Способ измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов. Предложенный способ измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты заключается в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин, причем тонкую пластину размещают между двумя массивными. Между нижней массивной и тонкой пластинами размещают плоский электронагреватель, а термоэлектрический преобразователь располагают между верхней массивной и тонкой пластинами. Полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре, затем на электронагреватель подают электрический импульс, длительность которого находится в диапазоне 18≤τu≤24 сек. В течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры с постоянным шагом во времени, определяют максимальное значение температуры, рассчитывают значение температуры T′ и момент времени τ′. Затем определяют ориентировочные значения коэффициентов температуропроводности a op и теплопроводности λop исследуемого материала при заданном ориентировочном значении параметра γop=0,5, находят оптимальные значения параметра γопт, конструкционных размеров , и оптимальную длительность теплового импульса . Толщину средней пластины рассчитывают как , а затем путем проведения серии экспериментов осуществляют измерения и последующую обработку полученных данных и в результате получают значения искомых коэффициентов температуропроводности a и теплопроводности λ исследуемого материала. Технический результат - повышение точности измерений. 4 ил.

 

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов.

Известен способ определения комплекса теплофизических свойств твердых материалов [Патент РФ №2125258, кл. G01N 25/18, 1999], включающий воздействие тепловыми импульсами от линейного источника на плоскую поверхность исследуемого и эталонного образцов, измерение избыточных температур в моменты подачи тепловых импульсов в точках, расположенных на фиксированных расстояниях от линии нагрева на поверхности образцов. Измеренные температуры приближают с минимальной погрешностью к рассчитанным температурам, формируемых посредством программного управления параметрами теплофизических характеристик. По идентифицированным параметрам образцов и действительным значениям характеристик эталона определяют искомые характеристики.

Недостатками этого способа являются большая длительность и трудоемкость эксперимента, а также необходимость использования эталонного образца.

Известен способ измерения теплофизических свойств твердых материалов методом плоского мгновенного источника тепла [Пономарев С.В. Теоретические и практические основы теплофизических измерений: монография / под ред. С.В. Пономарева. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 408 с.], заключающийся в том, что из исследуемого материала изготавливают три пластины, причем одну тонкую толщиной x0 размещают между двумя массивными, толщина которых в десять-двадцать раз превышает x0. Между нижней массивной и тонкой пластинами размещают плоский электронагреватель, изготовленный из тонкой нихромовой (манганиновой) проволоки, а датчик температуры, изготовленный из медной проволоки, располагают на расстоянии x=x0 от нагревателя. Полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре T0 не менее двух часов. Активная часть эксперимента начинается в тот момент времени, когда на электронагреватель подается короткий электрический импульс. За время действия этого импульса в единице площади плоского нагревателя выделяется количество тепла Qn. В течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры в точке x=x0, определяют максимальное значение температуры Tmax. Активную стадию эксперимента завершают при τ>τmax, где τmax - момент времени, соответствующий достижению максимального значения температуры Tmax. По полученным данным (x0, Qn, Tmax, τmax) вычисляют искомые теплофизические свойства исследуемого материала.

Недостатком данного способа является то, что значение момента времени τ=τmax по экспериментальным данным определяется с высокой относительной погрешностью, зачастую достигающей величины (15…20)%.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения теплофизических свойств твердых материалов методом плоского мгновенного источника тепла [Патент РФ №2534429, кл. G01N 25/18, 2014], заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин, причем тонкую пластину толщиной x0 размещают между двумя массивными, толщина которых в десять-двадцать раз превышает x0. В плоскости x=0 между нижней массивной и тонкой пластинами размещают плоский электронагреватель, изготовленный из пермаллоевой фольги, а термоэлектрический преобразователь располагают в другой плоскости на расстоянии x=x0 от нагревателя между верхней массивной и тонкой пластинами. Полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре T0, затем на электронагреватель подают короткий электрический импульс. В течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры в точке x=x0 с постоянным шагом во времени, определяют максимальное значение температуры Tmax. После достижения максимального значения температуры Tmax активную стадию эксперимента заканчивают, когда разность температур (Ti-T0) становится меньше величины α(Tmax-T0). Затем рассчитывают значение температуры T′=β(Tmax-T0)+T0, соответствующее заданному значению параметра β, определяют четыре ближайших к T′ значения Tj-1<Tj, Tj≤T′, Tj+1>T′, Tj+2>Tj+1, вычисляют параметры b0, b1 зависимости T=b0+b1τ методом наименьших квадратов по четырем парам значений (τj-1, Tj-1), (τj, Tj), (τj+1, Tj+1), (τj+2, Tj+2), определяют момент времени τ′ как корень уравнения T′=b0+b1τ, а искомые теплофизические свойства рассчитывают по формулам:

;

;

λ=acρ,

где a - температуропроводность исследуемого материала; cρ - объемная теплоемкость исследуемого материала; λ - теплопроводность исследуемого материала; Qn - количество тепла, мгновенно выделившееся в единице площади плоского нагревателя в момент начала активной стадии эксперимента; z′ - больший корень уравнения ; значение параметра α выбирают из диапазона 0,95…0,98; значение параметра β выбирают из диапазона 0,3…0,6, причем оптимальным является значение βопт=0,498.

