Bir maddenin termal iletkenliğini incelemek için iki grup yöntem kullanılır: sabit ve durağan olmayan.
Durağan yöntemler teorisi daha basit ve daha tam gelişmiştir. Ancak durağan olmayan yöntemler, prensip olarak, ısıl iletkenlik katsayısına ek olarak, ısıl yayılma ve ısı kapasitesi katsayıları hakkında bilgi edinilmesine izin verir. Bu nedenle, Son zamanlarda maddelerin termofiziksel özelliklerini belirlemek için durağan olmayan yöntemlerin geliştirilmesine büyük önem verilmektedir.
Burada maddelerin ısıl iletkenlik katsayısını belirlemek için bazı sabit yöntemler ele alınmaktadır.
a) Düz katman yöntemi. Düz bir tabaka boyunca tek boyutlu bir ısı akısı ile, termal iletkenlik katsayısı formül ile belirlenir.
nerede D - kalınlık, T 1 ve T 2 - numunenin "sıcak" ve "soğuk" yüzeyinin sıcaklıkları.
Bu yöntemle termal iletkenliği incelemek için tek boyutluya yakın bir ısı akısı oluşturmak gerekir.
Genellikle, sıcaklıklar numunenin yüzeyinde değil, onlardan belirli bir mesafede ölçülür (bkz. Şekil 2), bu nedenle ısıtıcı ve buzdolabı katmanlarındaki sıcaklık farkı için düzeltmelerin ölçülen sıcaklık farkına dahil edilmesi gerekir. , kontakların termal direncini en aza indirmek için.
Sıvıları incelerken, konveksiyon olgusunu ortadan kaldırmak için sıcaklık gradyanı yerçekimi alanı boyunca (aşağıya doğru) yönlendirilmelidir.
Pirinç. 2. Termal iletkenliği ölçmek için düz tabaka yöntemlerinin şeması.
1 - test örneği; 2 - ısıtıcı; 3 - buzdolabı; 4, 5 - yalıtım halkaları; 6 - güvenlik ısıtıcıları; 7 - termokupllar; 8, 9 - diferansiyel termokupllar.
b) Jaeger yöntemi. Yöntem, bir elektrik akımıyla ısıtılan bir çubuk boyunca ısının yayılmasını tanımlayan tek boyutlu bir ısı iletim denkleminin çözülmesine dayanmaktadır. Bu yöntemi kullanmanın zorluğu, numunenin dış yüzeyinde ısı akışının tek boyutluluğunu ihlal eden katı adyabatik koşullar yaratmanın imkansızlığından kaynaklanmaktadır.
Hesaplama formülü:
(14)
nerede s- test örneğinin elektriksel iletkenliği, sen- çubuğun uçlarındaki uç noktalar arasındaki voltaj düşüşü, DT- çubuğun ortası ile çubuğun ucundaki bir nokta arasındaki sıcaklık farkı.
Pirinç. 3. Jaeger yönteminin şeması.
1 - elektrikli fırın; 2 - örnek; 3 - numuneyi sabitlemek için pimler; Т 1 ¸ Т 6 - termokupl sonlandırma noktaları.
Bu yöntem, elektriksel olarak iletken malzemelerin incelenmesinde kullanılır.
v) Silindirik katman yöntemi.İncelenen sıvı (dökme malzeme, eş eksenli olarak yerleştirilmiş iki silindirden oluşan silindirik bir tabakayı doldurur. Silindirlerden biri, çoğunlukla iç kısım, bir ısıtıcıdır (Şekil 4).
Şekil 4 Silindirik katman yönteminin şematik diyagramı
1 - iç silindir; 2 - ana ısıtıcı; 3 - araştırılan maddenin tabakası; 4 - dış silindir; 5 - termokupllar; 6 - güvenlik silindirleri; 7 - ek ısıtıcılar; 8 - durum.
Dış ve iç yüzeylerinin sıcaklığı sabit tutulan ve T 1 ve T 2'ye eşit olan silindirik bir duvardaki durağan termal iletkenlik sürecini daha ayrıntılı olarak ele alalım (bizim durumumuzda, bu incelenen bir katmandır). madde 5). Silindirik duvarın iç çapının d 1 = 2r 1 ve dış çapın d 2 = 2r 2, l = const olması ve ısının sadece radyal yönde yayılması şartıyla, duvardan geçen ısı akışını belirleyelim. .
Problemi çözmek için denklem (12) kullanıyoruz. Silindirik koordinatlarda, 
; denklem (12), (10'a göre) vit alır:
. (15)
Notasyonu tanıtalım dT/doktor= 0, alırız
Bu ifadeyi entegre ettikten ve güçlendirdikten sonra, orijinal değişkenlere geçerek şunu elde ederiz:
. (16)
Bu denklemden görülebileceği gibi, T = f (r) bağımlılığı logaritmiktir.
