Lai pētītu vielas siltumvadītspēju, tiek izmantotas divas metožu grupas: stacionāra un nestacionāra.
Stacionāro metožu teorija ir vienkāršāka un pilnīgāk attīstīta. Bet nestacionāras metodes principā papildus siltumvadītspējas koeficientam ļauj iegūt informāciju par siltuma difūzijas un siltumietilpības koeficientiem. Tāpēc iekšā Nesen liela uzmanība tiek pievērsta vielu termofizikālo īpašību noteikšanas nestacionāru metožu izstrādei.
Šeit aplūkotas dažas stacionāras metodes vielu siltumvadītspējas koeficienta noteikšanai.
a) Plakanā slāņa metode. Ar viendimensijas siltuma plūsmu caur plakanu slāni siltumvadītspējas koeficientu nosaka pēc formulas
kur d - biezums, T 1 un T 2 - parauga "karstās" un "aukstās" virsmas temperatūra.
Lai pētītu siltumvadītspēju ar šo metodi, ir jāizveido siltuma plūsma, kas ir tuvu viendimensionālai.
Parasti temperatūras mēra nevis uz parauga virsmas, bet kādā attālumā no tām (skat. 2. att.), tāpēc izmērītajā temperatūras starpībā nepieciešams ieviest korekcijas temperatūras starpībai sildītāja un ledusskapja slāņos. , lai samazinātu kontaktu termisko pretestību.
Pētot šķidrumus, lai novērstu konvekcijas fenomenu, temperatūras gradients jāvirza pa gravitācijas lauku (uz leju).
Rīsi. 2. Siltumvadītspējas mērīšanas plakano slāņu metožu diagramma.
1 - testa paraugs; 2 - sildītājs; 3 - ledusskapis; 4, 5 - izolācijas gredzeni; 6 - drošības sildītāji; 7 - termopāri; 8, 9 - diferenciālie termopāri.
b) Jēgera metode. Metodes pamatā ir viendimensijas siltuma vadīšanas vienādojuma atrisināšana, kas apraksta siltuma izplatīšanos pa stieni, ko silda ar elektrisko strāvu. Šīs metodes izmantošanas grūtības ir tādas, ka uz parauga ārējās virsmas nav iespējams izveidot stingrus adiabātiskus apstākļus, kas pārkāpj siltuma plūsmas viendimensionalitāti.
Aprēķina formula ir šāda:
(14)
kur s- testa parauga elektrovadītspēja, U- sprieguma kritums starp galējiem punktiem stieņa galos, DT- temperatūras starpība starp stieņa vidu un punktu stieņa galā.
Rīsi. 3. Jēgera metodes shēma.
1 - elektriskā krāsns; 2 - paraugs; 3 - tapas parauga stiprināšanai; Т 1 ¸ Т 6 - termopāra gala punkti.
Šo metodi izmanto elektriski vadošu materiālu izpētē.
v) Cilindriskā slāņa metode. Pētītais šķidrums (birstmateriāls aizpilda cilindrisku slāni, ko veido divi koaksiāli izvietoti cilindri. Viens no cilindriem, visbiežāk iekšējais, ir sildītājs (4. att.).
4. att. Cilindriskā slāņa metodes shematiskā diagramma
1 - iekšējais cilindrs; 2 - galvenais sildītājs; 3 - pētāmās vielas slānis; 4 - ārējais cilindrs; 5 - termopāri; 6 - drošības cilindri; 7 - papildu sildītāji; 8 - lieta.
Sīkāk apskatīsim stacionāro siltumvadītspējas procesu cilindriskā sienā, kuras ārējās un iekšējās virsmas temperatūra tiek uzturēta nemainīga un vienāda ar T 1 un T 2 (mūsu gadījumā tas ir pētāmās virsmas slānis). viela 5). Noteiksim siltuma plūsmu caur sienu, ja cilindriskās sienas iekšējais diametrs ir d 1 = 2r 1 un ārējais diametrs ir d 2 = 2r 2, l = const un siltums izplatās tikai radiālā virzienā. .
Lai atrisinātu problēmu, mēs izmantojam vienādojumu (12). Cilindriskās koordinātēs, kad 
; vienādojums (12) saskaņā ar (10) ņem vit:
. (15)
Iepazīstinām ar apzīmējumu dT/dr= 0, mēs iegūstam
Pēc šīs izteiksmes integrēšanas un pastiprināšanas, pārejot uz sākotnējiem mainīgajiem, mēs iegūstam:
. (16)
Kā redzams no šī vienādojuma, atkarība T = f (r) ir logaritmiska.
