การวิจัยขั้นพื้นฐาน วิธีการบางอย่างในการพิจารณาการนำความร้อน วิธีการหาค่าการนำความร้อนของวัสดุ

การนำความร้อนเป็นคุณลักษณะทางอุณหฟิสิกส์ที่สำคัญที่สุดของวัสดุ จะต้องนำมาพิจารณาในการออกแบบอุปกรณ์ทำความร้อนการเลือกความหนาของสารเคลือบป้องกันและคำนึงถึงการสูญเสียความร้อนด้วย หากไม่มีหนังสืออ้างอิงที่เกี่ยวข้องหรือหาไม่ได้ และไม่ทราบองค์ประกอบของวัสดุอย่างแม่นยำ จะต้องคำนวณหรือวัดค่าการนำความร้อนด้วยการทดลอง

ส่วนประกอบการนำความร้อนของวัสดุ

การนำความร้อนเป็นลักษณะของกระบวนการถ่ายเทความร้อนในร่างกายที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยมีขนาดโดยรวมที่แน่นอน ดังนั้น พารามิเตอร์เริ่มต้นสำหรับการวัดคือ:

พื้นที่ในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางการไหลของความร้อน
เวลาที่การถ่ายโอนพลังงานความร้อนเกิดขึ้น
ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแต่ละส่วนที่อยู่ห่างจากที่สุดของชิ้นส่วนหรือตัวอย่างทดสอบ
พลังของแหล่งความร้อน

เพื่อรักษาความถูกต้องแม่นยำสูงสุดของผลลัพธ์ จำเป็นต้องสร้างสภาวะการถ่ายเทความร้อนแบบคงที่ (คงที่ตามเวลา) ในกรณีนี้ ปัจจัยด้านเวลาสามารถละเลยได้

การนำความร้อนสามารถกำหนดได้สองวิธี - แบบสัมบูรณ์และแบบสัมพัทธ์

วิธีสัมบูรณ์ในการประเมินการนำความร้อน

ในกรณีนี้ จะกำหนดค่าโดยตรงของฟลักซ์ความร้อนซึ่งส่งตรงไปยังตัวอย่างที่กำลังศึกษาอยู่ โดยส่วนใหญ่ ตัวอย่างจะถูกนำมาเป็นแท่งหรือแผ่น แม้ว่าในบางกรณี (เช่น เมื่อพิจารณาค่าการนำความร้อนขององค์ประกอบที่วางโคแอกเซียล) อาจอยู่ในรูปของทรงกระบอกกลวง ข้อเสียของตัวอย่างเพลตคือจำเป็นต้องมีระนาบขนานที่เข้มงวดของพื้นผิวตรงข้าม

ดังนั้นสำหรับโลหะที่มีคุณลักษณะการนำความร้อนสูง จึงมักจะใช้ตัวอย่างที่มีรูปร่างเป็นแท่ง

สาระสำคัญของการวัดมีดังนี้ บนพื้นผิวด้านตรงข้าม อุณหภูมิจะคงอยู่คงที่ ซึ่งเกิดจากแหล่งความร้อนที่ตั้งฉากกับพื้นผิวด้านใดด้านหนึ่งของตัวอย่างอย่างเคร่งครัด

ในกรณีนี้ พารามิเตอร์การนำความร้อน ที่ต้องการ จะเป็น
γ=(Q*d)/F(T2-T1), W/m∙K โดยที่:
Q—พลังความร้อนไหล;
d—ความหนาของตัวอย่าง;
F คือพื้นที่ของตัวอย่างที่ได้รับผลกระทบจากการไหลของความร้อน
T1 และ T2 คืออุณหภูมิบนพื้นผิวของตัวอย่าง

เนื่องจากพลังงานฟลักซ์ความร้อนสำหรับเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าสามารถแสดงผ่าน UI พลังงานได้ และเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่เชื่อมต่อกับตัวอย่างก็สามารถใช้เพื่อวัดอุณหภูมิได้ การคำนวณดัชนีการนำความร้อน γ จึงไม่ใช่เรื่องยากเป็นพิเศษ

เพื่อที่จะกำจัดการสูญเสียความร้อนที่สิ้นเปลืองและเพิ่มความแม่นยำของวิธีการ ควรวางตัวอย่างและชุดประกอบเครื่องทำความร้อนไว้ในปริมาตรที่เป็นฉนวนความร้อนที่มีประสิทธิภาพ เช่น ในภาชนะ Dewar

วิธีการสัมพัทธ์ในการหาค่าการนำความร้อน

คุณสามารถแยกตัวประกอบกำลังการไหลของความร้อนออกจากการพิจารณาได้ หากคุณใช้วิธีการประเมินเปรียบเทียบวิธีใดวิธีหนึ่ง เพื่อจุดประสงค์นี้ จะมีการวางตัวอย่างอ้างอิงไว้ระหว่างแท่ง โดยต้องทราบค่าการนำความร้อนของวัสดุนั้น และแหล่งความร้อน ซึ่งทราบค่าการนำความร้อนของวัสดุ แลมบ์ 3 เพื่อกำจัดข้อผิดพลาดในการวัด ตัวอย่างจะถูกกดให้ชิดกัน ปลายด้านตรงข้ามของตัวอย่างที่จะวัดจะถูกจุ่มลงในอ่างทำความเย็น หลังจากนั้นเทอร์โมคัปเปิลสองตัวจะเชื่อมต่อกับแท่งทั้งสอง

ค่าการนำความร้อนคำนวณจากการแสดงออก
แลมบ์=แล 3 (d(T1 3 -T2 3)/d 3 (T1-T2)) โดยที่:
d คือระยะห่างระหว่างเทอร์โมคัปเปิลในตัวอย่างที่ศึกษา
d 3 คือระยะห่างระหว่างเทอร์โมคัปเปิลในตัวอย่างที่อ้างอิง
T1 3 และ T2 3 - การอ่านค่าเทอร์โมคัปเปิลที่ติดตั้งในตัวอย่างอ้างอิง
T1 และ T2 คือค่าที่อ่านได้ของเทอร์โมคัปเปิลที่ติดตั้งในตัวอย่างที่อยู่ระหว่างการศึกษา

ค่าการนำความร้อนสามารถหาได้จากค่าการนำไฟฟ้า γ ที่ทราบของวัสดุตัวอย่าง ในการทำเช่นนี้ตัวนำลวดจะถูกนำมาเป็นตัวอย่างทดสอบโดยที่ปลายสุดจะรักษาอุณหภูมิให้คงที่ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็ตาม กระแสไฟฟ้าตรงของแรง I ถูกส่งผ่านตัวนำ และหน้าสัมผัสขั้วต่อควรใกล้เคียงกับอุดมคติ

เมื่อถึงสถานะความร้อนคงที่ อุณหภูมิสูงสุด Tmax จะอยู่ตรงกลางตัวอย่าง โดยมีค่าต่ำสุด T1 และ T2 ที่ปลาย โดยการวัดความต่างศักย์ U ระหว่างจุดสุดขั้วของตัวอย่าง ค่าการนำความร้อนสามารถกำหนดได้จากค่าที่ขึ้นต่อกัน

ความแม่นยำของการประเมินการนำความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามความยาวของตัวอย่างทดสอบที่เพิ่มขึ้น รวมถึงความแรงของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านที่เพิ่มขึ้น

วิธีการวัดค่าการนำความร้อนสัมพัทธ์มีความแม่นยำมากกว่าวิธีสัมบูรณ์ และสะดวกกว่าในการใช้งานจริง แต่ต้องใช้เวลาในการวัดนานพอสมควร นี่เป็นเพราะระยะเวลาในการสร้างสถานะความร้อนคงที่ในตัวอย่าง ซึ่งจะกำหนดค่าการนำความร้อน

เป้าหมายของการทำงาน: ศึกษาวิธีการหาค่าสัมประสิทธิ์การทดลอง

การนำความร้อนของวัสดุแข็งโดยวิธีเพลต

ออกกำลังกาย:1. กำหนดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุที่กำลังศึกษา

2. พิจารณาการพึ่งพาค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนกับอุณหภูมิ

วัสดุที่กำลังศึกษา

บทบัญญัติพื้นฐาน

การแลกเปลี่ยนความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนในอวกาศที่ไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้เองเมื่อมีอุณหภูมิแตกต่างกัน การถ่ายเทความร้อนมีสามวิธีหลัก ซึ่งมีลักษณะทางกายภาพแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ:

การนำความร้อน

การพาความร้อน;

การแผ่รังสีความร้อน

ในทางปฏิบัติตามกฎแล้วความร้อนจะถูกถ่ายโอนพร้อมกันในหลายวิธี แต่ความรู้เกี่ยวกับกระบวนการเหล่านี้เป็นไปไม่ได้หากไม่ได้ศึกษากระบวนการเบื้องต้นของการถ่ายเทความร้อน

การนำความร้อนเป็นกระบวนการถ่ายเทความร้อนที่เกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคขนาดเล็ก ในก๊าซและของเหลว การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนเกิดขึ้นจากการแพร่กระจายของอะตอมและโมเลกุล ในของแข็ง การเคลื่อนที่อย่างอิสระของอะตอมและโมเลกุลตลอดปริมาตรทั้งหมดของสารนั้นเป็นไปไม่ได้ และจะลดลงตามการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนเท่านั้นเมื่อเทียบกับตำแหน่งสมดุลที่แน่นอน ดังนั้น กระบวนการนำความร้อนในของแข็งเกิดจากการเพิ่มแอมพลิจูดของการแกว่งเหล่านี้ ซึ่งแพร่กระจายไปทั่วปริมาตรของร่างกาย เนื่องจากการรบกวนของสนามแรงระหว่างอนุภาคที่สั่น ในโลหะ การถ่ายเทความร้อนโดยการนำความร้อนเกิดขึ้นไม่เพียงเนื่องจากการสั่นของไอออนและอะตอมที่อยู่ที่โหนดของโครงตาข่ายคริสตัล แต่ยังเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระซึ่งก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า "ก๊าซอิเล็กตรอน" เนื่องจากการมีอยู่ของตัวพาพลังงานความร้อนเพิ่มเติมในรูปของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ ค่าการนำความร้อนของโลหะจึงสูงกว่าไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งอย่างมีนัยสำคัญ

เมื่อศึกษากระบวนการนำความร้อนจะใช้แนวคิดพื้นฐานต่อไปนี้:

ปริมาณความร้อน (ถาม  ) – พลังงานความร้อนที่ส่งผ่านระหว่างกระบวนการทั้งหมดผ่านพื้นผิวของพื้นที่ใดก็ได้ F ในระบบ SI มีหน่วยวัดเป็นจูล (J)

การไหลของความร้อน (พลังงานความร้อน) (ถาม) – ปริมาณความร้อนที่ไหลผ่านต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นผิวของพื้นที่ใดก็ได้ F

ในระบบ SI การไหลของความร้อนจะวัดเป็นวัตต์ (W)

ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อน (ถาม) – ปริมาณความร้อนที่ไหลผ่านต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นผิวหน่วย

ในระบบ SI มีหน่วยวัดเป็น W/m2

สนามอุณหภูมิ– ชุดของค่าอุณหภูมิในช่วงเวลาที่กำหนดในทุกจุดของพื้นที่ที่ร่างกายครอบครอง หากอุณหภูมิที่ทุกจุดของสนามอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป สนามดังกล่าวจะถูกเรียก เครื่องเขียนถ้ามันเปลี่ยนแปลง งั้น- ไม่นิ่ง.

พื้นผิวที่เกิดจากจุดที่มีอุณหภูมิเท่ากันเรียกว่า อุณหภูมิคงที่.

