Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение
«Виды теплопередачи:
теплопроводность, конвекция, излучение»
Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.
Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.
Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.
Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.
Конвекция
Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.
Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.
Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.
Излучение
Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.
Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.
Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.
Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».
Следующая тема: «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость».
Теплопроводность
Омский государственный технический университет
Кафедра «Гидромеханика и транспортные машины»
Домашнее задание по дисциплине
«Теплотехника»
Тема: «Теплопроводность»
Выполнила: студент гр. ЗЭТМ-161
Зандер А.А.
Проверил:
к.т.н., доцент Павлюченко Е.А.
Омск 2018
Содержание
Список использованной литературы 35
Введение.
Теплопроводность — вид передачи теплоты между неподвижными частицами твердого, жидкого или газообразными вещества. Таким образом, теплопроводность — это теплообмен между частицами или элементами структуры материальной среды, находящимися в непосредственном соприкосновении друг с другом.
В чистом виде теплопроводность встречается только в твердых телах, так как в жидких и газообразных средах практически невозможно обеспечить неподвижность вещества.
Большинство строительных материалов являются пористыми телами. В порах находится воздух, имеющий возможность двигаться, то есть переносить теплоту конвекцией. Считается, что конвективной составляющей теплопроводности строительных материалов можно пренебречь ввиду ее малости.
Теплопроводность λ является одной из основных тепловых характеристик материала. Как следует из уравнения теплопроводность материала — это мера проводимости теплоты материалом, численно равная тепловому потоку, проходящему сквозь 1 м2 площади, перпендикулярной направлению потока, при градиенте температуры вдоль потока, равном 1 оС/м. Чем больше значение λ, тем интенсивнее в таком материале процесс теплопроводности, больше тепловой поток. Поэтому теплоизоляционными материалами принято считать материалы с теплопроводностью менее 0,3 Вт/м. оС.
Теплопроводность материала увеличивается с повышением температуры, при которой происходит передача теплоты. Увеличение теплопроводности материалов объясняется возрастанием кинетической энергии молекул скелета вещества. Увеличивается также и теплопроводность воздуха в порах материала, и интенсивность передачи в них теплоты излучением.
Теплообмен теплопроводностью имеет место в материальных слоях ограждающих конструкций здания.
1. Основные понятия и определения
Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры.
Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Перенос теплоты может передаваться тремя способами:
— теплопроводностью;
— конвекцией;
— излучением (радиацией).
Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит непосредственно при контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный перенос передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними молекулами, сообщают им часть кинетической энергии.
Конвекция— это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости и газа. При этом, перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа прямо пропорционально. Это вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.
В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Это процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.
Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в пространстве, поглощение излучения другим телом. Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно-конвективным теплообменом.
Совокупность всех трех видов теплообмена называют сложным теплообменом.
В большинстве случаев перенос теплоты осуществляется несколькими способами одновременно, хотя часто одним или даже двумя способами пренебрегают ввиду их относительно небольшого вклада в суммарный сложный теплоперенос.
Количественные характеристики переноса теплоты
Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока, т.е. количеством теплоты, передаваемой в единицу времени через единичную площадь поверхности. Эта величина измеряется вВт/м2 и обычно обозначается q.Следует обратить внимание на то, что в термодинамике теми же буквами обозначают другие величины: Q — количество теплоты, q -удельное количество теплоты, т. е. отнесенное к единице массы рабочего тела.
Количество теплоты, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность F, в теории теплообмена принято называть мощностью теплового потока или просто тепловым потоком и обозначать буквой Q. Единицей ее измерения обычно служит Дж/с, т.е. Вт.
Количество теплоты, передаваемое за произвольный промежуток времени τ через произвольную поверхность F, обозначают как Qτ. Используя эти обозначения, можно записать соотношение между рассмотренными величинами:
(1)
В общем случае тепловой поток Q,а соответственно, количество теплоты Qτ могут изменяться как по времени, так и по координатам, где выражение (1) можно записывать только в дифференциальной форме:
(2)
2. теплопроводность
Основные определения
Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты структурными частицами вещества- молекулами, атомами, электронами- в процессе их теплового движения. В жидкостях и твердых телах- диэлектриках- перенос теплоты осуществляется путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним частицам вещества. В газообразных телах распространение теплоты теплопроводностью происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения. В металлах теплопроводность осуществляется главным образом вследствие движения свободных электронов.
В основной зеком теплопроводности входит ряд математических понятий, определения которых, целесообразно напомнить и пояснить.
Температурное поле — это совокупности значений температуры во всех точках тела в данный момент времени. Математически оно описывается ввиде t = f(x,y,z,τ). Различают стационарное температурное поле, когда температура во всех точках тела не зависит от времени (не изменяется с течением времени), и нестационарное температурное поле. Кроме того, если температура изменяется только по одной или двум пространственным координатам, то температурное поле называют соответственно одно- или двух — мерным.
Изотермическая поверхность – это геометрическое место точек, температура в которых одинакова.
Градиент температуры — grad tесть вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности и численно равный производной от температуры по этому направлению.
Согласно основному закону теплопроводности — закону Фурье (1822 г.), вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры:
q = — λ grad t, (3)
где λ — коэффициент теплопроводности вещества; его единица измерения Вт/(м·К).
Знак минус в уравнении (3) указывает на то, что вектор q направлен противоположно вектору grad t, т.е. в сторону наибольшего уменьшения температуры.
Тепловой поток δQ через произвольно ориентированную элементарную площадку dFравен скалярному произведению вектора q на вектор элементарной площадки dF, а полный тепловой поток Qчерез всю поверхность Fопределяется интегрированием этого произведения по поверхности F:
(4)
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Коэффициент теплопроводности λ в законе Фурье (3) характеризует способность данного вещества проводить теплоту. Значения коэффициентов теплопроводности приводятся в справочниках по теплофизическим свойствам веществ. Численно коэффициент теплопроводности λ = q/grad t равен плотности теплового потока q при градиенте температуры grad t = 1 К/м. Наибольшей теплопроводностью обладает легкий газ — водород. При комнатных условиях коэффициент теплопроводности водорода λ = 0,2 Вт/(м·К). У более тяжелых газов теплопроводность меньше — у воздуха λ = 0,025 Вт/(м·К), у диоксида углерода λ = 0,02 Вт/(м·К).
Наибольшим коэффициентом теплопроводности обладают чистые серебро и медь: λ = 400 Вт/(м·К). Для углеродистых сталей λ = 50 Вт/(м·К). У жидкостей коэффициент теплопроводности, как правило, меньше 1 Вт/(м·К). Вода является одним из лучших жидких проводников теплоты, для нее λ = 0,6 Вт/(м·К).
Коэффициент теплопроводности неметаллических твердых материалов обычно ниже 10 Вт/(м·К).
Пористые материалы – пробка, различные волокнистые наполнители типа органической ваты – обладают наименьшими коэффициентами теплопроводности λВт/(м·К), приближающимся при малой плотности набивки к коэффициенту теплопроводности воздуха, наполняющего поры.
Значительное влияние на коэффициент теплопроводности могут оказывать температура, давление, а у пористых материалов ещё и влажность. В справочниках всегда приводятся условия, при которых определялся коэффициент теплопроводности данного вещества, и для других условий эти данные использовать нельзя. Диапазоны значений λ для различных материалов приведены на рис. 1.
Рис.1. Интервалы значений коэффициентов теплопроводности различных веществ.
Перенос теплоты теплопроводностью
Однородная плоская стенка.
Простейшей и очень распространенной задачей, решаемой теорией теплообмена, является определение плотности теплового потока, передаваемого через плоскую стенку толщиной δ, на поверхностях которой поддерживаются температуры tw1 и tw2. (рис.2). Температура изменяется только по толщине пластины — по одной координате х. Такие задачи называются одномерными, решения их наиболее просты, и в данном курсе мы ограничимся рассмотрением только одномерных задач. Учитывая, что для одномерного случая:
grad t = dt/dх, (5)
и используя основной закон теплопроводности (2), получаем дифференциальное уравнение стационарной теплопроводности для плоской стенки:
(6)
В стационарных условиях, когда энергия не расходуется на нагрев, плотность теплового потока qнеизменна по толщине стенки. В большинстве практических задач приближенно предполагается, что коэффициент теплопроводности λ не зависит от температуры и одинаков по всей толщине стенки. Значение λ находят в справочниках при температуре:
, (6)
средней между температурами поверхностей стенки. (Погрешность расчетов при этом обычно меньше погрешности исходных данных и табличных величин, а при линейной зависимости коэффициента теплопроводности от температуры: λ = а+ bt точная расчетная формула для qне отличается от приближенной). При λ = const:
(7)
т.е. зависимость температуры t от координаты х линейна (рис. 2).
Рис.2. Стационарное распределение температуры по толщине плоской стенки.
Разделив переменные в уравнении (7) и проинтегрировав по t от tw1 до tw2 и по х от 0 до δ:
, (8)
получим зависимость для расчета плотности теплового потока:
, (9)
или мощность теплового потока (тепловой поток):
(10)
Следовательно, количество теплоты, переданной через 1 м2 стенки, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ и разности температур наружных поверхностей стенки (tw1 – tw2) и обратно пропорционально толщине стенки δ. Общее количество теплоты через стенку площадью F еще и пропорционально этой площади.
Полученная простейшая формула (10) имеет очень широкое распространение в тепловых расчетах. По этой формуле не только рассчитывают плотности теплового потока через плоские стенки, но и делают оценки для случаев более сложных, упрощенно заменяя в расчетах стенки сложной конфигурации на плоскую стенку. Иногда уже на основании оценки тот или иной вариант отвергается без дальнейших затрат времени на его детальную проработку.
Но формуле (10) можно рассчитать коэффициент теплопроводности материала, если экспериментально измерить тепловой поток и разность температур на поверхностях пластины (стенки) известных размеров.
Температура тела в точке х определяется по формуле:
tx=tw1-(tw1— tw2)(x)
Отношение λF/δ называется тепловой проводимостью стенки, а обратная величина δ/λF тепловым или термическим сопротивлением стенки и обозначается Rλ. Пользуясь понятием термического сопротивления, формулу для расчета теплового потока можно представить в виде:
. (11)
Зависимость (11) аналогична закону Ома в электротехнике (сила электрического тока равна разности потенциалов, деленной на электрическое сопротивление проводника, по которому течет ток).
Очень часто термическим сопротивлением называют величину δ/λ, которая равна термическому сопротивлению плоской стенки площадью 1 м2.
Примеры расчетов.
Пример 1. Определить тепловой поток через бетонную стену здания толщиной 200 мм, высотой H = 2,5 м и длиной 2 м, если температуры на ее поверхностях: tс1 = 200С, tс2 = — 100С, а коэффициент теплопроводности λ =1 Вт/(м·К):
= 750 Вт.