Integrācijas konstantes C 1 un C 2 var noteikt, ja robežnosacījumi tiek aizstāti ar šo vienādojumu:
plkst r = r 1 T = T 1 un T 1 = C 1 ln r 1 + C 2,
plkst r = r 2 T = T 2 un T 2 = C 1 ln r 2 + C 2.
Šo vienādojumu risinājums AR 1 un C 2 dod:
; 
Šo izteicienu aizstāšana C 1 un C 2 vienādojumā (1b), iegūstam
(17)
siltuma plūsma caur rādiusa cilindriskās virsmas laukumu r un garums tiek noteikts, izmantojot Furjē likumu (5)
.
Pēc aizstāšanas mēs iegūstam
. (18)
Siltumvadītspējas koeficients l pie zināmām vērtībām J, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, aprēķināts pēc formulas
. (19)
Lai nomāktu konvekciju (šķidruma gadījumā), cilindriskajam slānim jābūt nelielam biezumam, parasti milimetra daļai.
Galīgo zudumu samazināšanās cilindriskā slāņa metodē tiek panākta, palielinot attiecību / d un drošības sildītāji.
G) Apsildāmās stieples metode. Izmantojot šo metodi, attiecība / d palielinās, samazinoties d... Iekšējais cilindrs tiek aizstāts ar plānu stiepli, kas ir gan sildītājs, gan pretestības termometrs (5. att.). Dizaina relatīvās vienkāršības un detalizētas teorijas izstrādes rezultātā apsildāmās stieples metode ir kļuvusi par vienu no vismodernākajām un precīzākajām. Šķidrumu un gāzu siltumvadītspējas eksperimentālo pētījumu praksē tas ieņem vadošo vietu.
Rīsi. 5. Mērelementa diagramma, kas izgatavota pēc apsildāmās stieples metodes. 1 - mērīšanas vads, 2 - caurule, 3 - testējamā viela, 4 - strāvas vadi, 5 - potenciālās izejas, 6 - ārējais termometrs.
Ar nosacījumu, ka visa siltuma plūsma no posma AB izplatās radiāli un temperatūras starpība T 1 - T 2 nav liela, lai šajās robežās varētu uzskatīt l = const, vielas siltumvadītspējas koeficientu nosaka pēc formulas.
, (20)
kur J AB = T × U AB ir vadā izkliedētā jauda.
e) Bumbu metode. To izmanto šķidrumu un beztaras materiālu siltumvadītspējas pētīšanas praksē. Testējamajai vielai tiek piešķirta sfēriska slāņa forma, kas principā ļauj izslēgt nekontrolētu siltuma zudumu. Tehniski šī metode ir diezgan sarežģīta.
Neatkarīgi no būvniecības mēroga, pirmais solis ir izstrādāt projektu. Rasējumi atspoguļo ne tikai konstrukcijas ģeometriju, bet arī galveno siltuma raksturlielumu aprēķinus. Lai to izdarītu, jums jāzina siltumvadītspēja celtniecības materiāli... Būvniecības galvenais mērķis ir būvēt izturīgas konstrukcijas, masīvas konstrukcijas, kas ir ērtas bez pārmērīgām apkures izmaksām. Šajā sakarā ir ārkārtīgi svarīgi zināt materiālu siltumvadītspējas koeficientus.
Ķieģeļiem ir vislabākā siltumvadītspēja
Rādītāja raksturojums
Termins siltumvadītspēja attiecas uz siltumenerģijas pārnešanu no vairāk apsildāmiem objektiem uz mazāk apsildāmiem objektiem. Apmaiņa turpinās, līdz iestājas temperatūras līdzsvars.
Siltuma pārnesi nosaka laiks, kurā iekštelpu temperatūra atbilst apkārtējās vides temperatūrai. Jo mazāks šis intervāls, jo lielāka ir būvmateriāla siltumvadītspēja.
Siltuma vadītspējas raksturošanai tiek izmantots siltumvadītspējas koeficienta jēdziens, kas parāda, cik daudz siltuma noteiktā laikā iziet caur šādu un tādu virsmas laukumu. Jo augstāks šis indikators, jo lielāka ir siltuma pārnese, un ēka atdziest daudz ātrāk. Tādējādi, būvējot konstrukcijas, ieteicams izmantot būvmateriālus ar minimālu siltumvadītspēju.
Šajā video jūs uzzināsit par būvmateriālu siltumvadītspēju:
Kā noteikt siltuma zudumus
Ēkas galvenie elementi, caur kuriem izplūst siltums:
- durvis (5-20%);
- dzimums (10-20%);
- jumts (15-25%);
- sienas (15-35%);
- logi (5-15%).
