Medžiagos šilumos laidumui tirti naudojamos dvi metodų grupės: stacionarus ir nestacionarus.
Stacionarių metodų teorija yra paprastesnė ir labiau išplėtota. Tačiau nestacionarūs metodai iš esmės, be šilumos laidumo koeficiento, leidžia gauti informacijos apie šiluminį difuziškumą ir šiluminę talpą. Todėl į Pastaruoju metu Daug dėmesio skiriama nestacionarių medžiagų termofizinių savybių nustatymo metodų kūrimui.
Čia nagrinėjami kai kurie stacionarūs medžiagų šilumos laidumo nustatymo metodai.
a) Plokščiojo sluoksnio metodas. Esant vienmačiui šilumos srautui per plokščią sluoksnį, šilumos laidumo koeficientas nustatomas pagal formulę
kur d- storis, T 1 ir T 2 - bandinio "karšto" ir "šalto" paviršiaus temperatūros.
Norint ištirti šilumos laidumą šiuo metodu, būtina sukurti šilumos srautą, artimą vienmačiui.
Paprastai temperatūros matuojamos ne bandinio paviršiuje, o tam tikru atstumu nuo jų (žr. 2 pav.), todėl būtina įvesti pataisas į išmatuotą temperatūrų skirtumą temperatūros skirtumui šildytuvo sluoksnyje ir aušintuvas, kad būtų sumažinta kontaktų šiluminė varža.
Tiriant skysčius, norint pašalinti konvekcijos reiškinį, temperatūros gradientas turi būti nukreiptas palei gravitacinį lauką (žemyn).
Ryžiai. 2. Plokščiųjų sluoksnių šilumos laidumo matavimo metodų schema.
1 – tiriamasis mėginys; 2 - šildytuvas; 3 - šaldytuvas; 4, 5 - izoliaciniai žiedai; 6 – apsauginiai šildytuvai; 7 - termoporos; 8, 9 - diferencinės termoporos.
b) Jėgerio metodas. Metodas pagrįstas vienmatės šilumos lygties, apibūdinančios šilumos sklidimą išilgai strypo, įkaitinto elektros srove, sprendimu. Šio metodo naudojimo sudėtingumas yra tas, kad neįmanoma sukurti griežtų adiabatinių sąlygų išoriniame mėginio paviršiuje, o tai pažeidžia šilumos srauto vienmatiškumą.
Skaičiavimo formulė atrodo taip:
(14)
kur s- bandinio elektrinis laidumas, U yra įtampos kritimas tarp kraštinių taškų strypo galuose, DT yra temperatūrų skirtumas tarp strypo vidurio ir taško strypo gale.
Ryžiai. 3. Jėgerio metodo schema.
1 - elektrinė krosnis; 2 - pavyzdys; 3 - griebtuvai pavyzdžiui tvirtinti; T 1 ¸ T 6 - termoporos galiniai taškai.
Šis metodas naudojamas tiriant elektrai laidžias medžiagas.
v) Cilindrinio sluoksnio metodas. Tiriamas skystis (biri medžiaga užpildo cilindrinį sluoksnį, sudarytą iš dviejų bendraašių cilindrų. Vienas iš cilindrų, dažniausiai vidinis, yra šildytuvas (4 pav.).
4 pav. Cilindrinio sluoksnio metodo schema
1 - vidinis cilindras; 2 - pagrindinis šildytuvas; 3 - bandomosios medžiagos sluoksnis; 4 - išorinis cilindras; 5 - termoporos; 6 - apsauginiai cilindrai; 7 - papildomi šildytuvai; 8 - kūnas.
Išsamiau panagrinėkime stacionarų šilumos laidumo procesą cilindrinėje sienelėje, kurios išorinių ir vidinių paviršių temperatūra palaikoma pastovi ir lygi T 1 ir T 2 (mūsų atveju tai yra medžiagos sluoksnis tiriamas 5). Nustatykime šilumos srautą per sieną su sąlyga, kad cilindrinės sienelės vidinis skersmuo yra d 1 = 2r 1, o išorinis skersmuo yra d 2 = 2r 2, l = const ir šiluma sklinda tik radialine kryptimi. .
Norėdami išspręsti problemą, naudojame (12) lygtį. Cilindrinėse koordinatėse, kai 
; (12) lygtis pagal (10) apima vit:
. (15)
Supažindinkime su užrašu dT/dr= 0, gauname
Integravę ir sustiprinę šią išraišką, pereidami prie pradinių kintamųjų, gauname:
. (16)
Kaip matyti iš šios lygties, priklausomybė T=f(r) yra logaritminė.