Недостатком данного способа является то, что в математической модели температурного поля внутренний источник теплоты задается в виде плоского мгновенного импульса, хотя в действительности теплота подводится к нагревателю в течение промежутка времени 0<τ<τu, где τu - длительность реального (не мгновенного) теплового импульса, подводимого к нагревателю. До настоящего времени не рассматривались вопросы о выборе оптимального значения длительности τu теплового импульса и рационального конструкционного размера x0 тонкой средней пластины образца исследуемого материала.

Техническая задача изобретения - повышение точности измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов за счет выбора оптимальных режимных параметров теплофизического эксперимента и рационального конструкционного размера измерительного устройства.

Техническая задача достигается тем, что в способе измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты, заключающемся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин, причем тонкую среднюю пластину толщиной x0 размещают между двумя массивными, толщина которых в десять-двадцать раз превышает x0, в плоскости x=0 между нижней массивной и тонкой средней пластинами размещают плоский электронагреватель, а термоэлектрический преобразователь располагают в другой плоскости на расстоянии x=x0 от нагревателя между верхней массивной и тонкой средней пластинами, полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре T0, затем на электронагреватель подают электрический импульс, в течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры в точке x=x0 с постоянным шагом во времени, определяют максимальное значение температуры Tmax, после достижения максимального значения температуры Tmax активную стадию эксперимента заканчивают, когда разность температур (Ti-T0) становится меньше величины α(Tmax-T0) при 0,95≤α≤0,98, рассчитывают значение температуры T′=γ(Tmax-T0)+T0, соответствующее заданному значению параметра γ, определяют четыре ближайших к T′ значения Tj-1<Tj, Tj≤T′, Tj+1>T′, Tj+2>Tj+1, вычисляют параметры b0, b1 зависимости T=b0+b1τ методом наименьших квадратов по четырем парам значений (τj-1, Tj-1), (τj, Tj), (τj+1, Tj+1), (τj+2, Tj+2), определяют момент времени τ′ как корень уравнения T′=b0+b1τ, согласно изобретению на электронагреватель подают тепловой импульс, длительность которого находится в диапазоне 18≤τu≤24 сек, определяют ориентировочные значения коэффициентов температуропроводности a op и теплопроводности λop исследуемого материала формулам:

;

,

где ,

qc - тепловой поток, подводимый к образцу через поверхность x=0 в течение промежутка времени 0<τ≤τu; U(τ′) - безразмерная функция, определяемая при заданном ориентировочном значении параметра γop=0,5 из уравнения

,

после чего из зависимости

находят и значение толщины , а из зависимости

определяют значение толщины и оптимальную длительность теплового импульса , толщину средней пластины рассчитывают как , а затем путем проведения серии экспериментов осуществляют измерения и последующую обработку полученных данных при найденных значениях xопт, γопт и и в результате получают значения искомых коэффициентов температуропроводности a и теплопроводности λ исследуемого материала по формулам

,

.

Физическая модель измерительного устройства представляет собой ячейку, в которую помещают образец, состоящий из трех пластин: нижней, средней и верхней. Наиболее высокие требования предъявляются к точности изготовления средней пластины заданной толщины x0=xопт, грани которой должны быть выполнены строго параллельно друг другу. Между нижней и средней пластинами размещают малоинерционный плоский нагреватель, а между средней и верхней пластинами устанавливают первичный измерительный преобразователь температуры, например термопару.

Математическая модель температурного поля T(x, τ) в плоском образце (в случае использования импульсного плоского источника теплоты) может быть записана в виде:

где - коэффициент температуропроводности; q(τ, τu) - импульсный плоский источник теплоты; qc - тепловой поток, подводимый к образцу через поверхность x=0 в течение промежутка времени 0<τ≤τu; h(τ), h(τ-τu) - единичные асимметричные ступенчатые функции, задаваемые соотношениями:

τu - длительность теплового импульса q(τ, τu).

Используемое в математической модели (1)-(4) соотношение (3) графически проиллюстрировано на фиг. 1.

На основе использования принципа суперпозиции решение краевой задачи (1)-(4) с учетом (5) принимает вид

где

- специальная функция, представляющая собой интеграл от функции ; - функция ошибок Гаусса.

Для времени τ≥τu решение (6) с учетом (7) принимает вид

где , - безразмерные функции, зависящие от x, τ, τu, a, причем .

График зависимости (8) также приведен на фиг. 1.

Из фиг. 1 видно, что рассчитанное по формуле (8) изменение разности температур [T(x, τ)-T0] в момент времени τ=τmax достигает максимальное значение [Tmax-T0]=[T(x, τmax)-T0], причем этому моменту времени τ=τmax соответствует определенное значение безразмерной функции .

