Способ определения теплофизических характеристик материалов

 

Изобретение относится к области тепловых испытаний именно к области исследований , теплофизических характеристик материалов. Цель изобретения - повышение точности. При испытаниях используется пакет из плоских исследуемого и эталонного образцов. Торцовые поверхности образцов теплоизолируются, а внешние поддерживаются при постоянной температуре Внутри эталонного образца параллельно плоскости стыка образцов установлен плоский источник теплоты, генерирующий ее непрерывно по произвольному закону Регистрируется изменение температуры в этом образце на известном расстоянии от плоскости стыка образцов, Испытание прекращается по достижении заданной минимальной скорости изменения температуры. Вычисляются теплопроводность и температуроводность испытуемого материала. За счет минимальных ограничений на вид теплового воздействия и использования при вычислениях интегральных характеристик достигается повышение точности. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 6 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕН! IblM КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ (21) 4670170/25 (22) 30,03.89 (46) 07.11,91. Бюл. М 41 (71) Тамбовский институт химического ма, шиностроения и Научно-производственное оЬьедин ение "Ьиотехника" (72) CÂMèùåíêo, АМ,Карпов, ААЧуриков.

С.В,Пономарев и Е.Ф,Андреев (53) 536.06(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 293206, кл. G 01 N 25/18, 1971, Авторское свидетельство СССР

N. 1117512, кл. G 01 N 25/18, 1984. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к области теплоBblx испытаний,а именно к области исследований, теплофиэических характеристик материалов, Цель изобретения — повышеИзобретение относится к области тепловых испытаний, а именно к области исследований теплофизических характеристик материалов, Цель изобретения — повышение точности измерения теплофизических характеристик материалов.

На чертеже показана схема осуществления способа, Используют плоские исследуемый образец 1 и трехслойный эталонный образец 2.

Между ними и средним слоем эталонного образца 2 размещен плоский источник 3 теплоты. Плоскость источника 3 теплоты принимается за начало отсчета геометриче. Ж, 1689825 А1 ние точности. При испытаниях используется пакет из плоских исследуемого и эталонного обра-цов.Торцовые поверхности образцов теплоизолируются, а внешние поддерживаются при постоянной температуре. Внутри эталонного образца параллельно плоскости стыка образцов установлен плоский источник теплоты, генерирующий ее непрерывно по произвольному закону. Регистрируется изменение температуры в этом образце на известном расстоянии от плоскости стыка образцов.

Испытание прекращается по достижении заданной минимальной скорости изменения температуры. Вычисляются теплопроводность и тем пературоводность испытуемого материала, За счет минимальных ограничений на вид теплового воздействия и использования при вычислениях интегральных характеристик достигается повышение точности. 1 ил. ских размеров (Х=О). Между средним и верхним слоями эталонного образца в плоскости с координатой Х=!р расположен датчик

4 температуры. Исследуемый образец 1 приведен в тепловой контакт с эталонным образцом 2 по плоскости с координатой

Х=Ь. Внешние поверхности исследуемого образца 1(Х= + h) и эталонного образца

2(X= l ) приведены в тепловой контакт со стоками 5 теплоты с постоянной температурой. Система иэ исследуемого 1 и э алонного 2 образцов окружена термостатирующей стенкой 6, исключающей теплообмен с внешней средой.

Способ реализуют следующим образом, 1689825 с=а wa (3)

40 где А, i4 — теплопроводности исследуемого и эталонного образцов; а,а — температуропроводности исследуемого и эталонного образцов;

С вЂ” обьемная теплоемкость исследуемо- 45 го образца; h — толщина исследуемого образца.