การไล่ระดับอุณหภูมิ (ผู้สำเร็จการศึกษาต) – เวกเตอร์ที่พุ่งไปตามพื้นผิวปกติถึงพื้นผิวไอโซเทอร์มอลในทิศทางของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และกำหนดเป็นตัวเลขเป็นขีดจำกัดของอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวไอโซเทอร์มอลสองพื้นผิวกับระยะห่างระหว่างพื้นผิวทั้งสองตามแนวปกติเมื่อระยะห่างนี้มีแนวโน้มเป็นศูนย์ หรืออีกนัยหนึ่ง การไล่ระดับอุณหภูมิคืออนุพันธ์ของอุณหภูมิในทิศทางนี้

การไล่ระดับอุณหภูมิจะแสดงลักษณะเฉพาะของอัตราการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในทิศทางปกติของพื้นผิวอุณหภูมิคงที่

กระบวนการนำความร้อนมีลักษณะตามกฎพื้นฐานของการนำความร้อน - กฎของฟูริเยร์(1822) ตามกฎหมายนี้ ความหนาแน่นฟลักซ์ความร้อนที่ส่งผ่านการนำความร้อนจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการไล่ระดับอุณหภูมิ:

โดยที่ ` คือสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของสาร W/(mdeg)

เครื่องหมาย (-) แสดงว่าการไหลของความร้อนและการไล่ระดับอุณหภูมิมีทิศทางตรงกันข้าม

ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนแสดงปริมาณความร้อนที่ถูกถ่ายโอนต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นผิวหน่วยโดยมีการไล่ระดับอุณหภูมิเท่ากับความสามัคคี

ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนเป็นลักษณะทางอุณหฟิสิกส์ที่สำคัญของวัสดุและความรู้ที่จำเป็นในการคำนวณทางความร้อนที่เกี่ยวข้องกับการพิจารณาการสูญเสียความร้อนผ่านโครงสร้างที่ปิดล้อมของอาคารและโครงสร้างผนังของเครื่องจักรและอุปกรณ์การคำนวณฉนวนกันความร้อนตลอดจนเมื่อใด แก้ปัญหาทางวิศวกรรมอื่นๆ อีกมากมาย

กฎการนำความร้อนที่สำคัญอีกประการหนึ่งก็คือ กฎฟูริเยร์-เคอร์ชอฟซึ่งกำหนดลักษณะของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในอวกาศและเวลาระหว่างการนำความร้อน ชื่ออื่นของมันคือ สมการความร้อนเชิงอนุพันธ์เนื่องจากได้มาจากวิธีทฤษฎีการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ตามกฎของฟูริเยร์ สำหรับสนามอุณหภูมิที่ไม่คงที่สามมิติ สมการเชิงอนุพันธ์ของการนำความร้อนมีรูปแบบดังต่อไปนี้:

ที่ไหน
- ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อนซึ่งกำหนดคุณสมบัติความเฉื่อยทางความร้อนของวัสดุ

`,C p , - ตามลำดับค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนความจุความร้อนไอโซบาริกและความหนาแน่นของสาร

- ตัวดำเนินการลาปลาซ

สำหรับสนามอุณหภูมิคงที่หนึ่งมิติ (
) สมการเชิงอนุพันธ์ของการนำความร้อนมีรูปแบบที่เรียบง่าย

ด้วยการรวมสมการ (1) และ (2) เข้าด้วยกัน จึงสามารถระบุความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนผ่านร่างกายและกฎการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายในร่างกายระหว่างการถ่ายเทความร้อนโดยการนำ เพื่อให้ได้วิธีแก้ปัญหา จำเป็นต้องมีงาน เงื่อนไขของความชัดเจน.

เงื่อนไขความเป็นเอกลักษณ์– นี่เป็นข้อมูลส่วนตัวเพิ่มเติมที่แสดงถึงปัญหาที่อยู่ระหว่างการพิจารณา ซึ่งรวมถึง:

เงื่อนไขทางเรขาคณิตที่แสดงถึงรูปร่างและขนาดของร่างกาย

สภาพร่างกายที่แสดงถึงคุณสมบัติทางกายภาพของร่างกาย

สภาวะชั่วคราว (เริ่มต้น) ที่แสดงลักษณะการกระจายอุณหภูมิในช่วงเวลาเริ่มต้น

เงื่อนไขขอบเขตที่กำหนดลักษณะของการแลกเปลี่ยนความร้อนที่ขอบเขตของร่างกาย มีเงื่อนไขขอบเขตของประเภทที่ 1, 2 และ 3

ที่ เงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 1มีการระบุการกระจายอุณหภูมิบนพื้นผิวของร่างกาย ในกรณีนี้จำเป็นต้องกำหนดความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนทั่วร่างกาย

ที่ เงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 2ระบุความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนและอุณหภูมิของพื้นผิวด้านใดด้านหนึ่งของร่างกาย จำเป็นต้องกำหนดอุณหภูมิของพื้นผิวอื่น

ภายใต้เงื่อนไขขอบเขตประเภทที่ 3ต้องทราบเงื่อนไขการถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นผิวของร่างกายกับสื่อที่ล้างจากภายนอก จากข้อมูลเหล่านี้ ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนจะถูกกำหนด กรณีนี้หมายถึงกระบวนการรวมการถ่ายเทความร้อนโดยการนำและการพาความร้อนเรียกว่า การถ่ายเทความร้อน.

ลองพิจารณาตัวอย่างที่ง่ายที่สุดสำหรับกรณีการนำความร้อนผ่านผนังเรียบ แบนเรียกว่ากำแพงที่มีความหนาน้อยกว่าสองมิติอื่น ๆ อย่างมาก - ความยาวและความกว้าง ในกรณีนี้สามารถระบุเงื่อนไขเอกลักษณ์ได้ดังนี้:

เรขาคณิต: ความหนาของผนัง เป็นที่รู้จัก สนามอุณหภูมิเป็นแบบมิติเดียว ดังนั้นอุณหภูมิจะเปลี่ยนไปตามทิศทางของแกน X เท่านั้น และการไหลของความร้อนจะถูกส่งตรงไปยังพื้นผิวผนังตามปกติ

ทางกายภาพ: ทราบวัสดุผนังและค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุนี้ และสำหรับทั้งร่างกาย`=const;

ชั่วคราว: สนามอุณหภูมิไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปเช่น อยู่กับที่

สภาพชายแดน: แบบที่ 1 อุณหภูมิผนังคือ T 1 และ T 2

จำเป็นต้องกำหนดกฎการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามความหนาของผนัง T=f(X) และความหนาแน่นฟลักซ์ความร้อนผ่านผนังq

เพื่อแก้ปัญหาเราใช้สมการ (1) และ (3) โดยคำนึงถึงเงื่อนไขขอบเขตที่ยอมรับ (ที่ x=0T=T 1; ที่ x=T=T 2) หลังจากการอินทิเกรตสมการสองเท่า (3) เราจะได้กฎการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามความหนาของผนัง

การกระจายอุณหภูมิในผนังเรียบแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1. การกระจายอุณหภูมิในผนังเรียบ

ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนจะถูกกำหนดตามนิพจน์

การกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนในทางทฤษฎีไม่สามารถให้ความแม่นยำของผลลัพธ์ที่จำเป็นสำหรับการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรมสมัยใหม่ได้ ดังนั้นวิธีเดียวที่เชื่อถือได้ยังคงเป็นการตัดสินใจในการทดลอง

หนึ่งในวิธีการทดลองที่รู้จักกันดีในการพิจารณา `is วิธีชั้นแบน. ตามวิธีนี้ สามารถกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุผนังเรียบได้จากสมการ (5)

;

ในกรณีนี้ค่าที่ได้รับของสัมประสิทธิ์การนำความร้อนหมายถึงอุณหภูมิเฉลี่ย T m = 0.5 (T 1 + T 2)

แม้จะมีความเรียบง่ายทางกายภาพ แต่การใช้งานวิธีนี้ในทางปฏิบัติก็มีปัญหาในตัวมันเองที่เกี่ยวข้องกับความยากลำบากในการสร้างสนามอุณหภูมิคงที่หนึ่งมิติในตัวอย่างที่กำลังศึกษาและคำนึงถึงการสูญเสียความร้อน

คำอธิบายของขาตั้งห้องปฏิบัติการ

การหาค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนจะดำเนินการในการติดตั้งในห้องปฏิบัติการตามวิธีการจำลองกระบวนการทางกายภาพจริง การติดตั้งประกอบด้วยพีซีที่เชื่อมต่อกับเค้าโครงของพื้นที่ทำงานซึ่งแสดงบนหน้าจอมอนิเตอร์ พื้นที่ทำงานถูกสร้างขึ้นโดยการเปรียบเทียบกับพื้นที่จริงและแสดงแผนภาพไว้ในรูปที่ 1 2.

รูปที่ 2. แผนผังพื้นที่ทำงานการติดตั้ง

ส่วนการทำงานประกอบด้วยตัวอย่างฟลูออโรเรซิ่น 2 ตัวอย่าง 12 ซึ่งทำในรูปของจานที่มีความหนา  = 5 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง d = 140 มม. วางตัวอย่างไว้ระหว่างเครื่องทำความร้อน 10 ที่มีความสูง h = 12 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง d n = 146 มม. และตู้เย็น 11 ระบายความร้อนด้วยน้ำ การสร้างการไหลของความร้อนนั้นดำเนินการโดยองค์ประกอบความร้อนที่มีความต้านทานไฟฟ้า R = 41 โอห์มและตู้เย็น 11 พร้อมร่องเกลียวเพื่อการไหลเวียนของน้ำหล่อเย็นโดยตรง ดังนั้นความร้อนที่ไหลผ่านตัวอย่างฟลูออโรเรซิ่นที่กำลังศึกษาจึงถูกพัดพาไปโดยน้ำที่ไหลผ่านตู้เย็น ความร้อนส่วนหนึ่งจากเครื่องทำความร้อนจะเล็ดลอดผ่านพื้นผิวส่วนปลายออกสู่สิ่งแวดล้อม ดังนั้น เพื่อลดการสูญเสียในแนวรัศมีเหล่านี้ จึงได้จัดเตรียมปลอกฉนวนความร้อน 13 ที่ทำจากซีเมนต์ใยหินไว้ (k = 0.08 W/(mdeg)) ตัวเรือนที่มีความสูง h k = 22 มม. ทำในรูปแบบของทรงกระบอกกลวงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน d h = 146 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก d k = 190 มม. วัดอุณหภูมิโดยใช้เทอร์โมคัปเปิล Chromel-Copel (ประเภท XK) จำนวน 7 ตัว 1…7 ติดตั้งตามจุดต่างๆ ของพื้นที่ทำงาน สวิตช์เซ็นเซอร์อุณหภูมิ 15 ช่วยให้คุณวัด thermo-EMF ของเซ็นเซอร์อุณหภูมิทั้งเจ็ดตัวตามลำดับ มีการติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล 7 ไว้ที่พื้นผิวด้านนอกของท่อฉนวนความร้อนเพื่อตรวจวัดความร้อนที่รั่วไหลผ่าน

ลำดับการทำงาน

3.1. โหมดอุณหภูมิการทำงานของการติดตั้งจะถูกเลือกโดยการตั้งค่าอุณหภูมิของพื้นผิวร้อนของแผ่น Tg ให้อยู่ในช่วงตั้งแต่ 35°C ถึง 120°C

3.2. บนคอนโซลการติดตั้งสวิตช์สลับสำหรับแหล่งจ่ายไฟของอุปกรณ์ตัวบ่งชี้ที่บันทึกแรงดันไฟฟ้าบนเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า U, เทอร์โม EMF ของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ E และสวิตช์สลับสำหรับเปิดเครื่องทำความร้อนจะเปิดตามลำดับ

3.3. ด้วยการหมุนปุ่มลิโน่อย่างนุ่มนวล แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการจะถูกตั้งค่าบนฮีตเตอร์ ลิโน่ถูกสร้างขึ้นในเวอร์ชันสเต็ป ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงเปลี่ยนแปลงเป็นสเต็ป แรงดันไฟฟ้า U และอุณหภูมิ T g จะต้องสอดคล้องกันตามการพึ่งพาที่แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 โซนทำความร้อนในการทำงาน

3.4. โดยการสอบปากคำเซ็นเซอร์อุณหภูมิตามลำดับโดยใช้สวิตช์ 15 จะกำหนดค่าเทอร์โม - EMF ของเทอร์โมคัปเปิ้ลเจ็ดตัวซึ่งเมื่อรวมกับค่า U จะถูกป้อนลงในโปรโตคอลการทดลอง (ดูตารางที่ 1) การลงทะเบียนการอ่านจะดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์ตัวบ่งชี้บนแผงควบคุม ซึ่งการอ่านจะถูกทำซ้ำบนหน้าจอพีซี

3.5. เมื่อสิ้นสุดการทดลอง หน่วยงานกำกับดูแลทั้งหมดของการติดตั้งจะถูกย้ายไปยังตำแหน่งเดิม

3.6. ทำการทดลองซ้ำแล้วซ้ำอีก (จำนวนทั้งหมดต้องมีอย่างน้อย 3) และค่า Tg อื่น ๆ ในลักษณะที่กำหนดไว้ในย่อหน้า 3.1…3.5.

การประมวลผลผลการวัด

4.1. ตามคุณลักษณะการสอบเทียบของเทอร์โมคัปเปิล Chromel-Copel การอ่านค่าของเซ็นเซอร์อุณหภูมิ จะถูกแปลงเป็นองศาตามสเกลเคลวิน .

4.2. อุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นผิวร้อนภายในและภายนอกของตัวอย่างจะถูกกำหนด

โดยที่ i คือหมายเลขเทอร์โมคัปเปิล

4.3. พิจารณาฟลักซ์ความร้อนทั้งหมดที่เกิดจากเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า

, ว

โดยที่ U คือแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน V;

R= 41 โอห์ม – ความต้านทานของเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า

4.4. ฟลักซ์ความร้อนที่สูญเสียไปเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนผ่านท่อจะถูกกำหนด

โดยที่ k คือค่าสัมประสิทธิ์ที่แสดงลักษณะกระบวนการถ่ายเทความร้อนผ่านท่อ

, W/(ม. 2 องศา)

โดยที่  k = 0.08 W/(mdeg) – สัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุปลอก;

d n = 0.146 ม. – เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของเครื่องทำความร้อน

dк = 0.190 ม. – เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของปลอก

h n = 0.012 ม. – ความสูงของเครื่องทำความร้อน;

h k = 0.022 ม. – ความสูงของปลอก

T t – อุณหภูมิของพื้นผิวด้านนอกของท่อ กำหนดโดยเทอร์โมคัปเปิลตัวที่ 7

4.5. การไหลของความร้อนที่ไหลผ่านตัวอย่างที่กำลังศึกษาจะถูกกำหนดโดยการนำความร้อน

, ว

4.6. กำหนดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุที่กำลังศึกษาอยู่

, W/(มองศา)

โดยที่ Q ` คือการไหลของความร้อนที่ไหลผ่านตัวอย่างทดสอบผ่านการนำความร้อน W;

 = 0.005 ม. – ความหนาของตัวอย่าง

- พื้นที่ผิวของหนึ่งตัวอย่าง m2;

d= 0.140 ม. – เส้นผ่านศูนย์กลางตัวอย่าง

T g, T x – อุณหภูมิของพื้นผิวร้อนและเย็นของตัวอย่าง ตามลำดับ K

4.7. ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นค่าที่ได้รับ จึงหมายถึงอุณหภูมิเฉลี่ยของตัวอย่าง

ผลลัพธ์ของการประมวลผลข้อมูลการทดลองถูกป้อนไว้ในตารางที่ 1

ตารางที่ 1

ผลการวัดและการประมวลผลข้อมูลการทดลอง

การอ่านค่าเทอร์โมคัปเปิล, mV/K

อี 1

4.8. โดยใช้วิธีการวิเคราะห์กราฟิกในการประมวลผลผลลัพธ์ที่ได้เราจะได้ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุที่อยู่ระหว่างการศึกษา ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเฉลี่ยของตัวอย่าง T m ในรูปแบบ

โดยที่ 0 และ b- ถูกกำหนดเป็นกราฟิกโดยอิงจากการวิเคราะห์กราฟการพึ่งพา =f(T m)

คำถามควบคุม

วิธีการถ่ายเทความร้อนหลักมีอะไรบ้าง?

