Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов

Изобретение относится к области тепловых испытаний дисперсных и пастообразных материалов. Задачей изобретения является определение трех переменных эффективных теплофизических характеристик дисперсных и пастообразных материалов, снижение трудоемкости и материалоемкости, повышение точности результатов и расширение диапазона динамического параметра, характеризующего величину интервала изменения температуры исследуемого вещества. В способе измеряют наружный и внутренний диаметр эталона, выполненного в виде полого цилиндра с известной теплопроводностью и теплоемкостью, помещают в него исследуемый дисперсный или пастообразный материал, подводят теплоту к эталону и исследуемому образцу путем их размещения в предварительно прогретом воздушном термостате, регистрируют температуру в центре исследуемого образца, на поверхности эталона и на границе их теплового контакта, после чего определяют теплофизические характеристики при переменной температуре на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к области тепловых испытаний дисперсных и пастообразных материалов, а именно к области исследования теплофизических характеристик этих материалов.

Уровень техники

Известен способ определения теплопроводности материалов [Авторское свидетельстве СССР 1741036, МКИ G 01 N 25/18, опубликованное в электронном ресурсе Патенты России. - М-.: ФГУ ФИПС, 2009.- 1], заключающийся в том, что в термостате размещают два исследуемых образца цилиндрической формы, плоский центральный нагреватель, находящийся между образцами, а также дифференциально включенную термопару, горячий спай которой расположен в одном из исследуемых образцов, а холодный - на границе этого образца с термостатом. При достижении стационарного состояния фиксируют сигнал дифференциальной термопары и мощность плоского нагревателя, сравнивают эти значения и рассчитывают теплопроводность исследуемого материала.

Недостатками аналога являются возможность определения только одного теплофизического свойства материала теплопроводности и большая длительность эксперимента, необходимого для достижения стационарного состояния.

Известен способ комплексного определения двух

теплофизических характеристик материалов температуропроводности и теплопроводности в стационарных условиях [Патент РФ №2178166, МПК G01N 25/18, опубликованный в электронном ресурсе Патенты России. - М.: ФГУ ФИПС, 2009. -1], заключающийся в том, что измеряют толщину исследуемого образца пластинчатой формы и приводят его в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом, выполненным в виде пакета из двух эталонных материалов аналогичной формы с различными теплофизическими свойствами и расположенным между ними плоским нагревательным элементом; затем непрерывно подводят теплоту, фиксируя мощность нагревателя, и регистрируют температуру в заданных сечениях каждого эталонного образца; на каждом шаге измерения температуры вычисляют первую и вторую производные температуры и во второй момент равенства второй производной нулю испытания прекращают, а искомые теплофизические характеристики определяют по выражениям, приведенным в формуле изобретения.

Недостатками способа являются: определение двух теплофизических характеристик материалов: температуропроводности и теплопроводности; использование двух эталонных образцов.

Известен способ комплексного определения трех теплофизических характеристик материалов: температуропроводности, теплопроводности, теплоемкости [Патент РФ №2243543, МПК G01N 25/18, опубликованный в электронном ресурсе Патенты России. - М.: ФГУ ФИПС, 2009. -1], который реализуется в два этапа. Способ, заключается в том, что на первом этапе термостатируют внешние плоские поверхности многослойной измерительной системы, подводят теплоту к образцам системы, регистрируя удельную мощность источника теплоты, измеряют с постоянным шагом во времени температуру в течение всего эксперимента, вычисляют величину динамического параметра и при превышении его диапазона (0,87÷95) начинают проведение второго этапа эксперимента, а именно отключают объемный источник теплоты и на каждом временном шаге вычисляют безразмерную температуру (θ) и число Фурье (Fo). Проведение второго этапа эксперимента заканчивают при безразмерной температуре менее значения (0,08÷0,1). По экспериментальным данным первого этапа рассчитывают теплопроводность исследуемого материала, а по данным второго этапа определяют коэффициенты температуропроводности и теплоемкости.

