Способ определения коэффициента температуропроводности материалов

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФЙЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ путем кратковременного интен сивного теплового воздействия на од ну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воздействию , о тличающийся тем, что, с целью повьппения точност определения коэффициента температур л 253 проводности непрогнозируемых кратковременных тепловых воздействий, изменения температуры во времени измеряют в процессе нагрева на поверхности , подвергаемой тепловому воздействию , и в дополнительных фиксированных точках внутри образца, разноотстоящих от нагреваемой поверхности , после чего искомую величину определяют по формуле где i время с момента-начала теплового воздействия, 01 - коэффициент. температуропроводности материала за время t j RCt) - площадь под кривой приращения температуры по длине образца в момент времени -t ; V(i)- площадь под кривой среднего температурного градиента по длине образца в момент времени i.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) G 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

М ) М где 1 йИ)4= z95

AC

Фиг.!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3475592/24-25 (22) 28.07.82 (46) 23.06.85. Бюл. Ф 23 (72) В.А,Балакин и Н.А.Балакина (71) Гомельский государственный университет (53) 536.629.7 (088.8) (56) 1. Шашков А.Г. и др. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. M. "Энергия", 1973, с. 63-66, 156-160.

2. Там же, с, 178-187 (прототип) (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ путем кратковременного интенсивного теплового воздействия на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воздействию, отличающийся тем, что, с целью повышения точности опредеУ. ения коэффициента температуро.Ф

„„SU„„1163232 проводности непрогнозируемых кратковременных тепловых воздействий, изменения температуры во времени измеряют в процессе нагрева на поверхности, подвергаемой тепловому воздействию, и в дополнительных фиксированных точках внутри образца, pasноотстоящих от нагреваемой поверхности, после чего искомую величину определяют по формуле

Ф время с момента . начала теплового воздействия; коэффициент. температуропроводности материала за время 1; площадь под кривой приращения температуры по длине образца в момент времени ; площадь под кривой среднего температурного градиента по длине образца в момент времени

1163232

Изобретение относится к области определения теплофизических свойств материалов в условиях кратковременного интенсивного нагрева (охлажде-. ния) и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, на транспорте и в ряде других отраслей промышленности.

Известны нестационарные способы определения коэффициента температуро- 10 проводности, при которых измеряют температуры в одной или нескольких характерных точках внутри образца или на его поверхности, после чего искомую величину находят вычислением по соответствующим формулам 11).

Например, если условиями эксперимента предусмотрено, что образец можно рассматривать как полуограничея- . ное тело и на его поверхности поддерживается постоянная температура, тогда распределение температуры в образце определяется из выражения

e(2,ц=. -(о - це, (1) где Ю вЂ” температура;

Ь вЂ” начальная температура, „- температура поверхности;

2: — текущая координата; с — коэффициент температуропроводности

1 — время.

Если образец рассматривать как полуограниченное тело, и его поверх- 35 ность нагревается постоянным тепловым потоком интенсивностью q, тогда распределение температуры в образце определяется из выражения

2 1Га, Z, y(Zt)=9 t, iBtfc а Л Г а где Л вЂ” коэффициент теплопроводности; — плотно ст ь теплов ого поток а, а если как неограниченную теплоизолированную с одной стороны пластину, другая поверхность которой нагрева ется постоянным тепловым потоком с, тогда при числах Фурье Fo 0,3 рас- 50 пределение температурь| в образце on" ределяется из выражения где Ь вЂ” толщина пластины.

Недостатком известных способов определения коэффициента температуропроводности является трудность в условиях кратковременного нагрева воспроизведения граничных условий (В = ь пз1; с = const . Кроме того, формулы (2 ) и (3 ) помимо искомой величины д содержат неизвестную Л .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения коэффициента температурогроводности материалов путем кратковременного интенсивного теплового воздействия на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности, противолежащей подвергае-. мой тепловому воздействию (2 .

Однако при реализации известного способа необходимо точно определять величину теплового потока, вводимого в образец, Кроме того, расчетная формула содержит в качестве неизвестных удельные теплоемкость и плотность исследуемого материала, которые в свою очередь зависят от распределения температуры. Все это приводит к низкой точности определения коэффициента температуропроводности материала в условиях кратковременного интенсивного нагрева образца.