การนำความร้อนคืออะไร?

อะไรคือคุณสมบัติของกลไกการนำความร้อนในตัวนำและไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็ง?

กฎหมายใดบ้างที่อธิบายกระบวนการนำความร้อน?

ผนังเรียบคืออะไร?

เงื่อนไขขอบเขตคืออะไร?

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในผนังเรียบมีลักษณะอย่างไร?

ความหมายทางกายภาพของค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนคืออะไร?

เหตุใดจึงจำเป็นต้องทราบค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุต่าง ๆ และค่าของมันถูกกำหนดอย่างไร?

ลักษณะระเบียบวิธีของวิธีชั้นแบนมีอะไรบ้าง?

การศึกษาการถ่ายเทความร้อนระหว่างการพาความร้อนแบบอิสระ

เป้าหมายของการทำงาน: ศึกษารูปแบบการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนโดยใช้ตัวอย่างการถ่ายเทความร้อนระหว่างการพาความร้อนอิสระ สำหรับกรณีการไหลตามขวางและตามยาวรอบพื้นผิวที่ได้รับความร้อน รับทักษะในการประมวลผลผลการทดลองและนำเสนอในรูปแบบทั่วไป

ออกกำลังกาย:

1. กำหนดค่าทดลองของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากทรงกระบอกแนวนอนและทรงกระบอกแนวตั้งไปยังตัวกลางระหว่างการพาความร้อนอิสระ

2. โดยการประมวลผลข้อมูลการทดลอง ให้รับพารามิเตอร์ของสมการเกณฑ์ที่กำหนดลักษณะของกระบวนการพาความร้อนอิสระที่สัมพันธ์กับพื้นผิวแนวนอนและแนวตั้ง

บทบัญญัติทางทฤษฎีพื้นฐาน

การถ่ายเทความร้อนมีสามวิธีหลัก ซึ่งแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในลักษณะทางกายภาพ:

การนำความร้อน

การพาความร้อน;

การแผ่รังสีความร้อน

ด้วยการนำความร้อนพาหะของพลังงานความร้อนคืออนุภาคขนาดเล็กของสสาร - อะตอมและโมเลกุลที่มีการแผ่รังสีความร้อน - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

การพาความร้อนเป็นวิธีการถ่ายโอนความร้อนโดยการเคลื่อนย้ายสสารปริมาณมหึมาจากจุดหนึ่งในอวกาศไปยังอีกจุดหนึ่ง

ดังนั้นการพาความร้อนจึงเป็นไปได้เฉพาะในตัวกลางที่มีคุณสมบัติเป็นของเหลว - ก๊าซและของเหลว ในทฤษฎีการถ่ายเทความร้อน โดยทั่วไปจะมีการกำหนดคำเหล่านี้ไว้ "ของเหลว"โดยไม่แยกแยะระหว่างของเหลวหยดและก๊าซ เว้นแต่จะระบุไว้เป็นพิเศษ กระบวนการถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อนมักจะมาพร้อมกับการนำความร้อน กระบวนการนี้เรียกว่า การแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อน.

การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนเป็นกระบวนการรวมของการถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อนและการนำความร้อน

ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม ส่วนใหญ่มักเกี่ยวข้องกับกระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างพื้นผิวของวัตถุที่เป็นของแข็ง (เช่น พื้นผิวผนังเตาเผา อุปกรณ์ทำความร้อน ฯลฯ) และของเหลวที่อยู่รอบพื้นผิวนี้ กระบวนการนี้เรียกว่า การถ่ายเทความร้อน.

การกระจายความร้อน– กรณีพิเศษของการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างพื้นผิวของวัตถุแข็ง (ผนัง) กับของไหลที่อยู่รอบๆ

แยกแยะ ถูกบังคับและอิสระ (โดยธรรมชาติ)การพาความร้อน

การพาความร้อนแบบบังคับเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงกดดันที่ถูกสร้างขึ้นโดยการบังคับ เช่น จากปั๊ม พัดลม เป็นต้น

การพาความร้อนแบบอิสระหรือแบบธรรมชาติเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของมวลที่มีลักษณะต่างกัน: แรงโน้มถ่วง, แรงเหวี่ยง, แม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ

บนโลก การพาความร้อนอิสระเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นสาเหตุที่เรียกว่า การพาความร้อนด้วยแรงโน้มถ่วง. แรงผลักดันของกระบวนการในกรณีนี้คือแรงยกซึ่งเกิดขึ้นในตัวกลางโดยมีความแตกต่างกันในการกระจายความหนาแน่นภายในปริมาตรที่อยู่ระหว่างการพิจารณา ในระหว่างการถ่ายเทความร้อนความแตกต่างดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากองค์ประกอบแต่ละส่วนของตัวกลางอาจมีอุณหภูมิต่างกัน ในกรณีนี้ ยิ่งองค์ประกอบของตัวกลางได้รับความร้อนและมีความหนาแน่นน้อยลงก็จะเคลื่อนขึ้นด้านบนภายใต้การกระทำของแรงยก การถ่ายเทความร้อนกับพวกมัน ยิ่งเย็นลง ดังนั้นองค์ประกอบที่มีความหนาแน่นมากขึ้นของตัวกลางก็จะไหลไปที่ พื้นที่ว่าง ดังภาพ 1.

ข้าว. 1. ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของกระแสในของเหลวระหว่างการพาความร้อนอิสระ

หากมีแหล่งความร้อนคงที่ในสถานที่นี้ เมื่อถูกความร้อน ความหนาแน่นขององค์ประกอบความร้อนของตัวกลางจะลดลงและพวกมันจะเริ่มลอยขึ้นด้านบนด้วย ดังนั้นตราบใดที่ความหนาแน่นขององค์ประกอบแต่ละส่วนของสิ่งแวดล้อมมีความแตกต่างกัน การไหลเวียนของพวกมันก็จะดำเนินต่อไปเช่น การพาความร้อนอิสระจะดำเนินต่อไป การพาความร้อนอิสระที่เกิดขึ้นในตัวกลางปริมาณมากโดยที่ไม่มีสิ่งใดขัดขวางการพัฒนาของการไหลเวียนของการพาความร้อนเรียกว่า หมุนเวียนอากาศฟรีในพื้นที่ไม่จำกัด. การพาความร้อนอย่างอิสระในพื้นที่ไม่จำกัด เช่น เกิดขึ้นในการทำความร้อนในพื้นที่ การทำน้ำร้อนในหม้อต้มน้ำร้อน และกรณีอื่นๆ อีกมากมาย หากการพัฒนากระแสการพาความร้อนถูกป้องกันโดยผนังของช่องหรือชั้นที่เต็มไปด้วยตัวกลางของของไหล กระบวนการในกรณีนี้เรียกว่า การหมุนเวียนอากาศฟรีในพื้นที่จำกัด. กระบวนการนี้เกิดขึ้น เช่น ระหว่างการแลกเปลี่ยนความร้อนภายในช่องว่างอากาศระหว่างกรอบหน้าต่าง

กฎพื้นฐานที่อธิบายกระบวนการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนคือ กฎของนิวตัน-ริชมันน์. ในรูปแบบการวิเคราะห์สำหรับระบบการถ่ายเทความร้อนแบบอุณหภูมิคงที่จะมีรูปแบบดังต่อไปนี้:

ที่ไหน
- ปริมาณความร้อนเบื้องต้นที่ปล่อยออกมาในช่วงเวลาเบื้องต้น
จากพื้นที่ผิวเบื้องต้น
;

- อุณหภูมิผนัง

- อุณหภูมิของเหลว

- ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแสดงปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลาจากพื้นผิวหน่วย เมื่ออุณหภูมิระหว่างผนังกับของเหลวแตกต่างกัน 1 องศา หน่วยวัดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนในระบบ SI คือ W/m 2 ∙deg ในกระบวนการที่อยู่นิ่งคงที่ สามารถกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนได้จากนิพจน์:

, W/m 2 ∙องศา

ที่ไหน - การไหลของความร้อน W;

- พื้นที่ผิวแลกเปลี่ยนความร้อน m2;

- ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวกับของเหลว, องศา

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะแสดงลักษณะความเข้มของการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างผนังกับของเหลวที่ซัก โดยธรรมชาติทางกายภาพแล้ว การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนมาก ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ต่างๆ จำนวนมาก เช่น คุณสมบัติทางกายภาพของของเหลว ธรรมชาติของการไหลของของเหลว ความเร็วของการไหลของของเหลว ขนาดและรูปร่างของช่อง ตลอดจนปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย ในเรื่องนี้เป็นไปไม่ได้ที่จะให้การพึ่งพาทั่วไปในการค้นหาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนในทางทฤษฎี

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสามารถหาได้จากการทดลองโดยใช้สมการ (2) ได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้มากที่สุด อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติทางวิศวกรรมเมื่อคำนวณกระบวนการถ่ายเทความร้อนในอุปกรณ์ทางเทคนิคต่าง ๆ ตามกฎแล้วไม่สามารถทดลองหาค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนภายใต้เงื่อนไขของวัตถุเต็มสเกลจริงได้เนื่องจากความซับซ้อนและสูง ค่าใช้จ่ายในการตั้งค่าการทดสอบดังกล่าว ในกรณีนี้ เพื่อแก้ปัญหาในการกำหนด  ก็ต้องมาช่วย ทฤษฎีความคล้ายคลึงกัน.

ความสำคัญเชิงปฏิบัติหลักของทฤษฎีความคล้ายคลึงกันคือ ช่วยให้สามารถสรุปผลลัพธ์ของการทดลองเดี่ยวที่ดำเนินการกับแบบจำลองในสภาพห้องปฏิบัติการกับกระบวนการจริงและวัตถุทั้งระดับที่คล้ายกับกระบวนการที่ศึกษาในแบบจำลองนั้น แนวคิดเรื่องความคล้ายคลึงซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีเกี่ยวกับรูปทรงเรขาคณิตสามารถขยายไปสู่กระบวนการทางกายภาพและปรากฏการณ์ต่างๆ ได้

ประเภทของปรากฏการณ์ทางกายภาพเป็นชุดของปรากฏการณ์ที่สามารถอธิบายได้ด้วยระบบสมการทั่วไประบบเดียวและมีลักษณะทางกายภาพเหมือนกัน

เกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว– นี่เป็นส่วนหนึ่งของประเภทของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ถูกจำแนกตามเงื่อนไขบางประการของเอกลักษณ์ (เรขาคณิต กายภาพ เริ่มต้น ขอบเขต)

ปรากฏการณ์ที่คล้ายกัน– กลุ่มของปรากฏการณ์ประเภทเดียวกันที่มีเงื่อนไขไม่คลุมเครือเหมือนกัน ยกเว้นค่าตัวเลขของปริมาณที่มีอยู่ในเงื่อนไขเหล่านี้

ทฤษฎีความคล้ายคลึงกันมีพื้นฐานอยู่บนข้อเท็จจริงที่ว่าปริมาณทางกายภาพเชิงมิติที่แสดงลักษณะของปรากฏการณ์สามารถนำมารวมกันได้ คอมเพล็กซ์ไร้มิติและในลักษณะที่จำนวนเชิงซ้อนเหล่านี้จะน้อยกว่าจำนวนปริมาณมิติ คอมเพล็กซ์ไร้มิติที่เกิดขึ้นนั้นเรียกว่า เกณฑ์ความคล้ายคลึงกัน. เกณฑ์ความคล้ายคลึงกันมีความหมายทางกายภาพที่แน่นอนและสะท้อนถึงอิทธิพลไม่ใช่ปริมาณทางกายภาพเพียงปริมาณเดียว แต่เป็นของทั้งชุดที่รวมอยู่ในเกณฑ์ ซึ่งช่วยให้การวิเคราะห์กระบวนการภายใต้การศึกษาง่ายขึ้นอย่างมาก กระบวนการในกรณีนี้สามารถแสดงได้ในรูปแบบของความสัมพันธ์เชิงวิเคราะห์
ระหว่างเกณฑ์ความคล้ายคลึงกัน
โดยแสดงลักษณะเฉพาะของแต่ละบุคคล การพึ่งพาดังกล่าวเรียกว่า สมการเกณฑ์. เกณฑ์ความคล้ายคลึงกันได้รับการตั้งชื่อตามชื่อของนักวิทยาศาสตร์ที่มีส่วนสำคัญในการพัฒนาทฤษฎีอุทกพลศาสตร์และการถ่ายเทความร้อน - Nusselt, Prandtl, Grashof, Reynolds, Kirpichev และอื่น ๆ

ทฤษฎีความคล้ายคลึงกันมีพื้นฐานอยู่บนทฤษฎีความคล้ายคลึงกัน 3 ทฤษฎี

ทฤษฎีบทที่ 1:

ปรากฏการณ์ที่คล้ายคลึงกันมีเกณฑ์ความคล้ายคลึงกัน.