Разработанная методика обработки экспериментальных данных основана на том, что в рассмотрение вводится безразмерный параметр

представляющий собой отношение текущего значения разности температур [T(x, τ)-T0], имеющий место в момент времени τ, к максимальному значению [Tmax-T0]=[T(x, τmax)-T0] разности температур в момент времени τ=τmax.

Из фиг. 1 видно, что каждой величине разности температур γ·[Tmax-T0]=[T(x, τ′)-T0], то есть каждому значению безразмерного параметра γ, соответствует конкретное значение момента времени τ′ и, следовательно, безразмерной функции .

При численном моделировании процесса измерения на компьютере сначала по формуле (8) вычисляли значение разностей температур T(x, τ)-T0, а затем методом перебора определяли максимальное значение этой разности температур Tmax-T0, которое аналитически записывается в виде

Поделив (8) на (10), получаем уравнение

,

которое легко может быть преобразовано к виду

где принято во внимание, что

.

Если в ходе проведения эксперимента определена величина [Tmax-T0], то (при заранее заданном значении безразмерного параметра γ) путем решения уравнения (11) находят значение безразмерной функции

.

Из последнего соотношения получаем формулу для вычисления искомого значения коэффициента температуропроводности

а с учетом соотношения (8) получаем формулу для вычисления теплопроводности

где .

После получения формул (12), (13) определим, при каких значениях безразмерного параметра γ будут иметь место минимальные погрешности измерения искомых значений a и λ коэффициентов температуропроводности и теплопроводности.

В соответствии с рекомендациями теории погрешностей, после логарифмирования зависимости (12) и последующего определения дифференциала от левой и правой частей, получаем:

Проведя принятую в теории погрешностей:

- замену дифференциалов da≈Δa, dx≈Δx, dτ′≈Δτ′, dU(τ′)≈ΔU(τ′) на абсолютные погрешности Δa, Δx, Δτ′, ΔU(τ′);

- принимая во внимание, что дифференциал константы d4=0;

- заменив знаки "-" знаками "+" в (14), получаем выражение для вычисления так называемой предельной оценки относительной погрешности измерения коэффициента температуропроводности или (δa)пр=2δx+δτ′+2δU(τ′), где , , , - относительные погрешности определения соответствующих физических величин a, x, τ′, U(τ′).

После перехода от предельной (δa)пр к среднеквадратичной оценке (δa)ск погрешности определения коэффициента температуропроводности получаем

Рассмотрим подробнее порядок определения погрешностей, входящих в последнее выражение (15). Принимая во внимание, что значение момента времени τ′ зависит от безразмерного параметра γ, то есть τ′=τ′(γ), получаем

Для определения абсолютной погрешности Δγ выполним (по аналогии с изложенным выше) преобразования формулы (9) и получим

или

где ΔT - абсолютная погрешность измерения разности температур; δ(Tmax-T0) - относительная погрешность измерения максимального значения разности температур (Tmax-T0); Δγ, (δγ)ск - абсолютная и среднеквадратичная относительная погрешности определения безразмерного параметра γ по экспериментально измеренным значениям разностей температур [T(x, τ′)-T0] и [Tmax-T0].

Входящая в (15) относительная погрешность δτ′ определения момента времени τ′ также связана с погрешностями измерения разностей температур [T(x, τ′)-T0]. Из соотношения получаем

где Δτ′, δτ′ - абсолютная и относительная погрешности определения момента времени τ′, соответствующего заданному значению безразмерного параметра γ.

Подставив (16), (17) в формулу (15), получаем соотношение

использованное в дальнейших расчетах с целью выявления оптимального значения безразмерного параметра γ (при измерении коэффициента температуропроводности a).

При выполнении работ (с целью получить соотношение для вычисления среднеквадратичной оценки относительной погрешности (δλ)ск измерения теплопроводности λ) с учетом того, что при каждом значении длительности τu теплового импульса значения: 1) момента времени τ′=τ′(γ); 2) безразмерной функции U(τ′(γ))=U′(γ) зависят от безразмерного параметра γ, формула (13) для вычисления теплопроводности λ была представлена в виде

где F(γ)≡Ф[U(τ′(γ)), U(τ′(γ)-τu)].

В результате преобразований, выполненных на основе теории погрешностей по аналогии с изложенными выше действиями с формулами (12)-(18), на основе формулы (19) была получена зависимость для вычисления среднеквадратичной оценки относительных погрешностей (δλ)ск измерения теплопроводности, имеющая вид:

В процессе расчетов стало очевидно, что относительные среднеквадратичные погрешности (δλ)ск измерения теплопроводности λ дополнительно зависят от длительности τu теплового импульса.