Многослойная стенка.
Формулой (10) можно воспользоваться и для расчета теплового потока через стенку, состоящую из нескольких (n) плотно прилегающих друг к другу слоев разнородных материалов (рис. 3), например, головку цилиндров, прокладку и блока цилиндров, выполненных из разных материалов, и т д.
Рис.3. Распределение температуры по толщине многослойной плоской стенки.
Термическое сопротивление такой стенки равно сумме термических сопротивлений отдельных слоев:
(12)
В формулу (12) нужно подставить разность температур в тех точках (поверхностях), между которыми «включены» все суммируемые термические сопротивления, т.е. в данном случае: tw1 и tw(n+1):
, (13)
где i– номер слоя.
При стационарном режиме удельный тепловой поток через многослойную стенку постоянен и для всех слоев одинаков. Из (13) следует:
. (14)
Из уравнения (14) следует, что общее термическое сопротивление многослойной стенки равно сумме сопротивлений каждого слоя.
Формулу (13) легко получить, записав разность температур по формуле (10) для каждого из п слоев многослойной стенки и сложив все п выражений с учетом того, что во всех слоях Q имеет одно и то же значение. При сложении все промежуточные температуры сократятся.
Распределение температуры в пределах каждого слоя — линейное, однако, в различных слоях крутизна температурной зависимости различна, поскольку согласно формуле (7) (dt/dx)i = — q/λi. Плотность теплового потока, проходящего через все слон, в стационарном режиме одинакова, а коэффициент теплопроводности слоев различен, следовательно, более резко температура меняется в слоях с меньшей теплопроводностью. Так, в примере на рис.4 наименьшей теплопроводностью обладает материал второго слоя (например, прокладки), а наибольшей — третьего слоя.
Рассчитав тепловой поток через многослойную стенку, можно определить падение температуры в каждом слое по соотношению (10) и найти температуры на границах всех слоев. Это очень важно при использовании в качестве теплоизоляторов материалов с ограниченной допустимой температурой.
Температура слоев определяется по следующей формуле:
tсл1=tcт1—q(11-1)
tсл2=tcл1—q(22-1)
Контактное термическое сопротивление. При выводе формул для многослойной стенки предполагалось, что слои плотно прилегают друг к другу, и благодаря хорошему контакту соприкасающиеся поверхности разных слоев имеют одну и ту же температуру. Идеально плотный контакт между отдельными слоями многослойной стенки получается, если одни из слоев наносят на другой слой в жидком состоянии или в виде текучего раствора. Твердые тела касаются друг друга только вершинами профилей шероховатостей (рис.4). Площадь контакта вершин пренебрежимо мала, и весь тепловой поток идет через воздушный зазор (h). Это создает дополнительное (контактное) термическое сопротивление Rк. Термические контактные сопротивления, могут быть определены самостоятельно с использованием соответствующих эмпирических зависимостей или экспериментально. Например, термическое сопротивление зазора в 0,03 мм примерно эквивалентно термическому сопротивлению слоя стали толщиной около 30 мм.
Рис.4. Изображение контактов двух шероховатых поверхностей.
Методы снижения термического контактного сопротивления. Полное термическое сопротивление контакта определяется чистотой обработки, нагрузкой, теплопроводностью среды, коэффициентами теплопроводности материалов контактирующих деталей и другими факторами.
Наибольшую эффективность снижения термического сопротивления дает введение в контактную зону среды с теплопроводностью, близкой к теплопроводности металла.
Существуют следующие возможности заполнения контактной зоны веществами:
использование прокладок из мягких металлов;
введение в контактную зону порошкообразного вещества с хорошей тепловой проводимостью;
введение в зону вязкого вещества с хорошей тепловой проводимостью;
заполнение пространства между выступами шероховатостей жидким металлом.
Наилучшие результаты получены при заполнении контактной зоны расплавленным оловом. В этом случае термическое сопротивление контакта практически становится равным нулю.
Цилиндрическая стенка.
Очень часто теплоносители движутся по трубам (цилиндрам), и требуется рассчитать тепловой поток, передаваемый через цилиндрическую стенку трубы (цилиндра). Задача о передаче теплоты через цилиндрическую стенку (при известных и постоянных значениях температуры на внутренней и наружной поверхностях) также является одномерной, если ее рассматривать в цилиндрических координатах (рис.4).
Температура изменяется только вдоль радиуса, а по длине трубы l и по ее периметру остается неизменной. В этом случае уравнение теплового потока имеет вид:
. (15)
Зависимость (15) показывает, что количество теплоты, переданной через стенку цилиндра, прямо пропорционально коэффициенту теплопроводности λ, длине трубы l и температурному напору (tw1 – tw2) и обратно пропорционально натуральному логарифму отношения внешнего диаметра цилиндра d2 к его внутреннему диаметру d1.
Рис. 4. Изменение температуры по толщине однослойной цилиндрической стенки.
При λ = const распределение температуры порадиусу r однослойной цилиндрической стенки подчиняется логарифмическому закону (рис. 4).
3. Конвективный теплообмен (теплоотдача)
Основной закон конвективного теплообмена.
Обычно жидкие и газообразные теплоносители нагреваются или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Например, воздух в комнате греется от горячих приборов отопления. Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота, — поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.
Согласно закону Ньютона (1643-1771 г.г.) и Рихмана (1711-1753 г.г.) тепловой поток в процессе теплоотдачи пропорционален площади поверхности теплообмена Fи разности температур поверхности и жидкости (tw — tf):
Q = αF(tw — tf). (16)
В процессе теплоотдачи независимо от направления теплового потока Q(от стенки к жидкости или наоборот) значение его принято считать положительным, поэтому разность (tw — tf)берут по абсолютной величине.
Строго говоря, выражение (16) справедливо лишь для дифференциально малого участка поверхности dF, поскольку коэффициент теплоотдачи может быть не одинаковым в разных точках поверхности тела.
Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом теплоотдачи; его единица измерения Вт/(м2·К). Он характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. Численное значение его равно тепловому потоку от единичной поверхности теплообмена при разности температур поверхности и жидкости в 1 К.
Коэффициент теплоотдачи обычно определяют экспериментально, измеряя тепловой поток Qи разность температур Δt = (tw — tf) в процессе теплоотдачи от поверхности известной площади F. Затем по формуле (16) рассчитывают α. При проектировании теплообменных аппаратов (проведении тепловых расчетов) по этой формуле определяют одно из значений Q,F или Δt. При этом α находят по результатам обобщения ранее проведенных экспериментов.
Применение теории подобия к процессам теплоотдачи
Ввиду трудности решения уравнений теплопередачи приходится прибегать к эксперименту. Во многих случаях эксперимент нельзя осуществить в таких масштабах, в каких происходит само явление. Однако результаты таких экспериментов только тогда могут быть применены к самим проектируемым сооружениям, если выполняются условия подобия эксперимента и натуры. Простейшее условие подобия: например, прямоугольные треугольники подобны, если у них одинаковое отношение катетов- а/b=a/b=tg=c. Величина с называется константой подобия.
Полученное опытным путем значение α коэффициента теплоотдачи справедливо только в тех условиях, при которых был проведен опыт. Поэтому результаты отдельных экспериментов не позволяют распространять их на другие явления. На помощь приходит теория подобия, которая дает возможность результаты единичного опыта распространять на целую группу подобных явлений.
При постановке эксперимента по теплоотдаче и обработке его результатов на основе теории подобия необходимо, прежде всего, знать числа подобия, которые войдут в уравнение подобия. Чтобы в результате опытного исследования стационарного процесса теплоотдачи получить формулу, пригодную для оценки не только исследованных явлений, но и всех явлений, подобных исследованным, результаты опытов необходимо представить в виде критериальных уравнений.
Наиболее часто при изучении условий теплоотдачи используют следующие критерии:
Критерий теплоотдачи (Нуссельта): . Критерий Нуссельта является определяющим критерием и характеризует интенсивность теплообмена на границе жидкость — стенка.
Критерий динамического подобия Рейнольдса: , характеризующий соотношение сил инерции и сил вязкости в потоке жидкости.
Критерий Грасгофа: , характеризующий взаимодействие подъемных сил и сил вязкости.
Критерий Прандтля:
| Название материала | Коэфф. теплопроводности в Вт/м² |
| Плиты из алебастра | 0,47 |
| Алюминий | 230 |
| Асбестовый шифер | 0,35 |
| Волокнистый асбест | 0,15 |
| Асбестоцемент | 1.76 |
| Плиты асбоцементные | 0,35 |
| Асфальт | 0,72 |
| Асфальт в полах | 0,8 |
| Бакелит | 0,23 |
| Бетон с каменным щебнем | 1,3 |
| Бетон с песком | 0,7 |
| Пористый бетон | 1,4 |
| Сплошной бетон | 1,75 |
| Термоизоляционный бетон | 0,18 |
| Битум | 0,47 |
| Бумага | 0,14 |
| Минеральная легкая вата | 0,045 |
| Минеральная тяжелая вата | 0,055 |
| Хлопковая вата | 0,055 |
| Вермикулитовые листы | 0,1 |
| Шерстяной войлок | 0,045 |
| Строительный гипс | 0,35 |
| Глинозем | 2,33 |
| Гравий, как наполнитель | 0,93 |
| Гранит (базальт) | 3,5 |
| Грунт с 10% воды | 1,75 |
| Грунт с 20% воды | 2,1 |
| Песчаный грунт | 1,16 |
| Сухой грунт | 0,4 |
| Утрамбованный грунт | 1,05 |
| Гудрон | 0,3 |
| Древесные доски | 0,15 |
| Древесная фанера | 0,15 |
| Твердые породы древесина | 0,2 |
| ДСП | 0,2 |
| Дюралюминий | 160 |
| Железобетон | 1,7 |
| Древесная зола | 0,15 |
| Известняк | 1,7 |
| Известь-песок раствор | 0,87 |
| Ипорка (вспененная смола) | 0,038 |
| Камень | 1,4 |
| Многослойный строительный картон | 0,13 |
| Теплоизолированный картон БТК-1 | 0,04 |
| Вспененный каучук | 0,03 |
| Натуральный каучук | 0,042 |
| Фторированный каучук | 0,055 |
| Керамзитобетон | 0,2 |
| Кремнеземный кирпич | 0,15 |
| Пустотелый кирпич | 0,44 |
| Силикатный кирпич | 0,81 |
| Сплошной кирпич | 0,67 |
| Шлаковый кирпич | 0,58 |
| Кремнезистые плиты | 0,07 |
| Латунь | 110 |
| Липа, дуб, клен, береза (15% влажности) | 0,15 |
| Медь | 380 |
| Древесные сухие опилки | 0,065 |
| ПВХ | 0,19 |
| Пенобетон | 0,3 |
|
Пенопласт ПС-1 |
0,037 |
|
Пенопласт ПС-4 |
0,04 |
| Пенопласт ПХВ-1 | 0,05 |
|
Пенопласт резопен ФРП |
0,045 |
|
Пенополистирол ПС-Б |
0,04 |
|
Пенополистирол ПС-БС
|
0,04 |
|
Листы пенополиуретана
|
0,035 |
|
Панели пенополиуретановые
|
0,025 |
| Пеностекло легкое | 0,06 |
|
Пеностекло тяжелое
|
0,08 |
|
Пергамин
|
0,17 |
|
Перлит
|
0,05 |
|
Перлито-цементные плиты
|
0,08 |
|
Песчаник обожженный |
1,5 |
|
Плитка облицовочная
|
105 |
|
Термоизоляционная плитка ПМТБ-2
|
0,036 |
| Полистирол | 0,082 |
|
Поролон
|
0,04 |
|
Раствор портландцемента
|
0,47 |
|
Плита пробковая |
0,043 |
|
Пробковые листы легкие
|
0,035 |
|
Пробковые листы тяжелые
|
0,05 |
|
Резина |
0,15 |
|
Рубероид |
0,17 |
| Сланец | 2,1 |
|
Сталь
|
52 |
|
Стекло |
1,15 |
|
Стекловата
|
0,05 |
|
Стекловолокно |
0,036 |
| Стеклотекстолит | 0,3 |
|
Тефлон
|
0,25 |
|
Толь бумажный
|
0,23 |
|
Цементные плиты
|
1,92 |
|
Цемент-песок раствор
|
1,2 |
|
Чугун
|
56 |
|
Гранулированный шлак
|
0,15 |
|
Шлак котельный
|
0,29 |
|
Шлакобетон
|
0,6 |
|
Сухая штукатурка
|
0,21 |
|
Цементная штукатурка
|
0,9 |
|
Эбонит |
0,16 |
| Вспученный эбонит | 0,03 |
Теплообмен ☑️ виды в физике, способы, сущность и назначение процесса, примеры
Передача тепла или теплообмен это процесс распространения внутренней энергии в пространстве с разными температурами.