ทฤษฎีบทนี้แสดงให้เห็นว่าในการทดลองจำเป็นต้องวัดเฉพาะปริมาณทางกายภาพที่อยู่ในเกณฑ์ความคล้ายคลึงกันเท่านั้น

ทฤษฎีบทที่ 2:

สมการทางคณิตศาสตร์ดั้งเดิมที่แสดงลักษณะเฉพาะของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่กำหนดสามารถนำเสนอได้เสมอในรูปแบบของความสัมพันธ์ระหว่างเกณฑ์ความคล้ายคลึงกันที่แสดงลักษณะของปรากฏการณ์นี้

สมการเหล่านี้เรียกว่า เกณฑ์. ทฤษฎีบทนี้แสดงให้เห็นว่าควรนำเสนอผลการทดลองในรูปแบบของสมการเกณฑ์

ทฤษฎีบทที่ 3

สิ่งที่คล้ายกันคือปรากฏการณ์เหล่านั้นที่มีเกณฑ์ความคล้ายคลึงซึ่งประกอบด้วยเงื่อนไขของเอกลักษณ์เท่ากัน.

ทฤษฎีบทนี้กำหนดเงื่อนไขที่จำเป็นในการสร้างความคล้ายคลึงกันทางกายภาพ เรียกว่าเกณฑ์ความคล้ายคลึงที่ประกอบด้วยเงื่อนไขที่ไม่คลุมเครือ การกำหนด. พวกเขากำหนดความเท่าเทียมกันของผู้อื่นทั้งหมดหรือ มุ่งมั่นเกณฑ์ความคล้ายคลึงกัน ซึ่งจริงๆ แล้วเป็นหัวข้อของทฤษฎีบทความคล้ายคลึงที่ 1 ดังนั้นทฤษฎีบทความคล้ายคลึงที่ 3 จึงพัฒนาและทำให้ทฤษฎีบทที่ 1 ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

เมื่อศึกษาการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน มักใช้เกณฑ์ความคล้ายคลึงต่อไปนี้

เกณฑ์ของเรย์โนลด์ส (อีกครั้ง) – แสดงลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างแรงเฉื่อยกับแรงเสียดทานหนืดที่กระทำในของไหล ค่าเกณฑ์ของเรย์โนลด์สแสดงลักษณะการไหลของของไหลระหว่างการพาความร้อนแบบบังคับ

ที่ไหน - ความเร็วของการเคลื่อนที่ของของไหล

- ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดจลน์ของของเหลว

- การกำหนดขนาด

เกณฑ์ Grashof (กลุ่ม) – แสดงลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างแรงเสียดทานที่มีความหนืดกับแรงยกที่กระทำในของไหลระหว่างการพาความร้อนอิสระ ค่าของเกณฑ์ Grashof แสดงถึงลักษณะการไหลของของไหลระหว่างการพาความร้อนแบบอิสระ

ที่ไหน - ความเร่งของแรงโน้มถ่วง

- การกำหนดขนาด

- ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของการขยายตัวตามปริมาตรของของเหลว (สำหรับก๊าซ
, ที่ไหน - การกำหนดอุณหภูมิในระดับเคลวิน)

- ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผนังกับของเหลว

- อุณหภูมิผนังและของเหลวตามลำดับ

- ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดจลน์ของของเหลว

เกณฑ์ของนัสเซลท์ (นู๋) – แสดงลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนผ่านการนำความร้อนและปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอนผ่านการพาความร้อนระหว่างการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างพื้นผิวของของแข็ง (ผนัง) และของเหลว เช่น ระหว่างการถ่ายเทความร้อน

ที่ไหน - ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน

- การกำหนดขนาด

- ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของของเหลวที่ขอบเขตของผนังและของเหลว

เกณฑ์ Peclet (วิชาพลศึกษา) – แสดงลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณความร้อนที่ได้รับ (ให้) โดยการไหลของของไหลและปริมาณความร้อนที่ส่งผ่าน (ให้) ผ่านการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อน

ที่ไหน - ความเร็วการไหลของของเหลว

- การกำหนดขนาด

- ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อน

- ตามลำดับ คือ ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน ความจุความร้อนไอโซบาริก และความหนาแน่นของของเหลว

เกณฑ์ Prandtl (ปร) – แสดงคุณสมบัติทางกายภาพของของเหลว

ที่ไหน - ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดจลนศาสตร์

- ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อนของของเหลว

จากเกณฑ์ความคล้ายคลึงที่พิจารณาแล้ว เห็นได้ชัดว่าพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการคำนวณกระบวนการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน ซึ่งระบุลักษณะความเข้มของกระบวนการ กล่าวคือ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน  รวมอยู่ในนิพจน์สำหรับเกณฑ์ Nusselt พบว่าในการแก้ปัญหาการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนด้วยวิธีทางวิศวกรรมโดยใช้ทฤษฎีความคล้ายคลึงกัน เกณฑ์นี้ถือเป็นเกณฑ์ที่สำคัญที่สุดที่กำหนด ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนในกรณีนี้ถูกกำหนดตามนิพจน์ต่อไปนี้

ในเรื่องนี้สมการเกณฑ์มักจะเขียนในรูปแบบของการแก้ปัญหาตามเกณฑ์ของ Nusselt และมีรูปแบบของฟังก์ชันยกกำลัง

ที่ไหน
- ค่าของเกณฑ์ความคล้ายคลึงกันซึ่งแสดงลักษณะด้านต่าง ๆ ของกระบวนการที่กำลังพิจารณา

- ค่าคงที่ตัวเลขที่กำหนดบนพื้นฐานของข้อมูลการทดลองที่ได้รับจากการศึกษาปรากฏการณ์ที่คล้ายกันโดยใช้แบบจำลองเชิงทดลอง

ขึ้นอยู่กับชนิดของการพาความร้อนและเงื่อนไขเฉพาะของกระบวนการ ชุดของเกณฑ์ความคล้ายคลึงที่รวมอยู่ในสมการเกณฑ์ ค่าของค่าคงที่และปัจจัยการแก้ไขอาจแตกต่างกัน

ในการใช้งานสมการเกณฑ์ในทางปฏิบัติ ประเด็นการเลือกขนาดและอุณหภูมิในการกำหนดที่ถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญ การกำหนดอุณหภูมิเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกำหนดค่าคุณสมบัติทางกายภาพของของเหลวที่ถูกต้องซึ่งใช้ในการคำนวณค่าของเกณฑ์ความคล้ายคลึงกัน การเลือกขนาดที่กำหนดขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ของการไหลของของไหลและพื้นผิวที่ถูกล้าง กล่าวคือ ลักษณะของการไหลของของเหลว ในกรณีนี้ คุณควรได้รับคำแนะนำจากคำแนะนำที่มีอยู่สำหรับกรณีทั่วไปดังต่อไปนี้

การพาความร้อนแบบบังคับเมื่อของไหลเคลื่อนที่ภายในท่อกลม

- เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ

การพาความร้อนแบบบังคับระหว่างการเคลื่อนที่ของของไหลในช่องของหน้าตัดตามอำเภอใจ

- เส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน

ที่ไหน - พื้นที่หน้าตัดของช่อง;

- เส้นรอบวงส่วน

การไหลตามขวางรอบท่อกลมที่มีการพาความร้อนอิสระ (ท่อแนวนอน (ดูรูปที่ 2) พร้อมการพาความร้อนด้วยแรงโน้มถ่วง)

- เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของท่อ

รูปที่ 2. ธรรมชาติของการไหลรอบท่อแนวนอนระหว่างการพาความร้อนด้วยแรงโน้มถ่วง

การไหลตามยาวรอบผนังเรียบ (ท่อ) (ดูรูปที่ 3) ในระหว่างการพาความร้อนด้วยแรงโน้มถ่วง

- ความสูงของผนัง (ความยาวท่อ)

ข้าว. 3. ธรรมชาติของการไหลรอบผนังแนวตั้ง (ท่อ) ระหว่างการพาความร้อนด้วยแรงโน้มถ่วง

การกำหนดอุณหภูมิ จำเป็นสำหรับการกำหนดคุณสมบัติทางอุณหฟิสิกส์ของตัวกลางที่ถูกต้องซึ่งค่าจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

เมื่อการถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้น ค่าเฉลี่ยเลขคณิตระหว่างอุณหภูมิของผนังและของเหลวจะถูกใช้เป็นอุณหภูมิที่กำหนด

ในกรณีที่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างแต่ละองค์ประกอบของตัวกลางภายในปริมาตรที่พิจารณา อุณหภูมิที่กำหนดจะใช้ค่าเฉลี่ยเลขคณิตระหว่างอุณหภูมิขององค์ประกอบของตัวกลางที่มีส่วนร่วมในการแลกเปลี่ยนความร้อน

บทความนี้อภิปรายขั้นตอนการดำเนินการทดลองในห้องปฏิบัติการและวิธีการเพื่อให้ได้สมการเกณฑ์สำหรับกรณีลักษณะเฉพาะ 2 กรณีของการไหลรอบพื้นผิวที่ให้ความร้อน (ตามขวางและตามยาว) โดยมีการพาก๊าซต่างๆ อย่างอิสระสัมพันธ์กับกระบอกสูบแนวนอนและแนวตั้ง

ส่วนทดลอง

ด้วยการเพิ่มกำลังจำเพาะของเครื่องยนต์สันดาปภายใน ปริมาณความร้อนที่ต้องกำจัดออกจากส่วนประกอบและชิ้นส่วนที่ได้รับความร้อนจะเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพของระบบทำความเย็นสมัยใหม่และวิธีการเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนเกือบถึงขีดจำกัดแล้ว งานนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษานวัตกรรมสารหล่อเย็นสำหรับระบบทำความเย็นของอุปกรณ์พลังงานความร้อนที่ใช้ระบบสองเฟสซึ่งประกอบด้วยตัวกลางที่เป็นฐาน (น้ำ) และอนุภาคนาโน วิธีหนึ่งในการวัดค่าการนำความร้อนของของเหลวที่เรียกว่าลวดร้อน 3ω ถือเป็นวิธีหนึ่ง ผลลัพธ์ของการวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของนาโนฟลูอิดที่ใช้กราฟีนออกไซด์ที่ความเข้มข้นต่างกันของกราฟีนจะถูกนำเสนอ พบว่าเมื่อใช้กราฟีน 1.25 % ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของนาโนฟลูอิดเพิ่มขึ้น 70 %

การนำความร้อน

ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน

กราฟีนออกไซด์

นาโนฟลูอิด

ระบบทำความเย็น

ม้านั่งทดสอบ

1. โอซิโปวา วี.เอ. การศึกษาทดลองกระบวนการถ่ายเทความร้อน: หนังสือเรียน คู่มือสำหรับมหาวิทยาลัย – ฉบับที่ 3, แก้ไขใหม่. และเพิ่มเติม – อ.: พลังงาน, 2522. – 320 น.

2. การถ่ายเทความร้อน / วี.พี. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomel - M.: พลังงาน, 2518 - 488 หน้า

3. ค่าการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างผิดปกติของนาโนฟลูอิดที่ใช้เอทิลีนไกลคอลซึ่งมีอนุภาคนาโนทองแดง / J.A. อีสต์แมน, สหรัฐอเมริกา Choi, S. Li, W. Yu, L.J. แอพพลิเคทอมป์สัน ฟิสิกส์ เล็ตต์ 78.718; 2544.