При осуществлении измерений желательно обеспечить выполнение требования о подведении к нагревателю такой величины мощности P, при которой достигаемая в момент времени τ=τmax в ходе каждого эксперимента максимальная разность температур [T(x, τmax)-T0]=[Tmax-T0] на расстоянии x0 от нагревателя остается примерно одинаковой и находится в определенных пределах, что необходимо по следующим причинам:

- если эта максимальная разность [Tmax-T0] мала, то относительные погрешности измерения значений разностей температур [T(x, τ)-T0] будут слишком большими, что может привести к росту относительных погрешностей (δa)ск, (δλ)ск измерения искомых теплофизических свойств (ТФС);

- если же эта максимальная разность [Tmax-T0] окажется слишком большой, то не будет выполнено предположение о том, что процессы переноса теплоты в образце описываются линейной математической моделью (1)-(4), что опять же приведет к возрастанию результирующих погрешностей (δa)ск, (δλ)ск измерения искомых. ТФС из-за нелинейностей, не учитываемых линейной краевой задачей (1)-(4).

Для выполнения этого требования (что [Tmax-T0]≈const) при каждом значении длительности τu теплового импульса плоский нагреватель должен обеспечивать создание теплового потока , при котором к единице поверхности внутри образца в каждом эксперименте подводится постоянное количество теплоты

Выше использованы обозначения: - тепловой поток, подводимый нагревателем мощности P и площадью S к нижней стороне средней пластины образца в течение промежутка времени 0≤τ≤τu.

Проведенные численные расчеты и экспериментальные исследования показали, что при исследовании образцов теплоизоляционных материалов с толщиной средней пластины 2.5≤x≤5 мм для получения разности температур [Tmax-T0]=3…7°C суммарное количество теплоты Qn следует поддерживать в пределах .

Рассмотрим подробнее вычисление составляющей погрешности δqc, входящей в формулу (20). Из изложенного выше следует

т.е. . При этом электрическую мощность P, подведенную к плоскому нагревателю, следует выбирать из соотношения

Для обеспечения требования, что [T(x, τmax)-T0]=[Tmax-T0]≈const, при Qn=const и S=const, величину электрической мощности, подведенную к нагревателю, следует выбирать по формуле (23).

Принимая во внимание, что наиболее точно измеряемой физической величиной в наши дни является время τ, будем считать, что длительность τu теплового импульса задается с высокой точностью, а относительная погрешность заданного промежутка времени 0<τ≤τu стремится к нулю, т.е. δτu≈0%. Тогда для вычисления относительной погрешности δqc, входящей в формулу (20), воспользуемся соотношением (22).

После логарифмирования (22), определения дифференциалов от левой и правой частей и выполнения других рекомендаций теории погрешностей получаем формулу

в которой величину P(τu) вычисляли по формуле (23).

После подстановки (24) в (20) получаем

При вычислениях по формуле (25) принимали ΔP=0,5 Вт, а погрешность измерения площади S нагревателя считали равной δS=0,5%.

С использованием полученных формул (18) и (25) были рассчитаны зависимости среднеквадратичных относительных погрешностей (δa)ск, (δλ)ск, при длительности теплового импульса τu=10 с. При этом в расчетах были использованы следующие исходные данные: P=55 Вт, , , ΔP=0,25 Вт; Δx=0,1 мм; ΔT=0,05 K, δS=0,5%.

На фиг. 2 показаны зависимости среднеквадратичных относительных погрешностей (δa)ск и (δλ)ск от безразмерного параметра γ при различных значениях расстояния x0 от места действия плоского импульсного источника теплоты до плоскости, в которой размещена термопара, измеряющая разность температур [T(x, τ′)-T0].

В процессе выполненных исследований выяснилось, что минимальные значения относительных погрешностей (δa)ск, (δλ)ск зависят не только от величины безразмерного параметра γ, но и от значения расстояния x0 от плоскости размещения нагревателя до плоскости установки термопары, измеряющей разность температур [T(x, τ′)-T0]. В связи с этим были построены линии равных уровней погрешностей на плоскости с координатами γ и x0 при нескольких значениях длительности теплового импульса τu, представленные на фиг. 3 (при τu=20 с) и фиг. 4 (при τu=5 с).

Представленные на фиг. 3 и фиг. 4 результаты вычислений показывают, что (при использованных в расчетах исходных данных) минимальные значения среднеквадратичных относительных погрешностей (δa)ск измерения коэффициента температуропроводности a достигаются при значениях безразмерного параметра в диапазоне 0,45<γ≤0,47 и при значениях основного конструкционного размера измерительного устройства в пределах 4,0 мм<x0≤4,5 мм.

В то же время минимальные значения среднеквадратичных относительных погрешностей (δλ)ск измерения теплопроводности λ имеют место при 0,95<γ≤1,0 и 2,8 мм<x0≤3,0 мм.

Таким образом:

1) для достижения минимальных значений погрешности (δa)ск при измерении коэффициента температуропроводности a следует использовать образец исследуемого материала с толщиной пластины 4,2 мм<x0≤4,5 мм;

2) для обеспечения минимальных значений погрешности (δλ)ск при измерении теплопроводности λ требуется использовать образец с толщиной средней пластины 2,8 мм<x0≤3,0 мм.