Теплопроводность это способность веществ и тел проводить энергию (тепло) от частей с высокой температурой к частям с более низкой. Такая способность существует за счет движения частиц. Энергия может передаваться между телами и внутри одного тела. Нагревая в пламени один конец гвоздя, мы рискуем обжечься о другой его конец, не находящийся в пламени.
В начале развития науки о свойствах тел и веществ считалось, что тепло передается путем перетекания «теплорода» между телами. Позже, с развитием физики, теплопроводность получила объяснение взаимодействием частиц вещества. Электроны в нагреваемом над огнем участке гвоздя движутся активнее и через столкновения отдают тепло медленным электронам в части, которая не подвергается нагреванию.
Виды теплообмена и способы передачи тепла
В физике выделяют несколько видов теплообмена:
-
Теплопроводность – свойство материалов передавать через свой объем поток тепла путем обмена энергией движения частиц.
-
Конвекция – перенос тепла, осуществляемый перемещением неравномерно прогретых участков среды (газа, жидкости) в пространстве.
-
Излучение – в данном случае перенос тепла в вакууме или газовой среде осуществляется электромагнитными волнами.
Рассмотрим сущность и назначение каждого из видов теплообмена.
Теплопроводность
В большинстве случаев виды теплообмена тесно связаны и проходят одновременно. Конвекция всегда дополняется теплопроводностью, так как при движении объема среды всегда имеется взаимодействие частиц с разными температурами. Такой процесс имеет название конвективного теплообмена.
Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
Рассмотрим более подробно теплопроводность.
Этот вид теплообмена присущ твердым телам, но присутствует так же в жидкостях и газах. В твердых телах теплопроводность является основным видом теплообмена и напрямую зависима от природы вещества, его плотности, химического состава, влажности, температуры.
Разные тела и вещества имеют разную теплопроводность. Количественным показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, он обозначается буквой λ (лямбда). Чем выше плотность, влажность и температура тела, тем больше λ.
Проведение тепла происходит за счет взаимодействий между частицами. Конечной целью процесса будет выравнивание внутренней температуры по всему телу. Теплопроводность жидкостей меньше, чем у твердых тел, у газов – меньше, чем у жидкостей. Причиной является большое расстояние между молекулами в жидкостях, особенно в газах.
Низкая теплопроводность воздуха издавна используется при изготовлении двойных оконных рам. Теплопроводность воздуха гораздо ниже теплопроводности стекла. Воздушная прослойка межу стеклами защищает от зимней стужи.
Плохая теплопроводность, появившаяся в процессе эволюции в качестве защиты от критических температур, у живых организмов. Шерсть, пух, волосы, жир обладают очень низкой теплопроводностью. Именно поэтому мы не мерзнем зимой в теплых носках, песцы могут спать на снегу, а моржи выживают в условиях Арктики за счет жировой прослойки.
В таблице приведены примеры материалов, веществ и сред с наименьшей и наибольшей теплопроводностью.
Таблица 1
Исходя из данных, приведенных в таблице, можно сделать некоторые выводы:
-
В вакууме тепло не проводится. Передача тепла в вакууме может происходить с помощью излучения. Таким способом тепло Солнца доходит до нашей планеты.
-
Материал с наивысшей теплопроводностью называется графен, который активно используется в наноэлектронике.
-
Металлы тоже достаточно теплопроводные. Известно, как быстро нагревается металлическая ложка в горячем супе.
-
Строительные материалы обладают низкой теплопроводностью, что и обуславливает их использование для возведения теплых и надежных жилищ.
С понятием теплопроводности тесно связано понятие теплоемкости.
Теплоемкостью называют количество тепла, которое поглотило тело (вещество), чтобы его температура повысилась на 1 градус. Действительно, для повышения температуры металлического стержня на 1 градус, необходимо, чтобы он обладал теплопроводностью для равномерного нагревания всего объёма.
Знания о теплопроводности веществ и материалов необходимы в строительстве, промышленности, быту. Степень теплопроводности материала обуславливает его применение в той или иной сфере. Разработка и поиск новых веществ с уникальными теплоизоляционными свойствами – важнейшая задача современной науки.
Конвекция
При конвекции энергия передается потоками, возникающими в различных средах.
В зависимости от причины возникновения, процессы этого типа теплообмена делят на естественную и вынужденную конвекцию:
-
Естественная конвекция возникает под влиянием естественных сил: неравномерного прогрева, силы тяжести. Процессы естественной конвекции происходят на планете ежеминутно. Появление облаков, формирование атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов в атмосфере возможно благодаря этому процессу. Воды мирового океана так же подвержены процессам конвекции, в результате образуются океанические течения. Движение тектонических плит так же обусловлено конвективными процессами.
-
Вынужденная конвекция — зависит от присутствия внешних сил. Например, при помешивании ложкой горячий чай остывает именно за счет этого явления.
Излучение
Излучение тепла является электромагнитным процессом. Тепло выделяют любые тела, температура которых выше 0 К.
Тепло излучается телами благодаря тому, что любое вещество состоит из молекул и атомов, а они, в свою очередь, из заряженных протонов и электронов. Таким образом, любое тело оказывается пронизанным электромагнитным полем.
Эквивалентный коэффициент теплопроводност — Энциклопедия по машиностроению XXL
Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности и плотность теплового потока q, Вт/м , через вертикальную щель толщиной 6 = 20 мм, заполненную воздухом. Температура горячей поверхности / i = 200° и холодной [c.153]Эквивалентный коэффициент теплопроводности может быть вычислен по формуле [4] [c.153]
Как изменятся эквивалентный коэффициент теплопроводности и плотность теплового потока в условиях задачи 7-14, если [c.153]
Как изменится эквивалентный коэффициент теплопроводности, если толщину щели уменьшить в 2 раза, а все другие условия оставить такими, как в задаче 7-14. [c.154]
Иногда многослойную плоскую стенку рассчитывают как однородную, вводя в уравнение (23-9) эквивалентный коэффициент теплопроводности эк [c.362]
Эквивалентный коэффициент теплопроводности многослойной стенки равен коэффициенту теплопроводности однородной стенки той же толщины, с теми же температурами поверхностей и пропускающей тот же тепловой поток. [c.363]
Вводя в уравнение теплового потока (23-18) эквивалентный коэффициент теплопроводности, получим [c.366]
Величина эквивалентного коэффициента теплопроводности для цилиндрической стенки определяется так же, как и для плоской. Из сравнения двух уравнений (23-18) и (23-19) имеем [c.366]
Что называется эквивалентным коэффициентом теплопроводности [c.368]
Эквивалентный коэффициент теплопроводности цилиндрической стенки. [c.368]
Для новой изоляции при одинаковых потерях эквивалентный коэффициент теплопроводности остается таким же, как и у трехслойной стенки, поэтому [c.371]
В абсолютно сухом капиллярнопористом теле передача теплоты может осуществляться теплопроводностью через твердый скелет тела, конвекцией и излучением между стенками по[). Все эти виды переноса теплоты обычно определяются эквивалентным коэффициентом теплопроводности [c.516]
Эквивалентный коэффициент теплопроводности равен [c.516]
Разница между эквивалентным коэффициентом теплопроводности И истинным X будет равна дополнительному потоку теплоты, вызванному переносом пара н отнесенному к единичному градиенту температуры (V = 1 град м). Следовательно, коэффициент равен [c.517]
Если исследуется изоляция, состоящая из нескольких слоев различных материалов, то по формуле будет определяться эквивалентный коэффициент теплопроводности многослойной изоляционной стенки. [c.520]
Чтобы вычислить эквивалентный коэффициент теплопроводности плоской или цилиндрической стенки, необходимо дополнительно измерить температуру ti на внутренней поверхности изоляции и температуру на внешней поверхности изоляции. [c.528]
