multimer, termoelement.

Introduksjon

Overføring av termisk energi fra mer oppvarmede deler av et fast stoff til mindre oppvarmede deler ved hjelp av kaotisk bevegelige partikler (elektroner, molekyler, atomer, etc.) kalles fenomenet termisk ledningsevne. Studiet av fenomenet termisk ledningsevne er mye brukt i forskjellige bransjer, for eksempel: olje, romfart, bilindustri, metallurgi, gruvedrift, etc.

Det er tre hovedtyper av varmeoverføring: konveksjon, termisk stråling og termisk ledningsevne. Termisk ledningsevne avhenger av stoffets natur og dets fysiske tilstand. Samtidig, i væsker og faste stoffer (dielektriske), overføres energi ved hjelp av elastiske bølger, i gasser - ved kollisjon og diffusjon av atomer (molekyler), og i metaller - ved diffusjon av frie elektroner og ved hjelp av termisk gitter vibrasjoner. Overføringen av varme i kroppen avhenger av hvilken tilstand den er i: gassformig, flytende eller fast.

Mekanismen for termisk ledningsevne i væsker er forskjellig fra mekanismen for termisk ledningsevne i gasser og har mye til felles med varmeledningsevnen til faste stoffer. I områder med forhøyede temperaturer er det store amplitudevibrasjoner av molekyler. Disse vibrasjonene overføres til tilstøtende molekyler, og dermed overføres energien til termisk bevegelse gradvis fra lag til lag. Denne mekanismen gir en relativt lav verdi av den termiske konduktivitetskoeffisienten. Med en økning i temperaturen, for de fleste væsker, reduseres varmeledningskoeffisienten (med unntak av vann og glyserin, for dem øker den termiske konduktivitetskoeffisienten med økende temperatur).

Fenomenet overføring av kinetisk energi ved hjelp av molekylær bevegelse i ideelle gasser skyldes overføring av varme ved hjelp av termisk ledning. På grunn av tilfeldigheten i molekylær bevegelse, beveger molekyler seg i alle retninger. Når de beveger seg fra steder med høyere temperatur til steder med lavere temperatur, overfører molekylene kinetisk bevegelsesenergi på grunn av parkollisjoner. Som et resultat av molekylær bevegelse oppstår en gradvis utjevning av temperaturen; i en ujevnt oppvarmet gass er varmeoverføring overføring av en viss mengde kinetisk energi under tilfeldig (kaotisk) bevegelse av molekyler. Med synkende temperatur, reduseres koeffisienten for varmeledningsevne for gasser.

I metaller er hovedvarmetransmitteren frie elektroner, som kan sammenlignes med en ideell monoatomisk gass. Derfor med en viss tilnærming

Den termiske konduktivitetskoeffisienten til bygnings- og varmeisolerende materialer øker med økende temperatur, med en økning i volumetrisk vekt øker den. Koeffisienten for varmeledningsevne er svært avhengig av porøsiteten og fuktighetsinnholdet i materialet. Den termiske ledningsevnen til ulike materialer varierer i området: 2-450 W / (m K).

1. Ligning for termisk ledningsevne

Loven om termisk ledningsevne er basert på Fourier-hypotesen om at varmefluksen er proporsjonal med temperaturforskjellen per lengdeenhet av varmeoverføringsveien per tidsenhet. Numerisk er varmeledningskoeffisienten lik mengden varme som strømmer per tidsenhet gjennom en overflateenhet, med et temperaturfall per enhet av normal lengde lik en grad.

I henhold til Fouriers lov er overflatevarmeflukstettheten h proporsjonal med

er lik temperaturgradienten -:

Her kalles faktoren X for varmeledningskoeffisienten. Minustegnet indikerer at varme overføres i retning av synkende temperatur. Mengden varme som har passert per tidsenhet gjennom en enhet av isoterm overflate kalles varmeflukstettheten:

Mengden varme som passerer per tidsenhet gjennom den isotermiske overflaten B kalles varmefluksen:

О = | chib = -1 -cdP ^ B. (1.3)

Den totale varmemengden som har gått gjennom denne overflaten B i tiden t vil bli bestemt ut fra ligningen

Fra = -DL- ^ t. (1.4)

2. Grensebetingelser for termisk ledningsevne

Det er forskjellige betingelser for entydighet: geometrisk - karakteriserer formen og størrelsen på kroppen der varmeledningsprosessen finner sted; fysisk - karakterisering av de fysiske egenskapene til kroppen; midlertidig - karakteriserer fordelingen av kroppstemperatur i det første øyeblikket; grense - karakteriserer samspillet mellom kroppen og omgivelsene.

