Устройство для определения теплофизических характеристик зернистых материалов

 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения и контроля теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности зернистых материалов. Целью изобретения является повышение точности определения искомых характеристик за счет замены температурных измерений теплопоточными. Для этого в устройство дополнительно введены две аналогично имеющимся измерительные ячейки с тепломерами, которые установлены перпендикулярно тепломерам в имеющихся ячейках. В одну из пар взаимно перпендикулярных ячеек введены пластины разной толщины из эталонного материала, а нагреватель и холодильник выполнены общими для всех ячеек. 2 ил.

СОЮЗ COBETCHHX

СО!.1ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G О! N 25 18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

l1Q ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬП ИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4308251/31-25 (22) 24.09.87 (46) 23.02.90. Бюл. У 7 (71) Институт технической теплофизики АН УССР и Киевский технологический институт пищевой промышленности (72) О.A. Геращенко, Т.Г. Грищенко, Л.В. Декуша, В.П, Сало, А.Г. Иазуренко, Д,П. Коломиец и Ю, Ф. Снежкин (53) 536.6 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

1! 911275, кл, G 01 N 25/18, 1982, Авторское свидетельство СССР

М- 813219, кл. G 01 1! 25/18, 1981 ° (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРНИСТЫХ

МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к теплофиИзобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения и .контроля теплофизических свойств зернистых материалов, Целью изобретения является повьппение точности измерения теплофиэических характеристик зернистых материалов эа счет замены температурных измерений теплопоточными, Введение в конструкцию устройства двух дополнительных измерительных ячеек позволяет определить теплофизические характеристики исследуемого материала методом компарирования со стандартными образцами.

На фиг.! приведена схема устройства; на фиг,2 — схема многослойной пластины (измерительной ячейки).

„„Я0„„1545148 А1

2 зическим измерениям и может быть использовано для определения и контроля теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности зернистых материалов. Целью изобретения является повьнпение точности определения искомых характеристик за счет замены температурных измерений теплопоточными.

Для этого в устройство дополнительно введены две аналогично имеющимся измерительные ячейки с тепломерами, которые установлены перпендикулярно тепломерам в имеющихся ячейках. В одну из пар взаимно перпендикулярных ячеек введены пластины разной толщины из эталонного материала, а нагреватель и холодильник выполнены общими для всех ячеек. 2 ил.

Устройство состоит из четырех измеI рительных ячеек, образованных парами тепломеров l и2,3и4,5и6,7 р@Ь и 8, смонтированных соответственно на обращенных друг к другу поверхностях холодильника 9 и нагревателя 10, в которые вмонтированы датчики ll и 12 4 температуры, используемые для регули- Q0 рования режимов термостатирования и определения температуры отнесения по- . лученных результатов измерений. Нагреватель 10 установлен в полости, образованной внутренними стенками холодильника 9, Для задания величины йь зазора между тепломерами 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, ° 7 и 8 в устройство введены съемные плоские дистанционирующие пластины 13 и 14, изготовленные иэ материалов, аттестованных в качестве

1545148 где То,, Т„ (2) где ф— сна(j

1 Н„

3 образцовых мер теплопроводности и т еплоемкости. Измерительные ячейки:, I разделены между собой съемными тепловлагоизоляционными вкладышами 15. В рабочем положении ячейки, образованв ые тепломерамй 1 и 2, 3 и 4, помещаЮт исследуемый зернистый материал 16, ри аттестации устройства в эти ячейт,е, образованные тепломерами 1

2, 3 и 4, помещают съемные стандарте образцы, которые выполнены в виде астины из материала, аттестованного в качестве образцовой меры теплопро-! одности и теплоемкости, I5

Устройство работает следующим об1 азом, При установке нагревателя 10 в олость холодильника 9 в измеритель- е ячейки, образованные тепломерами и 6 7 и 8, помещают дистанционифующие пластины 13 и 14 равной толщиь1ы, прижимают их подвижным нагревате- . х1ем 10 к холодильнику 9. Затем встав,!ляют теплоизоляционные вкладьппи 15 ячейки, образованные тепломерами и 2, 3 и 4, засыпают исследуемый ернистый материал 16 обеспечивая ри этом одинаковую плотность образов, Задают постоянную и одинаковую корость изменения температуры нагревателя 9 и холодильника 10 и по ре-! ультатам измеренных плотностей теп,!лового потока рассчитывают искомые величины по формулам Но.р, Г(Ч 4-Ч ) — (q +q )7

:% ово gH> pq .!.Ч )- q > +q<) j (1)

QН, (с1! gg) (qg-q4.). 40

% з 6 Hc)g овр 7срт, ЬЙ, 45 (3)

50 эталонная теплопроводность; объемная теплоемкость; температуропроводность; плотность теплового потока; номер тепломера (1,2...,8)

=(Н Н j" разность толщины образцов 16 исследуемого материала;

AH = Н, -Н, — эталонная разность толщины дистанционирующих пластин 13 и 14.