Если же необходимо одновременно осуществить измерение коэффициента температуропроводности a и теплопроводности λ в одном эксперименте, то толщину x0 средней пластины образца из исследуемого материала следует выбирать из диапазона 3,5 мм<x0≤3,8 мм, что обеспечивает относительные погрешности измерений порядка (δa)ск≈(6,0…7,1)% и (δλ)ск≈(5,2…6,4)%.

Для определения значений длительности τu теплового импульса, обеспечивающих достижение минимальных значений относительных погрешностей (δa)ск, (δλ)ск и среднеарифметических значений погрешностей измерения ТФС a и λ, были выполнены расчеты по формулам (18) и (25), в результате которых можно сделать вывод, что при увеличении длительности τu теплового импульса: 1) погрешность (δλ)ск монотонно возрастает; 2) погрешность (δa)ск убывает; 3) однако среднеарифметическое значение этих погрешностей принимает минимальные значения при 18<τu<24.

Таким образом, при измерении теплофизических свойств исследуемого теплоизоляционного материала следует поступить следующим образом:

- путем проведения предварительных измерений надо определить ориентировочные значения коэффициента температуропроводности a op и теплопроводности λop исследуемого материала;

- осуществить расчеты (при найденных значениях a op и λop) с целью определения (уточнения) оптимальных значений параметра γопт и конструкционных размеров и средней пластины, применяемой для измерения коэффициента температуропроводности a и теплопроводности λ;

- принять толщину средней пластины , и рассчитать значение длительности τu теплового импульса, обеспечивающего достижение δср=min;

- изготовить образец с одной средней пластиной толщиной ;

- путем проведения серии экспериментов (с изготовленным образцом) осуществить измерения и последующую обработку полученных данных (при найденных значениях γ=γопт и ) и в результате получить значения искомых коэффициента температуропроводности a и теплопроводности λ исследуемого материала.

Способ измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты, заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин, причем тонкую среднюю пластину толщиной x0 размещают между двумя массивными, толщина которых в десять-двадцать раз превышает х0, в плоскости x=0 между нижней массивной и тонкой средней пластинами размещают плоский электронагреватель, а термоэлектрический преобразователь располагают в другой плоскости на расстоянии x=х0 от нагревателя между верхней массивной и тонкой средней пластинами, полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре T0, затем на электронагреватель подают электрический импульс, в течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры в точке x=х0 с постоянным шагом во времени, определяют максимальное значение температуры Tmax, после достижения максимального значения температуры Tmax активную стадию эксперимента заканчивают, когда разность температур (Ti0) становится меньше величины α(Tmax-T0) при 0,95≤α≤0,98, рассчитывают значение температуры T′=γ(Tmax-T0)+T0, соответствующее заданному значению параметра γ, определяют четыре ближайших к T′ значения Tj-1<Tj, Tj≤T′, Tj+1>T′, Tj+2>Tj+1, вычисляют параметры b0, b1 зависимости T=b0+b1τ методом наименьших квадратов по четырем парам значений (τj-1, Tj-1), (τj, Tj), (τj+1, Tj+1), (τj+2, Tj+2), определяют момент времени τ′ как корень уравнения T′=b0+b1τ, отличающийся тем, что на электронагреватель подают тепловой импульс, длительность которого находится в диапазоне 18≤τu≤24 сек, определяют ориентировочные значения коэффициентов температуропроводности a ор и теплопроводности λор исследуемого материала по формулам:


где
qc - тепловой поток, подводимый к образцу через поверхность x=0 в течение промежутка времени 0<τ≤τu; U(τ′) - безразмерная функция, определяемая при заданном ориентировочном значении параметра γор=0,5 из уравнения
,
после чего из зависимости
находят и значение толщины , а из зависимости определяют значение толщины и оптимальную длительность теплового импульса , толщину средней пластины рассчитывают как , а затем путем проведения серии экспериментов осуществляют измерения и последующую обработку полученных данных при найденных значениях xопт, γопт и и в результате получают значения искомых коэффициентов температуропроводности а и теплопроводности λ исследуемого материала по формулам



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области строительной теплотехники и может быть использовано для измерения теплового потока, проходящего через конструкцию. Конструкция имеет толщину (D), по которой в поперечном направлении формируется разность (ΔT) температур.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для исследования подземных структур. Раскрыт способ оценивания распределений температур по геологической среде на основании трехмерной модели теплопроводности для геологического пласта.

