Основные сведения и теплопроводности материалов в физике 8 класс

Экспериментальное исследование влияния добавок наночастиц в хладагент R141b на процесс кипения в свободном объеме

Представлены результаты экспериментального исследования внутренних характеристик процесса кипения в свободном объеме хладагента R141b, раствора R141b/поверхностно-активное вещество Span-80 и нанофлюида R141b/Span-80/наночастицы TiO2 на поверхностях из нержавеющей стали и тефлона. Измерения отрывного диаметра, частоты отрыва пузырьков и плотности центров зародышеобразования проведены при атмосферном давлении в диапазоне плотности теплового потока от 3,0 до 7,5 кВт·м-2. Исследования показали, что отрывной диаметр пузырьков при кипении нанофлюида на поверхности нержавеющей стали составляет 0,7 мм, на тефлоновой поверхности 0,45 мм. При этом добавки наночастиц в раствор R141b/Span-80 приводят к уменьшению отрывного диаметра пузырьков на тефлоновой поверхности. На поверхности нержавеющей стали наблюдался противоположный эффект. Показано, что добавки наночастиц TiO2 в раствор R141b/Span-80 в 2-8 раз уменьшают количество активных центров зародышеобразования. Этот эффект зависит от плотност…

Технические характеристики прибора ИТП-МГ 4.03 Поток

Конструктивно измеритель плотности теплового потока и температуры ИТП-МГ 4.03 “Поток” выполнен в виде электронного блока и соединенных с ним посредством кабелей модулей, к каждому из которых, в свою очередь, подсоединены посредством кабелей 10 датчиков теплового потока и/или температуры.

Схема кабельных присоединений преобразователей теплового потока и датчиков температуры измерителя ИТП-МГ 4.03 «Поток»

Принцип действия, положенный в основу измерителя, заключается в измерении термоЭДС контактных термоэлектрических преобразователей теплового потока и сопротивления датчиков температуры.

Преобразователь теплового потока представляет собой гальваническую медьконстантановую термобатарею из нескольких сот последовательно соединенных термопар, сложенных бифилярно в спираль, залитую эпоксидным компаундом с различными добавками. Преобразователь теплового потока имеет два вывода (по одному от каждого конца чувствительного элемента).

Работа преобразователя основана на принципах «дополнительной стенки» (пластинки). Преобразователь закрепляется на теплообменной поверхности исследуемого объекта, образуя дополнительную стенку. Тепловой поток, проходящий через преобразователь, создает в нем градиент температур и соответствующий термоэлектрический сигнал.

В качестве выносных датчиков температуры в измерителе применяются платиновые преобразователи сопротивления по ГОСТ 6651, обеспечивающие измерение поверхностных температур путем их крепления на исследуемые поверхности, а также температур воздуха и сыпучих сред методом погружения.

1. Предел измерения:

• плотности теплового потока: 10-999 Вт/м2;
• температуры: от минус 30 °C до 100 °C.

2. Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности при измерении:

• плотности теплового потока: ± 6%;
• температуры: ± 0,2 °C.

3. Пределы допускаемой дополнительной относительной погрешности при измерении:

• плотности теплового потока, вызванной отклонением температуры преобразователей теплового потока от 20 °C: ± 0,5 %;
• температуры, вызванной отклонением температуры электронного блока и модулей от 20 °C: ± 0,05 °C.

4. Термическое сопротивление преобразователей:

• плотности теплового потока не более 0,005 м2 · °C/Вт;
• температуры не более 0,001 м2 · °C/Вт.

5. Коэффициент преобразования преобразователей теплового потока не более 50 Вт/(м2 · мВ).
6. Габаритные размеры не более:

• электронного блока 175 x 90 x 30 мм;
• модуля 120 x 75 x 5 мм;
• датчиков температуры диаметром 12 мм и толщиной 3 мм;
• преобразователей теплового потока (прямоугольных): от пластин 10 x 10 мм толщиной 1 мм до пластин 100 x 100 мм толщиной 3 мм;
• преобразователей теплового потока (круглых) от пластин диаметром 18 мм толщиной 0,5 мм до пластин диаметром 100 мм толщиной 3 мм.