Integravimo konstantas C 1 ir C 2 galima nustatyti pakeičiant ribines sąlygas į šią lygtį:
adresu r \u003d r 1 T \u003d T 1 ir T 1 \u003d C 1 ln r1+C2,
adresu r=r2 T=T2 ir T 2 \u003d C 1 ln r2+C2.
Šių lygčių sprendimas atsižvelgiant į SU 1 ir Nuo 2 suteikia:
; 
Pakeičiant šias išraiškas Nuo 1 ir Nuo 2į (1b) lygtį, gauname
(17)
šilumos srautas per cilindrinio spindulio paviršiaus plotą r o ilgis nustatomas pagal Furjė dėsnį (5)
.
Po pakeitimo gauname
. (18)
Šilumos laidumo koeficientas l esant žinomoms reikšmėms K, T 1 , T 2 , d 1 , d 2 , apskaičiuotas pagal formulę
. (19)
Norint slopinti konvekciją (skysčio atveju), cilindrinis sluoksnis turi būti nedidelio storio, paprastai milimetro dalimis.
Galutinių nuostolių sumažinimas taikant cilindrinio sluoksnio metodą pasiekiamas didinant santykį / d ir apsauginiai šildytuvai.
G) karštos vielos metodas. Taikant šį metodą, santykis / d didėja mažėjant d. Vidinis cilindras pakeistas plona viela, kuri buvo ir šildytuvas, ir varžos termometras (5 pav.). Dėl santykinio dizaino paprastumo ir detalaus teorijos tobulinimo šildomos vielos metodas tapo vienu pažangiausių ir tiksliausių. Eksperimentinių skysčių ir dujų šilumos laidumo tyrimų praktikoje jis užima pirmaujančią vietą.
Ryžiai. 5. Matavimo kameros schema, pagaminta pagal kaitinamos vielos metodą. 1 - matavimo laidas, 2 - vamzdelis, 3 - tiriamoji medžiaga, 4 - srovės laidai, 5 - potencialų kranai, 6 - išorinis termometras.
Esant sąlygai, kad visas šilumos srautas iš AB sekcijos sklinda radialiai ir temperatūrų skirtumas T 1 - T 2 nėra didelis, todėl l = const galima laikyti šiose ribose, medžiagos šilumos laidumas nustatomas pagal formulę.
, (20)
kur K AB = T × U AB yra galia, išsklaidyta ant laido.
e) rutulio metodas. Jis pritaikomas skysčių ir biriųjų medžiagų šilumos laidumo tyrimo praktikoje. Tiriamai medžiagai suteikiama sferinio sluoksnio forma, todėl iš esmės galima išvengti nekontroliuojamų šilumos nuostolių. Techniškai šis metodas yra gana sudėtingas.
Kad ir koks būtų statybos mastas, pirmiausia reikia parengti projektą. Brėžiniuose atsispindi ne tik konstrukcijos geometrija, bet ir pagrindinių šiluminių charakteristikų skaičiavimas. Norėdami tai padaryti, turite žinoti šilumos laidumą Statybinės medžiagos. Pagrindinis statybos tikslas – pastatyti patvarias konstrukcijas, patvarias konstrukcijas, kurios būtų patogios be pernelyg didelių šildymo išlaidų. Šiuo atžvilgiu nepaprastai svarbu žinoti medžiagų šilumos laidumo koeficientus.
Plyta turi geriausią šilumos laidumą
Rodiklio charakteristikos
Terminas šilumos laidumas reiškia šilumos energijos perdavimą iš karštesnių objektų į vėsesnius. Keitimasis tęsiasi tol, kol pasiekiama temperatūros pusiausvyra.
Šilumos perdavimą lemia laikas, per kurį temperatūra patalpose atitinka aplinkos temperatūrą. Kuo mažesnis šis intervalas, tuo didesnis statybinės medžiagos šilumos laidumas.
Šilumos laidumui apibūdinti naudojama šilumos laidumo koeficiento sąvoka, kuri parodo, kiek šilumos per tokį ir tokį paviršiaus plotą praeina per tokį ir tokį laiką. Kuo šis rodiklis didesnis, tuo didesnis šilumos perdavimas, o pastatas daug greičiau atšąla. Taigi, statant konstrukcijas, rekomenduojama naudoti statybines medžiagas, kurių šilumos laidumas yra minimalus.
Šiame vaizdo įraše sužinosite apie statybinių medžiagų šilumos laidumą:
Kaip nustatyti šilumos nuostolius
Pagrindiniai pastato elementai, per kuriuos išeina šiluma:
- durys (5-20%);
- lytis (10-20%);
- stogas (15-25%);
- sienos (15-35%);
- langai (5-15%).