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

Изобретение относится к тепловым испытаниям и может быть использовано при измерениях теплофизических свойств веществ. Предметом изобретения является способ определения теплопроводности материалов методом параллельного нагрева двух цилиндрических образцов одинаковых размеров при идентичных условиях теплообмена на поверхности, в котором один из образцов выполнен полностью из материала с известными свойствами, а другой - составной, одна часть его выполнена из материала первого образца, а другая - из исследуемого материала.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для измерения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения суммарного теплового сопротивления текстильных материалов. Предложен контрольно-измерительный прибор для определения теплотехнических параметров текстильных материалов, включающий тепловой аккумулятор, состоящий из геля в герметической упаковке, термопары с электроиндикатором и сам образец исследуемых материалов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при теплофизических исследованиях теплозащитных покрытий. Заявлена установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий, содержащая вакуумную камеру и источник нагрева образца с теплозащитным покрытием.

Изобретение относится к технологиям сушки и термовлажностной обработки пористых проницаемых материалов, в частности к способам определения коэффициентов тепло- и массопроводности пористых материалов.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для теплофизических исследований теплозащитных покрытий на днище поршня и наблюдения за распределением тепловых потоков в днище поршня по скорости повышения температуры его внутренней поверхности при нагреве с внешней стороны, и может быть использовано для исследования эффективности влияния теплозащитного покрытия на температуру поршня.

Изобретение относится к области измерения теплофизических характеристик физических сред и может быть использовано в морской биологии и химии для расчета температурных условий существования биологических объектов и течения химических реакций в верхнем слое донных осадков в условиях изменяющейся температуры водного слоя.

Изобретение относится к стационарным способам определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов. Разработанный способ может применяться в строительстве и промышленной теплоэнергетике для исследования в натурных условиях теплопроводных качеств сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий. Сущность способа заключается в замерах температуры внутренней и наружной поверхностей плоской наружной стены, а также плотности теплового потока, проходящего из отапливаемого помещения через исследуемую плоскую наружную стену в окружающую среду, перед нанесением слоя жидкой тепловой изоляции на одну из поверхностей плоской наружной стены. После нанесения слоя жидкой тепловой изоляции известной толщины на одну из поверхностей плоской наружной стены производят аналогичные замеры (с учетом слоя жидкой тепловой изоляции). По известным значениям температуры поверхностей плоской наружной стены и плотности теплового потока до и после нанесения слоя жидкой тепловой изоляции известной толщины вычисляют по специальной расчетной формуле коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции. Технический результат - повышение точности определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции в натурных условиях. 3 ил.

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности материалов. Согласно заявленному способу исследуемый образец известной толщины через источник теплоты с заданной плотностью теплового потока приводят в тепловой контакт с эталонным образцом, термостатируют при заданной температуре исследуемый и эталонный образец и измеряют температуру. Воздействуют тепловым потоком с заданной плотностью на первый эталонный образец длиной L, значение которой составляет не более расстояния между нагревателями, и расположенные ему параллельно и соосно соединенные между собой другой эталонный образец длиной l, изготовленный из того же материала, что первый эталонный образец длиной L, и исследуемый образец, сумма длин которых составляет L. Причем между параллельно установленными образцами расположена термопара, соединяющаяся с контактом другой эталонный образец длиной l и исследуемый образец, и бегунок, расположенный на первом эталонном образце длиной L, который плавно передвигают до достижения равных температур на контакте и бегунке. Измеряют расстояния от концов первого эталонного образца длиной L до места нахождения бегунка l1 и l2. Затем вычисляют термосопротивление исследуемого образца , а по полученному значению термосопротивления находят значение теплопроводности исследуемого образца. По полученному значению коэффициента теплопроводности судят о теплопроводящих свойствах исследуемого материала. Технический результат - повышение точности определения теплопроводности как объемных, так и плоских материалов. 6 табл., 1 ил.