7. Масса не более:

• электронного блока 0,25 кг;
• модуля с десятью преобразователями (с кабелем длиной 5 м) 1,2 кг;
• единичного преобразователя температуры (с кабелем длиной 5 м) 0,3 кг;
• единичного преобразователя теплового потока (с кабелем длиной 5 м) 0,3 кг.

 Метод тарировки преобразователя теплового потока изложен в Приложение Б к ГОСТ 25380-2014 

Применение показателя теплопроводности на практике

Тепловая энергия широко используется в технике и в быту. Все способы ее применения можно разделить на два способа:

• энергетический (для преобразования тепла в механическую работу);
• технологический (для направленного изменения свойств различных тел).

Процессы преобразования теплоты в работу изучаются в технической термодинамике, а процессы непосредственного использования — в теплопередаче.

Правильная организация рабочих процессов в теплоэнергетике, в химической, пищевой промышленности, в технике холода, в металлургии, в строительной индустрии, электротехнике невозможна без знания законов теплопередачи и учета показателей теплопроводности в различных элементах машин и аппаратов, химической и других отраслей промышленности.

Теория теплообмена широко применяется на практике. Например, в строительстве важны значения теплопроводности различных утеплителей (минеральная вата, пенополистирол и т.д.).

Понятие теплопроводности в физике

Перенос теплоты осуществляется 3 способами:

1. Конвекция.
2. Излучение.
3. Теплопроводность.

Совершая непрерывные хаотические движения, молекулы, атомы, электроны и другие микрочастицы, из которых состоят тела, сталкиваются друг с другом. При этом частицы, обладающие большей энергией, частично передают ее частицам с меньшей энергией. 

Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния.

По отдельности в реальном мире виды переноса теплоты практически не встречаются. Чаще всего происходит совместный перенос.

Условная схема теплообмена:

Количественные характеристики переноса теплоты

Тепловым потоком или мощностью теплового потока называется количество тепловой энергии, передаваемое в единицу времени через произвольную поверхность. Обозначается Q, размерность .

В литературных источниках могут быть другие обозначения этой величины.

Плотность теплового потока – это количество тепловой энергии, передаваемой в единицу времени через единичную площадь поверхности. Обозначается q, размерность .

Эта величина характеризует интенсивность теплового потока с поверхности теплообмена.

Количество теплоты – количество тепловой энергии, передаваемое за произвольное время через произвольную поверхность. Обозначается , размерность Дж.

Плотность теплового потока q может быть определена по формуле, :

где F – площадь поверхности, м 2 ,

Если задана плотность теплового потока q,можно определить мощность теплового потока Q и количество переданной тепловой энергии

В общем случае тепловой поток может изменяться во времени и по пространственным координатам. Тогда соотношения будут представлены в дифференциальной форме

Важнейшими понятиями теории теплообмена является температурное поле и градиент температуры.

Температурное поле – это совокупность значений температур в пространстве и во времени.

В общем случае температурное поле записывается как некоторая функция трех координат и времени:

Различают стационарное и нестационарное температурное поле. Температурное поле, когда оно зависит от времени, называется нестационарнымтемпературным полем.

Стационарноетемпературное поле имеет место, когда температура t не зависит от времени (остается неизменным):

Если температура зависит от двух координат — имеем двумерное стационарное температурное поле

Если температура зависит только от одной координаты — имеем одномерное стационарное температурное поле

Рисунок 2.2 – Пример изотермических линий

Для иллюстрации температурного поля используются изотермические поверхности илиизотермические линии– это геометрическое место точек, температура в которых одинакова (см. рис. 2.2).

Характеристикой изменчивости температурного поля служит градиент температуры.

