Теплопровідність Теплопровідність Themacs Ingenierie

Вимірювання теплопровідності

ingenierie

Теплопровідність або теплопровідність матеріалу кількісно визначає його здатність передавати тепло. Ця властивість варіюється в залежності від температури та складу матеріалу. Наприклад, провідність може варіюватися від 237 Вт.м-1.К-1 для чистого алюмінію до 130 Вт.м-1.К-1 для низьколегованого сплаву. Ось чому в критичних додатках необхідно вимірювати цю властивість на фактично використаних матеріалах.

Три найпоширеніші методи, що використовуються в промисловості та дослідженнях:

  • Метод охоронної конфорки
  • Метод спалаху
  • Метод гарячого дроту

Ці три методи є предметом великої кількості публікацій та стандартів (ISO NF-EN та ASTM).

Визначення провідності

Провідність - це теплова властивість, яка визначається як коефіцієнт пропорційності між тепловим потоком та градієнтом температури:

Коли тепловіддачі спрямовані в одному напрямку, вибір полягає в тому, щоб передати цей тепловіддачу в 1D. Тому рівняння тепловіддачі пишеться у такому вигляді:

Якщо джерелом тепла є потужність P, рівномірно розподілена по поверхні S, ми маємо:

Теплопровідність бере участь у розрахунку теплової дифузійності та теплової еффузійності.

Вимірювання постійної провідності:

Найчастіше застосовуваний метод - створення одностороннього потоку. Це можливо, якщо розмістити зразок між двома ізотермічними площинами з різною температурою.
Проблема стаціонарного вимірювання полягає у втратах тепла. Щоб уникнути цього, ми зменшуємо втрати, використовуючи тонку пробу, щоб втрати були незначними, або використовуючи захисний кожух

Метод охоронної конфорки

Гаряча плита, що охороняється: Принцип полягає у використанні 2 однакових зразків та піддаванні їх 1D потоку в зоні вимірювання, оточеній охоронною зоною. Зразки, як правило, квадратні. Перевагою наявності 2 однакових зразків є уникнення термозахисту за гарячою площиною. За допомогою флюксметричного методу можна використовувати лише один зразок.

Вимірювальна і охоронна зони розділені зазором. У таблиці зі стандартного NF EN 12664 наведено порядок розмірів вимірювального пристрою.

Цей метод має варіант, який називається флюксметричний метод який полягає у вимірюванні одновимірного потоку. Цей метод дозволяє уникнути охоронних зон і дозволяє отримати лише один зразок.

Стандарти щодо методу охоронної конфорки:

NF EN 12939: Теплові показники будівельних матеріалів та виробів - Визначення теплового опору методом захищеної конфорки та флюсметричним методом - Товсті вироби з високим та середнім термічним опором

XP CEN/TS 15548-1: Теплоізоляційні вироби для будівельного обладнання та промислових установок. Визначення теплового опору методом охоронної конфорки. Частина 1. Вимірювання при високій температурі від 100 ° C до 850 ° C

NF EN 12664: Теплові показники будівельних матеріалів та виробів - Визначення теплового опору методом захищеної конфорки та флюсметричним методом - Сухі та мокрі вироби із середнім та низьким термічним опором

NF EN 12667 (2001-07-01): Теплові показники будівельних матеріалів та виробів - Визначення теплового опору методом захищеної конфорки та флюсметричним методом - Вироби з високим та середнім термічним опором

NF X10-021 (1972-12-01): Малопровідні матеріали - Визначення теплопровідності Захищений метод конфорки із симетричними зразками

EN 12939 (2001-03-01): Назва: Теплові показники будівельних матеріалів та виробів - Визначення теплового опору методом захищеної конфорки та флюсметричним методом - Товсті вироби з високим та середнім термічним опором

ISO 10291: 1994 (1994-09-15): Скло в будівництві. Визначення коефіцієнта теплопередачі U в стійкому стані багаторазового скління. Метод охоронної конфорки.