Siltuma zuduma līmeni nosaka, izmantojot termovizoru. Sarkans apzīmē vissarežģītākos apgabalus, dzeltens un zaļš norāda uz mazākiem siltuma zudumiem. Apgabali ar vismazākajiem zaudējumiem ir iezīmēti zilā krāsā. Laboratorijas apstākļos tiek noteikta siltumvadītspējas vērtība, un materiālam tiek izsniegts kvalitātes sertifikāts.
Siltumvadītspējas vērtība ir atkarīga no šādiem parametriem:
- Porainība. Poras norāda uz struktūras neviendabīgumu. Kad siltums iet caur tiem, dzesēšana būs minimāla.
- Mitrums. Augsts mitruma līmenis provocē sausā gaisa pārvietošanu ar šķidruma pilieniem no porām, kā rezultātā vērtība daudzkārt palielinās.
- Blīvums. Lielāks blīvums veicina daļiņu aktīvāku mijiedarbību. Tā rezultātā siltuma pārnese un temperatūras līdzsvarošana notiek ātrāk.
Siltumvadītspējas koeficients
Siltuma zudumi mājā ir neizbēgami, taču tie rodas, kad ārpus loga temperatūra ir zemāka nekā telpās. Intensitāte ir mainīga un ir atkarīga no daudziem faktoriem, no kuriem galvenie ir šādi:
- Siltuma pārnesē iesaistīto virsmu laukums.
- Būvmateriālu un būvelementu siltumvadītspējas indekss.
- Temperatūras starpība.
Lai apzīmētu būvmateriālu siltumvadītspējas koeficientu, tiek izmantots grieķu burts λ. Mērvienība ir W / (m × ° C). Aprēķins veikts uz 1 m² metru biezas sienas. Šeit tiek pieņemta temperatūras starpība 1 ° C.
Praktisks piemērs
Parasti materiālus iedala siltumizolācijas un konstrukcijas materiālos. Pēdējiem ir visaugstākā siltumvadītspēja, tos izmanto sienu, griestu un citu žogu celtniecībai. Saskaņā ar materiālu tabulu, būvējot sienas no dzelzsbetona, lai nodrošinātu zemu siltuma pārnesi ar vide to biezumam vajadzētu būt apmēram 6 m Bet tad struktūra būs apjomīga un dārga.
Gadījumā, ja projektēšanas laikā tiks nepareizi aprēķināts siltumvadītspējas koeficients, topošās mājas iedzīvotāji pietiks tikai ar 10% no enerģijas avotiem iegūtā siltuma. Tāpēc mājas, kas izgatavotas no standarta būvmateriāliem, ieteicams papildus siltināt.
Veicot pareizu izolācijas hidroizolāciju, augsts mitrums neietekmē siltumizolācijas kvalitāti, un konstrukcijas izturība pret siltuma pārnesi kļūs daudz augstāka.
Lielākā daļa labākais variants- izmantojiet izolāciju
Visizplatītākā iespēja ir no augstas stiprības materiāliem izgatavotas nesošās konstrukcijas kombinācija ar papildu siltumizolāciju. Piemēram:
- Karkasa māja. Izolācija ir novietota starp statņiem. Dažreiz, nedaudz samazinot siltuma pārnesi, ārpus galvenā rāmja ir nepieciešama papildu izolācija.
- Standarta materiālu konstrukcija. Ja sienas ir ķieģeļu vai plēnes bloku, izolācija tiek veikta ārpusē.
Būvmateriāli ārsienām
Sienas tiek celtas šodien no plkst dažādi materiāli, tomēr populārākie paliek: koka, ķieģeļu un celtniecības klucīši... Galvenā atšķirība ir būvmateriālu blīvums un siltumvadītspēja. Salīdzinošā analīzeļauj atrast vidusceļu attiecībās starp šiem parametriem. Jo lielāks blīvums, jo lielāka ir materiāla nestspēja un līdz ar to arī visa konstrukcija. Bet siltuma pretestība kļūst mazāka, tas ir, enerģijas izmaksas palielinās. Parasti pie mazāka blīvuma ir porainība.
Siltumvadītspējas koeficients un tā blīvums.
Izolācija sienām
Izolācijas materiāli tiek izmantoti, ja ārsienu siltumizturība nav pietiekama. Parasti, lai telpās izveidotu komfortablu mikroklimatu, pietiek ar 5-10 cm biezumu.
λ koeficienta vērtība ir norādīta nākamajā tabulā.
Siltumvadītspēja mēra materiāla spēju nodot siltumu caur sevi. Tas ir ļoti atkarīgs no sastāva un struktūras. Blīvi materiāli, piemēram, metāli un akmens, ir labi siltumvadītāji, savukārt zema blīvuma materiāli, piemēram, gāze un poraina izolācija, ir slikti vadītāji.
