علوم و فناوری فضایی

علوم و فناوری فضایی

مقایسه روش‌های آزمایش صفحه داغ حفاظ‌دار و سه نقطه برای اندازه‌گیری ضریب انتقال حرارتی در عایق‌های فیبری

نوع مقاله : مقالة‌ پژوهشی‌

نویسندگان
دکتری مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه شهید ستاری، تهران، ایران
چکیده
روش‌های آزمایشگاهی پایا و گذرا دو روش شناخته‌شده برای اندازه‌گیری ضریب انتقال حرارت هستند. روش‌های گذرا به دلیل هزینه پایین و طیف دمایی گسترده‌تر کاربرد بیشتری دارند. ولی در مورد عایق‌های فیبری کاربرد روش‌های گذرا کمتر است. این موضوع به دلیل رسانایی ضعیف، نمونه‌های غیرهمگن در این عایق‌ها است. صفحه داغ حفاظ‌دار و سه نقطه، دو روش مهم در اندازه‌گیری ضریب انتقال حرارت در عایق‌های فیبری محسوب می‌شوند. این مقاله به مقایسه این دو روش آزمایش پرداخته و معیار اصلی بررسی، حداقل واریانس در نتیجه نهایی آزمایش است. واریانس نتیجه نهایی نسبت معکوس با دترمینان ماتریس حساسیت دارد. برای محاسبه ماتریس حساسیت، ابتدا توزیع دما در ضخامت عایق حرارتی به‌صورت گذرا و با در نظر گرفتن تخمین اولیه برای ضرایب انتقال حرارت محاسبه می‌شود. این تخمین اولیه از داده‌های آزمایشگاهی منابع دیگر به‌دست آمده است. تغییر در تعداد سنسورهای حرارتی، محل قرارگیری آنها، هندسه عایق و مدت زمان آزمایش باعث تغییر در مقدار دترمینان ماتریس حساسیت خواهد شد. آزمایش بهینه با یافتن مقدار بیشینه این دترمینان مشخص می‌شود. بررسی‌ها نشان می‌دهند که در روش آزمایش گذرای سه نقطه، حالت بهینه استفاده از دو سنسور حرارتی بر روی عایق با ضخامت ۲ سانتی‌متر طی ۱۰۰ ثانیه است، در حالی که در روش صفحه داغ حفاظ‌دار، حالت بهینه شامل دو سنسور حرارتی روی عایق با ارتفاع ۵ سانتی‌متر طی ۳۰۰ ثانیه می‌باشد. تحلیل‌ها نشان می‌دهند که واریانس نتیجه نهایی در روش سه نقطه، کمتر از روش صفحه داغ حفاظ‌دار است، که می‌تواند تأثیر مهمی بر دقت اندازه‌گیری ضریب انتقال حرارت داشته باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] S. C. Lee and G. R. Cunnington, "Conduction and radiation heat transfer in high-porosity fiber thermal insulation," Journal of Thermophysics and Heat Transfer, vol. 14, no. 2, pp. 121–136, 2000, https://doi.org/10.2514/2.6508.
[2] R. Arambakam, H. Vahedi Tafreshi, and B. Pourdeyhimi, "A simple simulation method for designing fibrous insulation materials," Materials & Design, vol. 44, pp. 99–106, 2013, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.07.058.
[3] A. Torabi, A. Abedian, M. A. Farsi, and R. Kalantarinezhad, "Axiomatic design of a reflective multilayer high-temperature insulator," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 233, no. 2, pp. 457–471, 2017, https://doi.org/10.1177/0954410017737576.
[4] A. Torabi, A. Abedian, and M. A. Farsi, "An approximate methodology to simulate combined conduction-radiation heat transfer for multi-layer insulator," Scientia Iranica, vol. 27, no. 6, pp. 2924-2932, 2020, 10.24200/sci.2019.53008.3003.
[5] N. Yüksel, "The Review of Some Commonly Used Methods and Techniques to Measure the Thermal Conductivity," in Insulation Materials in Context of Sustainability, A. Almusaed and A. Almssad, Eds. Croatia: IntechOpen, 2016, pp. 113-138.
[6] H. Liu, J. Liu, Y. Tian, X. Wu, and Z. Li, "Investigation of high temperature thermal insulation performance of fiber-reinforced silica aerogel composites," International Journal of Thermal Sciences, vol. 183, 2023, Art. no. 107827, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107827.
[7] Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded-Hot-Plate Apparatus, C177-19E01, ASTM, 2019.
[8] Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus, C0518-21, ASTM, 2020.
[9] D. Fustinoni, L Vitali, P Gramazio, and A. Niro, "Accurate contact resistance characterization for thermal conductivity measurement with the heat flow meter method," Journal of Physics: Conference Series, vol. 1868, 2021, Paper 012005, https://doi.org/10.1088/1742-6596/1868/1/012005.
[10] R. E. Taylor, J. Gembarovic, and K. D. Maglic, "Thermal diffusivity by the laser flash technique," in Characterization of Materials, E. N. Kaufman, Ed. vol. 1, United States: John Wiley & Sons, 2002, https://doi.org/10.1002/0471266965.com102.
[11] G. C. Glatzmaier and W. Fred Ramirez, "Simultaneous measurement of the thermal conductivity and thermal diffusivity of unconsolidated materials by the transient hot wire method," Review of Scientific Instruments, vol. 56, no. 7, pp. 1394–1398, 1985, https://doi.org/10.1063/1.1138491.
[12] M. J. Assael, K. D. Antoniadis, D. Velliadou, and W. A. Wakeham, "Correct use of the transient hot-wire technique for thermal conductivity measurements on fluids," International Journal of Thermophysics, vol. 44, 2023, Art. no. 85, https://doi.org/10.1007/s10765-023-03195-1.
[13] N. P. Ramos, M. de Melo Antunes, G. Guimarães, and S. M. M. de Lima e Silva, "Simultaneous Bayesian estimation of the temperature-dependent thermal properties of a metal slab using a three-dimensional transient experimental approach." International Journal of Thermal Sciences, vol. 179, 2022, Art. no. 107671, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107671.