ISO 8302: 1991 (1991-08-01): Термоізоляція. Визначення термостійкості та супутніх властивостей у стійкому стані. Метод охоронної конфорки.

Метод охоронної планки

Пристрій в принципі ідентичний методу охоронної конфорки. Відрізняється лише геометрія.
Цей метод підходить для високопровідних матеріалів, таких як метали. На наступному малюнку показано цей тип пристрою. Бар нагрівається нагрівальним елементом. Його потужність вимірюється з точністю. Тому тепловий потік точно відомий. Бічні теплообміни обмежені ізоляційним матеріалом, що зазнає однакового градієнта температури. На кожній висоті стержня ізолятор має ту саму температуру, що і зразок. Цей метод застосовується навіть при високих температурах. Це залишається еталонним методом у метрологічних лабораторіях, таких як NMI (Національний метрологічний інститут). Температура вимірюється в декількох точках. Відсоток подвійний:

  • Ми можемо мати провідність при декількох температурах, якщо градієнт великий.
  • Теплова модель може бути виправлена, якщо, однак, є бічні втрати.

Вимірювання провідності в нестаціонарному стані:

Принцип полягає в переході в нестабільний стан, тобто в перехідний стан. У цих методах може знадобитися більше не вимірювати провідність, а дифузійність. Це обумовлює необхідність вимірювання питомої теплоти іншим методом.

Спосіб спалаху:

Цей метод дуже корисний для вимірювання теплопровідності на невеликих зразках.
Це дуже важливо для вимірювання теплопровідності при високій температурі, коли вимірювання температури контактною пірометрією не працює. Цей метод не вимагає точного вимірювання температури. Однак ми можемо виміряти лише дифузійність:

Де A - провідність, a - дифузійність, щільність, c - питома теплоємність.
Схема експериментальної установки представлена ​​нижче. Він нагрівається легким спалахом, лазерною або іонною бомбардуванням. Підвищення температури вимірюється з іншого боку за допомогою пірометрії.

Потім принцип полягає в аналізі термограми (підвищення температури на задній поверхні) для визначення дифузійності:

Термограма на задній панелі як функція часу:
Зменшення після отримання Tmax зумовлене неадіабатичним характером експерименту.

Найпростіший метод - це визначення часу, необхідного для досягнення підйому вдвічі більше максимального підвищення температури (у випадку з адіабатичною системою). Ми отримуємо дифузійність наступним чином:

e - товщина зразка

Складністю цього методу є правильний розмір товщини зразка та вибір потужності спалаху.

Інша складність полягає у впровадженні правильної моделі у разі високотемпературних теплообмінів, що перешкоджають використанню спрощеної моделі вище.

Themacs Engineering проводить для Вас вимірювання теплопровідності Ваших матеріалів.

Бібліографічний пункт:

Автор (и): Бруно ХЕЙ, Жан-Ремі ФІЛЬЦ, Жан-Крістоф БЕТСАЙЛ

Короткий зміст:
Метод спалаху є найбільш відомим і найбільш широко застосовуваним методом вимірювання теплової дифузійності. З часу свого розвитку в 1961 році він зазнав багатьох розробок. Як лабораторний метод, він все частіше розглядається як інструмент промислового контролю, завдяки простоті його застосування. У цій статті представлені різні аспекти цього методу, від моделювання та оцінки параметрів до вимірювань, включаючи деякі приклади промислових та лабораторних досягнень.

Стандарти щодо методу спалаху:

NF EN ISO 22007-4 (2017-08-02): Пластмаси. Визначення теплопровідності та теплопровідності. Частина 4. Метод лазерного спалаху

NF EN 821-2 (1997-08-01): Досконала технічна кераміка - Монолітна кераміка - Теплофізичні властивості. Частина 2: Визначення теплової дифузійності методом лазерного спалаху (або теплового імпульсу)

ISO 13826: 2013 (15.01.2013): Металеві покриття та інші неорганічні покриття. Визначення теплової дифузійності керамічних покриттів, отриманих методом термічного напилення методом лазерного спалаху

ISO 18755: 2005 (2005-03-15): Технічна кераміка - Визначення теплової дифузійності монолітної кераміки методом лазерного спалаху

ISO 19629: 2018 (2018-08-01): Технічна кераміка. Теплофізичні властивості керамічних композитів. Визначення одновимірної теплової дифузійності методом спалаху

Метод гарячого дроту

Цей метод в основному застосовується для вимірювання теплопровідності рідин, високотемпературних ізоляційних вогнетривких матеріалів та сипучих ізоляційних матеріалів.