Градиент температуры grad t – это вектор, направленный по нормали к изотермической поверхности, и численно равный производной от температуры по этому направлению, т.е. по нормали. Обозначается , размерность .

Для одномерного температурного поля градиент температуры равен: .

Градиент температуры grad t направлен в сторону увеличения температуры, показывает направление тоста температуры:

Для линейного распределения температуры по толщине пластины, представленного на рис. 2.3 (одномерное температурное поле), градиент температуры может быть определен по формуле:

Пример: Определить градиент температуры, если известна температура поверхностей стенки ; и ее толщина ;

Решение: градиент температуры

Рисунок 2.3 – Распределение температуры по толщине стены

2.3 Закон Фурье – основной закон теплопроводности

Закон Фурье: вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью , прямо пропорционален градиенту температур

где — коэффициент теплопроводности вещества, .

Знак «-» показывает, что вектор плотности теплового потока q и находятся на одной прямой линии, но направлены в разные стороны.

Тепловой поток всегда направлен в сторону уменьшения температур.

На практике широко используется выражение Фурье для одномерного температурного поля

Тепловой поток через произвольно ориентированную элементарную площадку dF равен скалярному произведению вектора плотности теплового потока на вектор элементарной площадки dF.

Количество теплоты, переданной через всю поверхность F, определяется интегрированием этого произведения по поверхности

Для постоянного во времени теплового потока q справедливо выражение

Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить теплоту. Численно коэффициент теплопроводности равен плотности теплового потока при градиенте температуры 1 :

Например: коэффициент теплопроводности воздуха (воздух – лучший природный теплоизолятор), коэффициент теплопроводности водорода значительно больше .

В газах коэффициент теплопроводности зависит от скорости движения молекул и коэффициент теплопроводности возрастает при уменьшении массы молекулы, а также при увеличении температуры газа.

В металлах теплопроводность происходит в основном за счет теплового движения электронов (как и электропроводность).

Коэффициент теплопроводности жидкостей больше, чем у газов . Для неметаллов ; .

Вещества, у которых называются теплоизоляционными.

Теплопередача через плоскую стенку (граничные условия первого рода)

Теплопроводность — первое элементарное тепловое явление переноса теплоты посредством теплового движения микрочастиц в сплошной среде, обусловленное неоднородным распределением температуры.

Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный момент времени называется температурным полем.

Если температурное поле не изменяется во времени, то мы имеем дело со стационарным тепловым режимом.

Тепловой поток Q — это количество теплоты, передаваемой в единицу времени (1 Дж/с=1 Вт).

Поверхностная плотность теплового потока рассчитывается по формуле:

где Q — тепловой поток ; F — площадь стенки .

На основании закона Фурье q=-λdT/dx, значение плотности теплового потока для однослойной стенки будет определяться по формуле:

где δ = dx — толщина стенки, λ

— коэффициент теплопроводности.

λ/δ; [Вт/м2*К] — коэфициент тепловой проводности стенки.

а обратная величина —

R = δ/λ; [м2.К/Вт] — термическое сопротивление стенки.

Для теплового потока формулу так же можно представить в виде:

Общее количество теплоты проходящее через площадь стены S за время t можно представить как:

Исследование критической плотности теплового потока при квазистационарном нагреве поверхностно кипящих бинарных смесей

Измерены плотность теплового потока и температура нагревателя одновременно при различных недогревах жидкости до точки кипения. В экспериментах применен квазистационарный метод нагрева, благодаря которому можно точно зафиксировать критическую плотность теплового потока ( q кр) и температуру нагревателя ( Т ст). На основании экспериментального изучения поверхностного кипения определено, что критическая плотность теплового потока значительно зависит от недогрева жидкости. При температуре ядра жидкости Т я= 30 0С в смеси водаn -бутанол 10 % критическая плотность теплового потока достигает значительной величины 20,68 МВт/м 2, а при Т я=90 0С в разы меньшей q кр=2,98 МВт/м 2. Это связано с увеличением температурного напора (∆ Т = Т ст кр+ Т я) в момент возникновения q кр.

