Способ определения теплофизических характеристик твердых материалов

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ,, заключающийся в том, что полубесконечные в тепловом отношении исследуемое и эталонное тела приводят в тепловой контакт по ограничивающей плоскости, от импульсного источника подводят тепло и измеряют температуру тел, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени определения теплофизических характеристик путем исключения предварительного эксперимента на эталоне и повышения точности измерения, источник тепла помещают в эталонное тело, температуру измеряют в заранее заданные после теплового воздействия два момента времени в одном из сечений эталонного тела, a искомые теплофизические характеристики определяют по формулам -к X. С : TV (R/Va7+47) л|а7 я/Дз+лГ э 1-к сг л1а7 где л н( Ь J - с г« 1 Hl-.- a -ftT a соответственно коэффициенты теплои температуропроводности эталонного и исследуемого тел, Вт/(м.к.), м2/с, объемная тепв лоемкость исследуемого материала , Дж/к/м, R расстояние от плоскости конг такта тел до мгновенного источника тепла , м, Ч соответственно сл ю координаты и время, 1, И 2заданные моменты времени T,(R,T,) и . T,(R,T2), Тц (,) и T()- соответственно температуры в сечениях эталонного и исследуемого материяЛОВ в моменты f о времени 1 К

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

WMO

РЕСПУБЛИН

„Я0„„1117512 (21) 3629652/18-25 (22) 29.06.83 (46) 07.10.84. Бюл. ¹ 37 (72) В.H. Чернышов и Т.И. Рожнова (71) Тамбовский институт химического машиностроения . (53) 536.629.7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР №- 264734, кл. С 01 К 17/00, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 293206, кл. С 0 1 N 25/18, 1971 (прототип7. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ

МАТЕРИАЛОВ,. заключающийся в том, что полубесконечные в тепловом отношении исследуемое и эталонное тела приводят в тепловой контакт по ограничивающей плоскости, от импульсного источника подводят тепло и измеряют температуру тел, о т л и— ч а ю щ и и с я тем, что, с целью сокращения времени определения теплофизических характеристик путем исключения предварительного эксперимента на эталоне и повышения точности измерения, источник тепла помещают в эталонное тело, температуру измеряют в заранее заданные лосле теплового воздействия два мо-. мента времени в одном из сечений эталонного тела, а искомые теплофизические характеристики определяют по формулам э Х 1-К

x" (l a»agz) «Я» R//à» ß <+k э яГа +a - к с =

Га» К, 1+ К где а, Х, а — соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводности эталонного и исследуемого тел, Вт/(м.к.), м /с, объемная теплоемкость исследуемого материала, Дж/к/м» расстояние от плоскости кон» такта тел до мгновенного источника тепла, м, соответственно координаты и время, заданные моХ,c— менты времени

Тэ("7 T|)

Тэ(Я,т Э, соответственно температуры в сечениях эталонного и исследуемого материалов в моменты времени С, и, л

- Tq(-Х,ь,)йТ (Х„с )3(59 G 0l N 25 18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ зоватепей на поверхности исследуемо

1-с тела,,что является причиной появленияя погрешностей от контактных термосопротнвленнй между нагревателем и исследуемым телом, термопреобразователем и исследуемым телом.

Сделать теоретическую оценку с целью введения поправки в данном случае достаточно сложно вследствие наличия большого числа факторов, влияющих на величину термического сопротивления, к числу которых относится степень прижатия нагревателя и датчиков температуры к исследуемому телу„ шероховатость поверхности тела., его теплофизические свойства, твердость и пр.

Целью изобретения является сокращение времени определения теплофизических характеристик путем исключения предварительного эксперимента на эталоне и повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу огределения теплофизических характеристик твердых материалов, заключающеь ся в том, что полубесконечные в тепловом отношении исследуемое и эталонное тела, приводят в тепловой контакт по ограничивающей плоскости, от импульсного источника подводят

" à"ïëî и измеряют температуру тел источник тепла помещают в эталонíое тело, температуру измеряют в заранее заданные два момента времени после теплового воздействия в одном из сечени.- . талонного тела, а искомые "..åïëñ:t.,ÿçè÷åñêèå характеристики определяют по формулам

1 гле

1 i I 35)2

Изобретение относится к способам исследования теплофизических свойств материалов.

Известен способ определения коэффициента теплопроводности материалов, основанный на регистрации температурной кривой и отыскании температурного максимума, возникающего в результате разности температур меж. ду радиальными спаями помещенной на 10 поверхность исследуемого образца кольцевой дифференциальной термопары после подачи на плоский круглый нагреватель кратковременного импульса постоянной мощности (1) .

i5

Недостатками способа являются большая погрешность определения коэффициента теплопроводности исследуемых материалов, обусловленная субъективным характером определения макси- 20 мума температурной кривой в заданной точке, так как этот максимум довольно пологий, а также необходимость проведения градуировочных измерений на материалах с известными теплофи- 25 зическими свойствами .с целью построения расчетного графика для определения искомого коэффициента. Кроме того, к недостаткам данного способа относится возможность определения толь-З0 ко одногб коэффициента теплопроводности и необходимость расположения датчиков температуры и нагревателя на поверхности исследуемого тела.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что полубесконечные в тепловомотношении исследуемое и эталонное

° тела приводят в тепловой контакт по ограничивающей плоскости, от имлульсного источника подводят тепло и из.меряют температуру тел в месте контакта и в одном из сечений исследуе- „мого тела (2).