Šilumos nuostolių lygis nustatomas naudojant termovizorių. Raudona žymi sunkiausias sritis, geltona ir žalia – mažesnius šilumos nuostolius. Mažiausių nuostolių zonos paryškintos mėlynai. Laboratorijoje nustatoma šilumos laidumo vertė, medžiagai išduodamas kokybės sertifikatas.
Šilumos laidumo vertė priklauso nuo šių parametrų:
- Poringumas. Poros rodo struktūros nevienalytiškumą. Kai per juos praeis šiluma, vėsinimas bus minimalus.
- Drėgmė. Aukštas drėgmės lygis išprovokuoja sauso oro išstumimą skysčio lašeliais iš porų, dėl kurių vertė daug kartų padidėja.
- Tankis. Didesnis tankis skatina aktyvesnę dalelių sąveiką. Dėl to šilumos perdavimas ir temperatūros balansavimas vyksta greičiau.
Šilumos laidumo koeficientas
Namuose šilumos nuostoliai neišvengiami, jie atsiranda tada, kai už lango temperatūra žemesnė nei kambariuose. Intensyvumas yra kintamas ir priklauso nuo daugelio veiksnių, iš kurių pagrindiniai yra šie:
- Paviršiaus plotas, susijęs su šilumos perdavimu.
- Statybinių medžiagų ir statybinių elementų šilumos laidumo rodiklis.
- temperatūrų skirtumas.
Graikiška raidė λ naudojama statybinių medžiagų šilumos laidumui žymėti. Matavimo vienetas yra W/(m×°C). Skaičiuojama 1 m² metro storio sienos. Čia daroma prielaida, kad temperatūros skirtumas yra 1°C.
Atvejo analizė
Paprastai medžiagos skirstomos į šilumą izoliuojančias ir konstrukcines. Pastarosios pasižymi didžiausiu šilumos laidumu, iš jų statomos sienos, lubos, kitos tvoros. Pagal medžiagų lentelę, statant gelžbetonines sienas, užtikrinti mažus šilumos mainus su aplinką jų storis turėtų būti maždaug 6 m. Bet tada pastatas bus didelis ir brangus.
Projektuojant neteisingai paskaičiavus šilumos laidumą, būsimo namo gyventojai pasitenkins tik 10% šilumos iš energijos šaltinių. Todėl namus, pagamintus iš standartinių statybinių medžiagų, rekomenduojama apšiltinti papildomai.
Atliekant tinkamą izoliacijos hidroizoliaciją, didelė drėgmė neturi įtakos šilumos izoliacijos kokybei, o pastato atsparumas šilumos perdavimui taps daug didesnis.
Dauguma geriausias variantas- naudokite šildytuvą
Labiausiai paplitęs variantas yra laikančiosios konstrukcijos, pagamintos iš itin stiprių medžiagų, derinys su papildoma šilumos izoliacija. Pavyzdžiui:
- Karkasinis namas. Tarp stulpų dedama izoliacija. Kartais, šiek tiek sumažėjus šilumos perdavimui, reikalinga papildoma izoliacija už pagrindinio rėmo.
- Standartinių medžiagų konstrukcija. Kai sienos mūrinės arba trinkelės, šiltinimas atliekamas iš išorės.
Statybinės medžiagos išorinėms sienoms
Sienos šiandien statomos iš skirtingos medžiagos, tačiau populiariausi yra: medžio, plytų ir Statybiniai blokai. Pagrindinis skirtumas yra statybinių medžiagų tankis ir šilumos laidumas. Lyginamoji analizė leidžia rasti aukso vidurį santykio tarp šių parametrų. Kuo didesnis tankis, tuo didesnė medžiagos laikomoji galia, taigi ir visa konstrukcija. Tačiau šiluminė varža mažėja, tai yra, didėja energijos sąnaudos. Paprastai esant mažesniam tankiui yra poringumas.
Šilumos laidumo koeficientas ir jo tankis.
Sienų izoliacija
Šildytuvai naudojami, kai nepakanka išorinių sienų šiluminės varžos. Paprastai, norint sukurti patogų mikroklimatą patalpose, pakanka 5-10 cm storio.
Koeficiento λ reikšmė pateikta šioje lentelėje.
Šilumos laidumas matuoja medžiagos gebėjimą praleisti šilumą per save. Tai labai priklauso nuo sudėties ir struktūros. Tankios medžiagos, tokios kaip metalai ir akmuo, yra geri šilumos laidininkai, o mažo tankio medžiagos, tokios kaip dujos ir porėta izoliacija, yra prastai laidūs.
Šilumos laidumas yra svarbiausia termofizinė medžiagų charakteristika. Į jį reikia atsižvelgti projektuojant šildymo įrenginius, parenkant apsauginių dangų storį, atsižvelgiant į šilumos nuostolius. Jei tinkamo žinyno nėra ar nėra, o medžiagos sudėtis nėra tiksliai žinoma, jos šilumos laidumą reikia apskaičiuoti arba išmatuoti eksperimentiškai.