Grensebetingelser av den første typen. I dette tilfellet settes temperaturfordelingen på kroppsoverflaten for hvert øyeblikk.

Grensebetingelser av den andre typen. I dette tilfellet er den angitte verdien varmeflukstettheten for hvert punkt på kroppsoverflaten til enhver tid:

Yara = I (X, Y, 2,1).

Grensebetingelser av III-slaget. I dette tilfellet er temperaturen på mediet T0 og betingelsene for varmeveksling av dette mediet med overflaten av kroppen spesifisert.

Grensebetingelser av IV-typen dannes på grunnlag av likeheten av varmestrømmer som passerer gjennom kontaktflaten til kroppene.

3. Eksperimentelt oppsett for måling av koeffisienten for varmeledningsevne

Moderne metoder for å bestemme termiske konduktivitetskoeffisienter kan deles inn i to grupper: metoder for stasjonær varmestrøm og metoder for ikke-stasjonær varmestrøm.

I den første gruppen av metoder forblir varmestrømmen som passerer gjennom en kropp eller et system av kropper konstant i størrelse og retning. Temperaturfeltet er stasjonært.

Ikke-stasjonære metoder bruker et tidsvarierende temperaturfelt.

I dette arbeidet brukte vi en av metodene for stasjonær varmefluks, Kohlrausch-metoden.

Blokkdiagrammet for oppsettet for måling av termisk ledningsevne til metallprøver er vist i fig. en.

Ris. 1. Blokkskjema over måleoppsettet

Hovedelementet i installasjonen er en kraftnedtrappingstransformator 7, hvis primærvikling er koblet til en autotransformator av typen LATR 10, og sekundærviklingen, laget av en rektangulær kobberbuss med seks vindinger, er direkte koblet til massive kobberstrømklemmer 2, som samtidig tjener som en kjøleribbe-kjøler ... Den undersøkte prøven 1 er festet i massive kobberstrømklemmer 2 ved bruk av massive kobberbolter (ikke vist på figuren), som samtidig tjener som en varmeavleder. Temperaturkontroll på forskjellige punkter av prøven som studeres utføres ved bruk av chromel-copel termoelementer 3 og 5, hvis arbeidsende er direkte festet på den sylindriske overflaten av prøve 1 - en i den sentrale delen av prøven, og den andre på slutten av prøven. Frie ender av termoelementene 3 og 5 er koblet til multimetre av typen DT-838 4 og 6, som tillater temperaturmålinger med en nøyaktighet på 0,5 ° C. Prøven varmes opp ved direkte elektrisk oppvarming med en kort AC-puls fra sekundærviklingen til krafttransformatoren 7. Strømmen i testprøven måles indirekte - ved å måle spenningen på sekundærviklingen til ringstrømtransformatoren 8, den primære viklingen som er kraftbussen til sekundærviklingen til krafttransformatoren 7 som går gjennom det frie gapet til den ringformede magnetiske kjernen. Spenningen til sekundærviklingen til strømtransformatoren måles av et multimeter 9.

Endringen i størrelsen på impulsstrømmen i testprøven utføres ved bruk av en lineær autotransformator 10 (LATR), hvis primærvikling er koblet til en 220 V AC nettsikring 13 og knapp 12 i serie ved bruk av et multimeter 14 koblet parallelt direkte til strømklemmene 2. Varigheten av strømpulsene måles ved hjelp av en elektrisk stoppeklokke 11 koblet til primærviklingen til den lineære autotransformatoren 10. Slå på og av oppvarmingsmodusen til testprøven tilveiebringes av knapp 12 .

Ved måling av varmeledningskoeffisienten på den ovenfor beskrevne installasjonen, må følgende betingelser oppfylles:

Ensartethet av tverrsnittet av testprøven langs hele lengden;

Diameteren på testprøven bør være i området fra 0,5 mm til 3 mm (ellers frigjøres den termiske hovedkraften i krafttransformatoren, og ikke i testprøven).

Diagrammet over temperaturen versus prøvelengden er vist i fig. 2.

Ris. 2. Temperaturavhengighet av prøvelengde

Som man kan se i diagrammet ovenfor, er temperaturavhengigheten av lengden på testprøven lineær med et uttalt maksimum i den sentrale delen av prøven, og i endene forblir den minimal (konstant) og lik omgivelsestemperaturen under tidsintervallet for å etablere et likevektsvarmeoverføringsregime, som for denne eksperimentelle installasjonen ikke overstiger 3 minutter, dvs. 180 sekunder.