Недостатком известного способа является длительное время проведения теглофизических экспериментов., обусловленное необходимостью перво-начального проведения эксперимен— та на эталонном теле с последующим термостатированием системы для проведения второго этапа измерений, а также малая точность определения

55 искомых теплофизических характеристик, вызванная необходимостью размешения нагревателя и термопреобраR icl; -21 -

Ag Х

I:

" jQ ). - ) « + к

Р-Газ < g г Ы х, 1+к " ;, - Ъ„ „„(g, „,,"

Тн(x„) z) Гл Л,о > g,Π— соответственно коэффициенты тепло- и температуропроводностн эталонного и исследуемого тел

Бт/:(М К); М2/с, 1117512 где Я вЂ” количество тепла, выделенного мгновенным источником

X)ь л

„И

Т„ -хА<1и т„(-xLа температуры в сечениях эталонного

Л э -к — > (5)

Га -1аэ 1+ К

50 где

55 (x-Я R1

С вЂ” объемная тепло1 емкость исследуемого материала, Дж/к/м, — расстояние от ф„жплоскости контак та тел до мгновенного источника тепла, м, соответственно 10 координаты и время, заданные моменты времени Т,э (К, 7, ) и Т (й,ь ) 15 соответственно и исследуемого материалов в моменты времени с.,и к.

Сущность способа заключается в следующем.

Полубесконечные в тепловом отношении эталонное и исследуемое тела э5 приводят в тепловой контакт no ограничивающей поверхности и термостатируют при постоянной начальной температуре. Затем подают тепловой импульс от источника тепла, предварительно помещенного в эталонное тело на заданном расстоянии R от контактной плоскости тел, и в заранее заданные два момента времени фиксируют температуру в одном из сечений эталонного и исследуемого тел, а искомые теплофизические коэффициенты рассчитывают по формулам, полученным на основании следующих рассуждений.

Температурные поля в эталонном и исследуемом телах при действии .

/ плоского мгновенного источника тепла, помещенного на расстоянии К от плоскости контакта тел в эталонном образце, при равномерном распределении температур в начальный момент времени в обоих телах описываются математическими зависимостями а (("-я"1

Тэ(x,"Ö- Е Р (МОа,Ф с 4a,i

Ъ э4а - Ъ4а ((x я)г

Ъ à В, 14аэi

Ти(х,-.) = ех йТ ъ Ж ъ ГО тепла, Ъ 0 5 8 — соответственно ко р э эффициенты теплои температуропроводности эталонного и исследуемого тел, R — расстояние от плоскости контакта тел до плоскости расположения мгновенного источника тепла, Х,с — соответственно координата и вре. мя.

Из уравнения (1) для моментов времени 2 = ь, Ll =0 и х = Rt получим выражения т(„ 1 (2@™ >э1а хетаг Р1 а,,1J и (1э Га-7 -1а

2@а,С,.Б .Га оз 1 !

Из отношения (3) и (4) после несложных математических преобразований получим формулу йг г ,,(q,"„) z. (. т,ill.,и"., е Р,—., ) Записав уравнение (2) для момен ъ Л тов времени с„ и 2 и координа™ х = -х и взяв отношение полученных

1 уравнений, получаем. формулу для расчета коэффициента температуропроводности исследуемого тела (6)

Х

2 йБ", -H> и и

"г и(" ") Ч

z,* Cn г Ти(; х, ь г) --Гд

Таким образом, измерив температуру и два заранее заданных момента ,л .Л времени с и в сечении исследуемого тела х = -х и в сечении эталонI ного тела х = R, по формулам (5) и (6) можно рассчитать комплекс тепло1117512

15

Составитель В.Екасов

Редактор А. Шандор Техред З.Палий

Корректор,С. Черни

Заказ 7188/27 Тирах 822

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 физических характеристик исследуемого материала.

Время проведения теплофиэического эксперимента в известном способе можно определить как

T$gQTQ+gj где Т вЂ” время проведения эксперимента на эталонном материале, включая и время на термо-. статирование тепловой системы перед началом второго этапа експеримента, Т вЂ” время проведения экспериг мента на исследуемом материале.

В данном случае время проведения эксперимента равно Т, Поскольку для термостатирования после теплового воздействия на первом этапе требуется больше времени, чем для

Термостатирования системы ранее не подвергающейся тепловому воздействию„ то Т ъ Т . Общее время эксперимента в предлагаемом способе более, чем в два раза меньше, чем в известном, что свидетельствует о достижении цели предлагаемого способа.

Погрешность косвенных измерений искомых теплофизических характеристик определяется погрешностью измерения температуры в контролируемых точках.

В предлагаемом способе устраняется операция контактного измерения поверхности исследуемого тела, т.е. температурновременные измерения производятся с меньшей погрешностью, что в конечном счете повышает точность определения искомых теплофизических характеристик,