Тогда при известном д можно определить эквивалентный коэффициент теплопроводности плоской стенки по уравнению [c.528]
Эквивалентный коэффициент теплопроводности цилиндрической поверхности вычисляется по формуле [c.528]
Вычисленные эквивалентные коэффициенты теплопроводности изоляции относятся к температуре [c.528]
Эквивалентный коэффициент теплопроводности учитывает интенсивность циркуляции в прослойке и определяется через коэффициент теплопроводности теплоносителя формулой [c.348]
Так как процесс теплообмена в каналах сложен, то перенос теплоты через них рассчитывается по формуле теплопроводности, но вместо обычного коэффициента теплопроводности X в расчет вводят эквивалентный коэффициент теплопроводности учи- [c.197]
Выражение теплового потока (15.47) можно представить в таком же виде, как для плоской стенки, если ввести понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности Хэ. Для этого многослойную стенку заменяем однослойной исходя из условия равноценной теплопередачи. Тогда принимается, что толщина 228 [c.228]
Здесь й — коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности насосно-компрессорных труб, Вт/(м -К), н, Ак, Ац, Ап — коэффициенты теплопроводности соответственно материалов насосно-компрессорных труб и обсадной колонны, цементного камня и горной породы, Вт/(м-К) Аэ — эквивалентный коэффициент теплопроводности среды кольцевого пространства с учетом конвективного и лучистого теплообмена, Вт/(м-К) — [c.240]
Воздушная прослойка толщиной 25 мм ограничена горячей и холодной поверхностями с температурами соответственно 1с1=152 С и 1с2=48 °С. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности и удельный тепловой поток через воздушную прослойку. [c.51]
Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности и плотность теплового потока через вертикальную щель толщиной 5 = 20 мм, заполненную воздухом. Температура горячей поверхности [c.52]
Для Сравнения теплопроводности многослойной стенки и стенки из однородного материала введем понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности Я, многослойной стенки. Он равен коэффициенту теплопроводности однородной стенки, толщина которой Л соответствует толщине многослойной стенки 26,, а внутренние термические сопротивления обеих стенок одинаковы, и определяется выражением [c.167]
При сравнении переноса теплоты через многослойную стенку и стенку из однородного материала удобно ввести в рассмотрение эквивалентный коэффициент теплопроводности акв многослойной стенки. Он равен коэффициенту теплопроводности однородной стенки, толщина ко- [c.28]
Если стенка многослойная, то в формулах (19-42) и (19-43) подставляет 6— полную толщину стенки и л — эквивалентный коэффициент теплопроводности. [c.455]
Если стенка трубы многослойная, то вместо X нужно подставлять в формулы (19-44) и (19-45) эквивалентный коэффициент теплопроводности Fi, F2 — соответственно поверхности, непосредственно соприкасающиеся с теплоносителями. [c.455]
Иногда ради сокращения выкладок многослойную стенку рассчитывают как однослойную (однородную) толщиной А. При этом в расчет вводится так называемый эквивалентный коэффициент теплопроводности Яэк, который определяется из соотношения [c.16]
При выводе расчетной формулы для многослойной стенки мы предполагали, что слои плотно прилегают друг к другу и благодаря идеальному тепловому контакту соприкасающиеся поверхности разных слоев имеют одну и ту же температуру. Однако, если поверхности шероховаты, тесное соприкосновение невозможно, и между слоями образуются воздушные зазоры. Так как теплопроводность воздуха мала [Я, 0,025 Вт/(м-° С)], то наличие даже очень тонких зазоров может сильно повлиять в сторону уменьшения эквивалентного коэффициента теплопроводности многослойной стенки. Аналогичное влияние оказывает и слой окисла металла. Поэтому при расчете и в особенности при измерении теплопроводности многослойной стенки на плотность контакта между слоями нужно обращать особое внимание. [c.17]
Пример 1-5. Определить значение эквивалентного коэффициента теплопроводности пакета листового трансформаторного железа из п листов, если толщина каждого листа 61 =0,5 мм и между ними проложена бумага толщиной Ss= =0,05 мм. Коэффициент теплопроводности железа i=60 и бумаги %2= =0,15 Вт/(м- С). [c.18]
Пример 1-8. Определить тепловые потери через стенку вращающегося шарообразного варочного котла, внутренний диаметр которого di = l,2 м, а общая толщина стенки котла и слоя изоляции 6 = 100 мм. Температура внутренней поверхности 1 = 140°С и внешней [c.24]
Ради облегчения расчета такой сложный процесс конвективного теплообмена принято рассматривать как элементарное явление теплопроводности, вводя при этом понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности XaK=Q6/FAt. Если значение последнего разделить на i среды, то получим безразмерную величину Sk = W , которая характеризует собой влияние конвекции и называется коэффициентом конвекции. [c.92]
Пример 3-7. Определить эквивалентный коэффициент теплопроводности плоской воздушной прослойки 6 = 25 мм. Температура горячей поверхности / i = = 150 С и холодной /ва=50 С. [c.93]
Для облегчения расчета и упрощения обработки опытных данных сложный процесс теплопередачи через газовую или жидкостную прослойку путем соприкосновения принято рассматривать как элементарный процесс передачи тепла путем теплопроводности, вводя при этом некоторый эквивалентный коэффициент теплопроводности как- в этом случае количество тепла, переданное путем соприкосновения, Q должно определяться следующим выражением [c.194]
Таким образом, эквивалентный коэффициент теплопроводности зависит только от значений термических сопротивлений и толщины отдельных слоев. [c.17]
Пример 1-8. Определить тепловой поток через стенку вращающегося шарообразного варочного котла, внутренний диаметр которого = 1,2 м, а общая толщина стенки котла и слоя изоляции б = 100 мм. Температура внутренней поверхности = НО С, внешней — = 40 С, эквивалентный коэффициент теплопроводности Х= 0,1 Вт/(м-°С). [c.25]
В производственных условиях очень часто приходится проверять состоящее изоляции горячих объектов, что связано с определением тепловых потоков, эквивалентного коэффициента теплопроводности изоляции и температуры на внеипитх и внутренних поверхностях изоляции теплового аппарата. [c.527]
В узких каналах и щелях из-за ограниченности пространства и наличия восходящих, а также нисходящих потоков условия свободного движения жидкости значительно отличаются от ее движения в неограниченном пространстве. В этом случае среднюю плотность теплового потока можно рассчитать по формулам теплопроводности, НО коэффициент теплопроводности среды необходимо заменить эквивалентным коэффициентом теплопроводности, чтобы учесть перенос теплоты как теплопроводностью, так и конвекцией (Хэ = == е А,). Если GrPr 10 [c.213]
Из уравнения (2-16) следует, что эквивалентный коэффициент теплопроводности Яэкв зависит не только от теплофизических свойств слоев, но и от их толщины. Температуры на границах соприкосновения двух соседних слоев равны [c.29]
Метан — теплопроводность
Теплопроводность — это свойство материала, которое описывает способность проводить тепло . Теплопроводность может быть определена как
« количество тепла, передаваемого через единицу толщины материала в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, из-за градиента единичной температуры в условиях устойчивого состояния».
Самыми распространенными единицами измерения теплопроводности являются Вт / (м · К) в системе СИ и БТЕ / (ч фут ° F) в британской системе мер.
Табличные значения и преобразование единиц теплопроводности приведены под рисунками.
Онлайн-калькулятор теплопроводности метана
Калькулятор, представленный ниже, можно использовать для оценки теплопроводности газообразного метана при заданных температурах и 1 бар абс.
Выходная проводимость выражается в мВт / (м · K), британских тепловых единицах (IT) / (час-фут ° F), (британских тепловых единиц (ИТ) дюйм) / (час-фут 2 ° F) и ккал (ИТ) / ( хм К).