Medžiagų šilumos laidumo komponentai
Šilumos laidumas apibūdina šilumos perdavimo procesą vienalyčiame kūne su tam tikrais bendraisiais matmenimis. Todėl pradiniai matavimo parametrai yra šie:
- Plotas statmena šilumos srauto krypčiai.
- Laikas, per kurį įvyksta šilumos energijos perdavimas.
- Temperatūros skirtumas tarp atskirų, labiausiai nutolusių dalies arba bandinio dalių.
- Šilumos šaltinio galia.
Norint išlaikyti maksimalų rezultatų tikslumą, būtina sukurti stacionarias (laiku nusistovėjusias) šilumos perdavimo sąlygas. Šiuo atveju laiko faktoriaus galima nepaisyti.
Šilumos laidumą galima nustatyti dviem būdais – absoliučiu ir santykiniu.
Absoliutus šilumos laidumo vertinimo metodas
Šiuo atveju nustatoma tiesioginė šilumos srauto reikšmė, kuri nukreipiama į tiriamą mėginį. Dažniausiai mėginys imamas kaip strypas arba plokštelė, nors kai kuriais atvejais (pavyzdžiui, nustatant koaksialiai išdėstytų elementų šilumos laidumą) jis gali atrodyti kaip tuščiaviduris cilindras. Lamelinių bandinių trūkumas yra griežto priešingų paviršių plokštumos lygiagretumo poreikis.
Todėl metalams, kuriems būdingas didelis šilumos laidumas, dažniau imamas strypo formos mėginys.
Matavimų esmė tokia. Priešinguose paviršiuose palaikoma pastovi temperatūra, kylanti iš šilumos šaltinio, esančio griežtai statmenai vienam iš mėginio paviršių.
Šiuo atveju norimas šilumos laidumo parametras λ bus
λ=(Q*d)/F(T2-T1), W/m∙K, kur:
Q yra šilumos srauto galia;
d yra mėginio storis;
F – šilumos srauto paveiktas mėginio plotas;
T1 ir T2 yra bandinio paviršių temperatūros.
Kadangi elektrinių šildytuvų šilumos srauto galia gali būti išreikšta jų galia UI, o temperatūrai matuoti galima naudoti prie mėginio prijungtus temperatūros jutiklius, tai šilumos laidumo indeksą λ apskaičiuoti nebus sunku.
Siekiant pašalinti neproduktyvius šilumos nuostolius ir pagerinti metodo tikslumą, mėginio ir šildytuvo mazgas turi būti dedamas į efektyvų šilumą izoliuojantį tūrį, pavyzdžiui, į Dewar indą.
Santykinis šilumos laidumo nustatymo metodas
Šilumos srauto galios koeficientą galima neįtraukti, jei naudojamas vienas iš lyginamųjų vertinimo metodų. Šiuo tikslu tarp strypo, kurio šilumos laidumo koeficientas turi būti nustatytas, ir šilumos šaltinio dedamas etaloninis pavyzdys, kurio medžiagos šilumos laidumas yra žinomas λ 3. Norint pašalinti matavimo paklaidas, mėginiai yra tvirtai prispaudžiami vienas prie kito. Priešingas išmatuoto mėginio galas panardinamas į aušinimo vonią, po to prie abiejų strypų prijungiamos dvi termoporos.
Šilumos laidumas apskaičiuojamas pagal išraišką
λ=λ 3 (d(T1 3 -T2 3)/d 3 (T1-T2)), kur:
d – atstumas tarp termoporų tiriamajame pavyzdyje;
d 3 – atstumas tarp termoporų etaloniniame pavyzdyje;
T1 3 ir T2 3 - pamatiniame pavyzdyje sumontuotų termoporų rodmenys;
T1 ir T2 yra termoporų, sumontuotų bandomajame pavyzdyje, rodmenys.
Šilumos laidumą taip pat galima nustatyti pagal žinomą mėginio medžiagos elektros laidumą γ. Tam kaip bandomasis pavyzdys imamas vielos laidininkas, kurio galuose bet kokiomis priemonėmis palaikoma pastovi temperatūra. Per laidininką teka nuolatinė I jėgos srovė, o gnybtų kontaktas turėtų būti idealus.
Pasiekus stacionarią šiluminę būseną, maksimali temperatūra T max bus mėginio viduryje, o minimalios vertės T1 ir T2 bus jos galuose. Išmatavus potencialų skirtumą U tarp kraštutinių mėginio taškų, šilumos laidumo vertę galima nustatyti pagal priklausomybę
Šilumos laidumo įvertinimo tikslumas didėja didėjant bandinio ilgiui, taip pat didėjant per jį praleidžiamai srovei.
