Способ комплексного определения теплоемкости температуропроводности и электропроводности материалов

 

СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕ- ; ЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТЕМПЕРАГУРОПРОВОДНОСТИ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МАтаРИАЛОВ , эаключакяцийся в том, .что об-разец . в виде стержня, концы которогопомещают всреду с постоянной тет пературой , разогревают электрическим ,1оИом и измеряют распределение температуры по длине стержня, падение напряжения на нем и сЕшу тока, идущего образец, л и ч а ю |щ и и с я тем, что,с целью повыше )ния точности при экспрессном.измерении в широком диапазоне температур, изменяют температуру среды с постоянной скоростью, разогревают стержень электрическим током до достижения нулевого перепада температуры между ним и окружающей средой, затем образец дополнительно разо -ревают мгновенным импульсом электрического то- , ка, измеряют изменение температуры образца, во времени в двух сечениях (Л С стержня, несимметричных друг другу относительно среднего се-чениястержня , и ло полученным данным опреде . ляют искомые величины. .

(j9) Н1) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 (21) 3352732/18-25 помещают в среду с постоянной темпе(22) 06.11.81: ратурой, разогревают электричеюким (46) 15.10.83. Бюл. Р 38 током и измеряют распределение тем(72) В.A.Рыков, Е.С;Платунов . .. пературы по длине стержня, падение и В.A.Ñàìoëåòîâ . напряжения на нем и силу тока, иду(71) Ленинградский технологический- .- щего через образец, о т л и ч а юинститут холодильной промышпенности;::,щ и.й с я тем, что,с целью повыше(53) 536. 6(088.8) . : 1ния точности при экспрессном.измере(56) 1. Пелецкий В.Э., Тимрот Д.II., нии в широком диапазоне температур, Воскресенский В.Ю. Высокотемператур- изменяют температуру среды с поСтоянные исследования тепло-:и электропро- ной.скоростью, разогревают стержень водности твердых тел.М;, Энергия ., электрическим током до достижения

1971 с. 61-68. . нулевого перепада температуры между

2. Филиппов Л.П. Измерение тепло-. ним и окружающей средой, затем обравых свойств твердых и жидких. метал- . . эец дополнительно разогревают мгнолов..при высоких температурах.И ., венным импульсом электрического тоИГУ, 1967, с. 232-240 (прототип). : ка, измеряют изменение температуры Щ (54) (57) СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕ, . образца. во времени в двух сечениях .ЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТЕИПЕРАТУРОПРО- " — стержня, несимметричных друг другу +p

ВОДНОСТИ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МАТЕ- .:. относительно среднего сечения стерж- .

РИАЛОВ, заключающийся в том,,что об- .ня, и по полученным данным опредеразец в виде стержня, концы которого .ляют искомые величины.

1048386

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и може быть использовано в материаловедении при изучении физико-.технических свойств электропроводных материалов.

Известен способ определения теплопроводности металлов, заключающийся в том, что образец нагревают пропускаемым через него электрическ-, ким током и измеряют распределение температуры вдоль образца при постоянной мощности нагрева (1) .

Недостатками этого способа являются длительность определения температурной зависимости теплопроводности в широком диапазоне температур 15 .и невозможность измерить еще один теплофизический параметр (тенлоемкость или температуропроводность) °

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигае- ро моку результату является способ комплексного определения теплопроводности, заключающийся в том, что обе разец в виде стержня, концы которо.го помещают в среду с постоянной р5 температурой, разогревают электрическим током и измеряют распределение температуры по длине стержня, падение напряжении на. нем и силу тока, идущего через образец (2) .

