Запитання для самоконтролю

1. Дайте визначення теплового потоку і щільності теплового потоку.

2. За допомогою яких механізмів відбувається перенос теплової енергії?

3. Закон теплопровідності Фур’є.

4. Закон теплообміну Ньютона.

5. Яка природа теплового випромінювання?

6. Де існують потреби у вимірюванні теплопровідності матеріалів?

7. Що таке коефіцієнт теплопровідності?

8. На якому принципі базується вимірювання теплопровідності?

9. Як забезпечується достовірність і єдність вимірювань теплопровідності?

10. У яких межах знаходиться діапазон значень коефіцієнтів теплопровідності різних матеріалів?

Тема 5. Вимірювання теплового потоку

План.

1. Фізичні засади вимірювання теплового потоку.

2. Первинні перетворювачі теплового потоку (ПТП).

3. Конструкції ПТП. Технічні характеристики ПТП різних типів – поодинокий ПТП, батарейні ПТП з галетними, східчастими і спіральними термоелементами.

4. Вимірювання теплового потоку за допомогою ПТП.

5. Метрологічне забезпечення вимірювань теплового потоку.

1. Фізичні засади вимірювання теплового потоку

Вимірювання теплового потоку може бути засноване на закономірностях переносу теплової енергії за допомогою будь-якого механізму: теплопровідності, конвекції чи теплового випромінювання (теплової радіації). Для цього необхідно віднайти відповідне робоче тіло з теплометричною властивістю, яка однозначно залежить від густини теплового потоку. Найбільш вдалим для цього виявилось використання механізму теплопровідності, який описується вже відомим нам рівнянням Фур’є:

q = λ (t₁ – t₂)/δ, (1)

де q – густина теплового потоку, Вт/м²;

(t₁ – t₂₎ – різниця температур, °С або K, на поверхнях (верхній і нижній або зовнішній і внутрішній) шару речовини товщиною δ, м;

λ – коефіцієнт теплопровідності речовини зазначеного шару.

З рівняння (1) видно, що для визначення густини теплового потоку, який проходить крізь шар речовини з відомими значеннями товщини і коефіцієнта теплопровідності, слід заміряти значення температур на його поверхнях.

2. Первинні перетворювачі теплового потоку (птп)

На цьому принципі працює відомий теплометричний пристрій для визначення теплових втрат на поверхнях теплотрас, який отримав за ім’ям його винахідника назву пояс Шмідта. Цей пристрій являє собою довгу гумову смугу, яка намотується спірально на зовнішню поверхню трубопроводу. У центральній частині смуги вмонтовано диференціальну термобатарею, за допомогою якої вимірюється різниця температур на внутрішній та зовнішній поверхнях гумової смуги.

В історії розвитку теплометрії відомі кілька вдалих конструкцій для вимірювання локального теплового потоку, наприклад, ентальпійний тепломір (заснований на використанні принципу дії проточного калориметра), піргеліометр Ангстрема, тепломіри, засновані на використанні схованої теплоти пароутворення, теплоти плавлення, компенсації електричного нагрівання, конструкції, які використовують оптичні методи, та метод додаткової стінки. Тепломір Шмідта використовує саме метод додаткової стінки, принцип дії якого полягає в тому, що для вимірювання густини теплового потоку на поверхні певної конструкції на неї накладається тонкий шар речовини з відомими значеннями товщини і коефіцієнта теплопровідності, і вимірюється різниця температур на поверхнях цього шару. Цей додатковий шар повинен бути досить тонким, щоб не впливати помітно на процес теплообміну.

Саме цей метод дозволив створити перетворювачі (детектори) теплового потоку (ПТП), які забезпечили можливості широкого застосування теплометричних методів і приладів у наукових дослідженнях, на виробництві, при експлуатації різноманітних теплових установок, теплових мереж, у будівництві, медицині тощо. Розробка і виготовлення малих серій цих ПТП провадяться в Інституті технічної теплофізики НАН України, починаючи з 1955 року. Розроблені і застосовуються конструкції поодиноких і батарейних ПТП.