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент λ, Вт/(м·К), в уравнении закона Фурье численно равен плотности теплового потока при падении температуры на один Кельвин (градус) на единицу длины. Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств. Для определённого тела величина коэффициента теплопроводности зависит от структуры тела, его объёмного веса, влажности, химического состава, давления, температуры. В технических расчётах величину λ берут из справочных таблиц, причём надо следить за тем, чтобы условия, для которых приведено в таблице значение коэффициента теплопроводности, соответствовали условиям рассчитываемой задачи.

Особенно сильно зависит коэффициент теплопроводности от температуры. Для большинства материалов, как показывает опыт, эта зависимость может быть выражена линейной формулой:

(9.7)

где λ_o – коэффициент теплопроводности при 0 °С;

Коэффициент теплопроводности газов, а в особенности паров сильно зависит от давления. Численное значение коэффициента теплопроводности для различных веществ меняется в очень широких пределах – от 425 Вт/(м·К) у серебра, до величин порядка 0,01 Вт/(м·К) у газов. Это объясняется тем, что механизм передачи теплоты теплопроводностью в различных физических средах различен.

Металлы имеют наибольшее значение коэффициента теплопроводности. Теплопроводность металлов уменьшается с ростом температуры и резко снижается при наличии в них примесей и легирующих элементов. Так, теплопроводность чистой меди равна 390 Вт/(м·К), а меди со следами мышьяка – 140 Вт/(м·К). Теплопроводность чистого железа 70 Вт/(м·К), стали с 0,5 % углерода – 50 Вт/(м·К), легированной стали с 18 % хрома и 9 % никеля – только 16 Вт/(м·К).

Зависимость теплопроводности некоторых металлов от температуры показана на рис. 9.2.

Газы имеют невысокую теплопроводность (порядка 0,01. 1 Вт/(м·К)), которая сильно возрастает с ростом температуры.

Теплопроводность жидкостей ухудшается с ростом температуры. Исключение составляют вода и глицерин. Вообще коэффициент теплопроводности капельных жидкостей (вода, масло, глицерин) выше, чем у газов, но ниже, чем у твердых тел и лежит в пределах от 0,1 до 0,7 Вт/(м·К).

Рис. 9.2. Влияние температуры на коэффициент теплопроводности металлов

• Задача в виде выражения

    

• Как вы понимаете выражение речевая ситуация

    

• Замечаний нет синонимы к выражению

    

• Король лев акуна матата смысл фразы так прост

    

• Что означает выражение домашний

Переходная теплопроводность

Передача тепла на границе раздела

Передача тепла на границе раздела считается переходным тепловым потоком

Для анализа этой проблемы важно число Био, чтобы понять, как ведет себя система. Число Био определяется следующим образом: Bi = h L k {\ displaystyle {\ textit {Bi}} = {\ frac {hL} {k}}}Коэффициент теплопередачи h {\ displaystyle h}, вводится в эту формуле и измеряется в Дж м 2 с K {\ displaystyle {\ frac {J} {m ^ {2} sK}}}

Если система имеет число Био менее 0,1, ведет материал в соответствии с ньютоновским охлаждением, то есть с незначительным градиентом температуры внутри тела. Если число Био больше 0,1, система ведет себя как последовательное решение. Температурный профиль во времени может быть получен из уравнения

q = — h Δ T, {\ displaystyle q = -h \, \ Delta T,}

, которое становится

T — T f T i — T f = ехр ⁡ . {\ displaystyle {\ frac {T-T_ {f}} {T_ {i} -T_ {f}}} = \ operatorname {exp} \ left .}

Коэффициент теплопередачи, ч измеряется в Вт м 2 К {\ displaystyle \ mathrm {\ frac {W} {m ^ {2} K}} }, и представляет собой передачу тепла на границе раздела между двумя материалами. Это различается для каждого интерфейса и представляет собой поток понимания понимания «теплового интерфейса».