Основным недостатком известного способа является длительность снятия .температурной зависимости искомых параметров, обусловвенная ступенчатьи характером .перехода от одного температурного уровня к другому и длительностью создания требуемого температурного режима опыта..Кроме того, этим способом определяется только один теплофизический параметртеплопроводность. 40

Бель изобретения —. повышение точности при экспрессном измерении s широком диапазоне температур при увеличении числа измеряемых теплофизических характеристик. 45 поставленная цель достигается тем, что согласно способу комплексно1о определения теплоемкости, температуроароводности и электропроводности материалов, заключакщемуся в 5© том, что образец в виде стержня, концы которого помещают в среду с постоянной температурой, разогревают электрическим током и иэмеряюй распв ределение температуры по длине стержня, падение напряжения на нем и силу тока, идущего через образец, изменяют Температуру среды с постоянной скоростью, разогревают стержень электрическим током до достижения 50 нулевого перепада температуры между . ним и окружающей средой,затем образец дополнительно разогревают мгновенньм импульсом элвктрического тока, измеряют изменение темпаРФтуРЫ 65 образца во времени в двух его сечениях, несимметричных ppyr другу относительно среднего сечения стержня, и по полученньм данным определяют искомые величины.

На чертеже дана схема устройства, п>яснякщая сущность предлагаемого способа.

Схема содержит следующие, обозначенияг калориметр 1, температура которого меняется с постоянной скоростью1 испытуемый образец 2; термопары 3, иэмерякицие температуру торцов стержня;;термопара 4, измерякщая температуру калориметра; термопары 5, измерякщие температуру в двух сечениях стержня, несимматричных друг другу относительно среднего" сечения; вольтметр 6;.амперметр 7 °

Анализ температурного поля тонкого стержня, разогреваемого электрическим током, концы которого помещаются, в среду, температура которой изменяется с постоянной скоростью, . показывает,.что,:-начиная с некоторо.го момента времени, в стержне устанавливается квазистационарное состоянке, которое при наличии теплообена стержня с окружакщей средой через зазор между ними описывается следукщим выражением: р )."Г, й."...ШЬ ."3 ет Х . 1 „ „ ) Ф

I где l

А=

6S ер С S 1 a р

9 ., (x) - перепад температур между торцами стержня и его сече- ниям, параллельнью его торцам и проходящим через точку с координатой х, К; х — координата, м; б — коэффициент электропроводности, Ом м р в - скорость изменения температуры среды Kc ; - сила тока, A

С - удельная теплоемкость материала образца, Дж кг К

Р - плотность материала образца, кг м 1 .Б - площадь поперечного сечения стержня, м

Ф вЂ” эффективный коэффициент теплообмена между стержнем H средой в зазоре между ними, Вт м К ;

;П- а ериметр стержня, м; (- длина рабочего участка стержня, м.

Из выражения (1) следует, что если Вс (х) = О, т.е. перепад температур между средой и стержнем отсутствует, то имеет место равенство

A -Ь= 0. (21. 1048386

3 4

Из (2) находим расчетную формулу считать мгновенным, должно выполнятьдля удельной теплоемкости ся условие . Е- 3фб РЬ)-", (3)

Если после установления равенства

" ("д О,ог, температур среды и стержня при неп- . где г„- длителъность реального имрерывном изменении температуры среды 5 пульса электрического тока, с постоянной скоростью подать на об-. с. разец мгновннный импульс электричес- При наступлении момента времени, кого тока, то температурное поле с которого выполняется условие стержня определяется выражением .. 8Н (x,г) = 8qq) о, т.е. момента, с ко4д (я - (ях 2 . Toporo поддерживаются Равными тюмпе-ЧГ-(Ъ1-1) М

Ретуры стержня н срены прн. непрерые-.

Н Я CPSL д1 -ном разогреве среды с постоянной скоростью, иеиеряют падение напряжения 0 на рабочем участке стержня

<.> (к2 д)/(а. - 15 и силу тока 3 и рассчитывают электро» проводность материала по формуле

9 - температуропроводность, м с,е 35 () — мощность дополнительного импуль(7) . са электрического тока; Теплопроводность материала находят

9н (х), 2 — перепад температуры между 20 -по формуле средой и стержнем в момент gы,а СР. (8) времени 1 в сечении .стерж- Итак, по Формулам (3), (5) и (7) ня c координатой х, К. . определяют удельную теплоемкость, Из (3) получим выражение.. для тем- температуропроводность, электропропературопроводности 25. BQRHocTb исследуемого материала при экспрессном измерении B широком ина =,(ЫдУ)/(,2",„) тервале температур.