Entegrasyon sabitleri C1 ve C2, sınır koşulları bu denklemde ikame edilirse belirlenebilir:
de r = r 1 T = T 1 ve T1 = C1 içinde r1 + C2,
de r = r 2 T = T 2 ve T2 = C1 içinde r2 + C2.
Bu denklemlerin çözümü İLE 1 ve C2 verir:
; 
Bu ifadelerin yerine C1 ve C2(1b) denkleminde, elde ederiz
(17)
yarıçaplı silindirik bir yüzey alanı boyunca ısı akısı r ve uzunluk Fourier yasası (5) kullanılarak belirlenir.
.
Değiştirmeden sonra, alırız
. (18)
Bilinen değerlerde termal iletkenlik katsayısı l Q, T 1 , T 2 , D 1 , D 2, formülle hesaplanır
. (19)
Konveksiyonu bastırmak için (bir sıvı durumunda), silindirik tabaka küçük bir kalınlığa, genellikle bir milimetrenin bir kısmına sahip olmalıdır.
Silindirik tabaka yönteminde uç kayıplarda azalma oranı / oranı artırılarak elde edilir. D ve güvenlik ısıtıcıları.
G) Isıtmalı tel yöntemi. Bu yöntemde, oran / D azaldıkça artar D... İç silindir, hem ısıtıcı hem de dirençli termometre olan ince bir tel ile değiştirilir (Şekil 5). Tasarımın göreceli basitliği ve teorinin ayrıntılı gelişimi sonucunda, ısıtılmış tel yöntemi en gelişmiş ve doğru yöntemlerden biri haline geldi. Sıvıların ve gazların termal iletkenliği ile ilgili deneysel çalışmaların pratiğinde lider bir yer tutar.
Pirinç. 5. Isıtmalı tel yöntemine göre yapılan ölçüm hücresinin şeması. 1 - ölçüm kablosu, 2 - tüp, 3 - test maddesi, 4 - akım uçları, 5 - potansiyel çıkışlar, 6 - harici termometre.
AB bölümünden gelen tüm ısı akışının radyal olarak yayılması ve T 1 - T 2 sıcaklık farkının büyük olmaması koşuluyla, l = const bu sınırlar içinde kabul edilebilir, bir maddenin termal iletkenlik katsayısı formülle belirlenir.
, (20)
nerede Q AB = T × U AB, kabloda harcanan güçtür.
e) Top yöntemi. Sıvıların ve dökme malzemelerin termal iletkenliğini araştırma pratiğinde kullanılır. Test maddesine, prensipte kontrolsüz ısı kaybını dışlamaya izin veren küresel bir tabaka şekli verilir. Teknik olarak, bu yöntem oldukça karmaşıktır.
İnşaatın ölçeği ne olursa olsun, ilk adım bir proje geliştirmektir. Çizimler sadece yapının geometrisini değil, aynı zamanda ana termal özelliklerin hesaplanmasını da yansıtmaktadır. Bunu yapmak için termal iletkenliği bilmeniz gerekir. Yapı malzemeleri... İnşaatın temel amacı, aşırı ısınma maliyetleri olmadan konforlu, dayanıklı yapılar, sağlam yapılar inşa etmektir. Bu bakımdan malzemelerin ısıl iletkenlik katsayılarının bilinmesi son derece önemlidir.
Tuğla en iyi ısı iletkenliğine sahiptir
Göstergenin özellikleri
Termal iletkenlik terimi, termal enerjinin daha fazla ısıtılmış nesnelerden daha az ısıtılmış nesnelere transferini ifade eder. Değişim sıcaklık dengesi oluşana kadar devam eder.
Isı transferi, iç ortam sıcaklığının ortam sıcaklığı ile uyumlu olduğu sürenin uzunluğu ile belirlenir. Bu aralık ne kadar küçük olursa, yapı malzemesinin ısı iletkenliği o kadar büyük olur.
Isı iletkenliğini karakterize etmek için, belirli bir zamanda böyle bir yüzey alanından ne kadar ısı geçtiğini gösteren termal iletkenlik katsayısı kavramı kullanılır. Bu gösterge ne kadar yüksek olursa, ısı transferi o kadar büyük olur ve bina çok daha hızlı soğur. Bu nedenle, yapıları inşa ederken, minimum ısı iletkenliğine sahip yapı malzemelerinin kullanılması tavsiye edilir.
Bu videoda, yapı malzemelerinin termal iletkenliği hakkında bilgi edineceksiniz:
Isı kaybı nasıl belirlenir
Isının kaçtığı binanın ana unsurları:
- kapılar (%5-20);
- cinsiyet (%10-20);
- çatı (%15-25);
- duvarlar (%15-35);
- pencereler (%5-15).