Причем .

e (vl

Ц" (Г) chloe ) ) (4l M (I l. a (р tI(;>-T(pl/е(i(V, g,) (c" (P) th(g",)G,(р).cth(q q.t (с Д ч э (р) " (™ э я э) -т(Р) Са э (р) s h (Q ) (р) „ь(1 (8) к

Т(р) J екр(-РЙ)т(СИ+Т(. к) ехр(-I c

4 к

Q(I ) $ дахр(р")Ц("М "Q(i )ер(-Р",1/Р, (3) Перед началом эксперимента измеряют значение толщины h исследуемого образца

1. Затем исследуемый образец 1 приводят в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом 2. Образцы термостатируют при заданной начальной температуре. Затем непрерывно подводят теплоту к плоскости внутри эталонного образца, расположенной на известном расстоянии от плоскости контакта образцов. Температуры на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов поддерживают постоянными и равными заданной начальной температуре, термостатирования, В процессе непрерывного подвода теплоты к плоскости внутри эталонного образца измеряют и регистриру|от изменение во времени s значений удельной мощности источника теплоты

Q (r). Одновременно регистрируют изменение во времени значений температуры

Т(т) эталонного образца в плоскости с координатой х= (э, По измеренным значениям температуры T(r) в течение всего времени нагрева вычисляют скорость изменения температуры Я(г)= dT(т)/d г . Прекращают эксперимент при достижении заданной минимальной скорости изменения температуры Я(г) Я ьэ. Значения

Я выбирают исходя из заданной методической погрешности. Затем искомые теплофизические характеристики исследуемого образца 1 определяют из соотношений

Ph2 а (1) г

А = Ла ъ а7а - -@+р- - — -, (2) 10

30 ь4 рТа3 Ь; цв — — P/à, La а =(Р) =Ьб(49 )

Оз (P ) = Q/(i4 9з ); (9) (10) (12) (15) где k — постоянный коэффициент (КФ1).

Расчетные формулы (1) — (3) получены в результате решения краевой задачи расчета температурного поля в системе контактирующих исследуемого и эталонного образцов при действии непрерывного источника теплоты, помещенного на расстоянии Ь от плоскости контакта исследуемого и эталонного образцов, При этом к исходной системе уравнений применено интегральное преобразование Лапласа.. Расчетные зависимости для вычисления теплофизических характеристик (1) — (3) найдены в результате решения преобразованной по Лапласу краевой задачи теплопроводности и получены в области интегральных преобразований тем ературы и тепловых потоков.

Пример. Были измерены теплофизические свойства плоского образца из полиметилметакрилата. При подготовке к эксперименту микрометром была измерена толщина h =2,7510 м исследуемого образца 1. Затем исследуемый образец привели в где уэ = Ь/Ь и гпту =1 — rý-параметры; вычисляемые по экспериментальной информации И);

Ь вЂ” расстояние от источника тепла до поверхности контакта эталонного и исследуемого образцов; (* — расстояние от источника тепла до внешней поверхности эталонного образца, Ia — расстояние от источника тепла до плоскости измерения температуры внутри эталонного образца:

Т вЂ” температура эталонного образца, измеряемая в плоскости на расстоянии 13 от источника тепла;

Q — удельная тепловая мощность источника тепла; г- текущее время, й4 — время окончания эксперимента (момент достижения заданной Smin);

Р=1п(10 /Т{ rl4)/ И< — (14) параметр интегрирования;

g — безразмерный параметр, определяемый из уравнения

1689825

10

50 тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом 2, выполненным из эталонного материала — пол иметилметакрилата с теплофизическими свойствами; а = 1,1 10 м2/с, = 0,190 Вт/(м К). Эталонный образец имел следующие геометрические размеры: .э =

0,9710 м, Ь=4,710 м, I =0,1110 м.

После этого на внешние поверхности эталонного и исследуемого образцов поместили стоки 5 теплоты постоянной температуры, выполненные в виде проточных теплообменников. Эталонный 2 и исследуемый 1 образцы поместили в воздушный термастат; После стабилизации температуры образцов включили источник 3 теплоты, выполненный в виде плоского электронагревателя и расположенный внутри эталонного образца на расстоянии = 0,97 10 м от плоскости контакта с исследуемым образцом и параллельно этой плоскости. После включения источника 3 теплоты теплоту к нему подводили непрерывно вплоть до окончания эксперимента.

Момент включения источника 3 теплоты был принят за начало отсчета времени эксперимента т = О. Через равные промежутки времени h x= 1 регистрировали значения удельной мощности Q(x) источника 3 теплоты и значения температуры Т(x) эталонного материала датчиком 4 температуры.