Таким образом, изменение темпера туры среды с постоянной скоростью

Здесь время д находится H3 экс- при одновременном разогреве образца перимента — это время,ппри котором электрическим током так, чтобы пере, 30 наступает следующее равенство - над температуры между ним и окружаю- . щей средой был равен нулю, позволя„ц fe - - ет увеличить точность при экспрессном. измерении теплоемкости за счет исключения влияния теплообмена образца в„(0 „(Р— - значениЯ д„(, ) с окРУжающей сРедой чеРез воздУшный в сечениях зазоР межДУ ними. стержня с ко .,Цополнительный РазогРев обРазЦа : о динат "1,» х мгновенным импульсом электрического

H „B ит 40:,тока и измерение изменения температуры. в ни р о,образц во времени в двух сечениях, йе(симметричных друг другу относительно я с MQMeETa .среДнего сечениЯ стеРжнЯ, позволЯет подачи мгнов также исключить влияние бокового венного у 45 теплообмена с окРУжающей сРюдой.и са электричес» . при измеРении коэффициента темпеРакого тока ТУРЬпРоводности. Значит и, точность .

Параметр A находят из следующего опРеделениЯ коэффициента теплопРоводвыражения

: ности вычисляется по формуле (8) в л;= („»-в) /2, предлагаемом способе выше, чем в где в = (1-э4в- — "- ) ю известном так как влияние теплообмена образца с окружающей средой через

Хея — I воздушный зазор между ними на точностВ

3 определения теплопроводности удая *

Параметр Qpф В формуле (5) опреде 55 ются исключить р что оообюнно важно ляется из следуницего равенства:, при иемерениях в, высокотемпературной области. ц+1 . (Ъ-3) ХР

О» (-11 -si n

expt-(Cn 11 () Точность измерения теплоемкости

Ны1 9ц- (:и электропроводности увеличивается

60 также за счет того, что температурg (-1)в+ (ц-11 ехр(-(Ь-1) у) ° . ное поле стержня во время измерения изотермично по всему объему образца, Практически, для того чтобй реаль- т.е. на точность измерений не влияет ный импульс электрического тока, зависимость теплоемкости и электроиспользуемый в предлагаемом способе, g5 проводности исследуемого материала где

1048386

Составитель В. Битюков

Редактор М.Перрова Техред Т.Маточка t Корректор A.Тяскс ;

Заказ 7923/50 Тираа 873 Подписное

ВНИИПИ.Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11.3035, москва, ж-35, Раушская наб., д.4/5х

Филиал ППП Патент, i .Óàãîðîä, ул.Проектная,4 э от темйературы, которая вообще не позволяла проводить измерения известныч способом вблизи Фазовых переходов °

Работоспособность способа моиет бытв проиллюстрирована следунщими . данными. Рассмотрим образец:длиной

L 100 мм(в работах, исполъзукщих стационарную методику, образцы были; длиной от 70 до 200 мм) . Пусть 10 х =L/2, х 1,/4, тогда параметр .

A = 0,35355, параметрЯд . 0,2563 °

Для меди время < а — 2,5 с,для боль. Иийства сталей д 50 с. Таким обра° / зом, время находится в таком диапазоне, который легко измеряется. Для определения теплоемкости при скорости разогрева среды Ь 0,05 K/с и диаметре образца 5 мм необЩ4нмы сл®дукщие токи для меди 32А;. для большинства сталей 4А. Создание и .измерение таких токов не представляет большой трудности. Для определения электропроводност» необходимо измерять падение нацряиения на образце.

Для рассматриваемых образцов и токов падение напряиения на медном образце .2,8 мВ,. на стальном образце

20 мВ.