См. Также другие свойства Метан при меняющейся температуре и давлении : Плотность и удельный вес, динамическая и кинематическая вязкость, число Прандтля и удельная теплоемкость (теплоемкость), а также теплофизические свойства при стандартных условиях,
и . теплопроводность воздуха, аммиака, бутана, двуокиси углерода, этана, этилена, водорода, азота, пропана и воды.
См. Также Калькулятор теплопроводности
Вернуться к началу
Теплопроводность метана при заданных температурах и давлениях:
Для полной таблицы с теплопроводностью — поверните экран!
| Состояние | Температура | Давление | Теплопроводность | |||||||||||||||||
| [K] | [° C] | [° C] | [ | [МПа] | [бар] | [psia] | [мВт / м · К] | [ккал (IT) / (hm · K)] | [ BTU (IT) / (ч фут ° F)] | [BTu (IT) дюйм / (ч фут2 ° F)] | ||||||||||
| Жидкость | 100 | -173 | -280 | 0.1 | 1 | 14,5 | 199,7 | 0,1717 | 0,1154 | 1,385 | ||||||||||
| 111,5 | -161,6 | -259,0 | 0,1 | 1 | 14,5 | 184,1 | 0,13 | 1,276 | ||||||||||||
| Газ | 111,5 | -161,6 | -259,0 | 0,1 | 1 | 14,5 | 11,43 | 0.009828 | 0,006604 | 0,07925 | ||||||||||
| 140 | -133 | -208 | 0,1 | 1 | 14,5 | 14,65 | 0,01260 | 0,008465 | 0,107216 | |||||||||||
| 18093,20057 | -136 | 0,1 | 1 | 14,5 | 19,32 | 0,01661 | 0,01116 | 0,1340 | ||||||||||||
| 200 | -73.2 | -99,7 | 0,1 | 1 | 14,5 | 21,94 | 0,01887 | 0,01268 | 0,1521 | |||||||||||
| 220 | -53,2 | -63,7 | 0,1 | 1 | 14,5 | 23,99 | 0,02063 | 0,01386 | 0,1663 | |||||||||||
| 240 | -33,2 | -27,7 | 0,1 | 1 | 14,5 | 26.39 | 0,02269 | 0,01525 | 0,1830 | |||||||||||
| 260 | -13,2 | 8,3 | 0,1 | 1 | 14,5 | 28,88 | 0,02483 | 0,01669 | 0.2002 | 6,9 | 44,3 | 0,1 | 1 | 14,5 | 31,47 | 0,02706 | 0,01818 | 0,2182 | ||
| 300 | 26.9 | 80,3 | 0,1 | 1 | 14,5 | 34,19 | 0,02940 | 0,01975 | 0,2371 | |||||||||||
| 320 | 46,9 | 116 | 0,1 | 1 | 14,5 | 37,04 | 0,03185 | 0,02140 | 0,2568 | |||||||||||
| 340 | 66,9 | 152 | 0,1 | 1 | 14,5 | 40.03 | 0,03442 | 0,02313 | 0,2775 | |||||||||||
| 360 | 86,9 | 188 | 0,1 | 1 | 14,5 | 43,15 | 0,03710 | 0,02493 | 0,2992 | |||||||||||
| 260 | 0,1 | 1 | 14,5 | 49,80 | 0,04282 | 0,02877 | 0,3453 | |||||||||||||
| 500 | 227 | 440 | 0.1 | 1 | 14,5 | 68,34 | 0,05876 | 0,03949 | 0,4738 | |||||||||||
| 600 | 327 | 620 | 0,1 | 1 | 14,5 | 88,80 | 0,07635 | 0,6157 | ||||||||||||
| 700 | 427 | 800 | 0,1 | 1 | 14,5 | 110,4 | 0,0949 | 0.06379 | 0,7655 | |||||||||||
| 800 | 527 | 980 | 0,1 | 1 | 14,5 | 132,5 | 0,1139 | 0,07656 | 0,9187 | |||||||||||
| 627 | 1160 | 1 | 14,5 | 154,7 | 0,1330 | 0,08938 | 1,073 | |||||||||||||
| 1000 | 727 | 1340 | 0.1 | 1 | 14,5 | 176,7 | 0,1519 | 0,10210 | 1,225 | |||||||||||
| Жидкость | 100 | -173 | -280 | 1 | 10 | 145 | 200,6 | 0,1725 | 0,1159 | 1,391 | ||||||||||
| 149,1 | -124,0 | -191,2 | 1 | 10 | 145 | 130.7 | 0,1123 | 0,07549 | 0,9059 | |||||||||||
| Газ | 149,1 | -124,0 | -191,2 | 1 | 10 | 145 | 18,17 | 0,01562 | 0,01050 | 0,12 | 160 | -113 | -172 | 1 | 10 | 145 | 18,79 | 0,01616 | 0,01086 | 0,1303 |
| 180 | -93.2 | -136 | 1 | 10 | 145 | 20,65 | 0,01776 | 0,01193 | 0,1432 | |||||||||||
| 200 | -73,2 | -99,7 | 1 | 10 | 145 | 22,74 | 0,01955 | 0,01314 | 0,1577 | |||||||||||
| 220 | -53,2 | -63,7 | 1 | 10 | 145 | 24.90 | 0,02141 | 0,01439 | 0,1726 | |||||||||||
| 240 | -33,2 | -27,7 | 1 | 10 | 145 | 27,19 | 0,02338 | 0,01571 | 0,1885 | -13,2 | 8,3 | 1 | 10 | 145 | 29,60 | 0,02545 | 0,01710 | 0,2052 | ||
| 280 | 6.9 | 44,3 | 1 | 10 | 145 | 32,12 | 0,02762 | 0,01856 | 0,2227 | |||||||||||
| 300 | 26,9 | 80,3 | 1 | 10 | 145 | 34,79 | 0,02991 | 0,02010 | 0,2412 | |||||||||||
| 320 | 46,9 | 116 | 1 | 10 | 145 | 37,59 | 0.03232 | 0,02172 | 0,2606 | |||||||||||
| 340 | 66,9 | 152 | 1 | 10 | 145 | 40,54 | 0,03486 | 0,02342 | 0,2811 | |||||||||||
| 360 | 86,97 | 1 | 10 | 145 | 43,64 | 0,03752 | 0,02521 | 0,3026 | ||||||||||||
| 400 | 127 | 260 | 1 | 10 | 145 | 50.23 | 0,04319 | 0,02902 | 0,3483 | |||||||||||
| 500 | 227 | 440 | 1 | 10 | 145 | 68,68 | 0,05905 | 0,03968 | 0,4762 60057 | 620 | 1 | 10 | 145 | 89,08 | 0,07660 | 0,05147 | 0,6176 | |||
| Жидкость | 100 | -173 | -280 | 5 | 50 | 725 | 204.5 | 0,1758 | 0,1181 | 1,418 | ||||||||||
| Сверхкритическая фаза | 200 | -73,2 | -99,7 | 5 | 50 | 725 | 40,61 | 0,03492 | 0,02347 | 0,2347|||||||||||
| 300 | 26,9 | 80,3 | 5 | 50 | 725 | 38,48 | 0,03309 | 0,02223 | 0.2668 | |||||||||||
| 400 | 127 | 260 | 5 | 50 | 725 | 52,69 | 0,04531 | 0,03045 | 0,3653 | |||||||||||
| 500 | 227 | 440 | 5 | 50 | 725 | 70,51 | 0,06063 | 0,04074 | 0,4889 | |||||||||||
| 600 | 327 | 620 | 5 | 50 | 725 | 90.50 | 0,07781 | 0,05229 | 0,6275 | |||||||||||
| Жидкость | 100 | -173 | -280 | 10 | 100 | 1450 | 209,1 | 0,1798 | 0,1208 | |||||||||||
| Сверхкритическая фаза | 200 | -73,2 | -100 | 10 | 100 | 1450 | 84,23 | 0.07243 | 0,04867 | 0,5840 | ||||||||||
| 240 | -33,2 | -27,7 | 10 | 100 | 1450 | 49,74 | 0,04277 | 0,02874 | 0,3449 | |||||||||||
| 260 900,2 | 8,3 | 10 | 100 | 1450 | 44,85 | 0,03856 | 0,02591 | 0,3110 | ||||||||||||
| 280 | 6.9 | 44,3 | 10 | 100 | 1450 | 43,81 | 0,03767 | 0,02531 | 0,3038 | |||||||||||
| 300 | 26,9 | 80,3 | 10 | 100 | 1450 | 44,37 | 0,03815 | 0,02564 | 0,3076 | |||||||||||
| 320 | 46,9 | 116 | 10 | 100 | 1450 | 45.79 | 0,03937 | 0,02646 | 0,3175 | |||||||||||
| 340 | 66,9 | 152 | 10 | 100 | 1450 | 47,75 | 0,04106 | 0,02759 | 0,3311 | 86,99 | 188 | 10 | 100 | 1450 | 50,09 | 0,04307 | 0,02894 | 0,3473 | ||
| 400 | 127 | 260 | 10 | 100 | 1450 | 55.61 | 0,04782 | 0,03213 | 0,3856 | |||||||||||
| 500 | 227 | 440 | 10 | 100 | 1450 | 72,78 | 0,06258 | 0,04205 | 0,5046 | 0,04205 | 0,5046 | 53200 | -73,2 | -100 | 100 | 1000 | 14500 | 188,1 | 0.1617 | 0,1087 | 1,304 |
| 300 | 26,9 | 80,3 | 100 | 1000 | 14500 | 137,7 | 0,1184 | 0,07955 | 0,9546 | |||||||||||
| 400 | 260127 | 100 | 1000 | 14500 | 120,4 | 0,1035 | 0,06955 | 0,8347 | ||||||||||||
| 500 | 227 | 440 | 100 | 1000 | 14500 | 120.9 | 0,1039 | 0,06984 | 0,8381 | |||||||||||
| 600 | 327 | 620 | 100 | 1000 | 14500 | 130,4 | 0,1121 | 0,07532 | 0,9039 | |||||||||||
Преобразование единиц теплопроводности:
Конвертер единиц теплопроводности
британская тепловая единица (международная) / (фут-час градус Фаренгейта) [BTU (IT) / (ft h ° F], британская тепловая единица (международная)) / (дюйм-час, градус Фаренгейта) [Btu (IT) / (in h ° F], британская тепловая единица (международная) * дюйм / (квадратный фут * час * градус Фаренгейта) [(Btu (IT) дюйм) / (фут² · час) ° F)], килокалория / (метр-час градус Цельсия) [ккал / (мч ° C)], джоуль / (сантиметр второй градус кельвина) [Дж / (см · с · K)], ватт / (метр-градус кельвина) [Вт / (м ° C)],
- 1 британских тепловых единиц (IT) / (фут · ч · ° F) = 1/12 британских тепловых единиц (IT) / (дюйм · час · ° F) = 0.08333 британских тепловых единиц (IT) / (в час · ° F) = 12 британских тепловых единиц (IT) на дюйм / (фут 2 час · ° F) = 1,488 ккал / (м · ч · ° C) = 0,01731 Дж / (см · с · K) = 1,731 Вт / (м · К)
- 1 британская тепловая единица (IT) / (в час · ° F) = 12 британских тепловых единиц (IT) / (фут · час · ° F) = 144 британских тепловых единицы (IT) · дюйм / (фут 2 час · ° F) = 17,858 ккал / (м · ч ° C) = 0,20769 Дж / (см · с · K) = 20,769 Вт / (м · K)
- 1 (британских тепловых единиц (IT) дюйм) / (фут² час ° F) = 0,08333 британских тепловых единиц (IT) / ( фут ч ° F) = 0,00694 британских тепловых единиц (IT) / (в час ° F) = 0,12401 ккал / (мч ° C) = 0,001442 Дж / (см · с · K) = 0,1442 Вт / (м · K)
- 1 Дж / ( см · с · K) = 100 Вт / (м · K) = 57,789 БТЕ (IT) / (фут · ч · ° F) = 4.8149 БТЕ (IT) / (в час ° F) = 693,35 (БТЕ (IT) дюйм) / (фут² час ° F) = 85,984 ккал / (мч ° C)
- 1 ккал / (мч ° C) = 0,6720 БТЕ (IT) / (фут · ч ° F) = 0,05600 Btu (IT) / (в час · ° F) = 8,0636 (Btu (IT) · дюйм) / (фут 2 час · ° F) = 0,01163 Дж / (см · с · K ) = 1,163 Вт / (м · К)
- 1 Вт / (м · К) = 0,01 Дж / (см · с · К) = 0,5779 БТЕ (IT) / (фут · ч · ° F) = 0,04815 БТЕ (IT) / (дюйм · ч ° F) = 6,9335 (британских тепловых единиц (IT) дюйм) / (фут² ч ° F) = 0,85984 ккал / (мч ° C)
В начало
Определяется как количество тепла Δ Q , переданное за время Δ t через толщину L , в направлении, нормальном к поверхности площадью A , из-за разницы температур Δ T , в установившемся режиме и когда теплопередача зависит только от температурного градиента.