[14] L. M. Heisig, R. Wulf, and T. M. Fieback, "Investigation and optimization of the hot disk method for thermal conductivity measurements up to 750°C," International Journal of Thermophysics, vol. 44, 2023, Art. no. 82, https://doi.org/10.1007/s10765-023-03190-6.
[15] B. M. Mihiretie et al., "Finite element modeling of the hot disc method," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 115, Part B, pp. 216-223, 2017, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.08.036.
[16] Y. Sekimoto, R. Abe. H. Kojima, H. Benten, and M. Nakamura, "Error factors in precise thermal conductivity measurement using 3 ω method for wire samples," Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 148, pp. 2285-2296, 2023, https://doi.org/10.1007/s10973-022-11892-6.
[17] U. Hammerschmidt, J. Hameury, R. Strnad, E. Turzó-Andras, and J. Wu, "Critical review of industrial techniques for thermal-conductivity measurements of thermal insulation materials," International Journal of Thermophysics, vol. 36, no. 7, pp. 1530–1544, 2015, https://doi.org/10.1007/s10765-015-1863-x.
[18] J. Gembarovic and R. E. Taylor, "A method for thermal diffusivity determination of thermal insulators," International Journal of Thermophysics, vol. 28, no. 6, pp. 2164–2175, 2007, https://doi.org/10.1007/s10765-007-0279-7.
[19] M. Tychanicz-Kwiecień, J. Wilk, and P. Gil, "Review of high-temperature thermal insulation materials," Journal of Thermophysics and Heat Transfer, vol. 33, no. 1, pp. 271–284, 2019, https://doi.org/10.2514/1.T5420.
[20] K. Daryabeigi, "Heat transfer in high-temperature fibrous insulation," Journal of Thermophysics and Heat Transfer, vol. 17, no. 1, pp. 10–20, 2003, https://doi.org/10.2514/2.6746.
[21] Kamran Daryabeigi, "Thermal analysis and design of multi-layer insulation for re-entry aerodynamic heating," in 35th AIAA Thermophysics Conference, Anaheim, CA, USA, 2001, Paper 2834 https://doi.org/10.2514/6.2001-2834.
[22] B. M. Zhang, W. H. Xie, S. yi. Du, and S. Y. Zhao, "An experimental study of effective thermal conductivity of high temperature insulations," Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 130, no. 3, 2008, Art. no. 034504, https://doi.org/10.1115/1.2804946.
[23] S. Y. Zhao, B. M. Zhang, and S. Y. Du, "An inverse analysis to determine conductive and radiative properties of a fibrous medium," Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, vol. 110, no. 13, pp. 1111–1123, 2009, https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2009.03.022.
[24] S. Y. Zhao, B. M. Zhang, and X. D. He, "Temperature and pressure dependent effective thermal conductivity of fibrous insulation," International Journal of Thermal Sciences, vol. 48, no. 2, pp. 440–448, 2009, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2008.05.003.
[25] M. N Ozisik and H. R. B. OrlandeA, "Inverse heat transfer: Fundamentals and applications: Book review," Applied Mechanics Reviews, vol. 55, no. 1, pp. B18–B19, 2002, https://doi.org/10.1115/1.1445337.
[26] H. R. B. Orlande, Inverse Heat Transfer: Fundamentals and Applications, 2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 2021, https://doi.org/10.1201/9781003155157.
[27] P. C. Sabatier, Applied Inverse Problems: Lectures presented at the RCP 264 "Etude Interdisciplinaire des Problemes Inverses, 1st. Hamburg, Germany: Springer, 1978.
[28] J. V. Beck and K. J. Arnold, Parameter Estimation in Engineering and Science, New York: John Wiley & Sons, 1977.
[29] O. M. Alifanov, Inverse Heat Transfer Problems, Springer Berlin Heidelberg, 1994.
[30] K. A. Woodbury, Inverse Engineering Handbook, 1st ed. Boca Raton: CRC Press, 2002, https://doi.org/10.1201/9781420041613.
[31] H. R. B. Orlande, O. Fudym, D. Maillet, and R. M. Cotta, Thermal Measurements and Inverse Techniques, Boca Raton: CRC Press, 2011.
[32] H. R. Alimohammadi, H. Naseh, and F. Ommi, "A new synthetic metamodel methodology for liquid‐propellant engine’s cooling system optimization," Heat Transfer, vol. 50, no. 1, pp. 907–941, 2020, https://doi.org/10.1002/htj.21911.
[33] R. Taktak, "Design and validation of optimal experiments for estimating thermal properties of composite materials," Ph.D. dissertation, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, USA, 1992.
[34] P. G. Klemens and R. K. Williams, "Thermal conductivity of metals and alloys," International Metals Reviews, vol. 31, no. 1, pp. 197–215, 1986, https://doi.org/10.1179/imtr.1986.31.1.197.
 
دوره 18، شماره 2
1404
صفحه 10-23

  • تاریخ دریافت 27 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری 26 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 04 خرداد 1404
  • تاریخ اولین انتشار 01 تیر 1404