Isı kaybı seviyesi, bir termal kamera kullanılarak belirlenir. Kırmızı, en zor alanları, sarı ve yeşil ise daha az ısı kaybını gösterir. En düşük kayıplara sahip alanlar mavi renkle vurgulanır. Isı iletkenlik değeri laboratuvar koşullarında belirlenir ve malzemeye kalite belgesi verilir.
Isı iletkenliğinin değeri aşağıdaki parametrelere bağlıdır:
- gözeneklilik. Gözenekler yapının heterojenliğini gösterir. İçlerinden ısı geçtiğinde, soğutma minimum olacaktır.
- Nem. Yüksek bir nem seviyesi, kuru havanın gözeneklerden sıvı damlacıkları tarafından yer değiştirmesine neden olur, bu nedenle değer birçok kez artar.
- Yoğunluk. Daha yüksek yoğunluk, parçacıkların daha aktif etkileşimini destekler. Sonuç olarak, ısı transferi ve sıcaklık dengelemesi daha hızlıdır.
Termal iletkenlik katsayısı
Evdeki ısı kaybı kaçınılmazdır, ancak pencerenin dışındaki sıcaklık binadakinden daha düşük olduğunda meydana gelir. Yoğunluk değişkendir ve başlıcaları aşağıdakiler olan birçok faktöre bağlıdır:
- Isı transferinde yer alan yüzeylerin alanı.
- Yapı malzemelerinin ve yapı elemanlarının ısıl iletkenlik indeksi.
- Sıcaklık farkı.
Yapı malzemelerinin ısıl iletkenlik katsayısını belirtmek için Yunanca λ harfi kullanılır. Ölçü birimi W / (m × ° C)'dir. Hesaplama, 1 m²'lik bir metre kalınlığındaki duvar için yapılır. Burada 1 ° C'lik bir sıcaklık farkı varsayılmaktadır.
pratik örnek
Geleneksel olarak, malzemeler ısı yalıtımlı ve yapısal malzemelere ayrılır. İkincisi en yüksek ısı iletkenliğine sahiptir, duvarları, tavanları ve diğer çitleri inşa etmek için kullanılırlar. Malzeme tablosuna göre, betonarme duvarlar yapılırken düşük ısı transferi sağlamak için Çevre kalınlıkları yaklaşık 6 m olmalıdır, ancak sonra yapı hantal ve pahalı olacak.
Tasarım sırasında yanlış bir termal iletkenlik hesaplaması durumunda, gelecekteki evin sakinleri, enerji kaynaklarından gelen ısının sadece% 10'undan memnun olacaktır. Bu nedenle, standart yapı malzemelerinden yapılmış evlerin ayrıca yalıtılması tavsiye edilir.
Yalıtımın doğru su yalıtımı yapılırken, yüksek nem ısı yalıtımının kalitesini etkilemez ve yapının ısı transferine karşı direnci çok daha yüksek olur.
Çoğu en iyi seçenek- yalıtım kullanın
En yaygın seçenek, ek ısı yalıtımı ile yüksek mukavemetli malzemelerden yapılmış destekleyici bir yapının bir kombinasyonudur. Örneğin:
- Çerçeve ev. Direkler arasına izolasyon konur. Bazen ısı transferinde hafif bir azalma ile ana çerçevenin dışında ek yalıtım gerekir.
- Standart malzemelerin yapımı. Duvarlar tuğla veya kül blok olduğunda yalıtım dışarıdan yapılır.
Dış duvarlar için yapı malzemeleri
Duvarlar bugün inşa ediliyor farklı malzemeler Bununla birlikte, en popüler kalıntılar: ahşap, tuğla ve yapı taşları... Temel fark, yapı malzemelerinin yoğunluğu ve ısı iletkenliğidir. Karşılaştırmalı analiz bu parametreler arasındaki ilişkide bir orta yol bulmanızı sağlar. Yoğunluk ne kadar yüksek olursa, malzemenin taşıma kapasitesi ve dolayısıyla tüm yapı o kadar büyük olur. Ancak ısıl direnç azalır, yani enerji maliyetleri artar. Genellikle daha düşük yoğunlukta gözeneklilik vardır.
Isı iletkenlik katsayısı ve yoğunluğu.
Duvarlar için yalıtım
Dış duvarların ısıl direnci yeterli olmadığında yalıtım malzemeleri kullanılır. Genellikle odalarda rahat bir mikro iklim oluşturmak için 5-10 cm kalınlık yeterlidir.
λ katsayısının değeri aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Termal iletkenlik, bir malzemenin ısıyı kendi içinden iletme yeteneğini ölçer. Kompozisyona ve yapıya oldukça bağımlıdır. Metaller ve taş gibi yoğun malzemeler iyi ısı iletkenleridir, gaz ve gözenekli yalıtım gibi düşük yoğunluklu malzemeler ise zayıf iletkenlerdir.