Siltumvadītspēja ir vissvarīgākā materiālu termofizikālā īpašība. Tas jāņem vērā, projektējot apkures ierīces, izvēloties aizsargpārklājumu biezumu, ņemot vērā siltuma zudumus. Ja pie rokas nav vai nav pieejama atbilstoša uzziņu grāmata un nav precīzi zināms materiāla sastāvs, tā siltumvadītspēja ir jāaprēķina vai eksperimentāli jāmēra.
Materiālu siltumvadītspējas sastāvdaļas
Siltumvadītspēja raksturo siltuma pārneses procesu viendabīgā ķermenī ar noteiktiem izmēriem. Tāpēc sākotnējie mērījumu parametri ir:
- Platība virzienā, kas ir perpendikulārs siltuma plūsmas virzienam.
- Laiks, kurā notiek siltumenerģijas nodošana.
- Temperatūras atšķirība starp atsevišķām, viena no otras vistālāk esošajām daļas vai testa parauga daļām.
- Siltuma avota jauda.
Lai saglabātu rezultātu maksimālu precizitāti, nepieciešams izveidot stacionārus (laikus izveidotus) siltuma pārneses apstākļus. Šajā gadījumā laika faktoru var neņemt vērā.
Siltumvadītspēju var noteikt divos veidos - absolūtā un relatīvā.
Absolūtā metode siltumvadītspējas novērtēšanai
Šajā gadījumā tiek noteikta siltuma plūsmas tiešā vērtība, kas tiek novirzīta uz pētāmo paraugu. Visbiežāk paraugu ņem kā stieni vai plāksni, lai gan atsevišķos gadījumos (piemēram, nosakot koaksiāli novietotu elementu siltumvadītspēju) tas var izskatīties kā dobs cilindrs. Lamelāro paraugu trūkums ir nepieciešamība pēc stingras pretējo virsmu plaknes paralēles.
Tāpēc metāliem, kam raksturīga augsta siltumvadītspēja, biežāk tiek pieņemts paraugs stieņa formā.
Mērījumu būtība ir šāda. Uz pretējām virsmām tiek uzturēta nemainīga temperatūra, kas rodas no siltuma avota, kas atrodas stingri perpendikulāri vienai no parauga virsmām.
Šajā gadījumā meklētais siltumvadītspējas parametrs λ būs
λ = (Q * d) / F (T2-T1), W / m ∙ K, kur:
Q ir siltuma plūsmas jauda;
d ir parauga biezums;
F ir parauga laukums, ko ietekmē siltuma plūsma;
Т1 un Т2 ir temperatūras uz parauga virsmām.
Tā kā elektrisko sildītāju siltuma plūsmas jaudu var izteikt, izmantojot to jaudas UI, un temperatūras mērīšanai var izmantot paraugam pievienotos temperatūras sensorus, siltumvadītspējas λ aprēķināšana nebūs sarežģīta.
Lai novērstu neproduktīvus siltuma zudumus un palielinātu metodes precizitāti, paraugs un sildītāja komplekts jāievieto efektīvā siltumizolējošā tilpumā, piemēram, Djūāra traukā.
Relatīvā metode siltumvadītspējas noteikšanai
Siltuma plūsmas jaudas koeficientu var neņemt vērā, ja tiek izmantota kāda no salīdzinošās novērtēšanas metodēm. Šim nolūkam starp stieni, kura siltumvadītspēja ir jānosaka, un siltuma avotu, kura materiāla siltumvadītspēja ir zināma λ 3, ievieto atskaites paraugu. Lai novērstu mērījumu kļūdas, paraugus cieši piespiež viens pret otru. Mērāmā parauga pretējo galu iegremdē dzesēšanas vannā, pēc tam abiem stieņiem pievieno divus termopārus.
Siltumvadītspēju aprēķina pēc izteiksmes
λ = λ 3 (d (T1 3 -T2 3) / d 3 (T1-T2)), kur:
d ir attālums starp termopāriem testa paraugā;
d 3 ir attālums starp termopāriem atsauces paraugā;
T1 3 un T2 3 - atsauces paraugā uzstādīto termopāru rādījumi;
T1 un T2 - testa paraugā uzstādīto termopāru rādījumi.
Siltumvadītspēju var noteikt arī pēc zināmās parauga materiāla elektrovadītspējas γ. Šim nolūkam kā testa paraugs tiek ņemts stieples vadītājs, kura galos jebkurā veidā tiek uzturēta nemainīga temperatūra. Caur vadītāju tiek izvadīta pastāvīga elektriskā strāva ar spēku I, un spaiļu kontaktam jābūt tuvu ideālam.
