Способ определения теплофизических свойств твердых тел

 

Назначение: изобретение относится к области теплофизических испытаний и может быть использовано для определения теплопроводности и интегральный полусферической степени черноты анизотронных композиционных материалов при высоких температурах. Сущность способа заключается в том, что образец в форме прямоугольного параллелепипеда нагревают электрическим током, измеряют мощность, выделяемую в стационарном тепловом режиме на изотермическом в осевом направлении участке образца. Измеряют температуры на поверхности параллелепипеда в серединах двух взаимно перпендикулярных граней и на расстоянии от его ребра, равном радиусу площадки визирования оптического пирометра, и по измеренным параметрам рассчиитывают теплофизические характеристики. 1 ил., 1 табл.

Способ определения теплофизических свойств твердых тел относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности и интегральной полусферической степени черноты анизотропных композиционных материалов при высоких температурах. Наиболее близким к изобретению является способ одновременного измерения теплопроводностей анизотропных композиционных материалов в направлениях, параллельных главным осям анизотропии при высоких температурах. Экспериментальными данными для определения теплопроводностей являются: тепловая мощность, выделяемая на изотермическом в осевом направлении участке образца, длина этого участка, полутолщины образца в двух направлениях, температуры в центре сечения образца и в точках, удаленных от центра на определенные расстояния. Интегральная полусферическая степень черноты материала с помощью данного способа не определяется. Существующий способ имеет достаточно большую относительную погрешность (до 25% ) из-за одномерного приближения двумерного уравнения теплопроводности, а так же из-за искажения температурного поля в образце пирометрическими отверстиями. Отказаться же от пирометрических отверстий при данном способе невозможно. Снизить относительную погрешность способа можно, применив экран, тогда теряется возможность одновременного определения теплопроводностей в двух направлениях, параллельных главным осям анизотропии. Это происходит потому, что экраны применяются для создания одномерного теплового потока вдоль одной из осей анизотропии. Кроме того, существующий способ не позволяет определять в том же эксперименте интегральную полусферическую степень черноты. Для количественной оценки методической погрешности определения теплопроводности по способу-прототипу, возникающей из-за приближенного решения двумерного стационарного уравнения теплопроводности с внутренними источниками тепла, проводились численные расчеты. По заданным теплопроводностям λ_ох, λ_oy рассчитывалось истинное температурное поле в сечении образца 12 х 12 мм² (решалось двумерное стационарное уравнение теплопроводности методом конечных элементов). Затем из данного температурного поля в соответствии с координатами, указанными в прототипе, выбирались три характерные температуры и по ним рассчитывались по формуле прототипа теплопроводности λ_х и λ _y. По результатам проведенных расчетов выяснилось, что различие между λ_ох и λ_х, λ_oy и λ_y растет с увеличением степени анизотропии теплопроводностей. При λ_ох λ_oy истинные теплопроводности λ_ох, λ_oy отличаются от рассчитанных по формуле прототипа на 3% при λ_ох/ λ_oy 2 на 10% при λ_ох/ λ _oy 3 на 15% Целью изобретения является повышение информативности эксперимента за счет измерения интегральной полусферической степени черноты и уменьшение погрешности определения теплопроводностей. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения теплопроводностей, состоящему в том, что образец в форме прямоугольного параллелепипеда нагревают, пропусканием через него электрического тока, измеряют мощность, выделяемую в стационарном тепловом режиме на изотермическом в осевом направлении участке образца и температуры в ряде точек образца на этом участке, по которым судят об искомых теплопроводностях в направлениях двух главных осей анизотропии, температуры измеряют на поверхности параллелепипеда в серединах двух взаимно перпендикулярных граней и на расстоянии от его ребра, равном радиусу площадки визирования оптического пирометра, а теплопроводности λ_х, λ _y и интегральную полусферическую степень черноты ε определяют при совместном решении по алгоритму обратной задачи двумерного уравнения теплопроводности для ортотропного тела с внутренними источниками тепла и уравнения теплового баланса: + + q_v= 0 ql 2(T⁴(x_o,y)-Tdx +T⁴(x,y_o)-T⁴_ст)dy граничные условия: x=0; y∈[-y_o;y_o] 0 x∈[-x_o,x_o] y o 0 x x_o; y '∈ [o, y_o] λ _x ∂ T(x₀y)/ ∂ x ε σ/T⁴(x₀, y) T_ст⁴); x ∈ [0, x₀] y y₀; λ _y^. ∂ T(x, y₀) ∂ y ε σ(T⁴(x, y₀) T_ст⁴; где x, y координаты, м;
λ_х, λ _y теплопроводности вдоль главных осей анизотропии, Вт/м К;
Т(х,y) температура в точке с координатами (х, y), К;
q_v объемное тепловыделение в образце, Вт/м³;
L расстояние между потенциальными отводами, м;
ε интегральная полусферическая степень черноты;
σ постоянная Стефана Больцмана, σ= 5,57 ^. 10^-8 Вт/м^{2 .} К⁴;
х_о, y_о полутолщины образца в двух направлениях, м;