Рекомендуемые дополнительные знанияПримерыВ металлах теплопроводность приблизительно соответствует электропроводности в соответствии с законом Видемана-Франца, поскольку свободно движущиеся валентные электроны переносят не только электрический ток, но и тепловую энергию.Однако общая корреляция между электропроводностью и теплопроводностью не сохраняется для других материалов из-за повышенного значения фононных носителей для тепла в неметаллах. Как показано в таблице ниже, серебро с высокой электропроводностью менее теплопроводно, чем алмаз, который является электрическим изолятором. Теплопроводность зависит от многих свойств материала, особенно от его структуры и температуры. Например, чистые кристаллические вещества демонстрируют очень разную теплопроводность вдоль разных осей кристалла из-за различий в фононной связи вдоль данной оси кристалла.Сапфир является ярким примером переменной теплопроводности в зависимости от ориентации и температуры, для которого в справочнике CRC указана теплопроводность 2,6 Вт / (м · К), перпендикулярная оси c при 373 К, но 6000 Вт / ( м · К) при 36 градусах от оси c и 35 К (возможна опечатка?). Воздух и другие газы, как правило, являются хорошими изоляторами при отсутствии конвекции. Следовательно, многие изоляционные материалы функционируют просто за счет наличия большого количества заполненных газом карманов, которые предотвращают крупномасштабную конвекцию.Их примеры включают вспененный и экструдированный полистирол (обычно называемый «пенополистиролом») и аэрогель кремнезема. Природные биологические изоляторы, такие как мех и перья, достигают аналогичного эффекта, резко подавляя конвекцию воздуха или воды возле кожи животного. Теплопроводность важна для теплоизоляции зданий и смежных областей. Однако материалы, используемые в таких отраслях, редко подвергаются стандартам химической чистоты. Ниже перечислены значения k некоторых строительных материалов.Их следует считать приблизительными из-за неопределенностей, связанных с определениями материалов. Следующая таблица предназначена в качестве небольшой выборки данных для иллюстрации теплопроводности различных типов веществ. Более полный перечень измеренных значений k см. В справочных материалах. Список коэффициентов теплопроводности
Это список приблизительных значений теплопроводности k для некоторых распространенных материалов.Пожалуйста, обратитесь к списку теплопроводности для получения более точных значений, справочных материалов и подробной информации. ИзмерениеДля хороших проводников тепла можно использовать метод стержня Серла. [1] Для плохих проводников тепла можно использовать дисковый метод Лиза. [2] Альтернативный традиционный метод с использованием реальных термометров описан в [3]. Краткий обзор новых методов измерения теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости в рамках одного измерения доступен в [4].Тестер теплопроводности, один из инструментов геммологии, определяет, являются ли драгоценные камни настоящими алмазами, используя уникально высокую теплопроводность алмаза. Стандартные методы измерения
Связанные терминыОбратная величина теплопроводности равна , удельное тепловое сопротивление измеряется в кельвин-метрах на ватт (К · м · Вт −1 ). При работе с известным количеством материала можно описать его теплопроводность и взаимное свойство тепловое сопротивление . К сожалению, у этих терминов есть разные определения. Первое определение (общее)Для общенаучного использования теплопроводность — это количество тепла, которое проходит за единицу времени через пластину определенной площади и толщины , когда ее противоположные стороны различаются по температуре на один градус.Для пластины с теплопроводностью k , площадью A и толщиной L это составляет кА / л , измеренное в Вт · К −1 . Это соответствует соотношению между электропроводностью (А · м -1 · В -1 ) и электрической проводимостью (А · В -1 ). Существует также мера, известная как коэффициент теплопередачи: количество тепла, которое проходит в единицу времени через единиц площади пластины определенной толщины, когда ее противоположные стороны отличаются по температуре на один градус.Обратное значение — теплоизоляция . В итоге:
Коэффициент теплопередачи также известен как коэффициент теплопроводности Второе определение (здания)Когда речь идет о зданиях, термическое сопротивление или R-значение означает то, что описано выше как теплоизоляция, а теплопроводность, означает обратное. Для материалов, соединенных последовательно, эти тепловые сопротивления (в отличие от проводимости) можно просто сложить, чтобы получить тепловое сопротивление для всего. Третий член, коэффициент теплопередачи , включает теплопроводность конструкции наряду с теплопередачей за счет конвекции и излучения. Он измеряется в тех же единицах, что и теплопроводность, и иногда известен как композитный коэффициент теплопроводности . Еще одним синонимом является термин U-значение . Итак, для пластины теплопроводности k (значение k [1] ), площадь A и толщина L :
Текстильная промышленностьВ текстильных изделиях значение тога может указываться как мера теплового сопротивления вместо меры в единицах СИ. ИстокиТеплопроводность системы определяется тем, как взаимодействуют атомы, составляющие систему. Нет простых и правильных выражений для теплопроводности. Существует два разных подхода к расчету теплопроводности системы. Первый подход использует отношения Грина-Кубо.Хотя это выражение является точным *, для расчета теплопроводности плотной жидкости или твердого тела с использованием этого соотношения требуется использование компьютерного моделирования молекулярной динамики.
Второй подход основан на подходе времени релаксации. Известно, что из-за ангармонизма внутри кристаллического потенциала фононы в системе рассеиваются. Есть три основных механизма рассеяния:
|
Проектирование тепловой системы — термоэлектрический
8.0 Рекомендации по проектированию тепловой системы
8,1 Первый шаг в разработке термоэлектрической системы охлаждения заключается в проведении анализа общих тепловых характеристик системы. Этим анализом, который может быть довольно простым для некоторых приложений или очень сложным в других случаях, никогда нельзя пренебрегать, если мы хотим реализовать удовлетворительный и эффективный дизайн.Некоторые из наиболее важных факторов, которые следует учитывать, обсуждаются в следующих параграфах. Хотя мы сделали определенные упрощения, которые могут ужаснуть чистого термодинамика, было обнаружено, что полученные результаты удовлетворяют всем, кроме тех немногих приложений, которые приближаются к современным пределам.
Обратите внимание, что информация о конструкции, содержащаяся в этом руководстве, представлена с целью помочь тем инженерам и ученым, которые хотят либо оценить требования к охлаждению, либо фактически разработать свои собственные системы охлаждения.Тем не менее, для многих людей, которые предпочитают не вдаваться в подробности процесса проектирования термоэлектрических элементов, мы рекомендуем вам обратиться к нам за помощью. Ferrotec стремится обеспечить надежную техническую поддержку клиентов, а наш инженерный персонал готов помочь в сложных проектных работах, связанных с термоэлектрикой.
8.2 АКТИВНАЯ ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА: Активная тепловая нагрузка — это фактическое тепло, выделяемое охлаждаемым компонентом, «черным ящиком» или системой. Для большинства приложений активная нагрузка будет равна подводимой электрической мощности к охлаждаемому изделию (Вт = Вольт x Ампер), но в других ситуациях нагрузку может быть труднее определить.Поскольку общая входная электрическая мощность обычно представляет собой наихудшую активную тепловую нагрузку, мы рекомендуем вам использовать это значение для целей проектирования.
8.3 ПАССИВНАЯ ТЕПЛОВАЯ НАГРУЗКА: Пассивная тепловая нагрузка (иногда называемая утечкой тепла или паразитной тепловой нагрузкой) — это тепловая энергия, которая теряется или приобретается охлаждаемым изделием из-за теплопроводности, конвекции и / или излучения. Пассивные тепловые потери могут происходить через любой теплопроводящий путь, включая воздух, изоляцию и электрическую проводку.В приложениях, где отсутствует активное тепловыделение, пассивная утечка тепла будет представлять всю тепловую нагрузку на термоэлектрический охладитель.
Определение общей утечки тепла в системе охлаждения является относительно сложной задачей, но разумную оценку этих потерь часто можно сделать с помощью некоторых основных расчетов теплопередачи. Если есть какие-либо сомнения относительно тепловых потерь в данной конструкции, мы настоятельно рекомендуем вам связаться с нашим инженерным персоналом для получения помощи и предложений.
8.4 УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ: Представлено несколько фундаментальных уравнений теплопередачи, чтобы помочь инженеру оценить некоторые тепловые аспекты конструкции или системы.
8.4.1 ТЕПЛОПРОВОДКА ЧЕРЕЗ ТВЕРДЫЙ МАТЕРИАЛ: Соотношение, описывающее передачу тепла через твердый материал, было предложено Дж. Б. Фурье в начале 1800-х годов. Теплопроводность зависит от геометрии и теплопроводности данного материала плюс существующий градиент температуры в материале.Хотя теплопроводность зависит от температуры, реальное изменение довольно мало, и для наших целей им можно пренебречь. Математически теплопередачу за счет теплопроводности можно выразить как:
| Q = (K) (DT) (A) ____________ Икс |
| Обозначение | Определение | Английские единицы | Метрическая система |
|---|---|---|---|
| Q | Тепло, проводимое через материал | БТЕ / час | Вт |
| К | Теплопроводность материала | БТЕ / час-фут ° F | Вт / метр-фут ° C |
| А | Площадь поперечного сечения материала | квадратных футов | кв. М |
| х | Толщина длины материалов | футов | метра |
| ДТ | Разница температур между холодной и горячей сторонами материала | градусов F | градусов Цельсия |
8.4.2 ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА ОТ ОТКРЫТОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ КОНВЕКЦИИ: Утечка тепла к неизолированной металлической поверхности или от нее может составлять значительную тепловую нагрузку в тепловой системе. Исаак Ньютон предложил соотношение, описывающее передачу тепла, когда охлаждаемая (или нагретая) поверхность подвергается прямому воздействию окружающего воздуха. Чтобы учесть степень тепловой связи между поверхностью и окружающим воздухом, в уравнение необходимо включить числовое значение (h), называемое коэффициентом теплопередачи.Потерянное или полученное таким образом тепло можно математически выразить как: Q = (h) (A) (DT)
| Обозначение | Определение | Английские единицы | Метрическая система |
|---|---|---|---|
| Q | Тепло, передаваемое в окружающую среду или из нее | БТЕ / час | Вт |
| ч | Коэффициент теплопередачи. Для неподвижного воздуха используйте значение: . Для турбулентного воздуха используйте значение: | БТЕ / час-фут 2 фут ° F 4-5 15-20 | Вт / метр 2 фут ° C 23 по 28 85 к 113 |
| А | Площадь открытой поверхности | квадратных футов | кв. М |
| ДТ | Разница температур между открытой поверхностью и окружающей средой | градусов F | градусов Цельсия |
8.4.3 ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА ЧЕРЕЗ СТЕНЫ ИЗОЛИРОВАННОГО КОЖУХА: Утечка тепла в или из изолированного контейнера сочетает в себе элемент теплопроводности через изоляционный материал с элементом конвективных потерь на внешних изоляционных поверхностях. Тепло, теряемое (или получаемое) изолированным корпусом, может быть математически выражено как:
| Обозначение | Определение | Английские единицы | Метрическая система |
|---|---|---|---|
| Q | Тепло, проходящее через корпус | БТЕ / час | Вт |
| К | Теплопроводность изоляции | БТЕ / час-фут ° F | Вт / метр- ° C |
| А | Площадь внешней поверхности шкафа | квадратных футов | кв. М |
| х | Толщина изоляции | футов | метра |
| ДТ | Разница температур внутри и снаружи шкафа | градусов F | градусов Цельсия |
| ч | Коэффициент теплопередачи Для неподвижного воздуха используйте значение: . Для турбулентного воздуха используйте значение: | БТЕ / час-фут 2 — ° F 4-5 15-20 | Вт / метр 2 — ° C 23 по 28 85 к 113 |
8.4.4 ВРЕМЯ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕКТА: Определение времени, необходимого для термоэлектрического охлаждения или нагрева данного объекта, является довольно сложным вопросом. Для обеспечения высокой точности необходимо провести подробный анализ всей тепловой системы, включая все компоненты и интерфейсы. Однако, используя упрощенный метод, представленный здесь, можно сделать разумную оценку переходного теплового отклика системы.
| т = | (м) (C p ) (DT) __________ Q |
| Обозначение | Определение | Английские единицы | Метрическая система |
|---|---|---|---|
| т | Период времени изменения температуры | часов | секунды |
| м | Вес материала | фунтов | грамма |
| С п | Удельная теплоемкость материала | БТЕ / фунт- ° F | калограмм- ° C |
| ДТ | Изменение температуры материала | градусов F | градусов Цельсия |
| Q | Тепло, передаваемое материалу или от него | БТЕ / час | кал / сек |
Примечание (1) : 1 Вт = 0.239 калорий в секунду | |||
Q = 0.5 (Q c при DT мин. + Q c при DT макс. )
Q c при DT мин. — это количество тепла, которое термоэлектрический модуль перекачивает при начальной температуре объекта, когда на модуль впервые подается питание постоянного тока. DT в это время равен нулю, а скорость перекачки тепла находится на самом высоком уровне.