Решение серии может быть проанализировано с помощью номограммы. Номограмма имеет относительную температуру как координаты y и Фурье, которое вычисляется как

Fo = α t L 2. {\ displaystyle {\ textit {Fo}} = {\ frac {\ alpha t} {L ^ {2}} }.}

Число Био увеличивается с уменьшением числа Фурье. Есть пять шагов, чтобы определить температурный профиль с точки зрения времени.

1. Вычислить число Био
2. Определить, какая относительная глубина имеет значение, x или L.
3. Преобразовать время в число Фурье.
4. Преобразовать T i {\ displaystyle T_ {i}}относительно относительной температуры с граничными условиями.
5. В сравнении требуется указать точку для начала числа Био на номограмме.

Еще термины по предмету «Процессы и аппараты»

Испаритель с принудительной циркуляцией дистилляционной опреснительной установки

циркуляционный испаритель дистилляционной опреснительной установки, в каждой ступени которого циркуляция раствора осуществляется с помощью насоса, при этом кипение раствора выносится из теплообменных труб.

Клапан тарелки

подвижный элемент направляющего аппарата клапанной тарелки, обеспечивающий переменное свободное сечение тарелки.

Конвективный поток

количественное изменение массы, импульса, любого вида энергии, энтропии и состава жидкого тела за счет перемещения его границы по жидким частицам.

• Плотность теплового потока

• Плотность теплового потока q (или удельнымй тепловой поток)

• Плотность потока

• Тепловой поток

• Тепловой поток (геотермический поток)

• Плотность векторного потока

• Плотность потока субстанции

• Интенсивность теплового потока

• Местный тепловой поток

• Суммарный тепловой поток

• Поверхностная плотность электрического заряда

• Поверхностная плотность мощности излучения

• Поверхностная плотность энергии излучения

• Плотность потока скалярной величины

• Плотность

• Поток

• Плотность популяций

• Плотность почвы

• Плотность бетона

• Плотность паковки

Применение теплопроводности

Сплит-охлаждение

Сплит-охлаждение — это метод охлаждения мелких капель расплавленных материалов путем быстрого контакта с холодной гладкой. Частицы подвергаются характерному процессу охлаждения с тепловым профилем на t = 0 {\ displaystyle t = 0}для начальной температуры как максимальная при x = 0 {\ displaystyle x = 0}и T = 0 {\ displaystyle T = 0}в x = — ∞ {\ displaystyle x = — \ infty}и x = ∞ {\ displaystyle x = \ infty}, тепловой профиль при t = ∞ {\ displaystyle t = \ infty}для — ∞ ≤ x ≤ ∞ {\ displaystyle — \ infty \ leq x \ leq \ infty}в качестве граничных условий. Сплетенное охлаждение быстро заканчивается установкой температуры и по форме аналогично уравнению гауссовой диффузии. Профиль температуры в зависимости от положения и времени этого типа охлаждения изменяется в зависимости от:

T (x, t) — T i = T i Δ X 2 π α t exp ⁡ (- x 2 4 α t) {\ displaystyle T (x, t) -T_ {i} = {\ frac {T_ {i} \ Delta X} {2 {\ sqrt {\ pi \ alpha t}}}} \ operatorname {exp} \ left (- {\ frac {x ^ {2}} {4 \ alpha t}} \ right)}

Охлаждение Splat — это фундаментальная, концепция адаптирована для практического использования в форме термического напыления. коэффициент температуропроводности, представленный как α {\ displaystyle \ alpha}, можно записать как α = k ρ C p {\ displaystyle \ alpha = {\ frac { k} {\ rho C_ {p}}}}. Это зависит от материала.