При кратковременном интенсивном тепловом воздействии на материал его коэффициент температуропроводности существенно зависит от условий нагрева поверхности образца, которые на практике могут быть любыми и в том числе заранее не прогнозируемыми и отличающимися от граничных условий, заложенных в теорию известных способов. Между тем в первые моменты нагрева (.сотые и десятые доли секунды ) происходит существенное (в несколько раз) изменение коэффициента температуропроводности, числовые значения которого зависят от характера изменения нестационарного температурного поля, а следовательно, и от характера теплового воздействия на поверхность образца.

Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента температуропроводности в условиях непрогнозируемых кратковремен1163232 ных длительностью 0,03-10 с тепловых воздействий.

Цель достигается тем, что при способе определения коэффициента температуропроводности материалов путем 5 кратковременного теплового воздействия на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке об- 10 разца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воздействию, изменения температуры во . времени измеряют в процессе нагрева на поверхности, подвергаемой тепло- 15 вому .воздействию, и в дополнительных фиксированных точках внутри образца,разноотстоящих от нагреваемой поверхности, после чего искомую величину определяют по формуле 20

R ()

М 1 ) где т. — время с момента начала теплового воздействия;

oI — коэффициент температуропроводности материала за время т,;

Я. (1 — площадь под кривой приращения температуры по длине образца.в момент времени E

Ì1t) — площадь под кривой среднего температурного градиента по длине образца в момент времеЗЗ ни .

Таким образом, при предлагаемом способе, как и при известном, образец подвергают кратковременному тепловому воздействию, регистрируют

40 его начальную температуру и изменения температуры во времени в процессе . еплового воздействия в фиксированной точке внутри образца и на поверхности, противоположной нагреваемой. Но в отличие от известно4$

ro, при предлагаемом способе в образце устанавливают на два термопреобразователя, а несколько — в том числе на нагреваемой поверхности, на поверхности, противоположной нагре- ® ваемой, и в дополнительных фиксированных точках в различных по толщине сечениях образца, регистрируя тем самым нестационарное температурное поле и температурный градиент по дли-55 не образца. При длительности тепловых воздействий в сотые и десятые доли секунды можно пренебречь тепло-1 отдачей в окружающую среду и рассматривать распространение тепла в образце как одномерное, а при более длительном нагреве образец теплоизолируют с боковых сторон (т.е. вдоль его длины ) и ненагреваемого торца.

Изменение температурного поля по толщине образца имеет информацию об аккумулированном образцом к заданному моменту времени 1 количестве тепла Я„ 1, которое определяется из выражения а )=сну(Ц5 (V(Z,<)-О jdZ (S) о

c(t) P1t) — средние значения теплоемкости и плотности образца за время нагрева 1;

S — площадь поперечного сечения образца;

js (2ц у — Площадь под экспе( о риментальной кривой приращения температур по длине образца, которую обозначаем как Я () . °

Поделив левую и правую части уравнения (5) на 5t и учитывая

1 И1

ebQ8) — о(t) получаем выражение для среднего удельного теплового потока в образце за время -1., 9Hl= — — (<) л(а) а ц ц (t)

Если экспериментальные распределения температур 8(Zp), при фиксиро= ванных 1 продифференцировать (это можно делать, например, графически ), получаем зависимости (2 t) . Площадь д2 под этими кривыми в фиксированные моменты времени равна

Ь (<<) = (Z,4<) dZ о

1163232

R(<)

4 (ь) (8) 35 (Ь(2,<)-P ) (р а 1

3

Среднее значение температурного градиента в образце в фиксированный момент времени определяется отношением

Среднее значение температурного градиента в образце за время определяется из выражения

3 Z ср <„()

1,ы V.l = где g (с) — площадь под соответствующей экспериментальной кри(ао1+ вой — — на момент вре- о az мени 1, Если известен 1.рд О-),то величину g(t} можно также найти из выражения

9 5+)= AL<1(g «+) ° jl(t) — (v J

v(t) Приравняв правые части уравнений (6 ) и (7 ), получаем Таким образом формула (8 ) содержит лишь экспериментальные данные—

Я() .и М(+) . Раскроем ее физичес кий смысл. Для этого, умножая и деля числитель и знаменатель правой час- 4О ти уравнения (8 ) на Ъ1, получаем

R() где (") о j„= — среднее приращение температуры по всему объе-50 му образца, Следовательно, коэффициент температуропроводности материалов в условиях кратковременного интенсивного нагрева является функцией среднего приращения температуры по всему объему образца, среднего температурного градиента и времени нагрева . Чис- ловые значения площадей Я(С1 и

4(6) в каждый момент времени зависят от характера теплового воздействия на поверхность образца.