Sasniedzot stacionāru termisko stāvokli, temperatūras maksimums T max atradīsies parauga vidū ar minimālajām vērtībām T1 un T2 tā galos. Izmērot potenciālu starpību U starp parauga galējiem punktiem, siltumvadītspējas vērtību var noteikt no atkarības
Siltumvadītspējas novērtēšanas precizitāte palielinās, palielinoties pārbaudāmā parauga garumam, kā arī palielinoties strāvai, kas tiek izvadīta caur to.
Relatīvās siltumvadītspējas mērīšanas metodes ir precīzākas nekā absolūtās un ir ērtāk lietojamas praktisks pielietojums tomēr, lai veiktu mērījumus, ir nepieciešams ievērojams laika ieguldījums. Tas ir saistīts ar stacionāra termiskā stāvokļa izveidošanās ilgumu paraugā, kura siltumvadītspēja tiek noteikta.
To termiskās kustības procesā. Šķidrumos un cietās vielās - dielektriķos - siltuma pārnesi veic, tieši pārnesot molekulu un atomu termisko kustību uz blakus esošām vielas daļiņām. Gāzveida ķermeņos siltuma izplatīšanās ar siltumvadītspēju notiek enerģijas apmaiņas dēļ molekulu sadursmes laikā ar dažādu siltuma kustības ātrumu. Metālos siltumvadītspēja tiek veikta galvenokārt brīvo elektronu kustības dēļ.
Galvenā siltumvadītspēja zek ietver vairākus matemātiskus jēdzienus, kuru definīcijas vēlams atgādināt un izskaidrot.
Temperatūras lauks Ir temperatūras vērtību kopums visos ķermeņa punktos noteiktā laika brīdī. Matemātiski tas ir aprakstīts kā t = f(x, y, z, τ). Atšķirt stacionāra temperatūra lauks, kad temperatūra visos ķermeņa punktos nav atkarīga no laika (laikā nemainās), un nestabils temperatūras lauks... Turklāt, ja temperatūra mainās tikai pa vienu vai divām telpiskām koordinātām, tad temperatūras lauku sauc attiecīgi par viendimensiju vai divdimensiju.
Izotermiska virsma- tas ir punktu lokuss, kurā temperatūra ir vienāda.
Temperatūras gradients — grad t ir vektors, kas vērsts pa normālu uz izotermisko virsmu un skaitliski vienāds ar temperatūras atvasinājumu šajā virzienā.
Saskaņā ar siltuma vadīšanas pamatlikumu - likumu Furjē(1822), siltumvadītspējas pārnestās siltuma plūsmas blīvuma vektors ir proporcionāls temperatūras gradientam:
q = - λ grad t, (3)
kur λ - vielas siltumvadītspējas koeficients; tās mērvienība W/(m K).
Mīnusa zīme vienādojumā (3) norāda, ka vektors q vērsta pretī vektoram grad t, t.i. uz lielāko temperatūras pazemināšanos.
Siltuma plūsma δQ caur patvaļīgi orientētu elementāru apgabalu dF ir vienāds ar vektora punktu reizinājumu q uz elementāras vietas vektora dF, un kopējo siltuma plūsmu J pa visu virsmu F tiek noteikts, integrējot šo produktu virs virsmas F:
SILTUMVADĪTĪBAS KOEFICIENTS
Siltumvadītspējas koeficients λ likumā Furjē(3) raksturo dotās vielas spēju vadīt siltumu. Siltumvadītspējas koeficientu vērtības ir norādītas atsauces grāmatās par vielu termofizikālajām īpašībām. Skaitliski siltumvadītspējas koeficients λ = q / grad t ir vienāds ar siltuma plūsmas blīvumu q temperatūras gradientā grad t = 1 K/m... Vieglajai gāzei, ūdeņradim, ir visaugstākā siltumvadītspēja. Plkst iekštelpu apstākļiūdeņraža siltumvadītspēja λ = 0,2 W/(m K). Smagākām gāzēm ir mazāka siltumvadītspēja – gaisam λ = 0,025 W/(m K), oglekļa dioksīdā λ = 0,02 W/(m K).
Tīram sudrabam un vara ir visaugstākā siltumvadītspēja: λ = 400 W/(m K). Oglekļa tēraudiem λ = 50 W/(m K). Šķidrumos siltumvadītspējas koeficients parasti ir mazāks par 1 W/(m K). Ūdens tam ir viens no labākajiem šķidruma siltuma vadītājiem λ = 0,6 W/(m K).
Cieto nemetālisko materiālu siltumvadītspēja parasti ir zem 10 W/(m K).
Zemākie siltumvadītspējas koeficienti ir porainiem materiāliem – korķim, dažādām šķiedrainām pildvielām, piemēram, organiskajai vatei λ <0,25 W/(m K), pie zema blīvējuma blīvuma tuvojas poras aizpildošā gaisa siltumvadītspējas koeficientam.
