Способ определения температуропроводности материалов

 

Изобретение относится к области измерения теплофизических характеристик материалов. Способ определения температуропроводности материалов состоит в том, что массив образца материала разбивается на зоны измерения теплового импульса, которым воздействуют вглубь массива от линейного источника тепла, в качестве которого применен конденсатор тепловой трубы, и регистрируют температуру на линии действия тепла, и на определенном расстоянии от источника в фиксированный момент времени. Значение температуропроводности определяется по предложенной формуле. Технический результат - повышение точности. 4 ил.

Изобретение относится к области измерения теплофизических характеристик материалов, в частности к устройствам для непрерывного измерения и контроля коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости материалов, может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов методом мгновенного источника тепла [1], заключающийся в локальном или тотальном нагреве поверхности испытываемого полуограниченного массива материала тепловым импульсом, регистрации интервала времени, соответствующего экстремуму температурной кривой после воздействия тепловым импульсом на материал, в какой-либо точке, испытываемого материала, удаленной от места произведения нагрева.

К недостатку способа следует отнести то, что он не обеспечивает точность определения коэффициента температуропроводности материала, вследствие определения экстремумов температурной характеристики со значительными погрешностями, обусловленными пониженной точностью работы электронных дифференцирующих устройств.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ определения теплофизических характеристик материалов [2] . Способ осуществляют воздействием теплового импульса линейного источника тепла на поверхность исследуемого материала с регистрацией температуры в двух точках поверхности в фиксированный момент времени, соответствующий равенству избыточной температуры в точке на заданном расстоянии от линии нагрева и разности избыточных температур на линии нагрева и на заданном расстоянии от линии, с последующим вычислением искомых характеристик по предложенным формулам.

Недостаток указанного способа заключается в том, что он не обеспечивает высокую точность определения коэффициента температуропроводности материалов, вследствие того, что не учитываются эффекты переотражения температурной волны в полуограниченном массиве и рассматривается рассеяние теплоты равномерно во всех направлениях от источника теплоты, игнорируя пористость и дефекты структуры исследуемого материала.

Общим недостатком известных способов является то, что тепловое воздействие производится на поверхность образца, тем самым не учитывается структура материала.

Следовательно, цель изобретения состоит в уточнении коэффициентов температуропроводности с учетом структуры материала.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что источник тепла, выполненный в виде тепловой трубы, помещается вглубь исследуемого массива образца, температурное поле которого характеризуется тремя зонами. В зонах датчики температуры размещают на определенном расстоянии, зависящем от расстояния точки измерения температуры в первой зоне до оси тепловой трубы.

Общими для заявляемого способа и прототипа являются следующие признаки: - тепловое воздействие на материал образца линейным тепловым импульсом; - измерение температурного импульса на заранее определяемом расстоянии от источника; - последующая обработка результатов измерений.

Отличными от прототипа являются следующие признаки: - тепловое воздействие осуществляется вглубь образца материала; - источник тепла, выполненный в виде тепловой трубы; - температурное распределение в массиве образца характеризуется тремя зонами; - датчик температуры в первой зоне размещают на расстоянии ₁ от оси источника; - нахождение величины температуропроводности производится из соотношения координаты и температуры с использованием функции Ламберта.

Известно, что затухание температурной волны в массиве материала имеет экспоненциальную зависимость [3] и описывается уравнением теплопроводности в общем виде: ▿T=0.

В заявляемом способе рассматривается затухание температурной волны в зависимости от выбираемого n-мерного пространства. В итоге получены уравнения для одномерного, двухмерного и трехмерного распространения температурного импульса.

Для проверки способа использовалась следующая измерительная схема. На фиг. 1 показан пример осуществления способа; на фиг.2 - графики прогрева материала; на фиг. 3 - схема расположения датчиков; на фиг.4 - устройство цифрового программного управления для измерения температуры [4]. Сквозь теплоизолированную поверхность 3 вглубь полуограниченного массива образца 1 помещен в качестве источника тепла конденсатор тепловой трубы 2, поверхность которого представляет собой множество плоских точечных источников, равномерно распределенных по всей поверхности контакта с массивом образца, разбиваемого на три зоны (фиг.1). При этом первая зона определяется глубиной внедрения источника тепла, вторая - линией контакта теплоизолирующего слоя и массива материала, а третья - границей предельного линейного размера источника тепла.

Температурное распределение в массиве образца материала описывается зависимостями:
- в первой зоне распространение температурной волны происходит по координате х:

- во второй зоне - по линии контакта теплоизоляции и массива образца, (координаты х, у):

- в третьей зоне - над границей предельного линейного размера источника тепла (координаты х, у, z):

где χ - температуропроводность материала, которая является искомой величиной; τ - время прогрева грунта; Q - тепловой импульс источника; х₀, у₀, z₀ - координата источника; х, у, z - координата точки прогрева.

Измерение температуры осуществляется в заранее определенных точках, устройством цифрового программного управления для измерения теплофизических характеристик [4].

Размещение датчиков температуры в первой зоне симметрично слева и справа на расстоянии l₁ и не менее одного диаметра от оси источника в точке во второй зоне расположение датчиков определяется функциональной зависимостью от расстояния удаления в первой зоне:
l₂=k₂l₁. (5)
В третьей зоне датчики температуры располагаются строго от оси источника тепла на расстоянии удаления, определяемого функциональной зависимостью от расстояния в первой зоне:
l₃=k₃l₁. (6)
Коэффициенты функциональной зависимости расстояния удаления для размещения датчиков в зонах с одинаковым моментом времени можно определить из графиков (фиг. 2), т.е. используя соотношение температур относительно одномерного распространения теплоты:


искомая характеристика материала вычисляется по следующему соотношению:

где W - функция Ламберта, х - расстояние от оси источника тепла, τ - время измерения, Т - температура в точке измерения; Q - тепловой импульс источника.

Использование заявляемого способа определения температуропроводности материалов позволяет повысить точность определения искомых характеристик по сравнению с прототипом.

Источники информации
1. SU 1689825, 07.11.91.

2. SU 1712849, 15.02.92.

3. Ловцов В.В., Хомутецкий Ю.Н. Системы кондиционирования динамического микроклимата помещений. - Л.: Стройиздат, 1991, 186 с.

4. SU 1753383, 07.08.92.

Формула изобретения

Способ определения температуропроводности материалов, включающий импульсное воздействие линейным источником тепла в объем образца и регистрацию температуры в фиксированный момент времени с последующим вычислением искомых характеристик, отличающийся тем, что тепловое воздействие осуществляется путем внедрения источника тепла, выполненного в виде тепловой трубы, вглубь исследуемого массива образца материала, при этом температурное распределение в массиве образца характеризуется тремя зонами, первая зона определяется глубиной внедрения источника тепла, вторая зона - границей между теплоизолирующим слоем и слоем массива образца материала, третья зона - границей предельного линейного размера источника тепла, регистрируют температуру не менее чем в двух точках симметрично относительно подвода тепла в каждой зоне, при этом датчик температуры в первой зоне размещают на расстоянии l₁ от оси источника, где величина l₁ - не менее величины диаметра тепловой трубы, а положение датчиков во второй и третьей зоне, соответственно, определяется формулами

где коэффициенты k₂=Т₂/Т₁ и k₃=Т₃/Т₁ определяются из графиков прогрева материала соответственно в первой, второй и третьей зонах, а искомую характеристику материала вычисляют по формуле

где W - функция Ламберта; Q - тепловой импульс источника; х - расстояние точки измерения до оси источника тепла; τ - время измерения; Т - температура в точке измерения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4