Termal iletkenlik, malzemelerin en önemli termofiziksel özelliğidir. Isıtma cihazları tasarlanırken, ısı kayıplarını dikkate alarak koruyucu kaplamaların kalınlığını seçerken dikkate alınmalıdır. Elinizde veya mevcut ilgili bir referans kitabı yoksa ve malzemenin bileşimi tam olarak bilinmiyorsa, termal iletkenliği deneysel olarak hesaplanmalı veya ölçülmelidir.
Malzemelerin ısıl iletkenliğinin bileşenleri
Isıl iletkenlik, belirli boyutlarda homojen bir gövdede ısı transferi sürecini karakterize eder. Bu nedenle, ölçüm için başlangıç parametreleri şunlardır:
- Isı akışının yönüne dik yönde alan.
- Isı enerjisinin transferinin gerçekleştiği zaman.
- Bir parçanın veya test numunesinin birbirinden ayrı, en uzak kısımları arasındaki sıcaklık farkı.
- Isı kaynağı gücü.
Sonuçların maksimum doğruluğunu korumak için, sabit (zaman içinde kurulmuş) ısı transfer koşulları oluşturmak gerekir. Bu durumda zaman faktörü ihmal edilebilir.
Termal iletkenlik iki şekilde belirlenebilir - mutlak ve bağıl.
Termal iletkenliği değerlendirmek için mutlak yöntem
Bu durumda, incelenen örneğe yönlendirilen ısı akışının doğrudan değeri belirlenir. Çoğu zaman, numune bir çubuk veya plaka olarak alınır, ancak bazı durumlarda (örneğin, eş eksenli olarak yerleştirilmiş elemanların termal iletkenliğini belirlerken) içi boş bir silindir gibi görünebilir. Katmanlı numunelerin dezavantajı, zıt yüzeylerin katı düzlem paralelliğine ihtiyaç duymasıdır.
Bu nedenle, yüksek termal iletkenlik ile karakterize edilen metaller için, çubuk şeklindeki bir numune daha sık kabul edilir.
Ölçümlerin özü aşağıdaki gibidir. Zıt yüzeylerde, numune yüzeylerinden birine kesinlikle dik yerleştirilmiş bir ısı kaynağından kaynaklanan sabit sıcaklıklar korunur.
Bu durumda, aranan termal iletkenlik parametresi λ olacaktır.
λ = (Q * d) / F (T2-T1), W / m ∙ K, burada:
Q, ısı akışının gücüdür;
d numunenin kalınlığıdır;
F, ısı akısından etkilenen numunenin alanıdır;
Т1 ve Т2 numune yüzeylerindeki sıcaklıklardır.
Elektrikli ısıtıcılar için ısı akışının gücü, güç UI'leri ile ifade edilebildiğinden ve numuneye bağlı sıcaklık sensörleri sıcaklığı ölçmek için kullanılabildiğinden, termal iletkenliği λ hesaplamak zor olmayacaktır.
Verimsiz ısı kaybını ortadan kaldırmak ve yöntemin doğruluğunu artırmak için numune ve ısıtıcı düzeneği, örneğin bir Dewar şişesi gibi etkin bir ısı yalıtım hacmine yerleştirilmelidir.
Termal iletkenliği belirlemek için bağıl yöntem
Karşılaştırmalı değerlendirme yöntemlerinden biri kullanılırsa, ısı akışı gücü faktörü dikkate alınmayabilir. Bu amaçla, ısıl iletkenliği belirlenmesi gereken çubuk ile malzemenin ısıl iletkenliği λ 3 bilinen ısı kaynağı arasına bir referans numune yerleştirilir. Ölçüm hatalarını ortadan kaldırmak için numuneler birbirine sıkıca bastırılır. Ölçülecek numunenin karşı ucu bir soğutma banyosuna daldırılır, ardından her iki çubuğa iki termokupl bağlanır.
Termal iletkenlik ifadeden hesaplanır
λ = λ 3 (d (T1 3 -T2 3) / d 3 (T1-T2)), burada:
d, test numunesindeki termokupllar arasındaki mesafedir;
d3, referans numunedeki termokupllar arasındaki mesafedir;
T1 3 ve T2 3 - referans numuneye yerleştirilmiş termokupl okumaları;
T1 ve T2 - test örneğine takılan termokuplların okumaları.
Termal iletkenlik, numune malzemesinin bilinen elektrik iletkenliğinden γ da belirlenebilir. Bunun için, uçlarında herhangi bir şekilde sabit bir sıcaklığın korunduğu bir test örneği olarak bir tel iletken alınır. İletkenden I kuvvetine sahip sabit bir elektrik akımı geçirilir ve terminal kontağı ideale yakın olmalıdır.