4. การวัดค่าการนำความร้อนโดยใช้เทคนิค 3-โอเมก้า: การประยุกต์กับระบบไมโครการเก็บเกี่ยวพลังงาน / David de Koninck; วิทยานิพนธ์ปริญญาโท สาขาวิศวกรรมศาสตร์, McGill University, Montréal, Canada, 2008. – 106 หน้า

5. การวัดค่าการนำความร้อน / W.A. เวคแฮม, เอ็ม.เจ. Assael 1999 โดย CRC Press LLC

เป็นที่ทราบกันดีว่าด้วยแนวโน้มสมัยใหม่ในการเพิ่มกำลังจำเพาะของเครื่องยนต์สันดาปภายในตลอดจนความเร็วที่สูงขึ้นและขนาดที่เล็กลงสำหรับอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ปริมาณความร้อนที่ต้องกำจัดออกจากส่วนประกอบและชิ้นส่วนที่ได้รับความร้อนก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การใช้ของเหลวนำความร้อนต่างๆ เพื่อกำจัดความร้อนเป็นวิธีการหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปและมีประสิทธิภาพมากที่สุด ประสิทธิภาพของการออกแบบอุปกรณ์ทำความเย็นที่ทันสมัย รวมถึงวิธีการเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนแบบเดิมนั้นเกือบจะถึงขีดจำกัดแล้ว เป็นที่ทราบกันว่าสารหล่อเย็นทั่วไป (น้ำ น้ำมัน ไกลคอล ฟลูออโรคาร์บอน) มีค่าการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ (ตารางที่ 1) ซึ่งเป็นปัจจัยจำกัดในการออกแบบระบบทำความเย็นสมัยใหม่ ในการเพิ่มการนำความร้อนคุณสามารถสร้างตัวกลางกระจายแบบหลายเฟส (อย่างน้อยสองเฟส) โดยที่อนุภาคจะเล่นบทบาทของการกระจายตัวโดยมีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนสูงกว่าของเหลวพื้นฐานอย่างมีนัยสำคัญ แมกซ์เวลล์เสนอให้เพิ่มอนุภาคของแข็งที่มีค่าการนำความร้อนสูงในปี พ.ศ. 2424 ให้กับสารหล่อเย็นที่นำความร้อนเป็นฐาน

แนวคิดคือการผสมวัสดุที่เป็นโลหะ เช่น เงิน ทองแดง เหล็ก และวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ เช่น อลูมินา CuO SiC และท่อคาร์บอน ซึ่งมีค่าการนำความร้อนสูงกว่าเมื่อเทียบกับของเหลวพื้นฐานที่มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า ขั้นแรก อนุภาคของแข็ง (เช่น เงิน ทองแดง เหล็ก ท่อคาร์บอน ซึ่งมีการนำความร้อนสูงกว่าเมื่อเทียบกับของไหลพื้นฐาน) ขนาดไมครอนและแม้กระทั่งมิลลิเมตรผสมกับของเหลวฐานเพื่อสร้างสารแขวนลอย ขนาดอนุภาคที่ค่อนข้างใหญ่ที่ใช้และความยากในการผลิตอนุภาคขนาดนาโนกลายเป็นปัจจัยจำกัดในการใช้สารแขวนลอยดังกล่าว ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดยงานของ S. Choi และ J. Eastman พนักงานของห้องปฏิบัติการแห่งชาติแอริโซนา ซึ่งทำการทดลองกับอนุภาคโลหะขนาดนาโนเมตร พวกเขารวมอนุภาคนาโนของโลหะหลายชนิดและอนุภาคนาโนของโลหะออกไซด์เข้ากับของเหลวหลายชนิด และได้รับผลลัพธ์ที่น่าสนใจมาก สารแขวนลอยของวัสดุที่มีโครงสร้างนาโนเหล่านี้เรียกว่า "นาโนฟลูอิด"

ตารางที่ 1

การเปรียบเทียบค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุสำหรับนาโนฟลูอิด

เพื่อที่จะพัฒนานวัตกรรมสารหล่อเย็นที่ทันสมัยสำหรับระบบทำความเย็นของอุปกรณ์พลังงานความร้อนที่มีความเร่งสูง เราได้พิจารณาระบบสองเฟสที่ประกอบด้วยตัวกลางที่เป็นฐาน (น้ำ เอทิลีนไกลคอล น้ำมัน ฯลฯ) และอนุภาคนาโน เช่น อนุภาคที่มีขนาดลักษณะตั้งแต่ 1 ถึง 100 นาโนเมตร คุณลักษณะที่สำคัญของนาโนฟลูอิดคือแม้จะมีการเติมอนุภาคนาโนจำนวนเล็กน้อย แต่ก็แสดงการนำความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างมาก (บางครั้งมากกว่า 10 เท่า) นอกจากนี้ การเพิ่มขึ้นของการนำความร้อนของนาโนฟลูอิดยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ - เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนจะเพิ่มขึ้น

เมื่อสร้างนาโนฟลูอิดซึ่งเป็นระบบสองเฟสจะต้องใช้วิธีการวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่เชื่อถือได้และแม่นยำเพียงพอ

เราได้ทบทวนวิธีการต่างๆ ในการวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของของเหลว จากการวิเคราะห์ จึงเลือกวิธี "3ω-wire" เพื่อวัดค่าการนำความร้อนของนาโนฟลูอิดด้วยความแม่นยำสูงพอสมควร

วิธี "3ω-wire" ใช้ในการวัดค่าการนำความร้อนและการแพร่กระจายความร้อนของวัสดุไปพร้อมๆ กัน ขึ้นอยู่กับการวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นตามเวลาในแหล่งความร้อน ซึ่งก็คือลวดร้อนที่จุ่มอยู่ในของเหลวทดสอบ ลวดโลหะทำหน้าที่เป็นทั้งเครื่องทำความร้อนความต้านทานไฟฟ้าและเครื่องวัดอุณหภูมิความต้านทาน ลวดโลหะมีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กมาก (หลายสิบไมครอน) การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิลวดมักจะสูงถึง 10 °C และอิทธิพลของการพาความร้อนสามารถละเลยได้

ลวดโลหะที่มีความยาว L และรัศมี r ที่แขวนอยู่ในของเหลวทำหน้าที่เป็นเครื่องทำความร้อนและเทอร์โมมิเตอร์วัดความต้านทาน ดังแสดงในรูป 1.

ข้าว. 1. แผนภาพการติดตั้งวิธี "3ω hot wire" สำหรับวัดค่าการนำความร้อนของของเหลว

สาระสำคัญของวิธีการที่ใช้ในการกำหนดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนมีดังนี้ กระแสสลับไหลผ่านลวดโลหะ (เครื่องทำความร้อน) คุณลักษณะ AC กำหนดโดยสมการ

โดยที่ I 0 คือแอมพลิจูดของกระแสไซน์ซอยด์สลับ ω - ความถี่ปัจจุบัน ที - เวลา

กระแสสลับไหลผ่านเส้นลวดทำหน้าที่เป็นเครื่องทำความร้อน ตามกฎหมาย Joule-Lenz จะกำหนดปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ:

และเป็นการซ้อนทับของแหล่งกระแสตรงและแหล่งความร้อนมอดูเลต2ω

โดยที่ R E คือ ความต้านทานไฟฟ้าของลวดโลหะภายใต้สภาวะการทดลอง และเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ

พลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจะสร้างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในฮีตเตอร์ ซึ่งเป็นการซ้อนทับของส่วนประกอบ DC และส่วนประกอบ 2ω AC:

โดยที่ ΔT DC คือแอมพลิจูดของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้อิทธิพลของกระแสตรง ΔT 2ω - ความกว้างของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายใต้อิทธิพลของกระแสสลับ φ คือการเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากการให้ความร้อนแก่มวลตัวอย่าง

ความต้านทานไฟฟ้าของสายไฟขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และนี่คือส่วนประกอบ 2ω AC ของความต้านทานสายไฟ:

โดยที่ C rt คือค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานของลวดโลหะ R E0 คือความต้านทานอ้างอิงของเครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ T 0

โดยทั่วไป T0 คืออุณหภูมิของตัวอย่างจำนวนมาก

แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมลวดโลหะสามารถรับได้ดังนี้

(6)

ในสมการ (6) แรงดันไฟฟ้าตกคร่อมเส้นลวดประกอบด้วย: แรงดันตกคร่อมเนื่องจากความต้านทานกระแสตรงของเส้นลวดที่ 1ω และส่วนประกอบใหม่ 2 ชิ้นที่เป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในเส้นลวดที่ 3ω และที่ 1ω 3ω องค์ประกอบความเครียด สามารถแยกออกได้โดยใช้เครื่องขยายเสียงแล้วใช้เพื่อส่งออกแอมพลิจูดของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ 2ω:

การพึ่งพาความถี่ของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิΔT 2ω ได้มาจากการเปลี่ยนความถี่ของกระแสสลับที่แรงดันไฟฟ้าคงที่ V 1ω ในเวลาเดียวกันการพึ่งพาการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ΔT 2ω บนความถี่สามารถประมาณได้ดังนี้

โดยที่ α f คือสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายความร้อน k f - ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของของไหลพื้นฐาน η เป็นค่าคงที่

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ความถี่ 2ω ในลวดโลหะสามารถอนุมานได้โดยใช้ส่วนประกอบแรงดันไฟฟ้าของความถี่ 3ω ดังแสดงในสมการ (8) ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของของเหลว k f ถูกกำหนดโดยความชัน2ωของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของลวดโลหะสัมพันธ์กับความถี่ω

(9)

โดยที่ P คือกำลังที่ใช้ ω คือความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่ใช้ L คือความยาวของเส้นลวดโลหะ ΔT 2ω - ความกว้างของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ความถี่ 2ω ในลวดโลหะ

วิธี 3ω-wire มีข้อดีมากกว่าวิธี hot wire แบบเดิมหลายประการ:

1) ความผันผวนของอุณหภูมิอาจมีน้อยเพียงพอ (ต่ำกว่า 1K เมื่อเทียบกับประมาณ 5K สำหรับวิธีลวดร้อน) ในของเหลวทดสอบเพื่อรักษาคุณสมบัติของของเหลวให้คงที่

2) เสียงพื้นหลัง เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ มีผลกระทบต่อผลการวัดน้อยกว่ามาก

ข้อดีเหล่านี้ทำให้วิธีนี้เหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิที่ขึ้นอยู่กับการนำความร้อนของนาโนฟลูอิด

การติดตั้งสำหรับการวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนประกอบด้วยส่วนประกอบต่อไปนี้: สะพานวินสตัน; เครื่องกำเนิดสัญญาณ เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม ออสซิลโลสโคป

สะพาน Winston เป็นวงจรที่ใช้ในการเปรียบเทียบความต้านทานที่ไม่รู้จัก R x กับความต้านทานที่ทราบ R 0 แผนภาพสะพานแสดงไว้ในรูปที่. 2. แขนทั้งสี่ของสะพาน Winston AB, BC, AD และ DS เป็นตัวแทนของความต้านทาน Rx, R0, R1 และ R2 ตามลำดับ กัลวาโนมิเตอร์เชื่อมต่อกับเส้นทแยงมุม VD และแหล่งพลังงานเชื่อมต่อกับเส้นทแยงมุมไฟฟ้ากระแสสลับ

หากคุณเลือกค่าของความต้านทานตัวแปร R1 และ R2 อย่างเหมาะสมคุณสามารถบรรลุความเท่าเทียมกันของศักยภาพของจุด B และ D: φ B = φ D ในกรณีนี้กระแสจะไม่ไหลผ่านกัลวาโนมิเตอร์นั่นคือ , I g = 0 ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ สะพานจะสมดุล และคุณจะพบแนวต้าน Rx ที่ไม่ทราบค่า เมื่อต้องการทำเช่นนี้ เราจะใช้กฎของ Kirchhoff สำหรับ chain ที่มีกิ่งก้าน เราได้ใช้กฎข้อที่หนึ่งและสองของ Kirchhoff

ร x = ร 0 · ร 1 / ร 2 .

ความแม่นยำในการกำหนด Rx โดยใช้วิธีนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการเลือกความต้านทาน R 1 และ R 2 ความแม่นยำสูงสุดจะเกิดขึ้นได้เมื่อ R 1 µ R 2 .

เครื่องกำเนิดสัญญาณทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดการสั่นทางไฟฟ้าในช่วง 0.01 Hz - 2 MHz มีความแม่นยำสูง (มีความคลาดเคลื่อนที่ 0.01 Hz) เครื่องกำเนิดสัญญาณ ยี่ห้อ G3-110.