4. Utledning av arbeidsformelen for den termiske konduktivitetskoeffisienten

Mengden varme som frigjøres i en leder under passering av en elektrisk strøm kan bestemmes i henhold til Joule-Lenz-loven:

Qel = 12-Я ^ = og I I, (4.1)

hvor og, I - spenning og strøm i testprøven; Jeg er motstanden til prøven.

Mengden varme som overføres gjennom tverrsnittet av prøven som studeres i løpet av tidsintervallet t, laget i form av en homogen sylindrisk stang med lengde t og seksjon 5, kan beregnes i henhold til Fourierloven (1.4):

Qs = R-dT- 5- t, (4.2)

hvor 5 = 2-5osn, 5osn = ^ 4-, at = 2-DT = 2- (Gmax -Gtk1); d £ = A £ = 1 - £.

Her indikerer koeffisientene 2 og 1/2 at varmefluksen er rettet fra

midten av prøven til dens ender, dvs. deler seg i to bekker. Deretter

^^ b = 8-H- (Tmaks -Tm | n) -B ^. (4.3)

5. Redegjørelse for varmetap til sideoverflaten

§Ozhr = 2-Bbok -DTkha, (5.1)

hvor Bbok = n-te-1; a er koeffisienten for varmeoverføring av overflaten av testprøven med miljøet, som har dimensjonen

Temperaturforskjell

DGx = Tx - T0cr, (5.2)

hvor Tx er temperaturen ved et gitt punkt på prøveoverflaten; Gokr - omgivelsestemperatur, kan beregnes fra den lineære ligningen for avhengigheten av temperaturen til prøven på dens lengde:

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

hvor helningen k kan bestemmes gjennom tangensen til helningen til den lineære avhengigheten av temperaturen til prøven på dens lengde:

DT T - T T - T

k = f = MT * = Tmaks Tmt = 2 "maks Vp. (5,4)

Ved å erstatte uttrykk (5.2), (5.3) og (5.4) i ligning (5.1), får vi:

SQaup = 2a-nd ■ dx ■ (+ kx-Т0Кр) dt,

hvor T0 Tszhr.

8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5,5)

Etter å ha integrert uttrykk (5.5), får vi:

Q0Kp = 2. ■ dk j jdt ■ x ■ dx = 2.-a-k ■ -I - | ■ t = -4a ^ nd ■ k ■ I2 ■ t. (5.6)

Ved å erstatte de oppnådde uttrykkene (4.1), (4.3) og (5.6) i varmebalanseligningen aoln = obr + qs, hvor Qtot = QEL, får vi:

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

Ved å løse den resulterende ligningen for den termiske konduktivitetskoeffisienten får vi:

u1 a £ 2, l

Det resulterende uttrykket gjør det mulig å bestemme den termiske konduktivitetskoeffisienten til tynne metallstaver i samsvar med beregningene for typiske testprøver med en relativ feil

AU f (AI f (Л (ЛГ)) ^ (At2

ikke overstige 1,5 %.

Bibliografi

1. Sivukhin, DV Generelt fysikkkurs / DV Sivukhin. - M.: Nauka, 1974 .-- T. 2. - 551 s.

2. Rudin, A. V. Undersøkelse av prosessene for strukturell avslapning i glassdannende objekter under forskjellige kjølemoduser / A. V. Rudin // Proceedings of høyere utdanningsinstitusjoner. Volga-regionen. Naturvitenskap. - 2003. - Nr. 6. - S. 123-137.

3. Pavlov, P. V. Faststofffysikk: lærebok. manual for studenter som studerer i spesialitetene "Fysikk" / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: Høyere. shk., 1985 .-- 384 s.

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

5. Livshits, BG Fysiske egenskaper av metaller og legeringer / BG Livshits, VS Kraposhin. - M.: Metallurgi, 1980 .-- 320 s.

Luzina Anna Vyacheslavovna

mastergradsstudent,

Penza State University Penza State University E-post: [e-postbeskyttet]

Rudin Alexander Vasilievich

PhD i fysikk og matematikk, førsteamanuensis, nestleder ved Institutt for fysikk, Penza State University E-post: [e-postbeskyttet]

Rudin Aleksandr Vasil "evich

kandidat for fysiske og matematiske vitenskaper, førsteamanuensis,

nestleder for underavdeling for fysikk, Penza State University

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

Måling av termisk ledningsevne av metallprøver ved metoden for stasjonær varmefluks /

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