Недостатками способа являются: многостадийность и длительность эксперимента, осуществляемого последовательно в два этапа; ограниченность и неточность результатов, обусловленные использованием стационарного режима при определении коэффициента теплопроводности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, т.е. прототипом, является способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов (теплопроводности и температуропроводности) и устройство для его осуществления [Патент РФ №2027172, МПК G01N 25/18, опубликованный в электронном ресурсе Патенты России. - М.: ФГУ ФИПС, 2009. -1], заключающийся в том, что измеряют толщину исследуемого образца и приводят его в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом, термостатируют исследуемый и эталонный образцы при заданной начальной температуре; затем подводят непрерывно теплоту к плоскости сечения внутри эталонного образца, расположенной на заданном расстоянии и параллельно плоскости контакта, при этом температуры на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов поддерживают равными заданной начальной температуре термостатирования, регистрируют удельную мощность источника теплоты и измеряют с постоянным шагом во времени температуру эталонного образца в заданном сечении, на каждом шаге определяют величину динамического параметра, представляющего собой отношение температуры в заданном сечении эталонного образца на каждом шаге измерения, номер которого на постоянное целое число меньше номера последнего шага измерения, к температуре в этом же сечении эталонного образца на последнем шаге измерения, сравнивают величину динамического параметра с заданным максимальным значением, испытания заканчивают при превышении заданного максимального значения динамического параметра и определяют искомые теплофизические характеристики по формулам, приведенным в формуле изобретения.

Недостатками прототипа являются:

-ограниченность способа, обусловленная определением двух теплофизических характеристик материалов: температуропроводности и теплопроводности;

-трудоемкость, заключающаяся в необходимости обеспечения постоянства температуры на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов; предварительного определения двух постоянных коэффициентов b и с для эталона;

-узость результатов ввиду ограничения области изменения температур с помощью динамического параметра в пределах (0,2÷0,8), т.к. при этом не учитывается весь информативный диапазон графика изменения температуры исследуемого материала;

-снижение точности получаемых результатов ввиду измерения температуры не исследуемого вещества, а эталона, причем измерение проводится в плоскости подвода теплоты.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является определение трех переменных эффективных теплофизических характеристик дисперсных и пастообразных материалов, снижение трудоемкости и материалоемкости при техническом его осуществлении, повышение точности результатов и расширение диапазона динамического параметра, характеризующего величину интервала изменения температуры исследуемого вещества.

Поставленная задача достигается тем, что в способе комплексного определения теплофизических характеристик материалов, заключающемся в том, что измеряют толщину исследуемого образца и приводят его в тепловой контакт с эталонным образцом, термостатируют исследуемый и эталонный образцы при начальной заданной температуре, подводят теплоту к образцу, измеряют с постоянным шагом во времени температуру эталонного образца, определяют величину динамического параметра и искомые теплофизические характеристики по соответствующим формулам, согласно изобретению измеряют наружный и внутренний диаметры эталона, выполненного в виде полого цилиндра с известной теплопроводностью и теплоемкостью, помещают в него исследуемый дисперсный или пастообразный материал, подводят теплоту к эталону и исследуемому образцу путем их размещения в предварительно прогретом воздушном термостате, регистрируют температуру в центре исследуемого образца, на поверхности эталона и на границе их теплового контакта, при этом цроводят регистрацию во времени, после чего определяют теплофизические характеристики при переменной температуре на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов в следующем порядке:

-температуропроводность определяют путем минимизации отклонений экспериментальных и расчетных температур на временных интервалах, в пределах которых коэффициент температуропроводности принимают постоянным

где tэкс(0,τ) - экспериментальные значения температуры в центре вещества, °С;

- расчетные значения температуры в центре вещества, °С;

- t0 - начальная температура исследуемого и эталонного образцов,°С;

- r0 - радиус наружной поверхности исследуемого образца, м;

ℓ - символ, характеризующий экспоненциальную зависимость;

аи(τ) - значение коэффициента температуропроводности, м2/с;

J0и,r), J1и,r), J1((µэ,r) - функции Бесселя нулевого и первого порядка;

µи, µэ - собственные числа корней функций Бесселя для исследуемого вещества и эталона;

bп,k kп,k и bгр,k, kгp,k - экспериментальные коэффициенты аппроксимированных граничных условий для эталона и исследуемого вещества;

n - количество экспонент, необходимых для точного описания граничных условий;

- теплопроводность определяют по формуле:

где λэ - коэффициент теплопроводности эталонного образца, Вт/(м·К);

λи - коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/(м·К);

R - радиус наружной поверхности эталонного образца, м;

- теплоемкость определяют по формуле:

где ρм - плотность исследуемого образца, кг/м3;

С - его теплоемкость, Дж/(кг·К).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Конкретная реализация предложенного способа комплексного определения эффективных теплофизических характеристик проводилась для мицелия нистатина - полупродукта антибиотика, получаемого биосинтезом с дальнейшей термической обработкой. Мицелий, разлагающийся при температуре более 50°С, в зависимости от влажности, может находиться в состоянии дисперсного слоя (с пористостью 0,33; влагосодержанием 10,25%) и влажной пасты с влагосодержанием до 400%. Теплофизические характеристики мицелия неизвестны. Порядок их определения заключался в следующем.