Santykiniai šilumos laidumo matavimo metodai yra tikslesni nei absoliutieji ir yra patogesni praktinis pritaikymas Tačiau norint atlikti matavimus, reikia daug laiko investuoti. Taip yra dėl stacionarios šiluminės būsenos nustatymo mėginyje, kurio šilumos laidumas nustatomas, trukmės.
jų šiluminio judėjimo metu. Skysčiuose ir kietosiose medžiagose - dielektrikuose - šilumos perdavimas atliekamas tiesiogiai perduodant molekulių ir atomų šiluminį judėjimą į kaimynines medžiagos daleles. Dujiniuose kūnuose šilumos sklidimas šilumos laidumo būdu vyksta dėl energijos mainų susidūrus skirtingo šiluminio judėjimo greičio molekulėms. Metaluose šilumos laidumas daugiausia atsiranda dėl laisvųjų elektronų judėjimo.
Pagrindinis šilumos laidumo terminas apima daugybę matematinių sąvokų, kurių apibrėžimus patartina prisiminti ir paaiškinti.
temperatūros laukas- tai temperatūros verčių rinkiniai visuose kūno taškuose tam tikru laiko momentu. Matematiškai jis apibūdinamas kaip t = f(x, y, z, t). Išskirti stacionari temperatūra laukas, kai temperatūra visuose kūno taškuose nepriklauso nuo laiko (laikui nekinta), ir nestacionarus temperatūros laukas. Be to, jei temperatūra kinta tik išilgai vienos ar dviejų erdvinių koordinačių, tada temperatūros laukas atitinkamai vadinamas vienmačiu arba dvimačiu.
Izoterminis paviršius yra taškų, kurių temperatūra yra tokia pati, vieta.
temperatūros gradientas — grad t yra vektorius, nukreiptas išilgai normalės į izoterminį paviršių ir skaičiais lygus temperatūros išvestinei šia kryptimi.
Pagal pagrindinį šilumos laidumo dėsnį – dėsnį Furjė(1822), šilumos srauto tankio vektorius, perduodamas šilumos laidumu, yra proporcingas temperatūros gradientui:
q = - λ grad t, (3)
kur λ - medžiagos šilumos laidumo koeficientas; jo matavimo vienetas antradienis/(m K).
Minuso ženklas (3) lygtyje rodo, kad vektorius q nukreiptas priešais vektoriui grad t, t.y. link žemiausios temperatūros.
šilumos srautas δQ per savavališkai orientuotą elementarią sritį dF yra lygus vektoriaus skaliarinei sandaugai qį elementariojo ploto vektorių dF, ir bendras šilumos srautas K per visą paviršių F nustatomas integruojant šį gaminį ant paviršiaus F:
ŠILUMO LAIDUMO KOEFICIENTAS
Šilumos laidumo koeficientas λ teisėje Furjė(3) apibūdina tam tikros medžiagos gebėjimą praleisti šilumą. Šilumos laidumo koeficientų reikšmės pateiktos medžiagų termofizinių savybių žinynuose. Skaitmeniškai šilumos laidumo koeficientas λ = q/ grad t lygus šilumos srauto tankiui q su temperatūros gradientu grad t = 1 K/m. Lengviausios dujos – vandenilis – turi didžiausią šilumos laidumą. At kambario sąlygos vandenilio šilumos laidumas λ = 0,2 antradienis/(m K). Sunkesnės dujos turi mažesnį šilumos laidumą – orą λ = 0,025 antradienis/(m K), anglies dvideginyje λ = 0,02 antradienis/(m K).
Gryno sidabro ir vario šilumos laidumas yra didžiausias: λ = 400 antradienis/(m K). Angliniam plienui λ = 50 antradienis/(m K). Skysčiuose šilumos laidumas paprastai yra mažesnis nei 1 antradienis/(m K). Vanduo jam yra vienas geriausių skysčio šilumos laidininkų λ = 0,6 antradienis/(m K).
Nemetalinių kietųjų medžiagų šilumos laidumo koeficientas paprastai yra mažesnis nei 10 antradienis/(m K).
Poringos medžiagos – kamštiena, įvairūs pluoštiniai užpildai, tokie kaip organinė vata – turi mažiausius šilumos laidumo koeficientus λ <0,25 antradienis/(m K), esant mažam užpildymo tankiui, artėja prie poras užpildančio oro šilumos laidumo koeficiento.
Temperatūra, slėgis ir, akytose medžiagose, drėgmė taip pat gali turėti didelės įtakos šilumos laidumui. Informacijos knygelėse visada pateikiamos sąlygos, kuriomis buvo nustatytas tam tikros medžiagos šilumos laidumas, o kitoms sąlygoms šie duomenys negali būti naudojami. Vertės diapazonai λ įvairioms medžiagoms parodyta pav. vienas.