Temperatūra, spiediens un porainos materiālos arī mitrums var būtiski ietekmēt siltumvadītspējas koeficientu. Uzziņu grāmatās vienmēr ir norādīti nosacījumi, kādos noteiktas vielas siltumvadītspējas koeficients tika noteikts, un citiem apstākļiem šos datus nevar izmantot. Vērtību diapazoni λ dažādiem materiāliem ir parādīti attēlā. viens.
1. att. Dažādu vielu siltumvadītspējas koeficientu vērtību intervāli.
Siltuma pārnese pēc siltumvadītspējas
Vienota plakana siena.
Vienkāršākā un ļoti izplatītā problēma, ko atrisina siltuma pārneses teorija, ir noteikt siltuma plūsmas blīvumu, kas tiek pārraidīts caur plakanu sienu ar biezumu. δ , uz kuru virsmām tiek uzturēta temperatūra t w1 un t w2.(2. att.). Temperatūra mainās tikai gar plāksnes biezumu - viena koordināta X.Šādas problēmas sauc par viendimensionālām, to risinājumi ir visvienkāršākie, un šajā kursā mēs aprobežosimies ar viendimensionālu problēmu izskatīšanu.
Ņemot vērā, ka viena numura gadījumā:
grad t = dt / dx, (5)
un izmantojot siltumvadītspējas pamatlikumu (2), iegūstam stacionāras siltumvadītspējas diferenciālvienādojumu plakanai sienai:
Stacionāros apstākļos, kad enerģija netiek patērēta apkurei, siltuma plūsmas blīvums q nemainīgs sienas biezumā. Lielākajā daļā praktisko problēmu aptuveni tiek pieņemts, ka siltumvadītspējas koeficients λ nav atkarīgs no temperatūras un ir vienāds visā sienas biezumā. Nozīme λ atrodami atsauces grāmatās temperatūrā:
vidējā starp sienu virsmu temperatūrām. (Šajā gadījumā aprēķina kļūda parasti ir mazāka par sākotnējo datu un tabulas vērtību kļūdu un ar siltumvadītspējas koeficienta lineāru atkarību no temperatūras: λ = a + bt precīza aprēķina formula q neatšķiras no aptuvenā). Plkst λ = konst:
(7)
tie. atkarība no temperatūras t no koordinātām X lineārs (2. att.).
2. att. Stacionārs temperatūras sadalījums plakanas sienas biezumā.
Mainīgo sadalīšana vienādojumā (7) un integrēšana t no t w1 pirms tam t w2 un līdz X no 0 līdz δ :
, (8)
iegūstam atkarību siltuma plūsmas blīvuma aprēķināšanai:
, (9)
vai siltuma plūsmas jauda (siltuma plūsma):
(10)
Tāpēc siltuma daudzums, kas nodots caur 1 m 2 sienas, tieši proporcionālas siltumvadītspējas koeficientam λ un temperatūras starpība starp sienas ārējām virsmām ( t w1 - t w2) un apgriezti proporcionāls sienas biezumam δ ... Kopējais siltuma daudzums caur sienu ar laukumu F arī proporcionāli šai platībai.
Iegūtā vienkāršākā formula (10) ir ļoti izplatīta termiskajos aprēķinos. Izmantojot šo formulu, tiek aprēķināts ne tikai siltuma plūsmas blīvums caur plakanām sienām, bet arī tiek veikti aprēķini sarežģītākiem gadījumiem, kas vienkāršoti, aprēķinos aizstājot sarežģītas konfigurācijas sienas ar plakanu sienu. Dažkārt, jau pamatojoties uz novērtējumu, viens vai otrs variants tiek noraidīts, netērējot laiku tā detalizētai izpētei.
Ķermeņa temperatūra noteiktā punktā X nosaka pēc formulas:
t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)
Attieksme λF / δ sauc par sienas siltumvadītspēju, un par apgriezto δ / λF sienas termiskā vai termiskā pretestība un ir norādīta R λ... Izmantojot termiskās pretestības jēdzienu, siltuma plūsmas aprēķina formulu var attēlot šādi:
Atkarība (11) ir līdzīga likumam Ohm elektrotehnikā (elektriskās strāvas stiprums ir vienāds ar potenciālu starpību, kas dalīta ar vadītāja elektrisko pretestību, caur kuru plūst strāva).
Ļoti bieži termisko pretestību sauc par vērtību δ / λ, kas ir vienāda ar plakanas sienas termisko pretestību ar laukumu 1 m 2.
Aprēķinu piemēri.
1. piemērs... Nosakiet siltuma plūsmu caur ēkas betona sienu, kuras biezums ir 200 mm, augstums H = 2,5 m un garums 2 m ja temperatūra uz tā virsmām ir: t с1= 20 0 С, t с2= - 10 0 С, un siltumvadītspējas koeficients λ =1 W/(m K):
= 750 W.
