Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области теплофизики. Определение теплофизических характеристик производится путем помещения исследуемого образца между теплоприемником с известными характеристиками и нагревателем, поверхность которого термостатируется. Зависимость разности температур в теплоприемнике и нагревателе от времени фиксируется измерительным комплексом. Определяются два временных интервала (τ₁, τ₂) и соответствующие для них значения разницы температур между нагревателем и теплоприемником (t_i, t₂). Устройство включает в себя термостатирующее устройство, медный ТЭН, термистор, медную пластину (рабочая поверхность нагревателя), хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи (термопары), измерительный комплекс, теплоприемник, винтовое приспособление и три направляющих стержня. Технический результат - интенсификация процесса определения теплофизических характеристик. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области теплофизики и предназначено для комплексного определения теплофизических характеристик твердых, жидких, сыпучих материалов методом двух температурно-временных интервалов, может быть использовано в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Известен способ [1] комплексного определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что исследуемый образец устанавливают на калориметр-ножку, помещают в вакуумированную полость проточного калориметра, совмещая верхний торец объекта с плоскостью входного отверстия, затем измеряют входящий в образец тепловой поток, выходящий из образца тепловой поток, распределение температур вдоль образца, термо-э.д.с. образца и общее электрическое сопротивление, после чего по известным соотношениям рассчитывают распределение тепловых потоков по образцу, коэффициент теплопроводности, коэффициент термо-э.д.с, коэффициент удельного электрического сопротивления и степень черноты боковой поверхности образца.

Устройство для осуществления указанного способа включает в себя калориметр-ножку, проточный калориметр, образец. Недостатком данного способа является необходимость использования проточного калориметра.

Известен способ [2] комплексного определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в том, что образец монотонно разогревается через одну из изотермических поверхностей при периодическом изменении теплового потока на другой поверхности с периодом, большим времени регуляризации температурного поля образца, включающем измерение теплового потока, температур в характерных сечениях образца, скорости изменения температуры и расчет характеристик по известным формулам, одновременно с монотонным нагревом перепад температур на образце последовательно устанавливают равным нулю и 5-50 К, а тепловой поток измеряют на изотермической поверхности, подвергаемой монотонному нагреву.

Устройство для осуществления указанного способа состоит из разъемной теплозащитной оболочки, металлического ядра, включающего нагревательный блок, контактирующий с основанием, на котором установлены тепломер, образец и пластинка, окруженные адиабатической оболочкой, две термопары в пластине и термопару в тепломере, в котором дополнительно установлен регулятор, а в пластине установлен нагреватель, термопары пластины и тепломера включены дифференциально и последовательно с задатчиком перепада температуры и регулятором, соединенным с нагревателем пластины.

Недостатком данного способа является возможность применения метода для определения теплофизических характеристик только твердых материалов.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении точности получаемых результатов, а также в проведении исследований на твердых, жидких и сыпучих образцах.

Технический результат достигается тем, что определение теплофизических характеристик производят путем помещения исследуемого образца между буферным слоем теплоприемника с известными характеристиками и медной пластиной - рабочей поверхностью нагревателя, поверхность которой термостатируется, фиксируют зависимость разности температур в теплоприемнике и нагревателе от времени посредством измерительного комплекса, измеряют температуру у основания теплоприемника, определяют два временных интервала (τ₁, τ₂) и соответствующие для них значения разницы температур между нагревателем и теплоприемником (t₁, t₂), при этом измерения проводят до тех пор, пока температура у основания теплоприемника не начнет повышаться, используя полученные данные и с учетом температуры нагревателя определяют значения температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости образца.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит медный терморегулируемый электрический нагреватель - ТЭН, установленный на медной пластине - рабочей поверхности нагревателя, которые помещены в металлический корпус, термостатирующее устройство, теплоприемник (тепломер), который представляет собой цилиндр, изготовленный из оргстекла и покрытый теплозащитной оболочкой, буферный слой теплоприемника, термопару в нагревателе, буферном слое теплоприемника, термопару у основания теплоприемника, термистор, управляющий работой нагревателя, металлический каркас, состоящий из трех направляющих стержней, на которых крепятся два металлических диска, один из которых служит основанием, винтовое приспособление, представляющее собой винтовую пару, состоящую из винта предназначенного для фиксации диска с теплоприемником (основание теплоприемника) и диска, который крепится при помощи винтов на направляющих стержнях металлического каркаса, исследуемый образец, измерительный стенд.