Расчетные формулы (1) — (3) полу1 чают из решения задачи нестацио арной теплопроводности при двухсторон ем нагреве неграниченной однородной пластины толщиной 2Н с неизменяющейс разностью температур ее поверхностей (т.е. при нагреве в квазистационарном тепловом режиме) прн следующих начальных и граничных условиях:

Т(х,ь- = О) То2 +0,5(То -То2) (1+

T(x = H, () = T, + Ь ь " (4) T(x = -H !,)çT + b o начальные значения температуры поверхностей пластины; . скорость изменения температуры; время; координата по толщине пластины.

Решение уравнения нестационарной теплопроводности при F 2 для темпеоратуры и температурного градиента в сечении (Х = х/Н) имеет вид

2 т(,. ) = 0,5(т, +т„) + — (F 0,5) +

bH 2 Зт(х,. )

+ 0,5(т -т ) ° х+--хо оа 2а дх

То, — То

= — ---- — + — — х, (5)

2Н а

Каждая из измерительных ячеек устройства в рабочем состоянии представляет собой симметричную относи-! тельно принятого начала координат многослойную пластину (фиг,2), установленную между холодильником 9 и нагревателем 10 и состоящую из последовательно расположенных контактного слоя

17 толщиной h „ и температуропроводностью а между холодильником 9 и со-! ответствующим тепломером 1 (или 3,5 и 7) толщиной и и температуропровод2 ностью a, контактного слоя 18 толщиной h> н температуроправодностью а> между тепломером 1 (или 3,5 и 7) и исследуемым материалом 16 (или эталонным материалом дистанционирующих пластин 13 и 14), слоя материала толщиной 2h и температуропровод5 1545148 ностью а (исследуемого 16 или этаФ ны толщиной лонного 13 или 14)< контактного слоя времени

19 толщиной h3 и температуропроводностью а> между материалом 16 (или

l3 и 14) и тепломером 2 (или 4,6 и 8), тепломера 2 (или 4,6 и 8) толщиной h< и температуропроводностью а2 и конСогласно тактного слоя 20 толщиной h < и темпеизмерительно ратуропроводностью а< между тепломе<рормулу для ром 2 (или 4,6 и 8) и нагревателем 10, лутолщины

Для расчета температур и плотностей теплового потока в многослойной пластине воспользуемся решением (4) и (5), полученным для однородной плас-15 тины, заменив действительные толщины эквивалентными исходя из соотношения

1 в

2. 2

= 1,2,3,4, а; аэкв 20

2Н в каждый момент экв выражению (7) для каждой и ячейки можно записать расчета эквивалентной поз об

1=1 б откуда аэкв

h ° = h а, (6) (10) 30

Экв < а, 2 62

< аэкв

+ h — — . h э аэ (7) 35 (т„-т„), x(q<+

%2) <

Mh — — "в +И +AH а . 06Р1 06Р

<< < 06p

40 (т„-т„) „<1 3

q ) Ä з р аэкв + h с< х = х в сумму (ти-т,) 1и"{q% ч )

Kh — —, + h +ЬНэ аэкв а; э< (т„-Tê) <„=

«(с1 +

<1а) р

Если а,„в = а, с учетом (6), полу-. чаем следующее выражение эквивалентной полутолщины Н э„ рассматриваемой многослойной пластины

При нагревании в квазистационарном тепловом режиме распределение плотностей теплового потока по толщине однородной (эквивалентной) пластины линейное, а сумма плотностей теплового потока в сечениях, равноудаленных от геометрического центра пластины и имеющих координаты х1 и х 2 = -х<, является величиной постоян- ной, что следует из подстановки зна3т чений величины -- при х = х и дх <

<1(х, )+<1(х ) =Ъэ„в (;,--)

3т X=X<

+ (Эт)

50 ах. « т, — т„{8)

Ч(х ) + Ч(х ) A3„8 э

Ю нэкв т(н, ) — т(-н, ) = — -" - х <экв

«(+ ) (q í,„q-í,„ (9) 3

1 з овр < ц Новр р

sc< з а „в э

i Ф!