2. piemērs... Nosakiet sienas materiāla siltumvadītspējas koeficientu ar biezumu 50 mm, ja siltuma plūsmas blīvums caur to q = 100 W/m 2, un temperatūras starpība uz virsmām Δt = 20 0 C.
W/(m K).
Daudzslāņu siena.
Formulu (10) var izmantot arī, lai aprēķinātu siltuma plūsmu caur sienu, kas sastāv no vairākiem ( n) cieši blakus esošie atšķirīgu materiālu slāņi (3. att.), piemēram, cilindra galva, blīve un cilindru bloks no dažādiem materiāliem u.c.
3. att. Temperatūras sadalījums pa daudzslāņu plakanas sienas biezumu.
Šādas sienas siltuma pretestība ir vienāda ar atsevišķu slāņu siltuma pretestību summu:
(12)
Formulā (12) nepieciešams aizstāt temperatūras starpību tajos punktos (virsmās), starp kuriem "iekļautas" visas summētās termiskās pretestības, t.i. šajā gadījumā: t w1 un t w (n + 1):
, (13)
kur i- slāņa numurs.
Stacionārajā režīmā īpatnējā siltuma plūsma caur daudzslāņu sienu ir nemainīga un visiem slāņiem ir vienāda. No (13) izriet:
. (14)
No (14) vienādojuma izriet, ka daudzslāņu sienas kopējā termiskā pretestība ir vienāda ar katra slāņa pretestību summu.
Formulu (13) var viegli iegūt, pierakstot temperatūras starpību saskaņā ar formulu (10) katram no P daudzslāņu sienas slāņus un visu pievienojot P izteiksmes, ņemot vērā to, ka visos slāņos J ir tāda pati nozīme. Saskaitot kopā, visas starpposma temperatūras samazināsies.
Temperatūras sadalījums katrā slānī ir lineārs, tomēr dažādos slāņos temperatūras atkarības stāvums ir atšķirīgs, jo saskaņā ar formulu (7) ( dt / dx)i = - q / λ i... Siltuma plūsmas blīvums, kas iet cauri visiem ziloņiem, stacionārajā režīmā ir vienāds, un slāņu siltumvadītspējas koeficients ir atšķirīgs, tāpēc temperatūra krasāk mainās slāņos ar zemāku siltumvadītspēju. Tātad 4. att. piemērā otrā slāņa materiālam (piemēram, blīvei) ir viszemākā siltumvadītspēja, bet vislielākā no trešā slāņa.
Aprēķinot siltuma plūsmu caur daudzslāņu sienu, pēc sakarības (10) ir iespējams noteikt temperatūras kritumu katrā slānī un atrast temperatūras visu slāņu robežās. Tas ir ļoti svarīgi, ja kā siltumizolatorus izmanto materiālus ar ierobežotu pieļaujamo temperatūru.
Slāņu temperatūru nosaka pēc šādas formulas:
t w1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)
t w2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)
Kontakta termiskā pretestība... Atvasinot formulas daudzslāņu sienai, tika pieņemts, ka slāņi atrodas cieši blakus viens otram, un laba kontakta dēļ dažādu slāņu saskares virsmām ir vienāda temperatūra. Ideāli ciešs kontakts starp atsevišķiem daudzslāņu sienas slāņiem tiek iegūts, ja viens no slāņiem tiek uzklāts citam slānim šķidrā stāvoklī vai šķidra šķīduma veidā. Cietie ķermeņi pieskaras viens otram tikai ar raupjuma profilu virsotnēm (4. att.).
Virsotņu saskares laukums ir niecīgs, un visa siltuma plūsma iet caur gaisa spraugu ( h). Tas rada papildu (kontakta) termisko pretestību R līdz... Termiskās kontakta pretestības var noteikt neatkarīgi, izmantojot atbilstošas empīriskās atkarības vai eksperimentāli. Piemēram, spraugas termiskā pretestība ir 0,03 mm aptuveni līdzvērtīga apmēram 30 bieza tērauda slāņa termiskajai pretestībai mm.
4. att. Divu raupju virsmu kontaktu attēls.
Termiskā kontakta pretestības samazināšanas metodes. Kontakta kopējo termisko pretestību nosaka apstrādes tīrība, slodze, barotnes siltumvadītspēja, saskarē esošo detaļu materiālu siltumvadītspēja un citi faktori.
Vislielāko siltuma pretestības samazināšanas efektivitāti nodrošina vides ievadīšana saskares zonā, kuras siltumvadītspēja ir tuvu metāla siltumvadītspējai.