Пример 1

Мицелий в состоянии дисперсного слоя загружают в эталон с известными коэффициентами теплопроводности и теплоемкости (винипласт), выполненный в виде полого цилиндра [Теплотехнический справочник: в 2 т. Т.2 / Под общей ред. В.Н.Юренева и П.Д.Лебедева.- 2-е изд., перераб. -М.: Энергия, 1975. - 896 с] стр.316, 317.

Эталон с исследуемым материалом выдерживают при начальной температуре, помещают в предварительно прогретый, термостатируемый шкаф и проводят их прогрев, регистрируя во времени значения термоэлектрических преобразователей в центре исследуемого вещества, на поверхности эталона и на границе их теплового контакта. Эксперимент заканчивают в момент выравнивания температуры материала в центре и на поверхности его теплового контакта с эталоном [Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. / B.C. Чиркин. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Машгиз, 1962. - 247 с] стр.146, 155. Графическое представление заявленного способа показано на фиг.1-2.

Основные параметры эталона, термоэлектрическиих преобразователей и прибора контроля температуры: рабочий объем эталона 3,95·10-5 м3; наружный 32·10-3 м и внутренний 15,5·10-3 м диаметры; термоэлектрические преобразователи ДТПL 011-0,5/1,5 с показателем тепловой инерции не более 3 с, диапазон измеряемых температур -50÷300°С, класс допуска 2; устройство измерения и контроля температуры восьмиканальное УКТ 38-Щ4.

На этом же этапе проводится точная аппроксимация экспериментальных температур на поверхности эталона и на границе его контакта с веществом суммой экспоненциальных зависимостей (4):

определяется величина динамического параметра (безразмерная температура) θ=(tc-tэкс(0,τ)/(tc-t0). Где tc - температура среды в термостатируемом шкафу, t0 - начальная температура образцов, °С.

Затем проводят определение температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости материала. Эффективный коэффициент температуропроводности определяют путем минимизации отклонений расчетных и экспериментальных температур в центре исследуемого материала последовательно на каждом временном интервале шириной две минуты, с шагом 1 минута, в пределах интервала коэффициент принимают постоянным

где tэкс(0,τ) - экспериментальные значения температуры в центре вещества °С;

- расчетные значения температуры в центре вещества °C;

аи(τ) - значение коэффициента температуропроводности, м2/с;

J0и,r), J1и,r), J1э,r) - функции Бесселя нулевого и первого порядка;

µи, µэ - собственные числа корней функций Бесселя для исследуемого вещества и эталона;

bп,k, kп,k и bгp,k, kгp,k - экспериментальные коэффициенты аппроксимированных граничных условий для эталона и исследуемого вещества;

n - количество экспонент, необходимых для точного описания граничных условий;

m - количество корней.

Среднюю интегральную температуру по сечению вещества на каждый момент времени определяют по выражению

а среднюю температуру материала в пределах интервала (τн÷τк) по уравнению (7):

где τн, τк - границы временного интервала;

r - радиус материала.

Определение эффективного коэффициента теплопроводности исследуемого вещества осуществляют из условия равенства удельных тепловых потоков на поверхности контакта эталон - исследуемый материал:

где λэ - коэффициент теплопроводности эталонного образца, Вт/(м·К);

λи - коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/(м·К).

Затем рассчитывают эффективную теплоемкость материала

где ρм - плотность материала, кг/м3;

С - его теплоемкость, Дж/(кг·К).

Пример 2

По примеру 1, отличается тем, что исследуемым материалом является паста мицелия нистатина с влагосодержанием 302,85%.

Пример 3

По примеру 1, отличается тем, что исследуемым материалом является паста мицелия нистатина с влагосодержанием 401,23%.

Результаты определения трех теплофизических характеристик исследуемых материалов в ходе их периодического нагревания представлены в таблице.

Из приведенной таблицы видно, что заявляемый способ по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

- позволяет определять значения эффективных коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости в зависимости от изменяющейся температуры материала;

- точен - максимальная относительная погрешность отклонений расчетных температур от опытных в течение первых 10 минут не превышает 6,2%, затем стабилизируется и не превышает 1,6%;

- более информативен - позволяет проводить обработку температурных кривых с определением теплофизических характеристик в более широком интервале динамического параметра: θ=(0,1÷0,9);

Кроме того, заявляемый способ более прост в осуществлении и менее трудоемок, т.к. позволяет проводить процесс в нестационарном режиме, в котором не требуется дополнительного оборудования для обеспечения постоянной температуры на внешней поверхности эталона.

1. Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что измеряют толщину исследуемого образца и приводят его в тепловой контакт с эталонным образцом, термостатируют исследуемый и эталонный образцы при начальной заданной температуре, подводят теплоту к образцу, измеряют с постоянным шагом во времени температуру эталонного образца, определяют величину динамического параметра и искомые теплофизические характеристики по соответствующим формулам, отличающийся тем, что измеряют наружный и внутренний диаметры эталона, выполненного в виде полого цилиндра с известной теплопроводностью и теплоемкостью, помещают в него исследуемый дисперсный или пастообразный материал, подводят теплоту к эталону и исследуемому образцу путем их размещения в предварительно прогретом воздушном термостате, регистрируют температуру в центре исследуемого образца, на поверхности эталона и на границе их теплового контакта, при этом проводят регистрацию во времени, после чего определяют теплофизические характеристики при переменной температуре на внешних поверхностях исследуемого и эталонного образцов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение теплофизических характеристик осуществляют в следующем порядке:
температуропроводность определяют путем минимизации отклонений экспериментальных и расчетных температур на временных интервалах, в пределах которых коэффициент температуропроводности принимают постоянным
,
где tэкс(0,τ) - экспериментальные значения температуры в центре вещества, °С;

- расчетные значения температуры в центре вещества, °С;
t0 - начальная температура исследуемого и эталонного образцов,°С;
r0 - радиус наружной поверхности исследуемого образца, м;
ℓ - символ, характеризующий экспоненциальную зависимость;
аи(τ) - значение коэффициента температуропроводности, м2/с;
J0и,r), J1и,r), J1((µэ,r) - функции Бесселя нулевого и первого порядка;
µи, µэ - собственные числа корней функций Бесселя для исследуемого вещества и эталона;
m - количество корней;
bп,k, kп,k, и bгр,k, kгp,k - экспериментальные коэффициенты аппроксимированных граничных условий для эталона и исследуемого вещества;
n - количество экспонент, необходимых для точного описания граничных условий;
теплопроводность определяют по формуле:
,
где λэ - коэффициент теплопроводности эталонного образца, Вт/(м·К);
λи - коэффициент теплопроводности исследуемого материала, Вт/(м·К);
R - радиус наружной поверхности эталонного образца, м;
теплоемкость определяют по формуле

где ρм - плотность исследуемого образца, кг/м3;
С - его теплоемкость, Дж/(кг·К).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения физических свойств веществ путем измерения электрической емкости, и может быть использовано для экспрессного определения теплофизических характеристик неметаллических материалов, например строительных.

Изобретение относится к теплофизическим исследованиям теплозащитного покрытия на материале и условий работы, влияющих на коэффициент теплопроводности, и может быть использовано для определенна коэффициента теплопроводности тонкостенного теплозащитного покрытия (ТЗП) на лопатках турбин газотурбинных двигателей для создания материалов, защищающих рабочие лопатки от перегрева, так как современные материалы рабочих лопаток исчерпали свои возможности по предельно допустимым температурам.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности теплоизоляции теплоизолированной лифтовой трубы (ТЛТ) в скважине, имеющейся в составе конструкций нефтяных, газовых, термальных и других скважин.

Изобретение относится к области термической обработки деталей из стали, в том числе деталей, имеющих сложную форму. .

Изобретение относится к измерению тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков (ПТП) в скважинах на суше или ниже морского дна. .

Изобретение относится к теплофизическим измерениям. .

Изобретение относится к области измерительной техники и найдет применение практически во всех процессах строительства, производства, эксплуатации и ремонта различных технических объектов, где необходимы диагностика, контроль качества, обеспечение работоспособности и безопасности эксплуатации непосредственно объектов и их отдельных узлов, блоков и деталей

Изобретение относится к нестационарным способам определения теплофизических свойств твердых тел

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано при неразрушающем контроле параметра тепловой активности горных пород

Изобретение относится к области измерения теплофизических свойств ограждающих конструкций строительных сооружений и может быть использовано для определения их количественных характеристик в условиях нестационарного теплообмена с окружающей средой

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при определении коэффициента излучения поверхности материалов

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано при определении сопротивления теплопередаче строительной конструкции

Изобретение относится к области исследования и анализа теплофизических свойств материалов и может быть использовано при определении коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий - u

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др

Изобретение относится к области тепловых испытаний дисперсных и пастообразных материалов

Наверх