1 pav. Įvairių medžiagų šilumos laidumo koeficientų verčių intervalai.
Šilumos perdavimas šilumos laidumo būdu
Vienalytė plokščia siena.
Paprasčiausia ir labai dažna šilumos perdavimo teorijos išspręsta problema yra nustatyti šilumos srauto, perduodamo per plokščią sieną, kurios storis δ , ant kurių paviršių palaikoma temperatūra tw1 ir t w2 .(2 pav.). Temperatūra keičiasi tik išilgai plokštės storio - viena koordinatė X. Tokios problemos vadinamos vienmatėmis, jų sprendimai yra patys paprasčiausi, todėl šiame kurse apsiribosime tik vienmačių problemų svarstymu.
Atsižvelgiant į tai, kad byla su vienu numeriu:
grad t = dt/dх, (5)
ir naudojant pagrindinį šilumos laidumo dėsnį (2), gauname plokščios sienos stacionaraus šilumos laidumo diferencialinę lygtį:
Stacionariomis sąlygomis, kai energija nenaudojama šildymui, šilumos srauto tankis q nesikeičia sienelės storis. Daugumoje praktinių problemų apytiksliai daroma prielaida, kad šilumos laidumo koeficientas λ nepriklauso nuo temperatūros ir yra vienodas per visą sienos storį. Reikšmė λ rasta žinynuose esant tokiai temperatūrai:
vidutinis tarp sienų paviršių temperatūrų. (Skaičiavimo paklaida šiuo atveju paprastai yra mažesnė už pradinių duomenų ir lentelės verčių paklaidą, o šilumos laidumo koeficiento tiesinė priklausomybė nuo temperatūros: λ = a + bt tiksli skaičiavimo formulė q nesiskiria nuo apytikslės). At λ = konst:
(7)
tie. priklausomybė nuo temperatūros t iš koordinatės X linijinis (2 pav.).
2 pav. Stacionarus temperatūros pasiskirstymas per plokščios sienos storį.
Kintamųjų padalijimas (7) lygtyje ir integravimas t iš tw1 prieš tw2 ir pagal X nuo 0 iki δ :
, (8)
gauname priklausomybę šilumos srauto tankiui apskaičiuoti:
, (9)
arba šilumos srauto galia (šilumos srautas):
(10)
Todėl šilumos kiekis, perduodamas per 1 m 2 sienos, tiesiogiai proporcingos šilumos laidumo koeficientui λ ir išorinių sienos paviršių temperatūrų skirtumas ( t w1 - t w2) ir atvirkščiai proporcingas sienelės storiui δ . Bendras šilumos kiekis per sienos plotą F taip pat proporcingai šiam plotui.
Gauta paprasčiausia formulė (10) labai plačiai naudojama šiluminiuose skaičiavimuose. Ši formulė ne tik apskaičiuoja šilumos srauto tankį per plokščias sienas, bet ir apskaičiuoja sudėtingesnius atvejus, skaičiavimuose paprasčiausiai pakeičiant sudėtingos konfigūracijos sienas plokščia siena. Kartais, jau remiantis vertinimu, vienas ar kitas variantas atmetamas, neskiriant daugiau laiko jo detaliam tyrimui.
Kūno temperatūra tam tikrame taške X nustatoma pagal formulę:
t x = t w1 – (t w1 – t w2) × (x × d)
Požiūris λF/δ vadinamas sienos šilumos laidumu, o abipusis δ/λF sienos šiluminė arba šiluminė varža ir žymima Rλ. Naudojant šiluminės varžos sąvoką, šilumos srauto apskaičiavimo formulė gali būti pavaizduota taip:
Priklausomybė (11) yra panaši į įstatymą Ohma elektrotechnikoje (elektros srovės stipris lygus potencialų skirtumui, padalintam iš laidininko, kuriuo teka srovė, elektrinės varžos).
Labai dažnai šiluminė varža vadinama verte δ / λ, kuri yra lygi plokščios sienos, kurios plotas yra 1, šiluminei varžai. m 2.
Skaičiavimo pavyzdžiai.
1 pavyzdys. Nustatykite šilumos srautą per 200 storio pastato betoninę sieną mm, aukštis H = 2,5 m ir ilgis 2 m jei jo paviršių temperatūra yra: t с1\u003d 20 0 C, t с2\u003d - 10 0 С, o šilumos laidumo koeficientas λ =1 antradienis/(m K):
= 750 antradienis.
2 pavyzdys. Nustatykite 50 storio sienos medžiagos šilumos laidumą mm, jei šilumos srauto tankis per jį q = 100 antradienis/m 2, ir temperatūrų skirtumą ant paviršių Δt = 20 0 C.
antradienis/(m K).