Sabit bir termal duruma ulaşıldığında, maksimum Tmax sıcaklığı, uçlarında minimum T1 ve T2 değerleri ile numunenin ortasına yerleştirilecektir. Numunenin uç noktaları arasındaki potansiyel farkı U ölçerek, termal iletkenlik değeri, bağımlılıktan belirlenebilir.
Termal iletkenliği değerlendirmenin doğruluğu, test numunesinin uzunluğundaki bir artışın yanı sıra içinden geçen akımdaki bir artışla artar.
Termal iletkenliği ölçmek için nispi yöntemler, mutlak olanlardan daha doğrudur ve daha uygundur. pratik uygulama ancak, ölçümleri gerçekleştirmek için önemli bir zaman yatırımı gerektirir. Bunun nedeni, ısıl iletkenliği belirlenen numunede sabit bir termal durumun oluşma süresidir.
Termal hareket sürecinde. Sıvılarda ve katılarda - dielektriklerde - ısı transferi, moleküllerin ve atomların termal hareketinin komşu madde parçacıklarına doğrudan aktarılmasıyla gerçekleştirilir. Gaz halindeki cisimlerde, ısının termal iletkenlik ile yayılması, farklı termal hareket hızlarına sahip moleküllerin çarpışması sırasında enerji alışverişi nedeniyle oluşur. Metallerde, termal iletkenlik esas olarak serbest elektronların hareketi nedeniyle gerçekleştirilir.
Ana termal iletkenlik zek, tanımlarının hatırlanması ve açıklanması tavsiye edilen bir dizi matematiksel kavram içerir.
Sıcaklık alanı Zaman içinde belirli bir anda vücudun tüm noktalarındaki bir dizi sıcaklık değeridir. Matematiksel olarak şöyle tanımlanır: T = F(x, y, z, τ). Ayırmak sabit sıcaklık vücudun tüm noktalarındaki sıcaklığın zamana bağlı olmadığı (zamanla değişmediği) alan ve kararsız sıcaklık alanı... Ek olarak, eğer sıcaklık sadece bir veya iki uzaysal koordinat boyunca değişiyorsa, o zaman sıcaklık alanı sırasıyla bir veya iki boyutlu olarak adlandırılır.
izotermal yüzey- bu, sıcaklığın aynı olduğu noktaların yeridir.
Sıcaklık gradyanı — yüksek lisans izotermal yüzeyin normali boyunca yönlendirilen ve sayısal olarak bu yöndeki sıcaklığın türevine eşit olan bir vektördür.
Isı iletiminin temel yasasına göre - yasa Fourier(1822), termal iletkenlik tarafından iletilen ısı akışının yoğunluğunun vektörü, sıcaklık gradyanı ile orantılıdır:
Q = - λ yüksek lisans, (3)
nerede λ - maddenin termal iletkenlik katsayısı; ölçü birimi W/(mK).
Denklem (3)'teki eksi işareti, vektörün Q vektöre zıt yönlü yüksek lisans, yani sıcaklıktaki en büyük düşüşe doğru.
Isı akışı δQ keyfi olarak yönlendirilmiş bir temel alan aracılığıyla dF vektörün nokta çarpımına eşittir Q bir temel sitenin vektöründe dF ve toplam ısı akısı Q tüm yüzey boyunca F bu ürünün yüzeye entegre edilmesiyle belirlenir F:
ISI İLETKENLİK KATSAYISI
Termal iletkenlik katsayısı λ kayın Fourier(3) belirli bir maddenin ısı iletme yeteneğini karakterize eder. Termal iletkenlik katsayılarının değerleri, maddelerin termofiziksel özelliklerine ilişkin referans kitaplarında verilmiştir. Sayısal olarak, termal iletkenlik katsayısı λ = Q / mezun Tısı akısı yoğunluğuna eşittir Q bir sıcaklık gradyanında yüksek lisans = 1 k / m... Hafif gaz olan hidrojen, en yüksek termal iletkenliğe sahiptir. saat iç ortam koşulları hidrojenin termal iletkenliği λ = 0,2 W/(mK). Daha ağır gazların ısıl iletkenliği daha azdır - hava λ = 0,025 W/(mK), karbondioksitte λ = 0,02 W/(mK).
Saf gümüş ve bakır en yüksek termal iletkenliğe sahiptir: λ = 400 W/(mK). Karbon çelikleri için λ = 50 W/(mK). Sıvılarda, termal iletkenlik katsayısı genellikle 1'den küçüktür. W/(mK). Su, bunun için en iyi sıvı ısı iletkenlerinden biridir. λ = 0,6 W/(mK).
Metalik olmayan katı malzemelerin ısıl iletkenliği genellikle 10'un altındadır. W/(mK).
Gözenekli malzemeler - mantar, organik yün gibi çeşitli lifli dolgu maddeleri - en düşük termal iletkenlik katsayılarına sahiptir λ <0,25 W/(mK), gözenekleri dolduran havanın termal iletkenlik katsayısına düşük paketleme yoğunluğunda yaklaşıyor.