ข้าว. 2. โครงการสะพานวินสตัน

เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมได้รับการออกแบบมาเพื่อแยกองค์ประกอบ 3ω ของสเปกตรัม ก่อนเริ่มทำงานเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมได้รับการทดสอบว่าสอดคล้องกับแรงดันไฟฟ้าฮาร์มอนิกที่สาม ในการดำเนินการนี้สัญญาณจากเครื่องกำเนิด G3-110 จะถูกส่งไปยังอินพุตของเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมและแบบขนานไปยังโวลต์มิเตอร์แบบดิจิตอลบรอดแบนด์ ค่าประสิทธิผลของแอมพลิจูดแรงดันไฟฟ้าถูกเปรียบเทียบกับเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมและโวลต์มิเตอร์ ความคลาดเคลื่อนระหว่างค่าคือ 2% การสอบเทียบเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมยังดำเนินการกับการทดสอบภายในของอุปกรณ์ด้วย ที่ความถี่ 10 kHz ค่าสัญญาณที่ความถี่พาหะคือ 80 mV

ออสซิลโลสโคป C1-114/1 ออกแบบมาเพื่อศึกษารูปร่างของสัญญาณไฟฟ้า

ก่อนเริ่มการศึกษา ต้องวางเครื่องทำความร้อน (สายไฟ) ไว้ในตัวอย่างของเหลวที่กำลังทดสอบ ลวดไม่ควรสัมผัสกับผนังของภาชนะ จากนั้นทำการสแกนความถี่ในช่วงตั้งแต่ 100 ถึง 1600 Hz ในเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม ที่ความถี่ที่กำลังศึกษา ค่าสัญญาณของฮาร์โมนิกที่ 1, 2, 3 จะถูกบันทึกในโหมดอัตโนมัติ

ในการวัดแอมพลิจูดของกระแสไฟฟ้า จะใช้ตัวต้านทานที่มีความต้านทาน ~ 0.47 โอห์มต่ออนุกรมกับวงจร ค่าควรไม่เกินค่าระบุของแขนวัดประมาณ 1 โอห์ม ด้วยการใช้ออสซิลโลสโคป เราพบแรงดันไฟฟ้า U เมื่อรู้ R และ U เราพบแอมพลิจูดของกระแส I 0 . ในการคำนวณกำลังไฟฟ้าที่ใช้ ให้วัดแรงดันไฟฟ้าในวงจร

ขั้นแรก ให้ตรวจสอบช่วงความถี่ที่กว้าง ช่วงความถี่ที่แคบจะถูกกำหนดโดยที่ความเป็นเส้นตรงของกราฟมีค่าสูงสุด จากนั้น ในช่วงความถี่ที่เลือก การวัดจะดำเนินการโดยใช้ขั้นตอนความถี่ที่น้อยลง

ในตาราง รูปที่ 2 แสดงผลการวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของนาโนฟลูอิด ซึ่งเป็นสารแขวนลอยของกราฟีนออกไซด์ 0.35% ในของเหลวพื้นฐาน (น้ำ) โดยใช้ลวดทองแดงหุ้มฉนวนยาว 19 ซม. เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 ไมโครเมตร ที่อุณหภูมิ 26 °C สำหรับช่วงความถี่ 780...840 Hz

ในรูป รูปที่ 3 แสดงมุมมองทั่วไปของขาตั้งสำหรับวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของของเหลว

ในตาราง รูปที่ 3 แสดงการขึ้นต่อกันของค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของสารแขวนลอยของกราฟีนออกไซด์กับความเข้มข้นในของเหลวที่อุณหภูมิ 26 °C การวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของนาโนฟลูอิดดำเนินการที่กราฟีนออกไซด์ที่มีความเข้มข้นต่างกันตั้งแต่ 0 ถึง 1.25%

ตารางที่ 2

ผลการวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของนาโนฟลูอิด

ช่วงความถี่	ความถี่แบบวงกลม	ความแรงในปัจจุบัน	แอมพลิจูดแรงดันไฟฟ้าฮาร์มอนิกที่สาม	การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ	ลอการิทึมของความถี่วงกลม	พลัง	ความชันของกราฟ	ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน

ข้าว. 3. มุมมองทั่วไปของแท่นสำหรับวัดค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของของเหลว

ในตาราง ตารางที่ 3 ยังแสดงค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่กำหนดโดยใช้สูตรของ Maxwell

(10)

โดยที่ k คือค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของนาโนฟลูอิด k f - ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของของไหลพื้นฐาน k p คือค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของเฟสกระจาย (อนุภาคนาโน) φ คือค่าเฟสปริมาตรของแต่ละเฟสการกระจาย

ตารางที่ 3

ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของสารแขวนลอยกราฟีนออกไซด์

อัตราส่วนของค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน k exp /k ทฤษฎีและ k exp /k แท็บ น้ำแสดงไว้ในรูปที่. 4.

ในความเห็นของเรา การเบี่ยงเบนของข้อมูลการทดลองจากที่ทำนายโดยสมการแมกซ์เวลเลียนคลาสสิกสามารถเชื่อมโยงกับกลไกทางกายภาพในการเพิ่มการนำความร้อนของนาโนฟลูอิด กล่าวคือ:

เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคแบบบราวเนียน การผสมของเหลวจะสร้างเอฟเฟกต์การพาความร้อนขนาดเล็ก ซึ่งจะเป็นการเพิ่มพลังงานการถ่ายเทความร้อน

การถ่ายเทความร้อนโดยกลไกการซึมผ่านส่วนใหญ่ในช่องของคลัสเตอร์ที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวกันของอนุภาคนาโนที่เจาะเข้าไปในโครงสร้างทั้งหมดของตัวทำละลาย (ของเหลวธรรมดา)

โมเลกุลของของไหลพื้นฐานจะสร้างชั้นที่มีทิศทางสูงรอบๆ อนุภาคนาโน ซึ่งจะเป็นการเพิ่มสัดส่วนปริมาตรของอนุภาคนาโน

ข้าว. 4. การขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนกับความเข้มข้นของกราฟีนออกไซด์

งานนี้ดำเนินการโดยใช้อุปกรณ์ของศูนย์การใช้อุปกรณ์วิทยาศาสตร์โดยรวม "การวินิจฉัยโครงสร้างจุลภาคและนาโน" โดยได้รับการสนับสนุนทางการเงินจากกระทรวงศึกษาธิการและวิทยาศาสตร์ของสหพันธรัฐรัสเซีย

ผู้วิจารณ์:

Eparkhin O.M. วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต, ศาสตราจารย์, ผู้อำนวยการสาขา Yaroslavl ของมหาวิทยาลัยขนส่งแห่งรัฐมอสโก, Yaroslavl;

Amirov I.I. ปริญญาเอกสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ นักวิจัยที่สาขา Yaroslavl ของสถาบันงบประมาณของรัฐบาลกลาง "สถาบันกายภาพและเทคโนโลยี" ของ Russian Academy of Sciences, Yaroslavl

บรรณาธิการได้รับงานนี้เมื่อวันที่ 28 กรกฎาคม 2014

ลิงค์บรรณานุกรม

Zharov A.V., Savinsky N.G., Pavlov A.A., Evdokimov A.N. วิธีทดลองสำหรับการวัดการนำความร้อนของนาโนฟลูอิด // การวิจัยขั้นพื้นฐาน – 2014 – ลำดับที่ 8-6. – หน้า 1345-1350;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34766 (วันที่เข้าถึง: 02/01/2020) เรานำเสนอนิตยสารที่คุณจัดพิมพ์โดยสำนักพิมพ์ "Academy of Natural Sciences" 2

1 สถาบันการศึกษางบประมาณของรัฐที่มีการศึกษาวิชาชีพชั้นสูงของภูมิภาคมอสโก “มหาวิทยาลัยธรรมชาติ สังคม และมนุษย์นานาชาติ “Dubna” (มหาวิทยาลัย “Dubna”)

2 CJSC “สมาคมการผลิตระหว่างภูมิภาคของการจัดซื้อจัดจ้างทางเทคนิค “TECHNOKOMPLEKT” (CJSC “MPOTK “TECHNOKOMPLEKT”)

วิธีการวัดค่าการนำความร้อนของแผ่นเพชรโพลีคริสตัลไลน์ได้รับการพัฒนาขึ้น วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการใช้เทอร์โมมิเตอร์ต้านทานแบบฟิล์มบางสองตัวที่ทำในวงจรบริดจ์ที่ด้านตรงข้ามของเพลต ด้านหนึ่งตรงตำแหน่งของเทอร์โมมิเตอร์วัดความต้านทานตัวใดตัวหนึ่ง แผ่นจะถูกให้ความร้อนโดยสัมผัสกับแท่งทองแดงที่ร้อน ด้านตรงข้าม (ที่ตำแหน่งของเทอร์โมมิเตอร์วัดความต้านทานอีกอัน) แผ่นจะถูกทำให้เย็นลงโดยสัมผัสกับแท่งทองแดงที่ทำให้เย็นลงด้วยน้ำ ความร้อนที่ไหลผ่านแผ่นวัดโดยเทอร์โมคัปเปิลที่ติดตั้งบนแท่งทองแดงร้อนและควบคุมโดยอุปกรณ์อัตโนมัติ เทอร์โมมิเตอร์แบบต้านทานฟิล์มบางที่สะสมโดยใช้วิธีการตกตะกอนสุญญากาศ มีความหนา 50 นาโนเมตรและเกือบจะรวมเข้ากับพื้นผิวของแผ่น ดังนั้นอุณหภูมิที่วัดได้จึงสอดคล้องกับอุณหภูมิบนพื้นผิวด้านตรงข้ามของแผ่นทุกประการ รับประกันความไวสูงของเทอร์โมมิเตอร์ต้านทานแบบฟิล์มบางเนื่องจากความต้านทานที่เพิ่มขึ้นของตัวต้านทาน ซึ่งช่วยให้สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าของบริดจ์ที่จ่ายได้อย่างน้อย 20 V

การนำความร้อน

แผ่นเพชรโพลีคริสตัลไลน์

เซ็นเซอร์อุณหภูมิสะพานฟิล์มบาง

1. Bityukov V.K., Petrov V.A., เทเรชิน V.V. วิธีการหาค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของวัสดุโปร่งแสง // International Thermophysical School, Tambov, 2004. – หน้า 3-9

2. Dukhnovsky M.P. , Ratnikova A.K. วิธีการกำหนดคุณลักษณะทางอุณหฟิสิกส์ของวัสดุและอุปกรณ์สำหรับการนำไปใช้งาน // สิทธิบัตร RF หมายเลข 2319950 IPC G01N25/00 (2549)

3. Kolpakov A. , Kartashev E. การควบคุมสภาวะความร้อนของโมดูลพลังงาน //ส่วนประกอบและเทคโนโลยี – พ.ศ. 2553 – ลำดับที่ 4 – หน้า 83-86.

4. การหาค่าการนำความร้อนของฟิล์มเพชรโพลีคริสตัลไลน์โดยใช้เอฟเฟกต์โฟโตอะคูสติก // ZhTP, 1999. – ต. 69. – ฉบับที่ 4. – หน้า 97-101.

5. การติดตั้งเพื่อวัดค่าการนำความร้อนของวัสดุผง // บทคัดย่อของรายงานที่นำเสนอในการประชุมนานาชาติครั้งที่สามและโรงเรียนนานาชาติครั้งที่สามของนักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์และผู้เชี่ยวชาญเรื่อง "ปฏิสัมพันธ์ของไอโซโทปไฮโดรเจนกับวัสดุโครงสร้าง" (IHISM-07) – ซารอฟ, 2007. – หน้า 311-312.

6. ซาร์โควา โอ.จี. คุณสมบัติทางแสงและเทอร์โมฟิสิกส์ของโลหะ เซรามิก และฟิล์มเพชรภายใต้การให้ความร้อนด้วยเลเซอร์อุณหภูมิสูง // การดำเนินการของสถาบันฟิสิกส์ทั่วไป A.M. Prokhorova, 2004. – ต. 60. – หน้า 30-82.

7. เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิฟิล์มบางขนาดเล็กลงเพื่อการวัดที่หลากหลาย // Proc. ของการประชุมเชิงปฏิบัติการ IEEE International ครั้งที่ 2 เกี่ยวกับความก้าวหน้าด้านเซ็นเซอร์และอินเทอร์เฟซ IWASI – 2550. – หน้า 120-124.

ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยเฉพาะอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ก่อให้เกิดความร้อนในปริมาณมาก เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ของส่วนประกอบเหล่านี้ ปัจจุบันอุปกรณ์ระบายความร้อนจึงถูกสร้างขึ้นซึ่งใช้แผ่นเพชรสังเคราะห์ที่มีค่าการนำความร้อนสูงเป็นพิเศษ การวัดค่าการนำความร้อนของวัสดุเหล่านี้อย่างแม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่

ในการวัดค่าการนำความร้อนในทิศทางหลักของแผ่นระบายความร้อนด้วยความแม่นยำที่ยอมรับได้ (ตั้งฉากกับความหนาของแผ่น) จำเป็นต้องสร้างการไหลของความร้อนบนพื้นผิวของตัวอย่างที่มีความหนาแน่นพื้นผิวอย่างน้อย 20 เนื่องจากค่าการนำความร้อนที่สูงมากของแผ่นระบายความร้อนเพชรโพลีคริสตัลไลน์ วิธีการที่อธิบายไว้ในเอกสารที่ใช้ระบบเลเซอร์ (ดู) มีความหนาแน่นฟลักซ์ความร้อนที่พื้นผิวไม่เพียงพอ 3.2 และยังทำให้ตัวอย่างที่วัดได้รับความร้อนที่ไม่พึงประสงค์อีกด้วย วิธีการวัดค่าการนำความร้อนโดยใช้การให้ความร้อนแบบพัลซ์ของตัวอย่างด้วยลำแสงโฟกัส และวิธีการที่ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอะคูสติกไม่ใช่วิธีการโดยตรง ดังนั้นจึงไม่สามารถให้ระดับความน่าเชื่อถือและความแม่นยำในการวัดตามที่ต้องการได้ และยังต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนและการคำนวณที่ยุ่งยากด้วย . วิธีการวัดที่อธิบายไว้ในงานนี้ซึ่งใช้หลักการของคลื่นความร้อนระนาบนั้นเหมาะสำหรับวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนค่อนข้างต่ำเท่านั้น วิธีการนำความร้อนแบบอยู่กับที่สามารถใช้เพื่อวัดค่าการนำความร้อนในทิศทางตามแนวแผ่นเท่านั้น และทิศทางนี้ไม่ใช่ทิศทางหลักในการกำจัดความร้อนและไม่เป็นที่สนใจทางวิทยาศาสตร์