Датчик 4 температуры, выполненный в виде плоского термопреоб разователя сопротивления, установлен в заданном сечении эталонного образца на расстоянии (Ь вЂ” 4) = 0,88 10 м от плоскости теплового контакта исследуемого и эталонного образцов, В процессе нагрева осуществляли вычисление скорости изменения температуры } т(д) — т т,—, )

dx Tl — x1 — 1 где ti, xi — 1 — моменты измерения значений температуры эталонного образца, отстоящие друг от друга на равные промежутки времени

hx=rj — xi — 1 =1с=1с, На каждом шаге измерения сравнивали текущее значение скорости $(x) изменения температуры с заданной минимальной скоростью $ ь=10 К/с. Эксперимент закончили в момент времени xk = 980 с. В этот момент фактическая скорость S(x) изменения температуры Т(x) датчика 4 температуры стала меньше заданной.

Затем искомые теплофизические характеристики исследуемого образца вычислили с использованием И В К "И С КРА — 1256" по формулам (1)-(15). При этом по экспериментальным данным рассчитывали в первую очередь значение параметра Р по формуле (14), а затем интегральные значения температуры T(P), T{k Р) и удельной мощности

Q(P), Р k Р) при значении коэффициента k =

12. После этого определяли численные величины параметров (4)-(6), (9) — (13). Затем из уравнения (15) нашли величину безразмерного параметра g, а по этому значению из формул (1)-(3) — численные значения теплофизических характеристик исследуемого образца.

Были получены следующие значения теплофизических характеристик исследуемого образца: теплопроводность

Х= 0,185 Вт/(м К) температуропроводность а =-- 1,05 10 м /c; обьемная теп2 лоемкссть c = 1,62 кДж/м . з

При поедлагаемом по сравнению со способом-прототипом достигается повышение точности за счет минимальных ограничений на подлежащие воспроизведению граничные условия и использования интегральных во времени значений температур и мощности, благодаря чему достигается минимизация случайных погрешностей этих величин.

Способ может быть использован для . контроля значений теплофизических характеристик плоских образцов твердых материалов в производственных и лабораторных условиях, Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что исследуемый образец приводят в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом и термостатируют образцы при заданной начальной температуре, затем подводят теплоту к плоскости внутри эта-. лонного образца, расположенной на известном расстоянии и параллельно плоскости контакта, и измеряют температуру эталонного образца в заданном сечении, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности, измеряют толщину исследуемого образца, температуры на внешних поверхностях эталонного и ис;следуемого образцов поддерживают постоянными и равными заданной начальной температуре термостатирования, теплоту подводят непрерывно и регистрируют значения удельной мощности источника теплоты во времени, испытания прекращают при достижении заданной минимальной скорости изменения температуры, а искомые характеристики определяют из соотношений

1689825 Г

y(1.(>, О(Р) G" (Р) th(э) т(Р)/ch(эфэ)

Чэ® fr õ(pl th(q ),G,(pl ah(4 th(fэ э)1 фэ(P) еЬ(эЯэ1-t(p) Сэ(Р) в" (Яэ), 1 (Р)- ch(73q3) и ьх

T(p) „ I exp(-pe) (й)d + T(2Ä) ехр(Р2q)/Р а \ к

О(Р). вр(рc) gyi)d0+Q(iq) ехр(-Р кЫР о

g, Гр7а, Lsi g P/à 4

Ф . 6,=(<)- /(.g.); о.(>) =>/(

9, =ь/L3Mms = 1 Ч где Р— параметр интегрирования, g — безразмерный параметр, определяемый из уравнения

Ч " Ч

k — постоянный коэффициент (k >1), т) — момент окончания эксперимента;

t- время; а, a>.— температуропроводность исследуемого и эталонного образцов; б А, Я, — теплопроводность исследуемого и эталонного образцов;

С вЂ” объемная теплоемкость исследуемого образца;

10 h — толщина исследуемого образца;

Ls — - расстояние от источника теплоты до поверхности контакта эталонного и исследуемого образцов;

Ь* — расстояние от источника теплоты до

15 внешней поверхности эталонного образца;

la — расстояние от источника теплоты до плоскости измерения температуры внутри эталонного образца;

Т вЂ” температура эталонного образца, 20 измеряемая в плоскости на расстоянии 1 от источника теплоты;

0 — удельная тепловая мощность источника теплоты.