Формулы (8 } и (9 ) в теории теплотехнического эксперимента являются новыми, они справедливы и для случая кратковременного интенсивного охлаждения образца.

Ценность информации о а заключается в том, что она позволяет анализировать способность образца из заданного материала в конкретных условиях: в условиях кратковременного нагрева — поглощать теплоту, кратковременного охлаждения — отдавать теплоту.

Пример. Определяют и в условиях кратковременного фрикционного нагрева с торца цилиндрического образца диаметрам 6 мм и высотой 9 мм из титана марки ВТ-1,,контактирующего с боковой поверхностью диска диаметром 300 мм из стали 1Х18Н10Т.

Диск вращается с постоянной угловой скоростью, скорость скольжения V =

25 м/с, удельная нагрузка на номинальную площадь контакта Рп =

0,3 Па, полное время процесса трения 1 = 9 с, число Фурье изменяется в пределах F = 0-1. Такие условия испытания позволяют рассматривать температурное поле в образце за время нагрева как одномерное> теплоотдачей в окружающую среду можно пренебречь. Однако средний удельный тепловой поток, направленный в образец, на границе контакта q;(0, 4 ) неизвестен, теоретическое распределение температуры по высоте образца тоже неизвестно

Измерение температурного поля проводится пятью медьконстантановыми термоэлектрическими преобразователями в сечениях: Z- =О, Z- =й.1 =

= 0,15 мм; Z= D = О 5 мм; Z=

3 мм; 2 = Ъ = 8,85 мм. Диаметр термоэлектродов 0;1 мм. Измерение температуры на поверхности трения (в сечении 2= О) производится "истирающимся" термапреобразователем.

В остальных сечениях температура измеряется термопреобразователями, сваренными встык, диаметр горячего спая 0,10-0,12 мм, Горячие спаи устанавливаются в пазы шириной 0,15 мм и глубиной 0,5 мм, прорезанные на боковой поверхности образца, и зачеканиваются отожженой медью. На.

1 ° с 5?И), К/м Ч(Ф), . K. 1 (ф),К/м с (1)- Oô ) c ô (ф о 1 р . Ф . 10

К К/м м с .2400

27.,5

800

74,4

0,3

0,6

26,3

8500

77,8

5100.17,2

9000

9000

104

16,8

11700

23500

152

11,7

1 4300

154

57300

9,0

15020

90100

141

14970

134800

112

128 ружная поверхность и нротивоположный торец образца теплоизолируются стеклонитью, которая в дальнейшем пропитывается эпоксидным клеем. Табличное значение коэффициента темпе ратуропроводности теплоизоляции на два порядка меньше коэффициента температуропроводности титана.

Предварительные исследования динамических характеристик термопреобразователей показали, что в исследуемом температурном интервале достоверными являются результаты измерений температур, начиная с момента времени = 0,03 с. При этом максимальная погрешность измерений в момент времени 4 0,03 с не превыпа0,066

0,134

0,155

0,397

0,671

0,815

1,012

163232 8 ет 5Х. С течением времени эта погрешность уменьшается (при

= 0,05 с она уже менее lX }. Регистрация температуры осуществляется светолу левым осциллографом..

На фиг.l представлены экспериментальные распределения температур в образце; на фиг.2 — температурные поля rio высоте образца в фиксирован16 ные моменты времени и изменение температурного градиента по высоте образца в фиксированный момент времени -Ф 1 с; на фиг.3 — изменение среднего температурного градиента в образце sa период времени 1.

Результаты обработки экспериментальных данных даны в таблице.

1163232

Е ИМ

t,c

JO дФ

gz ®"

СР

Составитель В. Битюков

Редактор И.Николайчук Техред Ж.Кастелевич. Корректор Л. Пилипенко

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 4098/43 Тираж 897

B}gggIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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