Закалка металла

Закалка металла — это переходный процесс теплопередачи с точки зрения преобразования температуры во времени (TTT). Можно управлять процессом охлаждения, чтобы отрегулировать фазу подходящего материала. Например, соответствующая закалка стали может преобразовать желаемую долю в ней аустенита в мартенсит, создавая очень твердый и прочный продукт. Чтобы добиться этого, выполнить закалку на «носу» (или эвтектика ) диаграмму TTT. Временные материалы различаются по своему числу Био, время, необходимое для охлаждения материала, или число Фурье на практике рассматривается. Для стали диапазон температур закалки обычно составляет от 600 ° C до 200 ° C. Чтобы контролировать время закалки и выбрать подходящую закалочную среду, необходимо определить число Фурье по желаемому времени закалки, относительному перепаду температуры и соответствующему району Био. Обычно правильные цифры считываются со стандартной номограммы. Вычислив коэффициент теплопередачи по этой жидкости, подходящей для данной среды.

Нулевой закон термодинамики

Одно из положений так называемого нулевого закона термодинамики непосредственно сосредоточен на идее теплопроводности. Бейлин (1994) пишет, что «… можно сформулировать нулевой закон:

Все диатермальные стены эквивалентны».

A — это физическая связь между двумя телами, которая позволяет теплу между ними. Бейлин имеет в виду диатермальные стены, которые соединяют исключительно два тела, особенно проводящие стены.

Это утверждение «нулевого закона» принадлежит идеализированному теоретическому дискурсу, и реальные физические стены могут иметь особенности, не соответствующие его общности.

Например, материал стены не должен подвергаться фазовому переходу, например испарению или плавлению, при температуре, при которой он должен проводить тепло. Но когда учитывается только тепловое равновесие, а время не является актуальным, так что проводимость материала не имеет большого значения, один подходящий проводник тепла ничем не хуже другого. И наоборот, другой аспект нулевого закона состоит в том, что, опять же с учетом соответствующих ограничений, данная диатермальная стена безразлична к природе термостата, к которому она подключена. Например, стеклянная колба термометра действует как диатермическая стенка вне зависимости от того, подвергается ли она воздействию газа или жидкости, при условии, что они не разъедают и не плавят ее.

Эти различия относятся к числу определяющих характеристик теплопередачи. В некотором смысле это симметрии теплопередачи.

Приборы для измерения теплопроводности

Анализатор теплопроводности

Свойство теплопроводности любого газа при стандартных условиях давления и температуры является фиксированной величиной. Следовательно, это свойство известного эталонного газа или известных эталонных газовых смесей можно использовать для определенных сенсорных приложений, таких как анализатор теплопроводности.

Принцип работы этого прибора основан на мосте Уитстона, содержащем четыре нити, сопротивления которых согласованы. Всякий раз, когда определенный газ проходит через такую ​​сеть нитей, их сопротивление изменяется из-за измененной теплопроводности нитей и, таким образом, изменения выходного напряжения на выходе моста Уитстона. Это выходное напряжение будет коррелировано с базой данных для идентификации пробы газа.

Датчик газа

Принцип теплопроводности газов также может использоваться для измерения концентрации газа в бинарной смеси газов.

Работа: если один и тот же газ присутствует вокруг всех нитей мостика Уитстона, то во всех нитях поддерживается одинаковая температура и, следовательно, одинаковое сопротивление; в результате получается сбалансированный мост Уитстона. Однако, если образец разнородного газа (или газовая смесь) проходит через один набор из двух нитей, а эталонный газ — через другой набор из двух нитей, мост Уитстона становится несбалансированным. И результат Выходное сетевое напряжение схемы будет коррелировано с базой данных для определения компонентов пробы газа.

Используя этот метод, можно идентифицировать многие неизвестные образцы газа, сравнивая их теплопроводность с другой эталонным газом с известной теплопроводностью. Наиболее часто используется эталонный газ — азот; как теплопроводность обычных обычных газов (кроме водорода и гелия).

Виды датчиков

Некоторые датчики универсальны и рассчитаны на использование в ряде ситуаций. Другие — автоматически настраиваются благодаря автокалибровке, и могут калиброваться в процессе работы. Если часть датчика подвержена солнечному излучению, то ее стараются окрашивать в цвет устройства или материала, тепловой поток которого измеряют — иначе датчик будет недостаточно или слишком сильно нагреваться на солнце по сравнению с этим материалом.