Изобретение относится к стационарным способам определения коэффициента теплопроводности жидких теплоизоляционных материалов. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике для исследования теплопроводных качеств сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий на поверхностях плоских источников теплоты. Сущность способа заключается в локальном нанесении на поверхность плоского источника теплоты слоя жидкой тепловой изоляции известной толщины. По известным значениям температуры поверхности плоского источника теплоты, температуры поверхности теплоизолированного участка и температуры окружающей среды, а также по толщине слоя тепловой изоляции вычисляют по специальной расчетной формуле в зависимости от расположения в пространстве поверхности плоского источника теплоты коэффициент теплопроводности жидкой тепловой изоляции. Технический результат - повышение точности определения коэффициента теплопроводности жидкой тепловой изоляции на поверхности плоского источника теплоты. 5 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения пожароопасных свойств материалов и веществ. Предлагается установка по определению критического значения лучистого теплового потока. Установка включает плоскую радиационную панель, выполненную в виде рядов из металлических спиралей, намотанных на керамические трубки; рамку для образца и измерительную аппаратуру. При этом установка дополнительно содержит блок управления для регулирования теплового потока от радиационной панели, который регулирует тепловой поток в предложенной установке, с помощью термопары, установленной в керамических трубках. Кроме того, измерительная аппаратура представляет собой термопары, закрепленные на испытуемом образце. Технический результат - повышение точности измерений и уменьшение теплопотерь при проведении испытаний. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик анизотропных материалов. Заявлен способ измерения теплофизических свойств анизотропных материалов методом линейного импульсного источника теплоты, заключающийся в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде двух массивных пластин, между которыми размещают линейный электронагреватель и измеритель температуры. На подготовительной стадии эксперимента полученную систему выдерживают при заданной начальной температуре T0, с постоянным шагом во времени Δτ, измеряют разности температур и, начиная с n-го шага, контролируют величину показателя , n = const выбирают из диапазона 2≤n≤10. При выполнении критерия Ei≤0,01 на линейный электронагреватель подают тепловой импульс, длительность которого находится в диапазоне 18≤τu≤24 с. В течение активной стадии эксперимента с постоянным шагом во времени осуществляют измерение и регистрацию изменения во времени разности температур [T(r,τi)-T0]. По полученным данным находят максимальное значение этой разности. Затем определяют ориентировочные значения коэффициента температуропроводности aop и объемной теплоемкости cρop исследуемого материала, находят величины и , расстояния между линейным электронагревателем и измерителем температуры и , а также оптимальную длительность теплового импульса . Расстояние между измерителем температуры и линейным нагревателем рассчитывают как среднее значение , а затем, путем проведения серии экспериментов при заданной ориентации линейного электронагревателя и измерителя температуры относительно главных осей симметрии образца, осуществляют измерения и последующую обработку полученных данных при найденных значениях , , , . В результате получают зависимости значений искомых коэффициента температуропроводности а и объемной теплоемкости cρ исследуемого материала от ориентации линейного нагревателя и измерителя температуры относительно главных осей симметрии образца. Технический результат - повышение точности измерения теплофизических свойств анизотропных материалов. 3 ил.

Изобретение относится к области технической физики, в частности к тепловым методам исследования материалов. Способ определения удельной теплоемкости сыпучих материалов заключается в том, что герметизируют объем с образцом известной массы, образец приводят в тепловой контакт по плоскости с источниками тепла, подводят тепло к образцу, измеряют температуру источников тепла и их удельную мощность, вычисляют тепловые потоки через образец. На протяжении всего процесса измерения обеспечивают постоянство давления в герметичном объеме, занимаемом газовой фазой образца, за счет непрерывного изменения этого объема. Регистрируют изменение объема и изменение среднеобъемной температуры образца, после чего вычисляют удельную теплоемкость исследуемого материала. Технический результат - повышение точности измерения удельной теплоемкости образца сыпучего материала за счет учета в результатах измерения температурного расширения газовой фазы образца. 1 ил.

Изобретение относится к области исследования и анализа технологических сыпучих материалов, в т.ч. пищевых, характеризующихся насыпной плотностью. Способ предусматривает определение параметров теплофизических характеристик слоя сыпучего материала и основан на принципах импульсного теплового неразрушающего контроля материала. Для регистрации температурного поля поверхности слоя сыпучего материала после воздействия теплового импульса используют тепловизор. Для формирования образца слоя сыпучего технологического материала используют контейнер с несъемными боковыми стенками и съемными передней и задней стенками. В передней и задней стенках выполнены соосные отверстия для формирования фокального пятна. Отверстия затянуты полипропиленом. Для расчета коэффициента объемной теплоемкости используют избыточную температуру задней необлучаемой поверхности образца по отношению к ее начальной температуре. Технический результат - повышение точности и достоверности определения параметров теплофизических характеристик слоя сыпучего технологического материала. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к способам обогащения различных пород полезных ископаемых по их теплофизическим свойствам, и может быть использовано при сепарации минеральных частиц, в том числе алмазосодержащей породы, на различных этапах. По способу перед анализом фракцию частиц подвергают некоторому виду охлаждения и осуществляют регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений, осуществляют регистрацию распределений температуры в виде инфракрасных изображений посредством тепловизора. Отделение ценного материала проводят по теплофизическим характеристикам минералов, зафиксированным на инфракрасных изображениях. Технический результат - повышение эффективности сепарации за счет получения более четких термических изображений, способствующих разделению ценных и неценных компонентов руды, посредством охлаждения рудной массы. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций и может быть использовано в строительстве для оценки теплофизических свойств по результатам испытаний в натурных условиях. Способ определения внутри наружного стенового ограждения, выполненного из кирпича, зон, характеризующихся квазистационарными условиями теплопередачи при натурных экспериментальных исследованиях в зимний период, включает измерение температур внутренней и наружной поверхностей, а также по всей толщине конструкций путем размещения датчиков в толщине ограждения. При этом в течение суток при наличии градиента (t) наружного воздуха по показаниям датчиков моделируют процесс появления в толще ограждения зон с квазистационарными условиями теплопередачи с использованием направления вектора температурного градиента. Затем учитывают по изменениям температур на поверхности и в толщине ограждения характер колебаний тепловых потоков от наружного слоя ограждения во внутренние слои, определяя возникновение в толщине ограждения зон, обеспечивающих требуемые условия квазистационарной теплопередачи. Техническим результатом является расширение диапазона определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций. 8 ил.