Sıcaklık, basınç ve gözenekli malzemelerde de nem, termal iletkenlik katsayısı üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Referans kitaplar her zaman belirli bir maddenin termal iletkenlik katsayısının belirlendiği koşulları verir ve diğer koşullar için bu veriler kullanılamaz. Değer aralıkları λ farklı malzemeler için Şekil 2'de gösterilmiştir. bir.
1. Çeşitli maddelerin ısıl iletkenlik katsayılarının değer aralıkları.
Termal iletkenlik ile ısı transferi
Üniforma düz duvar.
Isı transferi teorisi tarafından çözülen en basit ve en yaygın problem, kalınlığı olan düz bir duvardan iletilen ısı akısının yoğunluğunu belirlemektir. δ , sıcaklıkların korunduğu yüzeylerde t w1 ve t w2.(incir. 2). Sıcaklık sadece plakanın kalınlığı boyunca değişir - bir koordinat X. Bu tür problemlere tek boyutlu denir, çözümleri en basit olanıdır ve bu derste kendimizi sadece tek boyutlu problemleri düşünmekle sınırlayacağız.
Tek sayılı dava için bunu göz önünde bulundurarak:
yüksek lisans = dt / dx, (5)
ve temel termal iletkenlik yasasını (2) kullanarak, düz bir duvar için durağan termal iletkenliğin diferansiyel denklemini elde ederiz:
Durağan koşullar altında, ısıtma için enerji tüketilmediğinde, ısı akısı yoğunluğu Q duvar kalınlığında değişmez. Pratik problemlerin çoğunda, termal iletkenlik katsayısının yaklaşık olarak kabul edildiği varsayılır. λ sıcaklığa bağlı değildir ve tüm duvar kalınlığı boyunca aynıdır. Anlam λ bir sıcaklıkta referans kitaplarında bulunur:
duvar yüzeylerinin sıcaklıkları arasındaki ortalama. (Bu durumda, hesaplama hatası genellikle ilk verilerin ve tablo değerlerinin hatasından daha azdır ve termal iletkenlik katsayısının sıcaklığa doğrusal bağımlılığı ile: λ = a + bt için kesin hesaplama formülü Q yaklaşık değerden farklı değildir). saat λ = sabit:
(7)
şunlar. sıcaklık bağımlılığı T koordinatlardan x doğrusal (Şekil 2).
incir. 2. Düz bir duvarın kalınlığı boyunca sabit sıcaklık dağılımı.
Denklem (7)'deki değişkenleri bölmek ve üzerinde integral almak T itibaren t w1önceki t w2 ve tarafından x 0'dan δ :
, (8)
ısı akısı yoğunluğunu hesaplamak için bağımlılığı elde ederiz:
, (9)
veya ısı akışı gücü (ısı akışı):
(10)
Bu nedenle, 1 üzerinden aktarılan ısı miktarı m2 duvarlar, termal iletkenlik katsayısı ile doğru orantılı λ ve duvarın dış yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ( t w1 - t w2) ve duvar kalınlığı ile ters orantılı δ ... Alanı olan bir duvardan geçen toplam ısı miktarı F da bu alanla orantılıdır.
Elde edilen en basit formül (10) ısıl hesaplamalarda oldukça yaygındır. Bu formül kullanılarak, yalnızca düz duvarlardan geçen ısı akısı yoğunluğu hesaplanmaz, aynı zamanda hesaplamalarda karmaşık bir konfigürasyondaki duvarların düz bir duvarla değiştirilmesiyle basitleştirilmiş daha karmaşık durumlar için tahminler yapılır. Bazen, zaten bir değerlendirme temelinde, ayrıntılı çalışmasına daha fazla zaman harcamadan bir veya başka bir seçenek reddedilir.
Bir noktada vücut ısısı x formülle belirlenir:
t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)
Davranış λF / δ duvarın termal iletkenliği ve karşılıklı olarak adlandırılır. δ / λF duvarın termal veya termal direnci ve belirtilir R λ... Termal direnç kavramını kullanarak, ısı akışını hesaplama formülü şu şekilde temsil edilebilir:
Bağımlılık (11) yasaya benzer Ohm elektrik mühendisliğinde (elektrik akımının gücü, akımın aktığı iletkenin elektrik direncine bölünen potansiyel farka eşittir).
Çok sık olarak, termal dirence, 1 alana sahip düz bir duvarın termal direncine eşit olan δ / λ değeri denir. m2.
Hesaplama örnekleri.
örnek 1... 200 mm kalınlığındaki bir binanın beton duvarından geçen ısı akışını belirleyin. mm, yükseklik H = 2,5 m ve uzunluk 2 m yüzeylerindeki sıcaklıklar ise: t с1= 20 0 C, t с2= - 10 0 С ve termal iletkenlik katsayısı λ =1 W/(mK):
= 750 W.