คำอธิบายวิธีการวัดที่เลือก

ความหนาแน่นพื้นผิวที่ต้องการของฟลักซ์ความร้อนแบบคงที่สามารถทำได้โดยการสัมผัสแท่งทองแดงร้อนที่ด้านหนึ่งของแผ่นเพชร และสัมผัสแท่งทองแดงเย็นที่ด้านตรงข้ามของแผ่นเพชร ความแตกต่างของอุณหภูมิที่วัดได้อาจมีน้อย เช่น เพียง 2 °C ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดอุณหภูมิทั้งสองด้านของเพลตที่จุดสัมผัสอย่างแม่นยำ ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้เทอร์โมมิเตอร์ต้านทานฟิล์มบางขนาดเล็ก ซึ่งสามารถผลิตได้โดยการสะสมสูญญากาศของวงจรการวัดสะพานของเทอร์โมมิเตอร์ลงบนพื้นผิวของแผ่น บทความนี้อธิบายถึงประสบการณ์ก่อนหน้าของเราในการออกแบบและผลิตเทอร์โมมิเตอร์ต้านทานฟิล์มบางที่มีความแม่นยำสูงขนาดเล็ก ซึ่งยืนยันความเป็นไปได้และประโยชน์ของการใช้เทคโนโลยีนี้ในกรณีที่เรากำลังพิจารณา เทอร์โมมิเตอร์แบบฟิล์มบางมีความหนาน้อยมากที่ 50–80 นาโนเมตร ดังนั้นอุณหภูมิจึงไม่แตกต่างจากอุณหภูมิของพื้นผิวของแผ่นที่ใช้ แท่งทองแดงร้อนถูกให้ความร้อนด้วยลวดนิกโครมหุ้มฉนวนไฟฟ้าที่พันรอบแท่งด้วยความยาวพอสมควรเพื่อให้ความร้อนออกมาตามที่จำเป็น ค่าการนำความร้อนของแท่งทองแดงช่วยให้มั่นใจได้ถึงการถ่ายเทฟลักซ์ความร้อนที่มีความหนาแน่นอย่างน้อย 20 ในทิศทางตามแนวแกนของแท่ง ขนาดของการไหลของความร้อนนี้วัดโดยใช้เทอร์โมคัปเปิลโครเมล-อลูเมลบางๆ สองตัวที่อยู่ห่างจากกันโดยแบ่งออกเป็นสองส่วนตามแกนของแท่ง ความร้อนที่ไหลผ่านแผ่นจะถูกกำจัดออกโดยใช้แท่งทองแดงที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ เพื่อลดความต้านทานความร้อนที่จุดที่แท่งทองแดงสัมผัสกับแผ่นจึงใช้จาระบีซิลิโคนเช่น DowCorningTC-5022 ความต้านทานการสัมผัสความร้อนไม่ส่งผลต่อฟลักซ์ความร้อนที่วัดได้ แต่จะทำให้อุณหภูมิของแผ่นและเครื่องทำความร้อนเพิ่มขึ้นเล็กน้อย ดังนั้นค่าการนำความร้อนของแผ่นในทิศทางหลักของการกำจัดความร้อนจะถูกกำหนดโดยการวัดขนาดของการไหลของความร้อนที่ไหลผ่านแผ่นโดยตรงและขนาดของความแตกต่างของอุณหภูมิบนพื้นผิว สำหรับการวัดเหล่านี้ สามารถใช้แผ่นตัวอย่างที่มีขนาดประมาณ 8x8 มม.

ควรสังเกตว่าในอนาคตสามารถใช้เทอร์โมมิเตอร์ต้านทานฟิล์มบางเพื่อตรวจสอบการทำงานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่มีแผ่นเพชรระบายความร้อน เอกสารนี้ยังเน้นย้ำถึงความสำคัญของการตรวจสอบความร้อนแบบบูรณาการของโมดูลพลังงาน

คำอธิบายการออกแบบขาตั้ง องค์ประกอบหลัก และอุปกรณ์ต่างๆ

เซนเซอร์วัดอุณหภูมิสะพานฟิล์มบาง

สำหรับการวัดอุณหภูมิที่มีความแม่นยำสูง จะใช้วงจรบริดจ์ของเทอร์โมมิเตอร์วัดความต้านทานกับพื้นผิวของแผ่นเพชรเทียมโพลีคริสตัลไลน์โดยใช้การสปัตเตอร์แมกนีตรอน ในวงจรนี้ ตัวต้านทานสองตัวทำจากแพลตตินัมหรือไทเทเนียม และอีกสองตัวทำจากนิกโครม ที่อุณหภูมิห้อง ความต้านทานของตัวต้านทานทั้งสี่ตัวจะเท่ากันและเท่ากัน พิจารณากรณีที่ตัวต้านทานสองตัวทำจากแพลตตินัม เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความต้านทานของตัวต้านทานจะเพิ่มขึ้น:

ค่าความต้านทาน: . ความต้านทานของสะพานคือ ขนาดของสัญญาณบนเส้นทแยงมุมการวัดของสะพานเท่ากับ: อืม= ฉัน 1 ร 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ ต)- ฉัน 4 ร 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ ต) .

สำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อยเพียงไม่กี่องศา เราสามารถสรุปได้ว่าความต้านทานรวมของบริดจ์เท่ากับ R0 กระแสไฟฟ้าที่ผ่านแขนของบริดจ์เท่ากับ 0.5.U0/R0 โดยที่ U0 คือแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายของบริดจ์ ภายใต้สมมติฐานเหล่านี้ เราได้ขนาดของสัญญาณการวัดเท่ากับ:

อืม= 0,5. ยู 0 . 3,53.10 -3 Δ ต= 1,765.10 -3 .ยู 0 Δ ต.

ให้เราถือว่าค่านั้น Δ ต= 2? คจากนั้นด้วยแรงดันไฟฟ้า 20 V เราจะได้ขนาดของสัญญาณการวัดเท่ากับ อืม=70 mV โดยคำนึงถึงข้อผิดพลาดของเครื่องมือวัดที่จะไม่เกิน 70 μV เราพบว่าค่าการนำความร้อนของเพลตสามารถวัดได้โดยมีข้อผิดพลาดไม่แย่กว่า 0.1%

สำหรับสเตรนเกจและเทอร์มิสเตอร์ ค่าการกระจายพลังงานมักจะไม่เกิน 200 mW ด้วยแรงดันไฟฟ้า 20 V หมายความว่าความต้านทานของบริดจ์ต้องมีอย่างน้อย 2,000 โอห์ม ด้วยเหตุผลทางเทคโนโลยี เทอร์มิสเตอร์ประกอบด้วยเส้นใย n เส้นที่มีความกว้าง 30 ไมครอน ซึ่งอยู่ห่างจากกัน 30 ไมครอน ความหนาของไส้ตัวต้านทานคือ 50 นาโนเมตร ความยาวของไส้ตัวต้านทานคือ 1.5 มม. ความต้านทานของด้ายแพลตตินัมหนึ่งเส้นคือ 106 โอห์ม เธรดแพลตตินัม 20 เส้นจะประกอบเป็นตัวต้านทานที่มีความต้านทาน 2120 โอห์ม ความกว้างของตัวต้านทานจะเป็น 1.2 มม. ความต้านทานของเธรด nichrome หนึ่งเธรดคือ 1,060 โอห์ม ดังนั้นตัวต้านทานนิกโครมจะมี 2 เธรดและมีความกว้าง 0.12 มม. ในกรณีที่มีตัวต้านทานสองตัว ร 0 , ร 3 ทำจากไทเทเนียมความไวของเซ็นเซอร์จะลดลง 12% อย่างไรก็ตามแทนที่จะใช้เกลียวแพลตตินัม 20 เส้นตัวต้านทานสามารถทำจากเกลียวไทเทเนียม 4 เส้นได้

รูปที่ 1 แสดงไดอะแกรมของเซ็นเซอร์อุณหภูมิบริดจ์แบบฟิล์มบาง

รูปที่ 1. เซนเซอร์วัดอุณหภูมิสะพานฟิล์มบาง

แผ่นตัวอย่าง 1 มีขนาด 8x8 มม. และความหนา 0.25 มม. ขนาดสอดคล้องกับกรณีที่ใช้ตัวต้านทานแพลทินัมและใช้ตัวต้านทานนิกโครม การเชื่อมต่อตัวต้านทาน 2 ตัวต่อกัน (แรเงา) แผ่นสัมผัส บัสกำลัง 3,4,5,6 และการวัดทำด้วยตัวนำทองแดง - นิกเกิล วงกลมสัมผัสกับแท่งทองแดงของเครื่องทำความร้อน 7 ในอีกด้านหนึ่งและตัวทำความเย็นมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. วงจรไฟฟ้าของเทอร์โมมิเตอร์วัดความต้านทานที่แสดงในรูปที่ 1 ถูกนำไปใช้กับทั้งสองด้านของแผ่นตัวอย่าง สำหรับฉนวนไฟฟ้า พื้นผิวของเทอร์โมมิเตอร์วัดความต้านทานแต่ละตัวจะถูกเคลือบด้วยฟิล์มบางของซิลิคอนไดออกไซด์หรือซิลิคอนออกไซด์โดยใช้การสะสมสุญญากาศ

อุปกรณ์ทำความร้อนและความเย็น

เครื่องทำความร้อนและเครื่องทำความเย็นถูกใช้เพื่อสร้างความแตกต่างของอุณหภูมิคงที่ระหว่างพื้นผิวทั้งสองของแผ่นเพชร (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. รูปแบบขาตั้ง:

1 - ตัวเรือน, 2 - ตัวเรือนทำความเย็น, 3 - แผ่นเพชร, 4 - แท่งทำความร้อน, 5 - ลวดนิโครม, 6 - แก้ว, 7 - ฉนวนกันความร้อน, 8 - สกรูไมโครเมตริก, 9 - ฝาครอบตัวเรือน, 10 - สปริงดิสก์, 11, 12 - เทอร์โมคัปเปิ้ล 13 - ลูกเหล็ก

14 - แผ่นรองรับ 15 - สกรู

เครื่องทำความร้อนประกอบด้วยลวดนิกโครมหุ้มฉนวนไฟฟ้า 5 ซึ่งพันอยู่บนแท่งทำความร้อนทองแดง 4 ด้านนอกเครื่องทำความร้อนปิดด้วยท่อทองแดง 6 ล้อมรอบด้วยฉนวนความร้อน 7 ในส่วนล่างคือแท่งทองแดง 4 มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. และปลายก้าน 4 สัมผัสกับพื้นผิวของแผ่นเพชร 3 ด้านตรงข้าม แผ่นเพชรจะสัมผัสกับส่วนทรงกระบอกด้านบนของตัวเรือนทองแดง 2 ซึ่งระบายความร้อนด้วยน้ำ (ตัวเรือนทำความเย็น) เทอร์โมคัปเปิล 11,12-โครเมล-อลูเมล

ให้เราแสดงอุณหภูมิที่วัดโดยเทอร์โมคัปเปิล 11 - อุณหภูมิที่วัดโดยเทอร์โมคัปเปิ้ล 12 - อุณหภูมิบนพื้นผิวของเพลต 3 ในด้านเครื่องทำความร้อน - อุณหภูมิบนพื้นผิวของเพลต 3 ในด้านความเย็น และ - น้ำ อุณหภูมิ. ในอุปกรณ์ที่อธิบายไว้ กระบวนการแลกเปลี่ยนความร้อนจะเกิดขึ้น โดยมีสมการดังต่อไปนี้:

(1)

( (2)

) (4)

โดยที่: - พลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความร้อน

ประสิทธิภาพเครื่องทำความร้อน

การนำความร้อนของทองแดง

l คือความยาวของแท่งสัมผัส

d - เส้นผ่านศูนย์กลางของแท่งสัมผัส

ค่าการนำความร้อนที่คาดหวังของแผ่น 3

ความหนาของแผ่นที

ค่าสัมประสิทธิ์การกำจัดความร้อนสำหรับความเร็วของน้ำ

พื้นที่ผิวทำความเย็น

ความจุความร้อนตามปริมาตรของน้ำ

D คือเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อน้ำในเรือนทำความเย็น

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของน้ำ

สมมติว่าอุณหภูมิที่แตกต่างกันทั่วทั้งจานคือ 2°C จากนั้นฟลักซ์ความร้อน 20 จะผ่านแผ่น ด้วยแท่งทองแดงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. ฟลักซ์ความร้อนนี้จึงสอดคล้องกับกำลัง 392.4 W เมื่อประสิทธิภาพของเครื่องทำความร้อนเท่ากับ 0.5 เราจะได้พลังงานไฟฟ้าของเครื่องทำความร้อน 684.8 W. จากสมการ (3.4) ตามมาว่าน้ำแทบจะไม่เปลี่ยนอุณหภูมิและอุณหภูมิบนพื้นผิวของแผ่นเพชร 3 จะเท่ากัน จากสมการ (1.2) ที่เราได้รับ (โดยมีความยาวแท่งทองแดงสัมผัส 2 มม. และอุณหภูมิที่วัดด้วยเทอร์โมคัปเปิล 11 เท่ากับ = 248°C

เพื่อให้ความร้อนแก่แท่งทองแดง 4 จะใช้ลวดนิกโครม 5 หุ้มฉนวน ปลายของสายไฟตัวทำความร้อนจะออกผ่านร่องในส่วนที่ 4 สายไฟของเครื่องทำความร้อนเชื่อมต่อผ่านสายทองแดงที่หนากว่าเข้ากับเครื่องขยายกำลังไฟฟ้าไทรแอค PR1500 ซึ่งควบคุมโดยตัวควบคุม TRM148 โปรแกรมคอนโทรลเลอร์ถูกกำหนดโดยอุณหภูมิที่วัดโดยเทอร์โมคัปเปิ้ล 11 ซึ่งใช้เป็นค่าป้อนกลับสำหรับคอนโทรลเลอร์