Daugiasluoksnė siena.
Formulė (10) taip pat gali būti naudojama šilumos srautui per sieną, susidedančią iš kelių ( n) glaudžiai vienas šalia kito esantys skirtingų medžiagų sluoksniai (3 pav.), pavyzdžiui, cilindro galvutė, tarpiklis ir cilindrų blokas iš skirtingų medžiagų ir kt.
3 pav. Temperatūros pasiskirstymas per daugiasluoksnės plokščios sienos storį.
Tokios sienos šiluminė varža lygi atskirų sluoksnių šiluminių varžų sumai:
(12)
(12) formulėje reikia pakeisti temperatūrų skirtumą tuose taškuose (paviršiuose), tarp kurių „įtraukiamos“ visos suminės šiluminės varžos, t.y. tokiu atveju: tw1 ir w(n+1):
, (13)
kur i- sluoksnio numeris.
Stacionariame režime savitasis šilumos srautas per daugiasluoksnę sienelę yra pastovus ir vienodas visiems sluoksniams. Iš (13) taip:
. (14)
Iš (14) lygties matyti, kad daugiasluoksnės sienos bendra šiluminė varža yra lygi kiekvieno sluoksnio varžų sumai.
Formulė (13) gali būti lengvai gaunama užrašant temperatūrų skirtumą pagal (10) formulę kiekvienam iš P daugiasluoksnės sienos sluoksnius ir visus sudedant P išraiškos, atsižvelgiant į tai, kad visuose sluoksniuose K turi tą pačią reikšmę. Pridėjus, visos tarpinės temperatūros sumažės.
Temperatūros pasiskirstymas kiekviename sluoksnyje yra tiesinis, tačiau skirtinguose sluoksniuose temperatūros priklausomybės nuolydis yra skirtingas, nes pagal (7) formulę ( dt/dx)i = - q/λ i. Šilumos srauto, einančio per visą sluoksnį, tankis stacionariame režime yra vienodas, o sluoksnių šilumos laidumas yra skirtingas, todėl žemesnio šilumos laidumo sluoksniuose temperatūra kinta staigiau. Taigi 4 pav. pavyzdyje antrojo sluoksnio medžiaga (pavyzdžiui, tarpinės) turi mažiausią šilumos laidumą, o trečio sluoksnio – didžiausią.
Apskaičiavus šilumos srautą per daugiasluoksnę sieną, galima nustatyti temperatūros kritimą kiekviename sluoksnyje naudojant (10) ryšį ir rasti temperatūras visų sluoksnių ribose. Tai labai svarbu naudojant kaip šilumos izoliatorius medžiagas, kurių leistina temperatūra yra ribota.
Sluoksnių temperatūra nustatoma pagal šią formulę:
t sl1 \u003d t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)
t sl2 \u003d t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)
Kontaktinė šiluminė varža. Išvedant daugiasluoksnės sienos formules, buvo daroma prielaida, kad sluoksniai glaudžiai ribojasi vienas su kitu, o dėl gero kontakto skirtingų sluoksnių besiliečiančių paviršių temperatūra yra vienoda. Idealiai sandarus atskirų daugiasluoksnės sienos sluoksnių kontaktas pasiekiamas, jei vienas iš sluoksnių yra padengiamas kitam sluoksniui skystoje būsenoje arba skysto tirpalo pavidalu. Kietieji kūnai liečiasi vienas su kitu tik šiurkštumo profilių viršūnėse (4 pav.).
Viršūnių kontaktinis plotas yra nereikšmingas, o visas šilumos srautas eina per oro tarpą ( h). Taip sukuriama papildoma (kontaktinė) šiluminė varža. R iki. Šiluminio kontakto varžos gali būti nustatomos nepriklausomai, naudojant atitinkamas empirines priklausomybes arba eksperimentiškai. Pavyzdžiui, tarpo šiluminė varža 0,03 mm maždaug atitinka plieno sluoksnio, kurio storis yra apie 30, šiluminę varžą mm.
4 pav. Dviejų grubių paviršių kontaktų vaizdas.
Šiluminio kontakto varžos mažinimo metodai. Bendrą kontakto šiluminę varžą lemia apdorojimo švara, apkrova, terpės šilumos laidumas, besiliečiančių dalių medžiagų šilumos laidumo koeficientai ir kiti veiksniai.
Didžiausią efektyvumą mažinant šiluminę varžą užtikrina į kontaktinę zoną įvedant terpę, kurios šilumos laidumas artimas metalo.