Q c при DT max — это количество тепла, которое перекачивает термоэлектрический модуль, когда объект охлаждается до желаемой температуры.DT в это время выше, а скорость перекачки тепла ниже.
8.4.5 ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ОТ ТЕЛА ПРИ ИЗЛУЧЕНИИ: Большинство применений термоэлектрического охлаждения связаны с относительно умеренными температурами и небольшими площадями поверхности, где радиационные тепловые потери обычно незначительны. Вероятно, единственная ситуация, когда тепловое излучение может вызывать беспокойство, — это ситуация, когда многоступенчатый охладитель работает при очень низкой температуре, близкой к ее нижнему пределу. Для таких применений иногда можно прикрепить небольшой радиационный экран к одной из нижних ступеней модуля.Путем изготовления этого экрана так, чтобы он окружал верхнюю ступень и охлаждаемый объект, потери теплового излучения могут быть существенно уменьшены.
Для определения величины утечки тепла из-за теплового излучения следует учитывать следующее. Совершенное черное тело, имеющее площадь поверхности 1,0 см 2 и работающее при -100 ° C (173 ° K), получит примерно 43 милливатта тепла от окружающей среды с 30 ° C (303 ° K). Имейте в виду, что точное определение радиационных потерь — очень сложный вопрос, и для получения подробной информации следует обратиться к подходящему учебнику по теплопередаче.Однако очень упрощенную оценку таких потерь можно произвести, используя приведенное ниже уравнение.
| Обозначение | Определение | Английские единицы | Метрическая система |
|---|---|---|---|
| К Р | Радиационные тепловые потери | БТЕ / час | Вт |
| с | Постоянная Стефана-Больцмана | 1.714 х 10- 9 БТЕ / час-фут 2 — o R 4 | 5,67 х 10- 8 ватт / метр 2 -K 4 |
| А | Площадь открытой поверхности | квадратных футов | кв. М |
| e | Коэффициент излучения открытых поверхностей | – | – |
| T h | Абсолютная температура более теплой поверхности | Градусов R | градуса K |
| T c | Абсолютная температура более холодной поверхности | Градусов R | Градусов K |
8.4.6 R-ЗНАЧЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ: R-значение изоляционного материала является мерой общей эффективности изоляции или сопротивления тепловому потоку. Значение R само по себе не является научным термином, но это выражение широко используется в строительной индустрии США. Связь между значением R, толщиной изоляции и теплопроводностью может быть выражена уравнением:
x = Толщина изоляции в дюймах
k = Теплопроводность изоляции в БТЕ / ч-фут- ° F
Примечание : R-значение изоляции обычно основывается на толщине изоляции в дюймах.Поскольку значения теплопроводности в Приложении B выражены в футах, значение k в знаменателе уравнения было умножено на 12.
8.5 УКАЗАНИЯ ПО ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ: Чтобы максимизировать тепловые характеристики и минимизировать конденсацию, все охлаждаемые объекты должны быть должным образом изолированы. Тип и толщина изоляции часто зависят от области применения, и не во всех случаях удается достичь оптимального расположения изоляции.Однако необходимо приложить все усилия, чтобы окружающий воздух не обдувал непосредственно охлаждаемый объект и / или термоэлектрическое устройство.
Рисунки (8.1) и (8.2) иллюстрируют взаимосвязь между утечкой тепла с изолированной поверхности и толщиной изоляции. Можно видеть, что даже небольшое количество изоляции обеспечит значительное снижение теплопотерь, но за пределами определенной точки большая толщина дает мало пользы. Два графика утечки тепла показывают потери тепла в ваттах на квадратную единицу поверхности при разнице температур в один градус (DT) через изоляцию.Полная утечка тепла (Qtot) в ваттах для других площадей поверхности (SA) или DT может быть рассчитана по выражению:
Q tot = Q утечка x SA x DT
Рисунок (8.1)
Утечка тепла с изолированной поверхности в метрических единицах
Рисунок (8.2)
Утечка тепла с изолированной поверхности в английских единицах
Обзор некоторых широко используемых методов и приемов измерения теплопроводности изоляционных материалов
1.Введение
Развитие технологий приводит к изменению спроса. Изоляционные материалы создаются в нескольких формах, включая пористую форму, форму одеяла или войлока, жесткую форму, естественную форму, вспененную структуру и отражающую структуру. Волокно и полимерные изделия — наиболее часто используемые виды теплоизоляции. Во многих исследованиях изучалось влияние различных параметров на тепловые характеристики изоляционных материалов. Обширные исследования были сосредоточены на передаче тепла в этих материалах в контексте их многочисленных и разнообразных применений.Теплопроводность в этих приложениях является одной из самых важных проблем, с которыми сталкиваются инженеры-теплотехники, инженеры-механики, инженеры-строители. В различных областях точность различных методов оценки теплопроводности и других свойств широко обсуждается как фундаментальный параметр. В результате широкого диапазона тепловых свойств изоляционных материалов не существует единого метода измерения для всех измерений теплопроводности [1].
Точность заявленных производителями значений тепловых свойств иногда вызывает сомнения, поскольку тепловые данные для определенных материалов часто являются неполными и не содержат важной информации.Когда указываются значения для типов изоляции, производители не всегда указывают плотность и температуру испытанных материалов. Как правило, «эффективная» теплопроводность материалов зависит от составляющих и / или пустот, присутствующих в различных характеристиках их структур, а также от плотности и температуры материала.
В области теплоизоляции многие разработки за последние два десятилетия повысили точность методов измерения, а также нынешнее понимание принципов теплопередачи через различные материалы.Таким образом, эти методы различаются в основном диапазоном теплопроводности, диапазоном типов материалов, временем измерения, точностью измерения, типом образца и диапазоном температур.
В ходе исследования проводится обзор имеющихся экспериментальных методик измерений. Основное внимание уделяется описательным методам измерения, и определяются их диапазоны теплопроводности и температуры. Цель состоит в том, чтобы проанализировать измерительную аппаратуру, предназначенную для определения эффективной теплопроводности изоляционных материалов.Другая цель этой главы — выяснить модели эффективной теплопроводности изоляционных материалов. Прогноз свойства был определен с использованием экспериментальных и аналитических моделей в различных исследованиях. Точность любого метода и модели ограничена физическими свойствами и другими факторами. Однако измерение и моделирование теплопроводности сложны и требуют высокой точности при определении различных параметров, участвующих в расчетах.Для анализа термического поведения материалов методы и модели должны быть четко известны и определены.
Изоляционные материалы, такие как натуральные или искусственные материалы, различаются по структуре материала и сфере применения. Чтобы разрабатывать изоляционные материалы экономичным и экологически безопасным способом, важно знать и контролировать их теплопроводность. Свойства могут изменяться в зависимости от температуры, давления и состава, влияя на передачу тепла.Чтобы ответить на следующие вопросы, необходимо знать теплопроводность [2].
Как работает конкретный изоляционный материал?
Как производительность меняется в зависимости от погоды и различных условий и как ее можно улучшить?
Какая изоляция является оптимальной для технологий / систем, работающих в различных условиях температуры, газа или давления?
Как можно спроектировать систему для достижения требуемой эффективности и какие материалы лучше всего использовать?
Какова тепловая / охлаждающая нагрузка здания и сооружения?
Как можно наилучшим образом изолировать криогенные резервуары?
Как можно улучшить передачу тепла от электронного компонента?
Существует несколько методов измерения теплопроводности.В общем, существует два основных метода измерения теплопроводности: стационарные методы и переходные или нестационарные методы [1, 3]. Каждый из этих методов подходит для ограниченного диапазона материалов, и они основаны на фундаментальных законах теплопроводности и электрической аналогии. Традиционно использовались методы установившихся состояний, поскольку они математически проще. Существует важное различие между установившимися и переходными методами [4, 5]. Методы переходной теплопередачи могут напрямую определять коэффициент температуропроводности, тогда как методы установившегося режима считаются более точными, чем переходные методы для испытания сухих материалов [6].
Стационарный метод регистрирует измерение, когда тепловое состояние испытуемого материала достигает полного равновесия [5]. Установившееся состояние достигается, когда температура в каждой точке образца постоянна и температура не изменяется со временем. Однако недостатком является то, что для достижения необходимого равновесия обычно требуется много времени [4, 5]. Метод включает в себя дорогостоящее оборудование, поскольку обычно требуется хорошо спроектированная экспериментальная система установки.Тем не менее, это основной и наиболее точный метод измерения.
Метод нестационарного или переходного режима регистрирует измерения во время процесса нагрева. Метод определяет свойства теплопроводности с помощью датчиков переходных процессов. Эти измерения могут быть выполнены относительно быстро, что дает преимущество перед методами стационарного измерения [4, 5, 7]. По этой причине были получены многочисленные решения для уравнения нестационарной теплопроводности с использованием одно-, двух-, трехмерной геометрии [7].В переходных методах обычно используются игольчатые зонды или проволока [4].