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для определения темпов изменения температуры пород недр при извлечении или аккумулировании тепловой энергии. Предложена установка для определения темпов изменения температуры пород недр, которая содержит первый образец 1, включающий первую модель пород недр 2, выполненную в форме цилиндра радиусом R1 и покрытую теплоизоляцией 3. На внешней поверхности первой модели пород недр 2 расположен первый электрический нагреватель 4, а внутри соосно установлена первая трубка 5 радиусом r1. В среднем сечении первой модели пород недр 2 радиально установлены первая термопара 6, расположенная на ее внешней поверхности, вторая термопара 7, расположенная на поверхности первой трубки 5, а также третья 8, четвертая 9 и пятая 10 термопары, расположенные между первой 6 и второй 7 термопарами. На поверхности первой трубки 5 симметрично второй термопаре 7 расположена шестая термопара 11. Вход первой трубки 5 соединен подающим трубопроводом 12 с емкостью 13 для теплоносителя 14, покрытой тепловой изоляцией 15 и соединенной заполняющим трубопроводом 16, на котором установлен первый кран 17, с системой холодного водоснабжения. В емкости 13 расположены электрический нагреватель 18, нижний датчик уровня 19, верхний датчик уровня 20 и датчик температуры емкости 21. На подающем трубопроводе 12 последовательно по направлению движения теплоносителя 14 установлены насос 22, первый тройник 23, второй кран 24 и входной датчик температуры 25. Свободный отвод первого тройника 23 соединен байпасным трубопроводом 26, на котором установлен третий кран 27, с емкостью 13. Установка для определения темпов изменения температуры пород недр содержит по меньшей мере один дополнительный образец 28, выполненный идентично первому образцу 1 и содержащий вторую модель пород недр 29, выполненную в форме цилиндра радиусом R2 и покрытую теплоизоляцией 30. На внешней поверхности второй модели пород недр 29 расположен второй электрический нагреватель 31, а внутри соосно установлена вторая трубка 32 радиусом r2, причем вход второй трубки 32 соединен промежуточным трубопроводом 33, на котором установлен промежуточный датчик температуры 34, с выходом первой трубки 5. В среднем сечении второй модели пород недр 29 радиально установлены седьмая термопара 35, расположенная на ее внешней поверхности, восьмая термопара 36, расположенная на поверхности второй трубки 32, а также девятая 37, десятая 38 и одиннадцатая 39 термопары, расположенные между седьмой 35 и восьмой 36 термопарами. На поверхности второй трубки 32 симметрично восьмой термопаре 36 расположена двенадцатая термопара 40. Выход второй трубки 32 соединен с емкостью 13 обратным трубопроводом 41 с установленными на нем последовательно по направлению движения теплоносителя 14 выходным датчиком температуры 42, вторым тройником 43 и четвертым краном 44, причем к свободному отводу второго тройника 43 подсоединен трубопровод дренажа 45, на котором установлен пятый кран 46. При этом на обратном трубопроводе 41 между выходом второй трубки 32 и выходным датчиком температуры 42 последовательно по направлению движения теплоносителя 14 установлены третий тройник 47, шестой кран 48 и четвертый тройник 49. К свободному отводу третьего тройника 47 подсоединен соединительно-подающий трубопровод 50, на котором установлен седьмой кран 51, к свободному отводу четвертого тройника 49 подсоединен соединительно-обратный трубопровод 52, на котором установлен восьмой кран 53. Технический результат - расширение области применения известной установки за счет увеличения диапазона измерений температуры пород недр и повышение точности определения темпов изменения температуры в породах недр. 1 ил.

Изобретение относится к области исследования теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов. Предложенный способ измерения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов методом плоского импульсного источника теплоты заключается в том, что образец исследуемого материала изготавливают в виде трех пластин, причем тонкую пластину размещают между двумя массивными. Между нижней массивной и тонкой пластинами размещают плоский электронагреватель, а термоэлектрический преобразователь располагают между верхней массивной и тонкой пластинами. Полученную систему предварительно выдерживают при заданной начальной температуре, затем на электронагреватель подают электрический импульс, длительность которого находится в диапазоне 18≤τu≤24 сек. В течение активной стадии эксперимента осуществляют измерение и регистрацию температуры с постоянным шагом во времени, определяют максимальное значение температуры, рассчитывают значение температуры T′ и момент времени τ′. Затем определяют ориентировочные значения коэффициентов температуропроводности aop и теплопроводности λop исследуемого материала при заданном ориентировочном значении параметра γop0,5, находят оптимальные значения параметра γопт, конструкционных размеров, и оптимальную длительность теплового импульса. Толщину средней пластины рассчитывают как, а затем путем проведения серии экспериментов осуществляют измерения и последующую обработку полученных данных и в результате получают значения искомых коэффициентов температуропроводности a и теплопроводности λ исследуемого материала. Технический результат - повышение точности измерений. 4 ил.

Наверх