Örnek 2... 50 kalınlığında duvar malzemesinin ısıl iletkenlik katsayısını belirleyin mm, içinden geçen ısı akısı yoğunluğu ise Q = 100 W/m2 ve yüzeylerdeki sıcaklık farkı Δt = 20 0 C
W/(mK).
çok katmanlı duvar.
Formül (10) ayrıca birkaç ( n) birbirine sıkıca bitişik farklı malzeme katmanları (Şekil 3), örneğin bir silindir kafası, bir conta ve farklı malzemelerden yapılmış bir silindir bloğu vb.
Şekil 3. Çok katmanlı düz bir duvarın kalınlığı boyunca sıcaklık dağılımı.
Böyle bir duvarın termal direnci, ayrı katmanların termal dirençlerinin toplamına eşittir:
(12)
Formül (12)'de, aralarında tüm toplam termal dirençlerin "dahil" olduğu noktalardaki (yüzeyler) sıcaklık farkını değiştirmek gerekir, yani. bu durumda: t w1 ve t w (n + 1):
, (13)
nerede Bence- katman numarası.
Sabit modda, çok katmanlı duvardan geçen özgül ısı akışı sabittir ve tüm katmanlar için aynıdır. (13)'ten şu şekildedir:
. (14)
Denklem (14)'ten, çok katmanlı duvarın toplam termal direncinin, her katmanın dirençlerinin toplamına eşit olduğu takip edilir.
Formül (13), her biri için formül (10)'a göre sıcaklık farkı yazılarak kolayca elde edilebilir. Pçok katmanlı bir duvarın katmanları ve hepsini ekleyerek P tüm katmanlarda olduğu gerçeğini dikkate alan ifadeler Q aynı anlama sahiptir. Birlikte eklendiğinde, tüm ara sıcaklıklar düşecektir.
Her katman içindeki sıcaklık dağılımı doğrusaldır, ancak farklı katmanlarda sıcaklık bağımlılığının dikliği formül (7)'ye göre farklıdır ( dt / dx)Bence = - q / λ ben... Tüm fillerden geçen ısı akışının yoğunluğu durağan modda aynıdır ve katmanların ısıl iletkenlik katsayısı farklıdır, bu nedenle ısıl iletkenliği düşük olan katmanlarda sıcaklık daha keskin değişir. Bu nedenle, Şekil 4'teki örnekte, ikinci katmanın malzemesi (örneğin bir conta), üçüncü katmanın en düşük termal iletkenliğine ve en yüksek değerine sahiptir.
Çok katmanlı duvardan geçen ısı akısı hesaplandıktan sonra, bağıntıya (10) göre her katmandaki sıcaklık düşüşünü belirlemek ve tüm katmanların sınırlarındaki sıcaklıkları bulmak mümkündür. Bu, ısı yalıtkanı olarak sınırlı izin verilen sıcaklığa sahip malzemeleri kullanırken çok önemlidir.
Katmanların sıcaklığı aşağıdaki formülle belirlenir:
t w1 = t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)
t w2 = t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)
Temas termal direnci... Çok katmanlı bir duvar için formüller türetilirken, katmanların birbirine sıkıca bitişik olduğu ve iyi temas nedeniyle farklı katmanların temas yüzeylerinin aynı sıcaklığa sahip olduğu varsayılmıştır. İdeal olarak çok katmanlı bir duvarın tek tek katmanları arasında sıkı temas, katmanlardan birinin sıvı halde veya sıvı bir çözelti biçiminde başka bir katmana uygulanması durumunda elde edilir. Rijit gövdeler sadece pürüzlülük profillerinin üst kısımları ile birbirine temas etmektedir (Şekil 4).
Köşelerin temas alanı ihmal edilebilir ve tüm ısı akışı hava boşluğundan geçer ( H). Bu, ek (temas) termal direnç oluşturur R için... Termal temas dirençleri, uygun ampirik bağımlılıklar kullanılarak veya deneysel olarak bağımsız olarak belirlenebilir. Örneğin, boşluğun ısıl direnci 0.03'tür. mm kalınlığı yaklaşık 30 olan bir çelik tabakasının ısıl direncine yaklaşık olarak eşdeğerdir. mm.
4. İki pürüzlü yüzeyin temaslarının bir görüntüsü.
Termal temas direncini azaltmak için yöntemler. Kontağın toplam termal direnci, işlemin saflığı, yük, ortamın termal iletkenliği, temas eden parçaların malzemelerinin termal iletkenliği ve diğer faktörler tarafından belirlenir.
Termal direnci azaltmanın en büyük verimliliği, metalin termal iletkenliğine yakın termal iletkenliğe sahip bir ortamın temas bölgesine sokulmasıyla sağlanır.