По сравнению с электрическим и тепловым переносом, отношения теплопроводности при наилучших условиях проводимости и изоляции являются значимыми и определяющими величинами. Поэтому инструменты для определения тепловых свойств часто разрабатываются только для определенных видов материалов или диапазонов температур. В таблице 1 представлено сравнение наиболее распространенных методов измерения теплопроводности [7]. Системы измерения также можно разделить на три категории в зависимости от рабочей температуры устройства: (1) работа при комнатной температуре (20–25 ° C), (2) работа при температуре ниже комнатной (примерно до –180 ° C) и (3) высокотемпературный режим (до 600 ° C и выше) [8].Данная система измерения часто оптимизируется для одного из этих диапазонов температур.
| Метод | Диапазон температур | Неопределенно | Материалы | Положительный | Отрицательный | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Устойчивое состояние методы | Охраняемая горячая пластина | 80–800 K [7] , −180–1000 ° C [9], 80–1500 K [10] | 2% [7] и 0,0001–2 Вт / (м · K) [9] 2–5% и 0 .0001–1 Вт / (м · К) [10] | Изоляция Материалы [7] и твердые, непрозрачные, изоляторы [10] | Высокая точность | Длинные измерения, большой размер образца , низкая проводимость материалы |
| Цилиндр | 4–1000 K [7] | 2% [7] | Металлы [7] | Диапазон температур , одновременное определение электрической проводимости | Длительное измерение | |
| Тепловой расходомер | −100–200 ° C для нормальный [7] 90–1300 K для осевого теплового потока и 298–2600 K для радиального теплового потока потока [10] | 3–10% [7] 0.007–1,0 Вт / (м К) [9] 0,5–2% и 10–500 Вт / (м К) (аксиальный) и 3–15% и 0,01–200 Вт / (м К) (радиальный) [10] | Изоляция, пластмассы, стекла, керамика [7] Некоторые металлы, горные породы, полимеры [9] Металлы и твердые тела [10] | Простая конструкция и эксплуатация | Измерение неточно, относительное измерение | |
| Сравнительное | 20–1300 ° C [7] 0–1000 ° C [9] | 10–20% [7] и 0,2–200 Вт / (м · К) [9] | Металлы, керамика, пластмассы [7] | Простая конструкция и работа с | Измерение неопределенность, относительное измерение | |
| Прямой нагрев | 400–3000 K [7, 10] | 2– 10% [7] 2–5% [10] и 10–200 Вт / (м · К) [10] | Металлы [7] Провода, стержни, трубки из электрических проводников [10] | Простые и быстрые измерений, с одновременное определение электрической проводимости | Только электрически проводящей материалов | |
| Трубный метод | 20–2500 ° C [7] и 50–800 ° C [9] | 3–20% [ 7] и 0.02–2 Вт / (м · К) [9] | Твердые вещества [7] силикаты кальция , минеральные и огнеупорные покрытия волокна) [9] | Диапазон температур | Подготовка образца, длительное измерение время | |
| Переходные методы | Горячая проволока, горячая полоса | 20–2000 ° C [7], −40–1600 ° C для горячей проволоки и от −50 до 500 ° C для горячей полосы [ 9] 298–1800 K [10] для горячей проволоки | 1–10% [7] 0.001–20 Вт / (м · К) для горячей проволоки и 0,1–5 Вт / (м · К) для горячей полосы [9] 5–15% [10] и 0,02–2 Вт / (м · К) для горячей проволоки [ 10] | Жидкости, стаканы, твердых веществ из k низкий [7] огнеупорные материалы [9, 10] и пластмассы, гранулы, порошки для горячей проволоки [9] и стекла, пищевые продукты, керамика для горячей полосы [9] | Диапазон температур, быстро, точность | Ограничено материалами с низкой проводимостью материалов |
| Горячий диск (техника TPS) | 30–1200 K [7] | — | жидкости, пасты, твердые вещества и порошки | очень короткое время точность, различные тепловые свойства одновременно | диапазон 0.005 и 500 Вт / (м · К) (проводящий или изолирующий материал ) | |
| Лазерная вспышка | −100–3000 ° C [7] и 100–3300 K [10] | 3–5 % [7] 1,5–5% [10] и 0,1–1500 Вт / (м · К) [9, 10] | твердые вещества, жидкости, и порошки [7] и жидкие металлы, полимер, керамика [9, 10] | Температурный диапазон, самый маленький образец, быстрый, точность при высокой температуре | Дорогой, не для изоляции материалы | |
| Фототермический (PT), Фотоакустический | 30–1500 K [7] −50–500 ° C [9] и 200–800 K [10] для PT | Известно недостаточно [7], 1–10% [10] 0.1–200 Вт / (м · К) для PT [9, 10] | Твердые тела, жидкости, газы, тонкие пленки [7], небольшие части наиболее твердых [9,10] | Подходит для тонких пленок, жидкости, и газы | нестандартные, знания о точности | |
Таблица 1.
Сравнение методов измерения для определения теплопроводности [7, 9, 10]
Для измерения теплопроводности существует четыре основные типы измерительных установок: защищенная горячая плита (GHP), измеритель теплового потока (HFM), горячая проволока и коэффициент диффузии лазерной вспышки.Использование этих инструментов / методов различается по технике, типу материала, предполагаемому размеру образца, времени измерения, возможностям и методологии измерения [5].
Для анализа теплопередачи изоляции обычно используется охраняемая горячая плита или измеритель теплового потока. В методе горячей проволоки и оплавления используются специальные устройства для образцов консолидированной изоляции. Метод лазерной вспышки часто применяется для высокопроводящей керамики, металлов и некоторых композитов [2]. Теплопроводность больших образцов огнеупорного материала измеряется с помощью горячей проволоки системы [2].На рисунке 1 представлено сравнение методов измерения и типов материалов для диапазонов теплопроводности [2].
Рисунок 1.
Сравнение методов измерения и типа материала для диапазонов теплопроводности [2].
2. Стационарные методы
Стационарные методы применяют закон теплопроводности Фурье для измерения теплопроводности. Решение проблем, связанных с различными методами стационарного теплового потока, заключается в преобразовании задачи теплопередачи в одномерную задачу, что упрощает математику.Расчеты меняются для моделей бесконечной плиты, бесконечного цилиндра или сферы. Типичная геометрия образца, конфигурация системы измерения и величина теплопроводности используются для различения различных типов измерений теплопроводности. Тепловая величина объекта измерения определяется следующими методами измерения с использованием направления теплового потока, сохранения теплового потока и вспомогательного слоя, имеющего известные тепловые свойства.
2.1. Охраняемая электрическая плита
Охраняемая горячая пластина, также известная как прибор Poensgen [11], является наиболее часто используемым и наиболее эффективным методом измерения теплопроводности изоляционных материалов. GHP полагается на постоянную разницу температур на известной толщине образца, и его основная цель — контролировать тепловой поток через материал. Одним из недостатков является то, что установление стационарного температурного градиента через образец занимает много времени при использовании GHP и других методов установившегося режима.Другими потенциальными недостатками являются то, что градиент температуры должен быть относительно большим, ширина образца должна быть большой, а также то, что контактное сопротивление между термопарой и поверхностью образца является основным источником ошибок [12]. Хотя в [12] большой размер образца упоминается как потенциальный недостаток, размер обычно не является серьезной проблемой [8].
Экспериментальная установка охраняемой горячей пластины использует стационарный теплообмен между горячей и холодной пластинами.Однако точность этого метода сомнительна, межлабораторные сравнения расчетов GHP выявили расхождения между 20 различными GHP, использованными в разное время [5]. Индивидуальные результаты этих 20 GHP значительно отличаются от контрольных значений, в диапазоне от +13 до -16% [5, 11].
Несмотря на эти недостатки, стандартизированный метод GHP является идеальным прибором для исследователей и ученых в области испытаний изоляции и считается абсолютным методом измерения.Практическая применимость требует тщательного рассмотрения содержимого массива: (а) достижение установившихся условий; (б) однонаправленный тепловой поток в анализируемой области, температуры горячей и холодной поверхностей и толщина образцов; и (c) другие факторы, влияющие на однонаправленный тепловой поток [8].
Еще одним преимуществом является то, что метод GHP стандартизирован в таких странах, как США (ASTM C 177-63), Великобритания (B.S. 874: 1965) и Германия (DIN 52612) [13].Подробности этого метода предоставлены Американским обществом испытаний материалов (ASTM) Стандарты, связанные с методом и / или материалами [1]. Детали этого стандарта частично основаны на сложности достижения стационарных условий [11], точном регулировании температуры в обычных пластинах (защищенных, горячих и холодных) и расчетных условиях.
2.1.1. Конструкция охраняемой горячей плиты
Рисунок 2.
Аппарат метода охраняемой горячей плиты для измерения теплопроводности.(а) два образца с дополнительными нагревателями и вторичными ограждениями или без них; (б) одиночный образец [7].
Измерения защищенной горячей плиты анализируются на основе теплопередачи в бесконечной геометрии плиты. Поскольку размеры образца конечны, однонаправленный тепловой поток достигается за счет использования защитных нагревателей. Температура тепловой защиты поддерживается на уровне температуры ее прилегающей поверхности (которая рассматривается как дополнительный нагреватель / радиатор), чтобы предотвратить потерю тепла от образца и источника тепла / радиатора и, как следствие, достигается однонаправленный тепловой поток [1].После достижения устойчивого состояния нагревательные и охлаждающие пластины имеют стабильную температуру. Затем теплопроводность может быть определена на основе подводимого тепла, разницы температур в образце, толщины образца и размера измеряемой области теплопередачи. Условия установившегося состояния могут изменяться в зависимости от типа образца, его размера и средней температуры [14]. GHP наиболее подходит для сухих однородных образцов [15], но он не подходит для материалов, в которых существует возможность миграции влаги [16].
Охраняемая горячая плита состоит из холодных плит, горячей плиты, системы защитных нагревателей и теплоизоляции. Горячая пластина имеет электрический нагрев, а холодные пластины представляют собой охладители Пельтье или радиаторы с жидкостным охлаждением. Конфигурация расположена симметрично, с охраняемыми горячими плитами, расположенными по бокам, в то время как блок нагревателя зажат между двумя образцами или одним образцом и вспомогательным слоем (рис. 2). На рисунке 2 показаны различные типы устройств с защищенной горячей плитой.В одностороннем состоянии системы тепловой поток проходит через один образец, а верхняя часть основного нагревателя действует как изолирующий кожух, обеспечивая адиабатическую среду [8].
Основное преимущество устройства с двумя образцами состоит в том, что тепловые потери от горячей плиты можно контролировать более эффективно благодаря симметричному расположению образца с каждой стороны нагревателя. В отличие от метода единичного образца, симметричная установка может использоваться для исследования твердых материалов.Для измерения проводимости нетвердых материалов необходимо нагревать образец сверху, чтобы избежать конвекции [7].
Электрический нагреватель помещается в пластины определенной формы или формы, например, квадратной или круглой формы. Таким образом можно расположить охраняемую пластину (кольцо), центральную пластину (измеряемую площадь) и дополнительный нагреватель. Аппарат должен одновременно испытывать два образца в виде плиты стандартного размера (например, 300 мм × 300 мм или разных размеров).Фиксированная тепловая нагрузка должна подаваться электронагревателем. Такое расположение создает тепловой поток через два образца, текущий наружу к двум пластинам, охлаждаемым системой Пельтье или жидкостной системой охлаждения.
Эти измерения тепла регистрируются дифференциальными термопарами, которые являются приборами, которые контролируют плоскую измерительную зону с электрическим обогревом, которая со всех сторон окружена секцией защитного нагревателя. Нагреваемая часть обеспечивает плоский источник тепла, приложенный к горячей поверхности образцов [8].Тепло подается в учётную зону (центральный обогреватель) по заданному тарифу на тепловую мощность. Температура защитного нагревателя поддерживается на уровне измеряемой секции с помощью системы управления.