На Фиг.1 приведены кривые разности температур в теплоприемнике и нагревателе Δt, °С от времени τ, сек, где 1 - температура нагревателя, 2 - разница между температурой теплоприемника и нагревателя, 3 - температура у основания теплоприемника.

Зависимости для расчета определяемых в опыте характеристик, включающие систему уравнений для определения теплопроводности, температуропроводности и формулу для определения объемной теплоемкости имеют вид

где α_B-коэффициент температуропроводности теплоприемника;

b - постоянная теплоприемника;

α- коэффициент температуропроводности исследуемой среды;

λ- коэффициент теплопроводности исследуемой среды;

h- толщина слоя исследуемой среды;

h₀- толщина буферного слоя теплоприемника;

t₁ -разница между температурой теплоприемника и нагревателя в момент времени τ₁,

t₂ -разница между температурой теплоприемника и нагревателя в момент времени τ₂,

t_h - температура нагревателя.

где λ - коэффициент теплопроводности исследуемой среды;

α - коэффициент температуропроводности исследуемой среды.

Способ позволяет осуществлять комплексное определение теплофизических характеристик (коэффициент температуропроводности а, коэффициент теплопроводности А, объемную теплоемкость С) одного образца в одном опыте.

На фиг.2 изображен общий вид устройства для комплексного определения теплофизических характеристик.

Устройство содержит термостатирующее устройство 1, медный ТЭН 2, термистор 3, медную пластину (рабочая поверхность нагревателя) 4, хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи (термопары) 5, измерительный комплекс 6, исследуемый образец 7, буферный слой 8, основание теплоприемника 9, теплоприемник 10, винтовое приспособление 11, три направляющих стержня 12, основание 13, теплоизоляция теплоприемника 14, основание нагревателя 15, корпус нагревателя 16.

Устройство для определения теплофизических характеристик работает следующим образом.

Исследуемый образец 7 помещается между буферным слоем 8, выполненным из одинакового с теплоприемником материала, и медной пластиной 4. При помощи винтового приспособления 11 теплоприемник с исследуемым образцом поднимается вертикально вверх до соприкосновения с медной пластиной 4, после чего подается напряжение на медный ТЭН 2, который нагревает медную пластину (рабочая поверхность нагревателя) 4, и измеряются разности температур в нагревателе и теплоприемнике 10, а также температура у основания теплоприемника. Измерения производятся до тех пор, пока температура у основания теплоприемника не начнет повышаться.

Предлагаемый способ и устройство могут быть использованы при комплексном изучении теплофизических свойств твердых, жидких и сыпучих материалов, а также при создании промышленных теплофизических приборов.

Литература

1. A.c. SU 476493, 1975, G01N 25/18.

2. A.c. SU 949447, 1982, G01N 25/18.

1. Способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что образец монотонно разогревают через одну из изотермических поверхностей, измеряют температуру и рассчитывают искомые характеристики, отличающийся тем, что определение теплофизических характеристик производят путем помещения исследуемого образца между буферным слоем теплоприемника с известными характеристиками и медной пластиной - рабочей поверхностью нагревателя, поверхность которой термостатируется, фиксируют зависимость разности температур в теплоприемнике и нагревателе от времени посредством измерительного комплекса, измеряют температуру у основания теплоприемника, определяют два временных интервала (τ₁, τ₂) и соответствующие для них значения разницы температур между нагревателем и теплоприемником (t₁, t₂), при этом измерения проводят до тех пор, пока температура у основания теплоприемника не начнет повышаться, используя полученные данные, и с учетом температуры нагревателя определяют значения температуропроводности, теплопроводности и объемной теплоемкости образца.

2. Устройство для определения теплофизических характеристик материалов, включающее теплозащитную оболочку, образец, пластинку, в которой установлен нагреватель, отличающееся тем, что содержит медный терморегулируемый электрический нагреватель - ТЕН, установленный на медной пластине - рабочей поверхности нагревателя, которые помещены в металлический корпус, термостатирующее устройство, теплоприемник (тепломер), который представляет собой цилиндр, изготовленный из оргстекла и покрытый теплозащитной оболочкой, буферный слой теплоприемника, термопару в нагревателе, буферном слое теплоприемника, термопару у основания теплоприемника, и термистор, управляющий работой нагревателя.