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热量传导到低温有哪些方式,该怎么计算呢?

已有 504 次阅读 2017-6-8 18:27 |系统分类:科研笔记|关键词:液氦,液氮,热传导,积分

达到低温最核心的是把从高温传导到低温区域的热量尽可能做到最小。假如我们可以做到这些,那么我们就可以尽可能的减少多余的低温液体蒸发和减少灌装的次数,增加做实验有效的时间。热量传导到样品也是我们很重要的一个点。要将样品的热量传导出去,降到目标温度,必须要严格限制传导到样品的热漏。这是我们需要考虑输入热量进去的热源和减少接触热阻。

为了减少低温液体蒸发,两种主要的热源应该考虑:从低温恒温器的脖子处的热传导,气体柱的热传导,以及外面的壁的热辐射对内壁的影响。要减少脖子处的热传导,我们必须要知道脖子处用的什么材料和他的热学性质。

A)热传导


假设有一个柱子,他的截面积是S,长度是l。尾部锚定温度是T1,另一端是T2,有T2大雨T1,那么就可以用傅立叶公式计算热传导的热量。


式中K是热传导系数,Q=dQ/dT,通常来说,K是关于温度的函数方程,k=k(T),我们必须使用积分形式计算热传导量。


下图给出了积分形式的值。


很明显,要减少脖子处的热漏,就要选择热传导差的材料。如玻璃。尼龙,不锈钢和其它一些特殊的材料。在过去,经常使用玻璃这种材料,但是到了现在,大多数使用不锈钢,粘胶水的环氧纤维,和碳纤维材料,因为他们的机械强度好。玻璃在需要观察也会使用到。

例子2

我们来计算热量从室温300K到液氦4K处,一根掺杂碳纤维的环氧管的热漏值。管子外径0.2m,长0.3m,壁厚0.003m,从图四的积分表可以看到在300K时是120W/m

那么,那么Q=0.75W

接下来咱么在计算因为热传导差生的热漏会消耗多少液氦。

从表1可以看到液氦的汽化潜热是21Kj/kg0.75W将要消耗3.6e-5kg液氦,对应的是1l/h

这么大的消耗可以采用其他方式把脖子处冷却来减少液氦消耗。比如说用有很大汽化潜热的液氮来冷却脖子。这样脖子处温度就可以锚定在77K,比如在距离脖子顶部250px处。这个热漏将会减少到0.14W,,液氦的消耗就会减少到0.19l/h。液氮的消耗可以计算从77K300K的积分计算。


那么脖子顶部到液氮处的热漏可以计算

Q=1.98W

因为液氮的汽化潜热是199Kj/kg。这样的热漏造成的液氮消耗是0.044l/h。这种消耗是十分少的。


例子3

比如我们想要计算一根纯铜棒末端的温度。这根纯铜棒截面积是1平方厘米,长度250px,流过的冷量是0.1W,最后末端温度是多少呢?

因为铜的热传导很好,那么,我们可以假定温差很小,也就认为


可以得到deltaT=0.012K,也就是说铜棒末端的温度是4.212K




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