Temas alanını maddelerle doldurmak için aşağıdaki olanaklar mevcuttur:
Yumuşak metal contaların kullanımı;
İyi termal iletkenliğe sahip toz halindeki bir maddenin temas bölgesine giriş;
İyi termal iletkenliğe sahip viskoz bir madde bölgesine giriş;
Pürüzlülük sırtları arasındaki boşluğu sıvı metal ile doldurmak.
En iyi sonuçlar, temas bölgesi erimiş kalay ile doldurulduğunda elde edildi. Bu durumda kontağın ısıl direnci pratik olarak sıfır olur.
silindirik duvar.
Çoğu zaman, ısı taşıyıcılar borular (silindirler) boyunca hareket eder ve borunun (silindir) silindirik duvarından iletilen ısı akışının hesaplanması gerekir. Silindirik bir duvardan ısı transferi sorunu (iç ve dış yüzeylerdeki bilinen ve sabit sıcaklıklar için) silindirik koordinatlarda ele alındığında da tek boyutludur (Şekil 4).
Sıcaklık sadece yarıçap boyunca ve borunun uzunluğu boyunca değişir. ben ve çevresi boyunca değişmeden kalır.
Bu durumda, ısı akışı denklemi şu şekildedir:
. (15)
Bağımlılık (15), silindir duvarından aktarılan ısı miktarının ısıl iletkenlik katsayısı ile doğru orantılı olduğunu gösterir. λ , boru uzunluğu ben ve sıcaklık farkı ( t w1 - t w2) ve silindirin dış çapının oranının doğal logaritması ile ters orantılıdır. gün 2 iç çapına gün 1.
Pirinç. 4. Tek katmanlı silindirik bir duvarın kalınlığı boyunca sıcaklıktaki değişim.
saat λ = yarıçap boyunca sabit sıcaklık dağılımı r tek katmanlı silindirik bir duvar logaritmik yasaya uyar (Şekil 4).
Örnek... 250 mm kalınlığındaki iki kat tuğla arasında ise bina duvarından ısı kayıpları kaç kat azalır? mm 50 mm kalınlığında bir köpük ped takın mm... Termal iletkenlik katsayıları sırasıyla eşittir: λ kirp . = 0,5 W/(mK); λ kalem. . = 0,05 W/(mK).
261-FZ sayılı "Enerji Tasarrufu Hakkında" Federal Yasanın gerekliliklerine uygun olarak, Rusya'daki bina ve ısı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenliği gereklilikleri sıkılaştırıldı. Günümüzde ısı yalıtkanı olarak bir malzeme kullanılıp kullanılmayacağına karar verirken ısıl iletkenlik ölçümü zorunlu noktalardan biridir.
İnşaatta ısıl iletkenliği ölçmek neden gereklidir?
Yapı ve ısı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenliğinin kontrolü, malzemelerin operasyonel özelliklerini etkileyen çeşitli faktörlere maruz kaldığında, laboratuvar koşullarında sertifikalandırılması ve üretiminin tüm aşamalarında gerçekleştirilir. Termal iletkenliği ölçmek için birkaç yaygın yöntem vardır. Düşük termal iletkenliğe sahip (0,04 - 0,05 W / m * K'nin altında) malzemelerin doğru laboratuvar testleri için, sabit ısı akışı yöntemini kullanan cihazların kullanılması önerilir. Kullanımları GOST 7076 tarafından düzenlenir.
Interpribor şirketi, fiyatı piyasadakilerle olumlu bir şekilde karşılaştıran ve tüm modern gereksinimleri karşılayan bir termal iletkenlik ölçer sunmaktadır. Bina ve ısı yalıtım malzemelerinin laboratuvar kalite kontrolü için tasarlanmıştır.
ITS-1 termal iletkenlik ölçerin avantajları
ITS-1 termal iletkenlik ölçer, orijinal bir monoblok tasarıma sahiptir ve aşağıdaki avantajlarla karakterize edilir:
- otomatik ölçüm döngüsü;
- buzdolabının ve ısıtıcının sıcaklıklarının dengelenmesini sağlayan yüksek hassasiyetli ölçüm yolu;
- sonuçların doğruluğunu ek olarak artıran, incelenen belirli malzeme türleri için cihazı kalibre etme yeteneği;
- ölçümler sırasında sonucun değerlendirilmesini ifade etmek;
- optimize edilmiş "sıcak" güvenlik bölgesi;
- Ölçüm sonuçlarının kontrolünü ve analizini basitleştiren bilgilendirici grafik ekran.
ITS-1, müşterinin talebi üzerine kontrol numuneleri (pleksiglas ve penoplex), dökme malzemeler için bir kutu ve cihazın saklanması ve taşınması için koruyucu bir kılıf ile desteklenebilen tek bir temel modifikasyonda sağlanır.