Yra šios galimybės užpildyti kontaktinę zoną medžiagomis:
Tarpiklių, pagamintų iš minkštų metalų, naudojimas;
Įvadas į miltelių pavidalo medžiagos, turinčios gerą šilumos laidumą, kontaktinę zoną;
Įvadas į klampios medžiagos, turinčios gerą šilumos laidumą, zoną;
Tarpo tarp šiurkštumo iškyšų užpildymas skystu metalu.
Geriausi rezultatai gauti, kai kontaktinė zona buvo užpildyta išlydyta skarda. Tokiu atveju kontakto šiluminė varža praktiškai tampa lygi nuliui.
Cilindrinė sienelė.
Labai dažnai aušinimo skysčiai juda vamzdžiais (cilindriais), todėl reikia apskaičiuoti šilumos srautą, perduodamą per vamzdžio (cilindro) cilindrinę sienelę. Šilumos perdavimo per cilindrinę sienelę (su žinomomis ir pastoviomis temperatūromis vidiniame ir išoriniame paviršiuose) problema taip pat yra vienmatė, jei žvelgiame į cilindrines koordinates (4 pav.).
Temperatūra keičiasi tik vamzdžio spinduliu ir išilgai l ir išilgai jo perimetro išlieka nepakitęs.
Šiuo atveju šilumos srauto lygtis yra tokia:
. (15)
Priklausomybė (15) rodo, kad per cilindro sienelę perduodamos šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas šilumos laidumo koeficientui λ , vamzdžio ilgis l ir temperatūros skirtumas ( t w1 - t w2) ir atvirkščiai proporcingas cilindro išorinio skersmens santykio natūraliajam logaritmui d2 iki jo vidinio skersmens d1.
Ryžiai. 4. Temperatūros pokytis per vieno sluoksnio cilindrinės sienelės storį.
At λ = const temperatūros pasiskirstymas pagal spindulį r vieno sluoksnio cilindrinės sienos paklūsta logaritminiam dėsniui (4 pav.).
Pavyzdys. Kiek kartų sumažinami šilumos nuostoliai per pastato sieną, jei tarp dviejų 250 storio plytų sluoksnių mm sumontuokite 50 storio putplasčio trinkelę mm. Šilumos laidumo koeficientai yra atitinkamai lygūs: λ kirp . = 0,5 antradienis/(m K); λ rašiklis. . = 0,05 antradienis/(m K).
Remiantis federalinio įstatymo Nr.261-FZ „Dėl energijos taupymo“ reikalavimais, pastatų ir šilumos izoliacinių medžiagų šilumos laidumo reikalavimai Rusijoje buvo sugriežtinti. Šiandien šilumos laidumo matavimas yra vienas iš privalomų punktų sprendžiant, ar naudoti medžiagą kaip šilumos izoliatorių.
Kodėl statybose būtina matuoti šilumos laidumą?
Statybinių ir termoizoliacinių medžiagų šilumos laidumo kontrolė atliekama visuose jų sertifikavimo ir gamybos etapuose laboratorinėmis sąlygomis, kai medžiagas veikia įvairūs veiksniai, turintys įtakos jų eksploatacinėms savybėms. Yra keletas bendrų šilumos laidumo matavimo metodų. Norint tiksliai laboratoriškai tirti medžiagas, kurių šilumos laidumas yra mažesnis (mažesnis nei 0,04 - 0,05 W / m * K), rekomenduojama naudoti stacionaraus šilumos srauto metodą. Jų naudojimą reglamentuoja GOST 7076.
Įmonė „Interpribor“ siūlo šilumos laidumo matuoklį, kurio kaina palankiai palyginama su rinkoje esančiais ir atitinka visus šiuolaikinius reikalavimus. Jis skirtas laboratorinei statybinių ir šilumą izoliuojančių medžiagų kokybės kontrolei.
Šilumos laidumo matuoklio ITS-1 privalumai
Šilumos laidumo matuoklis ITS-1 turi originalų monobloko dizainą ir pasižymi šiais privalumais:
- automatinis matavimo ciklas;
- didelio tikslumo matavimo kelias, leidžiantis stabilizuoti šaldytuvo ir šildytuvo temperatūras;
- galimybė kalibruoti prietaisą tam tikrų tipų tiriamoms medžiagoms, o tai dar labiau padidina rezultatų tikslumą;
- išreikštas rezultato įvertinimas atliekant matavimus;
- optimizuota „karšta“ apsaugos zona;
- informatyvus grafinis ekranas, kuris supaprastina matavimo rezultatų kontrolę ir analizę.
ITS-1 tiekiamas vienintele bazine modifikacija, kuri, kliento pageidavimu, gali būti papildyta kontroliniais pavyzdžiais (plexiglass ir putplastis), dėžute biriems medžiagoms ir apsauginiu dėklu įrenginiui laikyti ir transportuoti.