Форма датчиков зависит от их применения. Например, тепловой поток стен легче измерить плоским датчиком, особенно если здание уже построено и установка датчика внутрь стены требует слишком больших затрат. Как уже описано выше, тепловой поток кожи в медицине и при разработке средств защиты от слишком высоких и низких температур тоже измеряют плоскими датчиками.

С другой стороны, для измерения теплового потока почвы часто удобнее использовать игольчатые датчики, которые можно вставить в землю. Люди и животные или даже дождь могут легко сдвинуть плоские датчики. Со временем такие датчики могут легко попасть под слой листьев, травы, или почвы. Игольчатый датчик, наоборот, очень трудно сместить, хотя в некоторых случаях, наоборот, удобнее использовать плоский датчик. То есть, выбор формы и вида датчика обычно зависит от среды, в которой он будет использоваться.

Автор статьи: Kateryna Yuri

Запыленный поток

Таким образом, по результатам исследований установлено, плазменный реактор с ограниченным струйным течением характеризуется значительной неравномерностью распределения теплового потока на его поверхность. В области присоединения высокотемпературного потока к стенке реактора величина плотности теплового потока превышает более чем в два раза значения, характерные для областей прилежащих к входу и выходу из реактора. При этом протяженность области значений плотности теплового потока, составляющая не менее 80% от его максимума,оставляет приблизительно одну треть от общей длины реактора.

Исследовано распределение плотности теплового потока на поверхность секций реактора при истечении газодисперсных плазменных потоков, в которых происходит формирование наночастиц меди, вольфрама и многокомпонентной композиции системы вольфрам-углерод.

Установлено, что распределение плотности теплового потока по длине реактора при течении газодисперсного потока носит немонотонный характер, как и в случае газовой среды (рис. 3.6). Так же увеличивается величина теплового потока на начальные секции реактора, ограничивающих объем высокотемпературной зоны, в которой происходят химические превращения. Именно в этих зонах наибольшая разница между температурой газо-дисперсного объема и температурой стенки реактора, что обуславливает наибольший вклад термофореза в перенос частиц на стенку и увеличение теплового потока за счет осаждения горячих час 54 тиц на стенку реактора. На рисунке 3.7 представлено сравнение характерных распределений тепловых потоков на стенку реактора, отнесенных к максимальному тепловому потоку, для случаев синтеза наночастиц металлов и нанокомпозиции вольфрам-углерод. Как видно из представленной зависимости, характер распределения сохраняется. Однако, можно отметить небольшое смещение максимума зависимости к началу реактора и возрастание с 40 и 60% до 60 и 85% соответственно регистрируемого теплового потока на начальных секциях реактора.

Изменение распределения относительных тепловых потоков на стенку реактора в случае незапыленного потока в сравнении с распределениями плотности тепловых потоков при синтезе различных нанопорошков в объеме реактора. При синтезе наночастиц металлов и нанокомпозиции вольфрам-углерод распределение имеет максимум вобласти присоединения высокотемпературного потока к стенке реактора (что для всех случаев соответствует третьей секции для диаметра сопла равного 10 мм) и лежит в диапазоне от 15 до 43 кВт/м2. Максимальное значение теплового потока превышает до 1,5–3,0 раз плотность теплового потокав начальную и конечную секции реактора.

На рисунке 3.8 представлено уменьшение величины теплового потока при увеличении продолжительности синтеза на примере синтеза нанопорошка меди. Как видно из зависимости, максимальное значение теплового потока снижается с 37 до 30 кВтч/м2в результате осаждения на стенки реактора порядка 32 грамм на-нопорошка.