อุปกรณ์ทำความเย็นของตัวอย่างประกอบด้วยตัวเรือนทองแดง 2 ซึ่งมีกระบอกสูบหน้าสัมผัสที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม. ที่ส่วนบน ตัวเรือน 2 ระบายความร้อนด้วยน้ำ

อุปกรณ์ทำความร้อนได้รับการติดตั้งบนดิสก์สปริง 10 และเชื่อมต่อกับหัวของสกรูที่มีความแม่นยำ 8 โดยใช้ลูกบอล 13 ซึ่งอยู่ในช่องของส่วนที่ 4 สปริง 10 ช่วยให้คุณควบคุมแรงดันไฟฟ้าในการสัมผัสของ ก้าน 4 พร้อมตัวอย่าง 3 ซึ่งทำได้โดยการหมุนหัวด้านบนของสกรูความแม่นยำ 8 โดยใช้กุญแจ การเคลื่อนที่บางอย่างของสกรูสอดคล้องกับแรงที่ทราบของสปริง 10 เมื่อทำการสอบเทียบแรงสปริงเบื้องต้นโดยไม่มีตัวอย่างเมื่อก้าน 4 สัมผัสกับตัวเครื่อง 2 เราจึงสามารถบรรลุการสัมผัสเชิงกลที่ดีของพื้นผิวได้ที่ ความเครียดที่อนุญาต หากจำเป็นต้องวัดความเค้นสัมผัสอย่างแม่นยำ การออกแบบขาตั้งสามารถแก้ไขได้โดยการเชื่อมต่อตัวเครื่อง 2 กับแหนบที่ปรับเทียบแล้วเข้ากับส่วนล่างของตัวเครื่องของขาตั้ง 1

มีการติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล 11 และ 12 ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยตัดแคบที่ส่วนหัวของแท่งที่ 4 ลวดเทอร์โมคัปเปิล โครเมล และอลูเมล ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ไมครอน เชื่อมเข้าด้วยกันแล้วเคลือบด้วยกาวอีพอกซีเพื่อเป็นฉนวนไฟฟ้า แล้วติดตั้งในนั้น ตัดและยึดด้วยกาว นอกจากนี้ยังสามารถอุดปลายลวดเทอร์โมคัปเปิลแต่ละประเภทให้ชิดกันได้โดยไม่ต้องสร้างจุดเชื่อมต่อ ที่ระยะ 10 ซม. จะต้องบัดกรีลวดที่มีชื่อเดียวกันหนากว่า (0.5 มม.) กับสายเทอร์โมคัปเปิลบาง ๆ ซึ่งจะเชื่อมต่อกับตัวควบคุมและมัลติมิเตอร์

บทสรุป

เมื่อใช้วิธีการและเครื่องมือวัดที่อธิบายไว้ในงานนี้ ทำให้สามารถวัดค่าการนำความร้อนของแผ่นเพชรสังเคราะห์ได้อย่างแม่นยำ

การพัฒนาวิธีการวัดค่าการนำความร้อนดำเนินการภายใต้กรอบงาน "การพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูงและการออกแบบผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังอัจฉริยะสำหรับใช้ในอุปกรณ์สำหรับใช้ในครัวเรือนและอุตสาหกรรมในการขนส่งในเชื้อเพลิงและพลังงานที่ซับซ้อนและ ในระบบพิเศษ (โมดูลพลังงานที่มีแผงระบายความร้อนเพชรโพลีคริสตัลไลน์)” พร้อมการสนับสนุนทางการเงินจากกระทรวงศึกษาธิการและวิทยาศาสตร์ของสหพันธรัฐรัสเซียภายใต้กรอบสัญญาของรัฐหมายเลข 14.429.12.0001 ลงวันที่ 5 มีนาคม 2014

ผู้วิจารณ์:

Akishin P.G. ปริญญาเอกสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ นักวิจัยอาวุโส (รองศาสตราจารย์) รองหัวหน้าภาควิชา ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีสารสนเทศ สถาบันร่วมเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ (JINR) Dubna;

Ivanov V.V. แพทย์สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ นักวิจัยอาวุโส (รองศาสตราจารย์) หัวหน้านักวิจัย ห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีสารสนเทศ สถาบันร่วมเพื่อการวิจัยนิวเคลียร์ (JINR) Dubna

ลิงค์บรรณานุกรม

Miodushevsky P.V., Bakmaev S.M., Tingaev N.V. การวัดค่าการนำความร้อนสูงพิเศษของวัสดุบนแผ่นบางอย่างแม่นยำ // ปัญหาสมัยใหม่ของวิทยาศาสตร์และการศึกษา – 2014. – ลำดับที่ 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (วันที่เข้าถึง: 02/01/2020) เรานำเสนอนิตยสารที่คุณจัดพิมพ์โดยสำนักพิมพ์ "Academy of Natural Sciences"

ในอดีตมีการใช้วิธีการมากมายในการวัดค่าการนำความร้อน ปัจจุบันบางส่วนล้าสมัยแล้ว แต่ทฤษฎีของพวกเขายังคงเป็นที่สนใจเนื่องจากอิงตามคำตอบของสมการการนำความร้อนสำหรับระบบง่าย ๆ ที่มักพบในทางปฏิบัติ

ประการแรกควรสังเกตว่าคุณสมบัติทางความร้อนของวัสดุใด ๆ ปรากฏในการผสมที่หลากหลาย อย่างไรก็ตามหากพิจารณาเป็นคุณลักษณะของวัสดุก็สามารถกำหนดได้จากการทดลองต่างๆ ให้เราแสดงรายการคุณลักษณะทางความร้อนหลักของวัตถุและการทดลองที่ใช้พิจารณา: ก) ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่วัดในโหมดการทดลองแบบอยู่กับที่; b) ความจุความร้อนต่อหน่วยปริมาตรซึ่งวัดโดยวิธีแคลอรี่ c) ปริมาณที่วัดได้ในรูปแบบการทดลองที่อยู่นิ่งเป็นระยะ d) การแพร่กระจายความร้อน x วัดในสภาวะการทดลองที่ไม่คงที่ ตามหลักการแล้ว การทดลองส่วนใหญ่ดำเนินการในโหมดไม่อยู่กับที่ โดยหลักการแล้ว อนุญาตให้มีทั้งการตัดสินใจและการตัดสินใจ

เราจะอธิบายวิธีการทั่วไปโดยย่อที่นี่ และระบุส่วนต่างๆ ที่ครอบคลุม โดยพื้นฐานแล้ว วิธีการเหล่านี้แบ่งออกเป็นวิธีการวัดต่างๆ ในโหมดคงที่ (วิธีโหมดคงที่) โดยมีการให้ความร้อนเป็นระยะและในโหมดไม่อยู่กับที่ (วิธีโหมดไม่อยู่กับที่) พวกเขายังแบ่งออกเป็นวิธีการที่ใช้ในการศึกษาตัวนำที่ไม่ดีและในการศึกษาโลหะ

1. วิธีการโหมดเครื่องเขียน ตัวนำที่ไม่ดี ในวิธีนี้ จะต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขของการทดลองหลักที่กำหนดไว้ในมาตรา 1 ของบทนี้อย่างเคร่งครัด และวัสดุที่กำลังศึกษาจะต้องมีรูปทรงของจาน ในวิธีการเวอร์ชันอื่น คุณสามารถศึกษาวัสดุในรูปของทรงกระบอกกลวง (ดู § 2 บทที่ 7) หรือทรงกลมกลวง (ดู § 2 บทที่ 9) บางครั้งวัสดุที่กำลังศึกษาซึ่งความร้อนไหลผ่านนั้นมีรูปร่างของแท่งหนา แต่ในกรณีนี้ทฤษฎีกลับกลายเป็นว่าซับซ้อนกว่า (ดู§§ 1, 2 ของบทที่ VI และ§ 3 ของบทที่ VIII)

2. วิธีการระบายความร้อนของโหมดนิ่ง โลหะ ในกรณีนี้มักจะใช้ตัวอย่างโลหะในรูปแบบของแท่งซึ่งปลายจะถูกรักษาไว้ที่อุณหภูมิต่างกัน ไม้เรียวมีการพิจารณาในมาตรา 3 ของบทที่ IV และไม้เรียวที่มีความยาวจำกัด - ในมาตรา 5 ของ Ch. IV.

3. วิธีการไฟฟ้าแบบอยู่กับที่โลหะ ในกรณีนี้ ตัวอย่างโลหะในรูปแบบของลวดจะถูกให้ความร้อนโดยการส่งกระแสไฟฟ้าผ่าน และปลายของมันจะคงอยู่ที่อุณหภูมิที่กำหนด (ดู§ 11 บทที่ IV และตัวอย่างที่ IX, § 3, บทที่ VIII) คุณยังสามารถใช้กรณีของการไหลของความร้อนในแนวรัศมีในลวดที่ให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าได้ (ดูตัวอย่าง V, § 2, บทที่ 7)

4. วิธีการโหมดนิ่งสำหรับของเหลวที่เคลื่อนที่ ในกรณีนี้ ให้วัดอุณหภูมิของของเหลวที่เคลื่อนที่ระหว่างอ่างเก็บน้ำสองแห่ง โดยจะรักษาอุณหภูมิที่แตกต่างกันไว้ (ดูมาตรา 9 บทที่ IV)

5. วิธีการให้ความร้อนเป็นระยะ ในกรณีเหล่านี้ สภาวะที่ปลายแท่งหรือเพลตจะเปลี่ยนไปตามช่วงระยะเวลาหนึ่ง หลังจากถึงสภาวะคงตัวแล้ว อุณหภูมิจะถูกวัดอุณหภูมิที่จุดใดจุดหนึ่งของตัวอย่าง กรณีของไม้เท้ากึ่งมีขอบเขตจะพิจารณาในมาตรา 4 ของบทที่ IV และไม้เรียวที่มีความยาวจำกัด - ในมาตรา 8 ของบทเดียวกัน วิธีการที่คล้ายกันนี้ใช้ในการกำหนดการแพร่กระจายความร้อนของดินในระหว่างความผันผวนของอุณหภูมิที่เกิดจากความร้อนจากแสงอาทิตย์ (ดูมาตรา 12 บทที่ II)

เมื่อเร็ว ๆ นี้ วิธีการเหล่านี้มีความสำคัญในการวัดอุณหภูมิต่ำ พวกเขายังมีข้อได้เปรียบที่ในทฤษฎีของระบบที่ค่อนข้างซับซ้อนเราสามารถใช้วิธีการที่พัฒนาขึ้นสำหรับการศึกษาท่อนำคลื่นไฟฟ้า (ดูมาตรา 6 บทที่ I)

6. วิธีการโหมดไม่นิ่ง ในอดีต วิธีการชั่วคราวมีการใช้น้อยกว่าวิธีสภาวะคงตัวเล็กน้อย ข้อเสียของพวกเขาคือความยากลำบากในการระบุว่าเงื่อนไขขอบเขตที่เกิดขึ้นจริงในการทดลองนั้นสอดคล้องกับเงื่อนไขที่ทฤษฎีกำหนดไว้อย่างไร เป็นการยากมากที่จะคำนึงถึงความคลาดเคลื่อนดังกล่าว (เช่น เมื่อเป็นเรื่องของความต้านทานต่อการสัมผัสที่ขอบเขต) และนี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิธีการเหล่านี้มากกว่าสำหรับวิธีโหมดคงที่ (ดู§ 10 บทที่ II) ในขณะเดียวกัน วิธีการโหมดที่ไม่อยู่กับที่เองก็มีข้อดีที่ทราบกันดีอยู่แล้ว ดังนั้นวิธีการเหล่านี้บางวิธีจึงเหมาะสำหรับการวัดที่รวดเร็วมากและคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อย นอกจากนี้ สามารถใช้วิธีการได้หลายวิธี "ในแหล่งกำเนิด" โดยไม่ต้องขนส่งตัวอย่างไปยังห้องปฏิบัติการ ซึ่งเป็นที่ต้องการอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อศึกษาวัสดุ เช่น ดินและหิน วิธีการแบบเก่าส่วนใหญ่ใช้เฉพาะส่วนสุดท้ายของกราฟอุณหภูมิเทียบกับเวลา ในกรณีนี้ การแก้สมการที่สอดคล้องกันจะแสดงด้วยเทอมเอ็กซ์โปเนนเชียลหนึ่งเทอม ในมาตรา 7 บทที่ 7 IV, § 5 ช. VI, § 5 ช. VIII และ§ 5 ช. ทรงเครื่อง พิจารณากรณีของการระบายความร้อนของร่างกายที่มีรูปทรงเรขาคณิตอย่างง่ายด้วยการถ่ายเทความร้อนเชิงเส้นจากพื้นผิว ในมาตรา 14 ช. IV ให้พิจารณากรณีอุณหภูมิไม่คงที่ในลวดที่ได้รับความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า ในบางกรณี จะใช้กราฟการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่จุดหนึ่งทั้งหมด (ดู § 10 บทที่ II และ § 3 บทที่ III)