Т_ст температура водоохлаждаемой стенки вакуумной камеры, К. На чертеже изображено расположение точек измерения температуры по сечению образца, где r_В радиус площадки визирования оптического пирометра. Для обеспечения теплоотвода с поверхности образца только излучением эксперимент выполняется в вакууме. Благодаря специальной конструкции токоотводящих держателей образца и интенсивному излучению с его поверхности, в центральной части параллелепипеда образуется изотермическая в осевом направлении рабочая зона. При высоте образца 100 мм размер изотермической зоны 35-40 мм. При увеличении высоты образца растет и изотермическая по его высоте зона. В пределах данной изотермической зоны все тепло, выделяемое внутри образца, отводится только через боковую поверхность. В результате этого в сечении образца возникает температурное поле, описываемое двумерным уравнением теплопроводности с внутренними источниками тепла, а в каждой точке поверхности образца выполняется условие баланса тепла, подводимого к ней теплопроводностью и отводимого излучением. Необходимыми и достаточными данными для определения теплопроводностей в направлениях главных осей анизотропии и интегральной полусферической степени черноты являются, измеренные в стационарном режиме, три температуры и джоулево тепловыделение на рабочем участке. Для определения количества тепла, выделяющегося на рабочем участке образца, измеряют действующие значения силы тока через образец и падение напряжений между потенциальными отводами. Температуры на поверхности образца измеряются оптическим пирометром истинных температур. Если главные оси анизотропии материала перпендикулярны граням образца в форме параллелепипеда, то максимальная температура на его поверхности будет в центре одной из граней, а минимальная на ребре параллелепипеда. Исходя из этого, для того чтобы обеспечить наименьшую относительную погрешность определения теплофизических свойств, для измерения температуры и были выбраны середины двух взаимно перпендикулярных граней и наиболее близкая к ребру параллелепипеда точка. Современные пирометры позволяют приблизиться к ребру параллелепипеда на расстоянии десятых долей миллиметра. Например, у пирометра СМП-1, используемого при производственном опробывании способа, радиус площадки визирования равен 0,25 мм, следовательно, на таком расстоянии от ребра измерялась температура в проведенных экспериментах. Измеренная таким образом температура относится к центру площадки визирования, т. к. распределение температуры на расстоянии 0,5 мм (диаметр площадки) практически линейно, что подтверждается численными расчетами. В предлагаемом способе измерение температур осуществляется только на поверхности: в серединах двух взаимно перпендикулярных граней параллелепипеда и на расстоянии от его ребра, равном радиусу площадки визирования оптического пирометра, что приводит к снижению погрешности искомых теплофизических свойств материала благодаря отсутствию искажений температурного поля в образце, вызываемых (в случае прототипа) пирометрическими отверстиями. Кроме того, в отличие от прототипа, в котором двумерное уравнение теплопроводности решено в одномерном приближении с эмпирическими подобранными координатами измерения температур, в предлагаемом способе данное уравнение решается без каких либо допущений, что так же ведет к увеличению точности определения искомых свойств материалов. А совместное решение уравнения теплопроводности и уравнения теплового баланса дает возможность определить дополнительную теплофизическую характеристику материала интегральную полусферическую степень черноты. Производственное опробывание описываемого способа проводилось на анизотропных графитах ПРОГ 2400 и ВПП при температурах 1600-2800 К. Образцы для испытаний вырезались в форме прямоугольного параллелепипеда с сечением 12 х 12 мм и длиной 120 мм. Коэффициент анизотропии графита ВПП при комнатной температуре равен 2, графита ПРОГ 2400 равен 1,5. Непараллельность соответствующих боковых граней образцов не превышала 0,1 мм. Потенциальные отводы из углеродной нити закреплялись в центральной части образца на расстоянии друг от друга 40 мм. Определение теплопроводностей λ _х и λ _y по предлагаемому способу и по способу-прототипу проводилось на одних и тех же образцах для материала ВПП и только по предлагаемому способу для графита ПРОГ-2400. Силу тока в цепи образца определяли по падению напряжения на измерительном трансформаторе УТТБ-М. Падение напряжения на образце и измерительном трансформаторе определяли по вольтметру В7-16. Температуры измерялись оптическим пирометром СМП-1. Средние значения теплопроводностей в направлениях двух главных осей анизотропии и интегральной полусферической степени черноты, а так же их среднеквадратические отклонения, полученные по результатам экспериментов λ _х, λ _y[Bт/м К] представлены в таблице. Определенные по предлагаемому способу интегральные степени черноты для указанных материалов хорошо согласуются со справочными данными, приведенными для токарно обработанных поверхностей. Из таблицы видно, что минимальные среднеквадратические отклонения теплофизических свойств наблюдаются при измерении температур в серединах двух взаимно перпендикулярных граней и на расстоянии от ребра параллелепипеда, равном радиусу площадки визирования пирометра. Эти среднеквадратические отклонения существенно меньше, чем при измерениях по способу-прототипу.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, состоящий в том, что образец в форме прямоугольного параллелепипеда нагревают пропусканием через него электрического тока, измеряют мощность, выделяемую в стационарном тепловом режиме на изотермическом в осевом направлении участке образца и температуры в ряде точек образца на этом участке, по которым судят об искомых теплопроводностях в направлении двух главных осей анизотропии, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности эксперимента за счет измерения интегральной полусферической степени черноты и уменьшения погрешности определения теплопроводностей, температуры измеряют на поверхности параллелепипеда в серединах двух взаимно перпендикулярных граней и на расстоянии от его ребра равном радиусу визирования оптического пирометра, а теплопроводности λ_x, λ_y и интегральную полусферическую степень черноты ε определяют при совместном решении по алгоритму обратной задачи двумерного уравнения теплопроводности для ортотропного тела с внутренними источниками тепла и уравнения теплового баланса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.07.2005

Извещение опубликовано: 10.06.2006        БИ: 16/2006

---