При увеличении продолжительности эксперимента для всех случаев так же было отмечено общее снижение величины регистрируемого теплового потока. Это может быть обусловлено увеличением общего термического сопротивления стенки реактора и слоя порошка с возрастанием толщины осажденного слоя. С ростом толщины слоя осажденных наночастиц увеличивается термическое сопротивление слоя, что приводит к снижению регистрируемого значения теплового потока на стенку реактора. 3.2.2 Особенности распределения при синтезе оксида алюминия

При синтезе нанопорошка оксида алюминия распределение плотности теплового потока имеет бимодальный характер (рис. 3.9), при этом абсолютный максимум распределения смещается к начальным секциям реактора, что обусловлено выделением значительного количества дополнительного тепла в результате экзотермической реакции окисления алюминия, протекающей в окрестности входа плазменной струи в реактор.

Распределение плотности тепловых потоков на стенку реактора в случае синтеза оксида алюминия путём окисления дисперсного алюминия в потоке воздушной плазмы для различных значений расхода сырья 1 — 7,3 г/мин; 2 — 3,6 г/мин; 3 — 1,8 г/мин Дополнительная мощность, выделяющаяся в результате этой реакции, составляла приблизительно от 10 до 40 % от мощности, вводимой в реактор струей плазмы. Диапазон изменения локальной плотности теплового потока на стенку реактора в исследованных процессах синтеза нанопорошков составлял от 10 до 40 кВм/м

Метод определения (измерения)

Метод измерения плотности теплового потока пошагово изложен в ГОСТ 25380-2014 и основан на измерении перепада температуры на «дополнительной стенке» (пластинке), устанавливаемой на ограждающей конструкции здания. Этот температурный перепад, пропорциональный в направлении теплового потока его плотности, преобразуется в термоЭДС (термоэлектродвижущую силу) батареей термопар, расположенных в «дополнительной стенке» параллельно по тепловому потоку и соединенных последовательно по генерируемому сигналу. «Дополнительная стенка» (пластинка) и батарея термопар образуют преобразователь теплового потока.

Плотность теплового потока отсчитывается по шкале специализированного прибора ИТП-МГ4.03 «Поток», в состав которого входит преобразователь теплового потока, или рассчитывается по результатам измерения термоЭДС на предварительно оттарированных преобразователях теплового потока.

Схема измерения плотности теплового потока

1 – измерительный прибор (потенциометр постоянного тока по ГОСТ 9245); 2 – подсоединение измерительного прибора к преобразователю теплового потока; 3 – преобразователь теплового потока; 4 – исследуемая ограждающая конструкция; q – плотность теплового потока, Вт/м2

От чего зависит показатель теплопроводности

Показатель теплопроводности зависит от нескольких факторов:

1. Температура.
2. Условия эксплуатации того или иного материала.
3. Влажность. Высокий уровень влажности провоцирует вытеснение сухого воздуха капельками жидкости из пор, из-за чего значение увеличивается многократно.
4. Агрегатное состояние вещества. Самой высокой теплопроводностью обладают твердые тела, самой низкой — газы (в частности, вакуум).
5. Структура, пористость (поры говорят о неоднородности структуры: когда через них проходит тепло, охлаждение будет минимальным); плотность вещества (большая плотность способствует более активному взаимодействию частиц, теплообмен и уравновешивание температур протекает быстрее).

Теплопередача через плоскую стенку в граничащую среду (граничные условия третьего рода)

Теплопередача — это более сложный процесс теплообмена между жидкими и газообразными средами, разделенными твердой стенкой. Теплопередача включает в себя и процесс теплопроводности, и процесс теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи α, Вт/(м2·К) — это количество теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и окружающей средой, равной одному градусу.

Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2·К), характеризует тепловой поток, проходящий через единицу площади поверхности стенки при разности температуры сред, равной одному градусу:

Коэффициент теплопередачи для n слойной стенки:

Термические сопротивления теплоотдаче на внешних поверхностях стенки будут равны:

Тогда общее термическое сопротивление теплопередаче будет равно:

Температуры на поверхности стенки можно определить по формулам: