Деякі методи визначення теплопровідності. Особливості визначення теплопровідності будівельних матеріалів Особливості методу гарячого дроту визначення теплопровідності

2

1 Державне бюджетне освітня установавищого професійної освітиМосковської області «Міжнародний університет природи, суспільства та людини «Дубна» (Університет «Дубна»)

2 ЗАТ «Міжрегіональне виробниче об'єднання технічного комплектування «ТЕХНОКОМПЛЕКТ» (ЗАТ «МПОТК «ТЕХНОКОМПЛЕКТ»)

Розроблено метод вимірювання теплопровідності полікристалічних алмазних пластин. Метод включає нанесення з протилежних сторін пластини двох тонкоплівкових термометрів опору, виконаних за мостовою схемою. З одного боку, у місці розташування одного з термометрів опору пластина нагрівається за допомогою контакту з гарячим мідним стрижнем. З протилежного боку (у місці розташування іншого термометра опору) проводиться охолодження пластини за допомогою контакту з мідним стрижнем, що охолоджується водою. Тепловий потік, що протікає через пластину, вимірюється за допомогою термопар, встановлених на гарячому мідному стрижні, та регулюється автоматичним пристроєм. Тонкоплівкові термометри опору, нанесені методом вакуумної депозиції, мають товщину 50 нанометрів і становлять практично одне з поверхнею пластини. Тому температури, що вимірюються, точно відповідають температурам на протилежних поверхнях пластини. Висока чутливість тонкоплівкових термометрів опору забезпечується завдяки підвищеному опору їх резисторів, що дозволяє використовувати напругу живлення моста не менше 20 В.

теплопровідність

полікристалічні алмазні пластини

тонкоплівковий мостовий датчик температури

1. Бітюков В.К., Петров В.А., Терьошин В.В. Методологія визначення коефіцієнта теплопровідності напівпрозорих матеріалів// Міжнародна теплофізична школа, Тамбов, 2004. - C. 3-9.

2. Духновський М.П., ​​Ратнікова А.К. Спосіб визначення теплофізичних характеристик матеріалу та пристрій для його здійснення//Патент РФ № 2319950 МПК G01N25/00 (2006).

3. Колпак А., Карташев Е. Контроль теплових режимів силових модулів. //Компоненти та технології. - 2010. - №4. - С. 83-86.

4. Визначення теплопровідності алмазних полікристалічних плівок з допомогою фотоакустичного ефекту // ЖТФ, 1999. – Т. 69. – Вип. 4. - С. 97-101.

5. Установка для вимірювання теплопровідності порошкових матеріалів// Тези доповідей, представлених на Третю міжнародну конференцію та Третю міжнародну Школу молодих вчених та спеціалістів «Взаємодія ізотопів водню з конструкційними матеріалами»(INISM-07). - Саров, 2007. - С. 311-312.

6. Царькова О.Г. Оптичні та теплофізичні властивості металів, керамік та алмазних плівок при високотемпературному лазерному нагріванні // Праці Інституту загальної фізикиім. А.М.Прохорова, 2004. - Т. 60. - C. 30-82.

7. Minituarized thin film temperature sensor for wide range of measurement // Proc. з 2nd IEEE International workshop on advances in sensors and interfaces, IWASI. - 2007. - P.120-124.

Сучасні компоненти електроніки, особливо силовий електроніки, виділяють значну кількість тепла. Для забезпечення надійної роботицих компонентів в даний час створюються пристрої теплотводу, в яких використовуються пластини з синтетичних алмазів, що мають надвисоку теплопровідність. Точний вимір коефіцієнта теплопровідності цих матеріалів має велике значеннядля створення сучасних пристроївсилової електроніки.

Для вимірювання з прийнятною точністю величини теплопровідності в основному напрямку тепловідведення (перпендикулярно товщині пластини) необхідно створити на поверхні зразка тепловий потік з поверхневою щільністю не менше 20 внаслідок дуже великої теплопровідності полікристалічних алмазних пластин-тепловідводів. Описані в літературі методи, з використанням лазерних установок, забезпечують недостатню поверхневу щільність. теплового потоку 3,2 і, крім того, викликають небажаний розігрів вимірюваного зразка. Методи вимірювання теплопровідності, що використовують імпульсне нагрівання зразка сфокусованим променем, і методи, що використовують фотоакустичний ефект, не є прямими методами, і тому не можуть забезпечити необхідний рівень достовірності та точності вимірювань, а також вимагають складної апаратури та громіздких обчислень. Метод вимірювань, описаний у роботі, основою якого покладено принцип плоских теплових хвиль, придатний лише матеріалів із порівняно невисокою теплопровідністю. Метод стаціонарної теплопровідностіможе бути застосований тільки для вимірювання теплопровідності в напрямку вздовж пластини, а цей напрямок не є основним напрямком тепловідведення і не представляє наукового інтересу.

Опис вибраного методу вимірювань

Необхідну поверхневу щільність стаціонарного теплового потоку можна забезпечити за допомогою контакту гарячого мідного стрижня з одного боку алмазної пластини та контакту з холодним мідним стрижнем з протилежного боку алмазної пластини. Вимірюваний перепад температур може бути при цьому невеликим, наприклад, лише 2 °С. Тому необхідно досить точно вимірювати температуру з обох боків пластини у місцях контакту. Це можна зробити за допомогою мініатюрних тонкоплівкових термометрів опору, які можуть бути виготовлені методом вакуумної депозиції бруківки вимірювальної схеми термометра на поверхню пластини. У роботі описаний наш попередній досвіду конструюванні та виготовленні мініатюрних тонкоплівкових термометрів опору високої точності, який підтверджує можливість і корисність застосування цієї технології у наведеному нами випадку. Тонкоплівкові термометри мають дуже малу товщину 50-80 нм, і тому їх температура не відрізняється від температури поверхні пластини, на яку вони нанесені. Гарячий мідний стрижень нагрівається за допомогою електроізольованої ніхромового дроту, обмотаною навколо цього стрижня на значній довжині, щоб забезпечити підведення необхідної теплової потужності. Теплопровідність мідного стрижня забезпечує передачу в осьовому напрямку стрижня теплового потоку з щільністю щонайменше 20 . Вимірювання величини цього теплового потоку здійснюється за допомогою двох тонких хромель-алюмелевих термопар, розташованих на заданій відстані один від одного у двох перерізах по осі стрижня. Відведення потоку тепла, що проходить через пластину, здійснюється за допомогою мідного стрижня, що охолоджується водою. Для зниження теплових опорів у місцях контакту мідних стрижнів із пластиною застосовується силіконове мастило типу DowCorningTC-5022. Теплові контактні опори не впливають на величину теплового потоку, що вимірювається, вони викликають незначне підвищення температури пластини і нагрівача. Таким чином, теплопровідність пластини в основному напрямку тепловідведення визначається прямими вимірами величини теплового потоку, що походить через пластину і перепаду величин температур на її поверхнях. Для цих вимірювань може бути використаний зразок пластини розмірами приблизно 8х8мм.

Слід зазначити, що тонкоплівкові термометри опору можуть бути використані надалі для моніторингу функціонування виробів силової електроніки, що містять алмазні тепловідвідні пластини. У літературі також наголошується на важливості вбудованого контролю теплового стану силових модулів.

Опис конструкції стенда, його основних елементів та приладів

Тонкоплівкові мостові датчики температури

Для високоточного вимірювання температури на поверхню пластини з штучного полікристалічного алмазу методом магнетронного напилення наноситься мостова схема термометра опору. У цій схемі два резистори виготовляються з платини або з титану, а два інших виготовляються з ніхрому. При кімнатній температуріопори всіх чотирьох резисторів однакові та рівні. Розглянемо випадок, коли два резистори виготовляються із платини. При зміні температури на опір резисторів зростає:

Суми опорів: . Опір моста дорівнює. Величина сигналу на вимірювальній діагоналі моста дорівнює: U m= I 1 R 0 (1+ 3,93.10 -3 Δ T)- I 4 R 0 ( 1+0,4.10 -3 Δ T) .

При малій зміні температури на кілька градусів можна прийняти припущення, що сумарний опір моста дорівнює R0, струм через плече моста дорівнює 0,5.U0/R0, де U0-напруга живлення моста. При цих припущеннях отримаємо величину вимірювального сигналу, що дорівнює:

U m= 0,5. U 0 . 3,53.10 -3 Δ T= 1,765.10 -3 .U 0 Δ T.

Припустимо, що величина Δ T= 2? Cтоді при напрузі живлення 20 В ми отримаємо величину вимірювального сигналу рівною U m= 70 мВ. Беручи до уваги те, що похибка вимірювальних приладівбуде не більше 70 мкВ, ми отримаємо, що теплопровідність пластини може бути виміряна з похибкою не гірше за 0,1%.

Для тензо- і терморезисторів зазвичай приймається величина потужності, що розсіюється, не більше 200 мВт. При напрузі живлення 20 це означає, що опір моста має бути не менше 2000 Ом. З технологічних причин терморезистор складається з n ниток шириною 30 мкм, розташованих з відривом 30 мікрон друг від друга. Товщина нитки резистора 50 нм. Довжина нитки резистора 1,5 мм. Тоді опір однієї нитки із платини дорівнює 106 Ом. 20 платинових ниток складуть резистор із опором 2120 Ом. Ширина резистора становитиме 1,2 мм. Опір однієї нитки з ніхрому дорівнює 1060 Ом. Отже, резистор з ніхрому матиме 2 нитки і ширину 0,12 мм. У тому випадку, коли два резистори R 0 , R 3 виготовляються з титану, чутливість датчика знизиться на 12%, проте замість 20 платинових ниток резистор можна буде виконати з 4-х титанових ниток.

На малюнку 1 представлена ​​схема тонкопленочного мостового датчика температури.

Рис.1. Тонкоплівковий мостовий датчик температури

Зразок пластини має розмір 8х8 мм і товщину 0,25 мм. Розміри відповідають тому випадку, коли використовуються платинові резистори, а резистори з ніхрому. З'єднання 2 резисторів між собою (заштриховані), контактні майданчики 3,4,5,6 шин живлення та вимірювання виконані мідно-нікелевими провідниками. Коло контакту з мідними стрижнями нагрівача 7, з одного боку, охолоджувача, з іншого боку має діаметр 5мм. Зображена малюнку 1 електрична схематермометра опору наноситься по обидва боки зразка-пластини. Для електроізоляції поверхня кожного термометра опору покривається тонкою плівкою двоокису кремнію або окису кремнію за допомогою вакуумної депозиції.

Пристрої нагріву та охолодження

Для створення стаціонарного перепаду температури між двома поверхнями алмазної пластини використовуються нагрівач та охолоджувач (рисунок 2).

Мал. 2. Схема стенду:

1 - корпус, 2 - корпус охолодження, 3 - алмазна пластина, 4 - стрижень нагрівача, 5 - ніхромовий дріт, 6 - склянка, 7 - теплоізоляція, 8 - гвинт мікрометричний, 9 - кришка корпусу, 10 - пружина тарілчаста, 11, 12 - термопари, 13 - сталева кулька,

14 - опорна пластина; 15 - гвинт.

Нагрівач складається з електроізольованого ніхромового дроту 5, який намотаний на мідний стрижень нагрівача 4. З зовнішнього боку нагрівач закритий мідною трубкою 6, оточеної теплоізоляцією 7. У нижній частині мідний стрижень 4має діаметр 5мм і торець стрижня 4контактує з поверхнею алмазної пластини3. З протилежного боку алмазна пластина контактує з верхньою циліндричною частиною мідного корпусу 2, що охолоджується водою (корпус охолодження). 11,12-хромель-алюмелеві термопари.

Позначимо температуру, що вимірюється термопарою 11,- температуру, що вимірюється термопарою 12,- температуру на поверхні пластини 3 з боку нагрівача, - температуруна поверхні пластини 3 з боку охолоджувача та - температуру води. В описаному пристрої мають місце теплообмінні процеси, що характеризуються такими рівняннями:

(1)

( (2)

) (4)

де: - Електрична потужність нагрівача,

Коефіцієнт корисної діїнагрівача,

Теплопровідність міді,

l-довжина контактного стрижня,

d- діаметр контактного стрижня,

Очікувана теплопровідність пластини 3,

t-товщина пластини,

Коефіцієнт відведення тепла для швидкості води,

Площа поверхні охолодження,

Об'ємна теплоємність води,

D-діаметр водопровідної трубки в корпусі охолодження,

Зміна температури води.

Допустимо, що перепад температур на пластині дорівнює 2°C. Тоді через пластину проходить тепловий потік 20. При діаметрі мідного стрижня рівному 5мм тепловому потоку відповідає потужність 392,4Вт. Приймаючи коефіцієнт корисної дії нагрівача рівним 0,5 отримаємо електричну потужність нагрівача 684,8 Вт. З рівнянь (3,4) випливає, що вода майже не змінює свою температуру, а температура на поверхні алмазної пластини 3 дорівнюватиме З рівнянь (1,2) отримаємо (при довжині контактного мідного стрижня дорівнює 2мм, і що температура, що вимірюється термопарою 11 дорівнює = 248 ºC.

Для нагрівання мідного стрижня 4використовується ніхромовий дріт5, в ізоляції. Кінці проводів нагрівача виходять через проточку в деталі 4. Проводи нагрівача через більш товсті мідні дротиприєднуються до симісторного підсилювача електричної потужності PR1500, який керується регулятором ТРМ148. Програма регулятора задається за величиною температури вимірюваної термопарою 11, яка використовується в якості зворотнього зв'язкудля регулятора.

Пристрій охолодження зразка складається з мідного корпусу 2, що має у верхній частині контактний циліндр діаметром 5мм. Корпус 2 охолоджується водою.

Нагрівальний пристрій встановлюється на тарілчасту пружину 10 і пов'язано з головкою точного гвинта 8 за допомогою кульки 13, який розташований в поглибленні деталі 4.Пружина 10 дозволяє регулювати напруги в контакті стрижня 4 зі зразком 3. Це досягається обертанням верхньої головки точного гвинта 8. Певному переміщенню гвинта відповідає відоме зусилля пружини 10. Виконуючи початкове градуювання зусиль пружини без зразка при контакті стрижня 4 з корпусом 2, ми можемо досягти хорошого механічного контакту поверхонь при допустимих напругах. У разі необхідності точного вимірювання контактних напруг конструкцію стенда можна доопрацювати, з'єднавши корпус 2 тарованими пластинчастими пружинами з нижньою частиноюкорпус стенда 1.

Термопари 11 і 12 встановлюються, як показано на малюнку 2 у вузькі пропили в головці стрижня 4. Термопарний дріт хромель і алюмель діаметром 50 мкм зварюється між собою та для електроізоляції покривається епоксидним клеєм, потім встановлюється у пропил і закріплюється клеєм. Можна також зачеканити кінець кожного виду термопарного дроту поблизу один одного без утворення спаю. На відстані 10 см до тонких термопарних дротів потрібно підпаяти більш товсті (0,5 мм) однойменні дроти, які будуть приєднані до регулятора та мультиметра.

Висновок

За допомогою методу та засобів вимірювань, описаних у справжньої роботиможна з високою точністю проводити вимірювання коефіцієнта теплопровідності пластин із синтетичних алмазів.

Розробка методу вимірювання теплопровідності проводиться в рамках роботи «Розробка перспективних технологій та конструкцій виробів інтелектуальної силової електроніки для застосування в апаратурі побутового та промислового призначення, на транспорті, у паливно-енергетичному комплексі та у спеціальних системах (силовий модуль з полікристалічним алмазним тепловідведенням)» за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки Російської Федераціїу рамках державного контракту № 14.429.12.0001 від 05 березня 2014 р.

Рецензенти:

Акішин П.Г., д.ф-м.н., старший науковий співробітник(доцент), заступник начальника відділу, Лабораторія інформаційних технологій, Об'єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯД), м. Дубна;

Іванов В.В., д.ф-м.н., старший науковий співробітник (доцент), головний науковий співробітник, Лабораторія інформаційних технологій, Об'єднаний інститут ядерних досліджень (ОІЯД), м. Дубна.

Бібліографічне посилання

Міодушевський П.В., Бакмаєв С.М., Тінгаєв Н.В. ТОЧНИЙ ВИМІР СВЕРХВИСОКОГО КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ МАТЕРІАЛУ НА ТОНКИХ ПЛАСТИНАХ // Сучасні проблеминауки та освіти. - 2014. - № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15040 (дата звернення: 01.02.2020). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства» 1

При збільшенні питомих потужностей двигунів внутрішнього згоряннязростає кількість теплоти, яку необхідно відводити від нагрітих вузлів та деталей. Ефективність сучасних системохолодження та спосіб збільшення інтенсивності теплопередачі практично досягли своєї межі. Метою даної є дослідження інноваційних охолоджуючих рідин для систем охолодження теплоенергетичних пристроїв на основі двофазних систем, що складаються з базового середовища (вода) і наночастинок. Розглянуто один із методів вимірювання теплопровідності рідини під назвою 3ω-hot-wire. Наведено результати вимірювання коефіцієнта теплопровідності нанорідини на основі оксиду графену при різній концентрації останнього. Встановлено, що при застосуванні 1,25% графену коефіцієнт теплопровідності нанорідкості збільшився на 70%.

теплопровідність

коефіцієнт теплопровідності

оксид графену

нанорідкість

система охолодження

випробувальний стенд

1. Осипова В.А. Експериментальне дослідження процесів теплообміну: навч. посібник для вузів. - 3-тє вид., Перероб. та дод. - М.: Енергія, 1979. - 320 с.

2. Теплопередача/В.П. Ісаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел - М.: Енергія, 1975. - 488 с.

3. Аномальнозбільшені ефективні thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles / J.A. Eastman, S.U.S. Choi, S. Li, W. Yu, L.J. Thompson Appl. Phys. Lett. 78,718; 2001.

4. Thermal Conductivity Measurements За допомогою 3-Omega Technique: Application to Power Harvesting Microsystems / David de Koninck; Thesis of Master of Engineering, McGill University, Montreal, Canada, 2008. - 106 с.

5. Thermal Conductivity Measurement/W.A. Wakeham, MJ. Assael 1999 by CRC Press LLC.

Відомо, що при сучасних тенденціях підвищення питомих потужностей двигунів внутрішнього згоряння, а також до вищих швидкостей та менших розмірів для мікроелектронних пристроїв постійно зростає кількість теплоти, яку необхідно відводити від нагрітих вузлів та деталей. Застосування різних теплопровідних рідин для відведення тепла є одним із найбільш поширених та ефективних способів. Ефективність сучасних конструкцій охолодних пристроїв, як і звичайний спосіб збільшення інтенсивності теплопередачі, практично досягли своєї межі. Відомо, що звичайні рідини, що охолоджують (вода, масла, гліколі, фторвуглеці), мають досить низьку теплопровідність (табл. 1), що є обмежуючим фактором в сучасних конструкціях систем охолодження. Для збільшення їх теплопровідності можна створити багатофазне (мінімум двофазне) дисперсне середовище, де роль дисперсії виконують частинки зі значно більшим коефіцієнтом теплопровідності, ніж базова рідина. Максвелл в 1881 році запропонував додати тверді частинки з високою теплопровідністю в базову теплопровідну рідину, що охолоджує.

Ідея полягає в тому, щоб змішати металеві матеріали, такі як срібло, мідь, залізо, та неметалеві матеріали, такі як глинозем, CuO, SiC та вуглецеві трубки, що володіють вищою теплопровідністю порівняно з базовою теплопровідною рідиною з меншим коефіцієнтом теплопровідності. Спочатку тверді частинки (такі як срібло, мідь, залізо, вуглецеві трубки, що мають більш високу теплопровідність порівняно з базовою рідиною) мікронних і навіть міліметрових розмірів були змішані з базовими рідинами з отриманням суспензій. Досить великий розмір часток, що застосовуються, і труднощі у виробництві нанорозмірних частинок стали обмежуючими факторами у застосуванні таких суспензій. Вказана проблема була вирішена роботами співробітників Арізонської національної лабораторії S. Choi та J. Eastman, які провели експерименти з металевими частинками нанометрових розмірів. Вони з'єднували різні металеві наночастинки та наночастинки металевих оксидів з різними рідинами та отримали дуже цікаві результати. Ці суспензії наноструктурованих матеріалів було названо «нанорідинами».

Таблиця 1

Порівняння коефіцієнтів теплопровідності матеріалів для наножидкостей

З метою розробки сучасних інноваційних охолоджуючих рідин для систем охолодження високофорсованих теплоенергетичних пристроїв нами було розглянуто двофазні системи, що складаються з базового середовища (вода, етиленгліколь, олії та ін.) та наночастинок, тобто. частинок із характерними розмірами від 1 до 100 нм. Важливою особливістюНанорідини є те, що навіть при додаванні невеликої кількості наночастинок вони показують серйозне підвищення в теплопровідності (іноді більше, ніж у 10 разів). Причому підвищення теплопровідності залежить від температури - зі зростанням температури збільшується підвищення коефіцієнта теплопровідності.

При створенні таких нанорідостей, що є двофазною системою, необхідний надійний і достатньо точний методвиміру коефіцієнта теплопровідності.

Нами розглянуто різні методивимірювання коефіцієнта теплопровідності для рідин. В результаті проведеного аналізу був обраний «3-провідний» метод для вимірювання теплопровідності нанорідин з досить високою точністю .

«3ω-провідний» метод використовується для одночасного вимірювання теплопровідності та температуропровідності матеріалів. Він заснований на вимірі підвищення температури, яка залежить від часу в джерелі тепла, тобто гарячому дроті, який занурений у рідину для тестування. Металевий дріт одночасно служить електричним нагрівачем опору та термометром опору. Металеві дроти виготовляються вкрай малими в діаметрі (кілька десятків мкм). Підвищення температури дроту зазвичай досягає 10 °C і впливом конвекції при цьому можна знехтувати.

Металевий дріт довжиною L і радіусом r, зважений у рідині, діє як нагрівач і термометр опору, як показано на рис. 1.

Мал. 1. Схема встановлення методу «3ω гарячого дроту» для вимірювання теплопровідності рідини

Сутність методу визначення коефіцієнта теплопровідності полягає в наступному. Змінний струм тече через металевий провід (нагрівач). Характеристика змінного струму визначається рівнянням

де I 0 - є амплітудою змінного синусоїдального струму; ω – частота струму; t – час.

Змінний струм протікає через дріт, діючи як нагрівач. Відповідно до закону Джоуля - Ленца визначається кількість теплоти, що виділяється при проходженні по провіднику електричного струму:

і є суперпозицією джерела постійного струмуі 2ω модульованого джерела тепла,

де R E є електричним опором металевого дроту в умовах експерименту, і є функцією температури.

Виділилася теплова потужністьпороджує зміну температури в нагрівачі, яке є суперпозицією компоненти постійного струму і компоненти 2ω змінного струму:

де T DC - амплітуда зміни температури під дією постійного струму; ΔT 2ω - амплітуда зміни температури під дією змінного струму; φ - зсув фази, індукований нагріванням маси зразка.

Електричний опір дроту залежить від температури і це і є 2ω компонент змінного струму в опорі дроту:

де C rt - температурний коефіцієнтопори для металевого дроту; R E0 - довідковий опір нагрівача за температури T 0 .

Зазвичай T0 це температура об'ємного зразка.

Напруга на металевому дроті може бути отримана як,

(6)

У рівнянні (6) напруга на дроті містить: падіння напруги через опір постійного струму дроту при 1? і два нових компоненти, пропорційні підвищенню температури у дроті при 3? і при 1?. 3ω компонента напруги може бути витягнута за допомогою підсилювача, а потім використовується для виведення амплітуди зміни температури при 2?

Частотна залежність зміни температури ΔT 2ω отримана зміною частоти змінного струму при постійній напрузі V 1ω. У той же час залежність зміни температури ΔT 2ω від частоти може бути апроксимована як

де f - коефіцієнт температуропровідності; k f – коефіцієнт теплопровідності базової рідини; η – константа.

Зміна температури при частоті 2 в металевому дроті може бути виведено за допомогою компоненти напруги частоти 3, як показано в рівнянні (8). Коефіцієнт теплопровідності рідини k f визначається за нахилом 2ω зміни температури металевого дроту по відношенню до частоти ω,

(9)

де Р – застосовувана потужність; ω – є частотою прикладеного електричного струму; L – довжина металевого дроту; ΔT 2ω - амплітуда зміни температури на частоті 2ω у металевому дроті.

3ω-провідний метод має кілька переваг перед традиційним методомгарячого дроту:

1) температурні коливання можуть бути досить маленькими (нижче 1K, порівняно з приблизно 5K для методу гарячого дроту) досліджуваної рідини, щоб зберегти постійні властивості рідини;

2) фонові шуми, такі як зміна температури, мають значно менший вплив на результати вимірів.

Ці переваги роблять цей метод ідеально підходящим для вимірювання температурної залежностікоефіцієнта теплопровідності нанорідин.

Установка вимірювання коефіцієнта теплопровідності включає такі компоненти: міст Уінстона; генератор сигналів; аналізатор спектру; осцилограф.

Міст Уінстона є схемою, застосовувану для порівняння невідомого опору R x з відомим опором R 0 . Схема мосту наведено на рис. 2. Чотири плечі моста Уінстона АВ, ВС, АТ і ДС є опорами Rх, R0, R1 і R2 відповідно. У діагональ ВД включається гальванометр, а діагональ АС приєднується джерело живлення.

Якщо відповідним чином підібрати величини змінних опорів R1 і R2, то можна домогтися рівності потенціалів точок В і Д: В = Д. В цьому випадку струм через гальванометр не піде, тобто I g = 0. За цих умов міст буде збалансований, і можна знайти невідомий опір Rх. Для цього скористаємося правилами Кірхгофа для розгалужених кіл. Застосовуючи перше та друге правила Кірхгофа, отримаємо

R х = R 0 В· R 1 / R 2 .

Точність у визначенні R х зазначеним методом великою мірою залежить від вибору опорів R 1 та R 2 . Найбільша точність досягається при R 1 ≈ R 2 .

Генератор сигналів виступає джерелом електричних коливань в діапазоні 0,01 Гц - 2 МГц з високою точністю (з дискретністю через 0,01 Гц). Марка генератора сигналів Г3-110

Мал. 2. Схема мосту Уінстона

Аналізатор спектру призначений виділення 3ω складової спектра. Перед початком роботи аналізатор спектру тестувався відповідність величини напруги третьої гармоніки. Для цього на вхід аналізатора спектра подається сигнал з генератора Г3-110 і паралельно на широкосмуговий цифровий вольтметр. Ефективне значення амплітуди напруги порівнювалося на аналізаторі спектру та вольтметрі. Розбіжність значень становило 2%. Калібрування аналізатора спектра також виконувалося на внутрішньому тесті приладу, частоті 10 кГц. Величина сигналу на частоті, що несе, склала 80 мВ.

Осцилограф C1-114/1 призначений для дослідження форми електричних сигналів.

Перед початком дослідження нагрівач (дрот) має бути поміщений у досліджуваний зразок рідини. Дріт не повинен торкатися стінок судини. Далі сканували по частоті в діапазоні від 100 до 1600 Гц. На аналізаторі спектра при частоті, що досліджується, фіксується величина сигналу 1, 2, 3 гармоніки в автоматичному режимі.

Для вимірювання амплітуди сили струму використовували послідовно включений до ланцюга резистор опором ~ 0,47 Ом. Величина має бути така, щоб вона не перевищувала номінал вимірювального плеча близько 1 Ом. За допомогою осцилографа знаходили напругу U. Знаючи R і U, знаходили амплітуду сили струму I 0 . Для розрахунку прикладеної потужності вимірюється напруга ланцюга.

Спочатку досліджується широкий частотний діапазон. Визначається вужча область частот, де лінійність графіка найбільш висока. Потім у вибраній області частот проводиться вимірювання з дрібнішим кроком частоти.

У табл. 2 представлені результати вимірювання коефіцієнта теплопровідності нанорідкості, що представляє собою 0,35% суспензію оксиду графену в базовій рідині (воді), за допомогою мідного ізольованого дроту довжиною 19 см, діаметром 100 мкм, при температурі 26 °С для частотного діапазону 780... Гц.

На рис. 3 наведено загальний вигляд стенду для вимірювання коефіцієнта теплопровідності рідини.

У табл. 3 представлена ​​залежність коефіцієнта теплопровідності суспензії оксиду графену від його концентрації рідини при температурі 26 °С. Вимірювання коефіцієнтів теплопровідності нанорідкості здійснювалися за різної концентрації оксиду графену від 0 до 1,25 %.

Таблиця 2

Результати вимірювання коефіцієнта теплопровідності нанорідкості

Частотний діапазон	Кругова частота	Сила струму	Амплітуда напруги третьої гармоніки	Зміна температури	Логарифм кругової частоти	Потужність	Нахил графіка	Коефіцієнт теплопровідності

Мал. 3. Загальний виглядстенда для вимірювання коефіцієнта теплопровідності рідини

У табл. 3 також наведено значення коефіцієнтів теплопровідності, визначені за формулою Максвелла.

(10)

де k - коефіцієнт теплопровідності нанорідкості; k f – коефіцієнт теплопровідності базової рідини; k p – коефіцієнт теплопровідності дисперсної фази (наночастинок); φ - величина об'ємної фази кожної із фаз дисперсій.

Таблиця 3

Коефіцієнт теплопровідності суспензії оксиду графену

Відношення коефіцієнтів теплопровідності k експ /k теор і k експ /k табл. води наведено на рис. 4.

Такі відхилення експериментальних даних від передбачених класичним рівнянням Максвеллівським, на нашу думку, можуть бути пов'язані з фізичними механізмами збільшення теплопровідності нанорідкості, а саме:

за рахунок броунівського руху частинок; перемішування рідини створює мікроконвективний ефект, тим самим підвищуючи енергію теплоперенесення;

Перенесення тепла за механізмом перколяції переважно вздовж кластерних каналів, що утворюються в результаті агломерації наночастинок, що пронизують всю структуру розчинника (звичайної рідини);

Молекули базової рідини утворюють високо орієнтовані шари навколо наночастинок, таким чином збільшуючи об'ємну частку наночастинок.

Мал. 4. Залежність відношення коефіцієнтів теплопровідності від концентрації оксиду графену

Робота виконана із залученням обладнання Центру колективного користування науковим обладнанням «Діагностика мікро- та наноструктур» за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки РФ.

Рецензенти:

Єпархін О.М., д.т.н., професор, директор Ярославської філії ФДБОУ ВПО «Московський державний університет шляхів сполучення», м. Ярославль;

Аміров І.І., д.ф.-м.н., науковий співробітник Ярославської філії ФДБУН «Фізико-технологічний інститут» Російської академіїнаук, м. Ярославль.

Робота надійшла до редакції 28.07.2014.

Бібліографічне посилання

Жаров А.В., Савінський Н.Г., Павлов А.А., Євдокимов О.М. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ МЕТОД ВИМІРЮВАННЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ НАНОРІДКОСТІ // Фундаментальні дослідження. - 2014. - № 8-6. - С. 1345-1350;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34766 (дата звернення: 01.02.2020). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»

Якими б не були масштаби будівництва, насамперед розробляється проект. У кресленнях відбивається як геометрія будівлі, а й розрахунок головних теплотехнічних характеристик. Для цього потрібно знати теплопровідність будівельних матеріалів. Головна мета будівництва полягає у спорудженні довговічних споруд, міцних конструкцій, у яких комфортно без надмірних витрат на опалення. У зв'язку з цим дуже важливе знання коефіцієнтів теплопровідності матеріалів.

У цегли найкраща теплопровідність

Характеристика показника

Під терміном теплопровідність розуміється передача теплової енергії від нагрітих предметів до менш нагрітим. Обмін йде, доки не настане температурної рівноваги.

Теплопередача визначається відрізком часу, протягом якого температура у приміщеннях знаходиться відповідно до температури навколишнього середовища. Чим менший цей інтервал, тим більша провідність тепла будматеріалу.

Для характеристики провідності тепла використовується поняття коефіцієнта теплопровідності, що показує, скільки тепла за такий час проходить через площу поверхні. Чим цей показник вищий, тим більше теплообмін, і будівництво остигає набагато швидше. Таким чином, при будівництві рекомендується використовувати будматеріали з мінімальною провідністю тепла.

У цьому відео ви дізнаєтесь про теплопровідність будівельних матеріалів:

Як визначити тепловтрати

Головні елементи будівлі, через які йде тепло:

• двері (5-20%);
• підлогу (10-20%);
• дах (15-25%);
• стінки (15-35%);
• вікна (5-15%).

Рівень тепловтрати визначається за допомогою тепловізора. Про найважчі ділянки говорить червоний колір, про менші втрати тепла скаже жовтий і зелений. Зони, де найменші втрати, виділяються синім. Значення теплопровідності визначається в лабораторних умов, та матеріалу видається сертифікат якості.

Значення провідності тепла залежить від таких параметрів:

1. Пористість. Пори говорять про неоднорідність структури. Коли через них проходить тепло, охолодження буде мінімальним.
2. Вологість. Високий рівеньвологості провокує витіснення сухого повітря крапельками рідини з пір, через що значення збільшується багаторазово.
3. Густина. Велика щільність сприяє активнішій взаємодії частинок. У результаті теплообмін та врівноваження температур протікає швидше.

Коефіцієнт теплопровідності

У будинку тепловтрати неминучі, а відбуваються вони, коли за вікном температура нижче, ніж у приміщеннях. Інтенсивність є змінною величиною і залежить від багатьох факторів, основні з яких:

1. Площа поверхонь, що у теплообміні.
2. Показник теплопровідності будматеріалів та елементів будівлі.
3. Різниця температури.

Для позначення коефіцієнта теплопровідності будматеріалів використовують грецьку літеру. Одиниця виміру – Вт/(м×°C). Розрахунок проводиться на 1 м 2 стіни метрової товщини. Тут приймається різниця температур 1°C.

Приклад із практики

Умовно матеріали діляться на теплоізоляційні та конструкційні. Останні мають найвищу теплопровідність, їх будують стіни, перекриття, інші огородження. За таблицею матеріалів, при будівництві стін із залізобетону для забезпечення малого теплообміну з навколишнім середовищем товщина їх має становити приблизно 6 м. Але тоді будова буде громіздкою і дорогою.

У разі неправильного розрахунку теплопровідності під час проектування мешканці майбутнього будинку задовольнятимуться лише 10% тепла від енергоносіїв. Тому будинки зі стандартних будматеріалів рекомендується додатково утеплювати.

При виконанні правильної гідроізоляціїутеплювача велика вологість не впливає на якість теплоізоляції, і опір будови теплообміну стане набагато вищим.

Найбільш оптимальний варіант- Використовувати утеплювач

Найбільш поширений варіант – поєднання несучої конструкціїіз високоміцних матеріалів з додатковою теплоізоляцією. Наприклад:

1. Каркасний будинок. Утеплювач укладається між стійками. Іноді при невеликому зниженні теплообміну потрібно додаткове утепленнязовні головного каркасу.
2. Спорудження із стандартних матеріалів. Коли стіни цегляні або шлакоблочні, утеплення проводиться зовні.

Будматеріали для зовнішніх стін

Стіни сьогодні зводяться з різних матеріалів, проте популярними залишаються: дерево, цегла та будівельні блоки. Головним чином відрізняються щільність та провідність тепла будматеріалів. Порівняльний аналіздозволяє знайти золоту серединуу співвідношенні між цими параметрами. Чим щільність більша, тим більше несуча здатністьматеріалу, отже, всієї споруди. Але тепловий опірстає менше, тобто підвищуються витрати на енергоносії. Зазвичай, при меншій щільності є пористість.

Коефіцієнт теплопровідності та її щільність.

Утеплювачі для стін

Утеплювачі використовуються, коли не вистачає теплової опірності зовнішніх стін. Зазвичай для створення комфортного мікроклімату у приміщеннях достатньо товщини 5-10 см.

Значення коефіцієнта наводиться в наступній таблиці.

Теплопровідність вимірює здатність матеріалу пропускати тепло через себе. Вона сильно залежить від складу та структури. Щільні матеріали, такі як метали та камінь, є добрими провідникамитепла, у той час як речовини з низькою щільністю, такі як газ та пориста ізоляція, є поганими провідниками.

Для вимірювання теплопровідності у минулому використовувалося дуже багато методів. В даний час деякі з них застаріли, проте їх теорія і зараз представляє інтерес, оскільки вони базуються на рішеннях рівнянь теплопровідності простих систем, які часто зустрічаються у практиці.

Насамперед слід зазначити, що термічні властивості будь-якого матеріалу проявляються у різноманітних поєднаннях; проте якщо розглядати їх як характеристики матеріалу, їх можна визначити з різних експериментів. Перелічимо основні термічні характеристики тіл та експерименти, з яких вони визначаються: а) коефіцієнт теплопровідності, що вимірюється при стаціонарному режимі експерименту; б) теплоємність, що віднесена до одиниці об'єму, яку вимірюють калориметричними методами; в) величина, що вимірюється при періодичному стаціонарному режимі експериментів; г) температуропровідність х, що вимірюється при нестаціонарному режимі експериментів. Насправді більшість експериментів, що проводяться в нестаціонарному режимі, в принципі допускають як визначення так і визначення

Ми коротко опишемо тут найпоширеніші методи та вкажемо розділи, у яких вони розглядаються. Фактично ці методи діляться ті, у яких виміри ведуться у стаціонарному режимі (методи стаціонарного режиму), при періодичному нагріванні й у нестаціонарному режимі (методи нестаціонарного режиму); далі вони поділяються на методи, що застосовуються для дослідження поганих провідників і для дослідження металів.

1. Методи стаціонарного режиму; погані провідники. У даному методіслід точно виконувати умови основного експерименту, викладеного в § 1 цієї глави, причому досліджуваний матеріал повинен мати форму платівки. В інших варіантах методу можна досліджувати матеріал у вигляді порожнистого циліндра (див. § 2 гл. VII) або порожнистої сфери (див. § 2 гл. IX). Іноді досліджуваний матеріал, яким проходить тепло, має форму товстого стрижня, проте в даному випадкутеорія виявляється складнішою (див. §§ 1, 2 гл. VI і § 3 гл. VIII).

2. Термічні методи стаціонарного режиму; метали. У цьому випадку зазвичай використовується металевий зразоку формі стрижня, кінці якого підтримують за різних температур. Напівобмежений стрижень у § 3 гол. IV, а стрижень кінцевої довжини - § 5 гол. IV.

3. Електричні методистаціонарного режиму; метали. У цьому випадку металевий зразок у вигляді дроту нагрівають, пропускаючи через нього електричний струм, а його кінці підтримують при заданих температурах(див. § 11 гл. IV та приклад IX § 3 гл. VIII). Можна використовувати також випадок радіального потоку тепла в дроті, що нагрівається електричним струмом(Див. Приклад V § 2 гл. VII).

4. Методи стаціонарного режиму рідини, що рухаються. У цьому випадку вимірюється температура рідини, що рухається між двома резервуарами, у яких підтримується різна температура (див. § 9, гл. IV).

5. Методи періодичного нагріву. У цих випадках умови на кінцях стрижня або платівки змінюються з періодом після досягнення стану вимірюють температури в певних точках зразка. Випадок напівобмеженого стрижня у § 4 гол. IV, а стрижня кінцевої довжини – у § 8 тієї ж глави. Подібний метод використовується для визначення температуропровідності ґрунту при температурних коливаннях, що викликаються сонячним нагріванням(Див, § 12 гл. II).

У Останнім часомці методи стали грати важливу рольу вимірах низьких температур; вони мають також ту перевагу, що в теорії відносно складних системможна скористатися методами, розробленими для дослідження електричних хвилеводів (див. § 6 гл. І).

6. Методи нестаціонарного режиму. У минулому методи нестаціонарного режиму використовувалися дещо менше, ніж методи стаціонарного режиму. Їх недолік полягає у труднощі встановлення того, наскільки дійсні граничні умови в експерименті узгоджуються з умовами, що постулюються теорією. Врахувати подібну розбіжність (наприклад, коли йдеться про контактний опір на кордоні) дуже важко, а це важливіше для зазначених методів, ніж для методів стаціонарного режиму (див. § 10 гл. II). Разом з тим методи нестаціонарного режиму самі по собі мають відомі переваги. Так, деякі з цих методів придатні для проведення дуже швидких вимірювань та для врахування малих змін температури; крім того, ряд методів можна використовувати на місці, без доставки зразка в лабораторію, що дуже бажано, особливо при дослідженні таких матеріалів, як грунти і гірські породи. У більшості старих методів використовується лише остання ділянка графіка залежність температури від часу; при цьому розв'язання відповідного рівняння виражається одним експоненційним членом. У § 7 гол. IV, § 5 гол. VI, § 5 гол. VIII та § 5 гол. IX розглядається випадок охолодження тіла простий геометричної формипри лінійній теплопередачі з поверхні. У § 14 гол. IV розглядається випадок нестаціонарної температури у дроті, що нагрівається електричним струмом. У деяких випадках використовується весь графік зміни температури в точці (див. § 10 гл. II та § 3 гл. III).

Досі не вироблено єдиної класифікації, що пов'язано з різноманіттям існуючих методів. Всім відомі експериментальні методи вимірювання коефіцієнта теплопровідності матеріалів поділяються на великі групи: стаціонарні і нестаціонарні. У першому випадку якість розрахункової формули використовують приватні рішення рівняння теплопровідності.

за умови, у другому – за умови, де T – температура; ф – час; - Коефіцієнт температуропровідності; л – коефіцієнт теплопровідності; З - питома теплоємність; г – щільність матеріалу; - оператор Лапласа, записаний у відповідній системі координат; - Питома потужність об'ємного джерела тепла.

Перша група методів заснована на використанні стаціонарного теплового режиму; друга – нестаціонарного теплового режиму. Стаціонарні методи визначення коефіцієнта теплопровідності за характером вимірювань є прямими (тобто безпосередньо визначається коефіцієнт теплопровідності) і поділяються на абсолютні та відносні. В абсолютних методах параметри, що вимірюються в експерименті, дозволяють за допомогою розрахункової формули отримати шукану величину коефіцієнта теплопровідності. У відносних методах параметри, що вимірюються в експерименті, дозволяють за допомогою розрахункової формули отримати шукану величину коефіцієнта теплопровідності. У відносних методах вимірюваних параметрів розрахунку абсолютної величини виявляється недостатньо. Тут можливі два випадки. Перший - спостереження зміною коефіцієнта теплопровідності стосовно вихідному, прийнятому за одиницю. Другий випадок – застосування еталонного матеріалу з відомими тепловими властивостями. При цьому у розрахунковій формулі використовується коефіцієнт теплопровідності зразка. Відносні методи мають деяку перевагу перед абсолютними методами, тому що більш прості. Подальше розподіл стаціонарних методів можна провести за характером нагріву (зовнішній, об'ємний та комбінований) та за видом ізотерм поля температури у зразках (плоскі, циліндричні, сферичні). Підгрупа методів із зовнішнім нагріванням включає всі методи, в яких використовуються зовнішні (електричні, об'ємні та ін.) нагрівачі та нагрівання поверхонь зразка тепловим випромінюванням або електронним бомбардуванням. Підгрупа методів з об'ємним нагріванням поєднує всі методи, де використовується нагрівання струмом, що пропускається через зразок, нагрівання досліджуваного зразка від нейтронного або випромінювання г- або струмами надвисокої частоти. До підгрупи методів з комбінованим нагріванням можуть бути віднесені методи, в яких одночасно використовується зовнішнє та об'ємне нагрівання зразків, або проміжне нагрівання (наприклад, струмами високої частоти).

У всіх трьох підгрупах стаціонарних методів поле температури

може бути різним.

Плоскі ізотерми утворюються у разі, коли тепловий потік спрямований уздовж осі симетрії зразка. Методи з використанням плоских ізотерм у літературі називаються методами з осьовим чи поздовжнім потоком тепла, а самі експериментальні установки – плоскими приладами.

Циліндричні ізотерми відповідають поширенню теплового потоку за напрямом радіуса циліндричного зразка. У разі коли тепловий потік спрямований по радіусу сферичного зразка, виникають сферичні ізотерми. Методи, які використовують такі ізотерми, називаються сферичними, а прилади – кульовими.