Ir šādas iespējas kontakta laukuma piepildīšanai ar vielām:
Mīksta metāla blīvju izmantošana;
Ievads pulverveida vielas ar labu siltumvadītspēju kontakta zonā;
Ievads viskozas vielas zonā ar labu siltumvadītspēju;
Telpas starp raupjuma izciļņiem aizpildīšana ar šķidru metālu.
Vislabākie rezultāti tika iegūti, aizpildot saskares zonu ar izkausētu alvu. Šajā gadījumā kontakta termiskā pretestība kļūst praktiski nulle.
Cilindriska siena.
Ļoti bieži siltumnesēji pārvietojas pa caurulēm (cilindriem), un ir jāaprēķina siltuma plūsma, kas tiek pārraidīta caur caurules (cilindra) cilindrisko sienu. Siltuma pārneses problēma caur cilindrisku sienu (zināmām un nemainīgām temperatūrām uz iekšējās un ārējās virsmas) arī ir viendimensionāla, ja to aplūko cilindriskās koordinātēs (4. att.).
Temperatūra mainās tikai pa rādiusu un visā caurules garumā l un gar tā perimetru paliek nemainīgs.
Šajā gadījumā siltuma plūsmas vienādojumam ir šāda forma:
. (15)
Atkarība (15) parāda, ka caur cilindra sienu nodotais siltuma daudzums ir tieši proporcionāls siltumvadītspējas koeficientam λ , caurules garums l un temperatūras starpība ( t w1 - t w2) un apgriezti proporcionāls cilindra ārējā diametra attiecības dabiskajam logaritmam d 2 līdz tā iekšējam diametram d 1.
Rīsi. 4. Temperatūras izmaiņas viena slāņa cilindriskas sienas biezumā.
Plkst λ = const temperatūras sadalījums pa rādiusu r viena slāņa cilindriska siena pakļaujas logaritma likumam (4. att.).
Piemērs... Cik reizes samazinās siltuma zudumi caur ēkas sienu, ja starp diviem ķieģeļu slāņiem ar biezumu 250 mm uzstādiet 50 mm biezu putuplasta paliktni mm... Siltumvadītspējas koeficienti ir attiecīgi vienādi: λ kirp . = 0,5 W/(m K); λ pildspalva. . = 0,05 W/(m K).
Saskaņā ar federālā likuma Nr.261-FZ "Par enerģijas taupīšanu" prasībām Krievijā ir stingrākas prasības ēku un siltumizolācijas materiālu siltumvadītspējai. Mūsdienās siltumvadītspējas mērīšana ir viens no obligātajiem punktiem, lemjot, vai izmantot materiālu kā siltumizolatoru.
Kāpēc būvniecībā ir jāmēra siltumvadītspēja?
Būvmateriālu un siltumizolācijas materiālu siltumvadītspējas kontrole tiek veikta visos to sertifikācijas un ražošanas posmos laboratorijas apstākļos, kad materiāli tiek pakļauti dažādiem faktoriem, kas ietekmē tā ekspluatācijas īpašības. Ir vairākas izplatītas metodes siltumvadītspējas mērīšanai. Precīzai laboratoriskai materiālu pārbaudei ar zemu siltumvadītspēju (zem 0,04 - 0,05 W / m * K) ieteicams izmantot ierīces, izmantojot stacionārās siltuma plūsmas metodi. To izmantošanu regulē GOST 7076.
Uzņēmums Interpribor piedāvā siltumvadītspējas mērītāju, kura cena ir izdevīga salīdzinājumā ar tirgū esošajiem un atbilst visām mūsdienu prasībām. Tā paredzēta ēku un siltumizolācijas materiālu laboratoriskai kvalitātes kontrolei.
Siltumvadītspējas mērītāja ITS-1 priekšrocības
Siltumvadītspējas mērītājam ITS-1 ir oriģināls monobloka dizains, un to raksturo šādas priekšrocības:
- automātiskais mērīšanas cikls;
- augstas precizitātes mērīšanas ceļš, kas ļauj stabilizēt ledusskapja un sildītāja temperatūru;
- iespēja kalibrēt ierīci noteikta veida pētāmiem materiāliem, kas papildus palielina rezultātu precizitāti;
- izteiktu rezultāta novērtējumu mērījumu gaitā;
- optimizēta "karstā" drošības zona;
- informatīvs grafiskais displejs, kas vienkāršo mērījumu rezultātu kontroli un analīzi.
ITS-1 tiek piegādāts vienā pamata modifikācijā, kuru pēc klienta pieprasījuma var papildināt ar kontrolparaugiem (plexiglass un penoplekss), kasti beramajiem materiāliem un aizsargmaciņu ierīces uzglabāšanai un transportēšanai.