В якості джерела нагріву використовується резистивний провід. Зазвичай платиновий дріт також служить датчиком температури. Це піддається силовому кроку, і вивчення термограми дозволяє визначити провідність. Пристрій схематично показано нижче:
Провід (С) нагрівається за допомогою 4-х дротової системи, що дозволяє контролювати потужність і вимірювати її опір. Реєструється напруга і сила струму, що подаються на нього. з цього ми можемо визначити температуру дроту.


Схема вимірювальної комірки

Припускаємо, що передача тепла в рідині в циліндричній геометрії відбувається в напівнескінченному середовищі. Вимірювання повинно проводитися протягом короткого проміжку часу в рідинах, щоб не піддаватися впливу конвекції. Також вважається, що початкова температура дроту T (0) і джерела живлення P є постійними. Розв’язування рівняння теплоти для цих умов дає аналітичний вираз для еволюції часу T (t) температури нагрівального дроту. Якщо використовується дуже тонкий нагрівальний дріт, його інерція має вимірюваний прояв на кривій температури лише в дуже короткі часи.Отримаємо спрощений вираз зміни температури дроту:

Де  - нахил лінійної частини графіку температури проти логарифму часу:

Значення  отримують лінійною регресією. Отже, рівняння (2) дозволяє розрахувати теплопровідність рідкої частинки з величини , визначеної експериментально, та з відомих довжини дроту L та джерела живлення P. Постійний параметр C з рівняння (1) далі залежить від опору контакту між дротом і рідиною, радіуса дроту і теплової дифузійності рідини. Значення цього параметра, як правило, не аналізуються.
Подібний метод застосовується NIST для вимірювання теплопровідності рідин. Цей метод використовує два дроти різної довжини, розміщені на двох гілках мосту Уітстона для усунення крайових ефектів.

Приклад записаної термограми для отримання теплопровідності

Бібліографічний пункт:

  1. Б. Ле Нейндр, Вимірювання теплопровідності рідин і газів, Інженерні методи, R2920-V2 (1996).
  2. Стандарт ASTM D 5930, Стандартний метод випробовування теплопровідності пластмас за допомогою технології перехідних лінійних джерел (січень 2009 р.).
  3. Н-М. Родер, Перехідний пристрій теплопровідності для рідин із гарячим дротом, Журнал досліджень Національного бюро стандартів, вип. 86, No 5, с. 457-493 (1981).

Стандарти для методу гарячого дроту:

NF EN 993-15 (2005-10-01): Методи випробування вогнетривких виробів щільної форми - Частина 15: Визначення теплопровідності методом гарячого дроту (паралельно)

NF EN ISO 8894-1 (2010-08-01): Вогнетривкі матеріали - Визначення теплопровідності - Частина 1: Методи гарячого дроту ("павук" і "термометр опору")

ISO 8894-2: 2007 (15.12.2007): Вогнетривкі матеріали. Визначення теплопровідності. Частина 2. Метод гарячого дроту (паралельно)

EN ISO 8894-1 (2010-08-01): Вогнетривкі матеріали - Визначення теплопровідності - Частина 1: Методи гарячого дроту ("павук" і "термометр опору")

NF EN 993-15 (2005-10-01): Методи випробування вогнетривких виробів щільної форми - Частина 15: Визначення теплопровідності методом гарячого дроту (паралельно)

XP CEN/TS 15658 (01.11.2007): Передова технічна кераміка - Механічні властивості керамічних волокон при високій температурі в нереактивному середовищі - Визначення поведінки повзучості методом гарячої щелепи