=:Е-h — —. + h + ЬНЭ аэ«в а э< 1

I 1 где h,h - полутолщины исследуеОБр< < мых образцов; — полутолщины эталонных образцов.

После подстановки значений эквивалентных полутолщин измерительных ячеек из выражения (10) в (9) получаем систему уравнений

55 где Х экв 1<4- °

Из уравнения {4) с -,÷åòîì (8) получаем выражение разности температуры на поверхностях эквивалентной пластигде Т и и Т « — температуры нагревателя и холодильника, измеряемые посредством датчиков 12 и ll температуры

1545148 (12) = с0 Ь.2Н х, Так как в нестационарном режиме тепломер измеряет плотность теплового потока, проходящего через его reo- 30 метрический центр, измерительную ячейку предлагаемого устройства рассмат- р (ваем как многослойную пластину толп иной, равной расстоянию между I.еоМетрическими центрами тепломеров в, 35 ячейке. (Используя введенное выше понятие э1(вивалентной полутолщины (7 ), з апис| (ваем для каждой измерительной ячейк1(значения величины Нх, входящие в формулу (12) I 1

1 г Ь экв аэкв — — +h — -+h

+ 6Нов 1 (И ) hz еэкв +

° -2

+ 1 3|1 аэкв

3 а3

+ 1 + Нэ аэкв

311 а (13) "

После подстановки выражений (13) в (12) получаем систему уравнений

g е ° à q ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПО и тока, измеренные посредством тепломеров

1...8;

Ъвв % э- теплопроводности исслеовр| дуемого (16) и эталон" ного (13 и 14) образцов, которые для своих ячеек играют роль

Ъ экв

Решив систему (11) относительно ф, получаем формулу (lI ) для 1эасчета т плопроводности исследуемого зернисрэ т го материала при нагревании в кваз стационарном режиме в заявляемом у| стройстве.

Используя уравнение (5), записываем выражение для расчета разности п (отностей теплового потока в рави(эудаленных от геометрического центра 20 ( с чениях однородной пластины, т, е. в х, и х., для которых х,э = х,: )(Ь Н(х | — хд)

«(х ) - (1(х ) .З.| . (25

q — q = 2(с ) ° b(- - — + h — — (1|г а экв аэкв

06р 2 1 а 3 а

+ Ь овр(э аг

> аз аз

2(c ) Ь (й -э" + аг ив+ И э + 0Нэ), (14) аз

Решив систему уравнений (14) отно-. сительно (с 0) в, полУчаем фоРмУлУ (2) для расчета о ъемной теплоемкости исследуемого материала, Исходя из формул (1) и (2) и соотношения а во—= Ъ|>в l())@ получаем формулу (3) для расчета температуропроводности исследуемого образца.

Из анализа формул (1) и (3) следует,,что дпя определения теплофизических характеристик не требуются измерения малых изменений температур в пространстве и во времени, что позволяет повысить точность определения теплофизических характеристик материалов.

Положительный эффект От внедрения предлагаемого устройства достигается за счет повышения точности измерений благодаря введенным дополнительным.измерительным ячейкам, которые позволяют определить теплоемкость и теплопроводность методом компарирования со стандартными образцами и исключить влияние контактных термических сопротивлений и контактных емкостей, Поверка устройства осуществляется по стандартным образцам, при этом погрешность не превышает удвоенной погрешности аттестации образцовых мер.

Формул а из о брет ения

Устройство для определения теплофизических характеристик зернистых материалов, содержащее две плоские измерительные ячейки с регулируемой шириной зазора для размешения образцов, каждая иэ которых образована парой параллельно установленных тепломеров, один из которых размешен на общем

15451 чй нагревателе, а второй - на холодильнике, и снабженных. датчиками температуры, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения искомых характеристик, в устройство дополнительно введены две аналогичные имеющимся измерительные ячейки,,тепломеры которых установлены перпендикулярно тепломерам имеющихся ячеек, в одну из пар взаимно перпендикулярных ячеек введены съемные дистанционирующие пластины

5 разной толщины из эталонного материала, нагреватель и холодильник выполнены общими для scex ячеек, разде. ленных между собой тепловлагоизоляционными вкладышами, причем нагреватель выполнен подвижным.

1545148 (ц) fn)

4 и8 2

Составитель В. Марченко редактор Н. Лаз аренко Техред Л, Олийнык. Корректор С„ lilexMap

Ю

Заказ 488 Тираж 499 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101