Способ определения теплофизическиххарактеристик материалов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Реслублик и 832433

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, саид-ву (22) Заявлено 0 6.0 7 7 9 (21) 2 7 9 00 5 5 /18-2 5 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Опубликовано 23,05,81, Бюллетень Н9 19

Дата опубликования описания 25.05.81 (5!)М. Клз

G 01 N 25/18

Государственный комитет

СССР ио деяам изобретений и открытий (53) УДК 5 36 i 0 88 8 ) (72) Авторы изобретения

Г. М. Серых и Б. П. Колесников

1,1

Крас нодарск ий политехнический институт

tr;

Ф k

Мь,. " (4 ! I (71) Заявитель (54 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

МАТЕ РИ АЛО В

Изобретение относится к области испытании с применением тепловых средств, а именно к определению теплофиэических характеристик.

Известен способ определения коэффициента теплопроводнооти, состоящий в том, что подводят постоянный тепловои поток к поверхности образца и регистрируют градиент температур в образце после установления стационарного теплового режима (1 ).

Недостатком способа является невозможность комплексного измерения теплофиэических характеристик, Известен cíoñoá комплексного ис- 15 следования теплофиэических характеристик, состоящий в том, что импульсно воздействуют тепловым потоком на поверхность образца и регистрируют изменение температуры во времени в 20 некоторой точке внутри образца f2). .Недостатком этого способа является необходимость .нарушения целостности образца для установки измерителя температуры.

Наиболее близким к изобретению по техническои сущности является способ, Определения теплофиэических характеристик материалов на образце, полубесконечном в тепловом отношении, со- .ф стоящии в подводе постоянного теплового потока к поверхности образца, ограниченнои окружностью определенного диаметра,.и регистрации изменения температуры поверхности в зависимости от времени. Температура измеряется в точке, совпадакщей с центром окружности (3).

Недостатками способа являются ограниченная точность, обусловленная локальным изменением температуры по- верхности, что вносит погрешность, как вследствие искажения температуры в точке измерения так и вследствие макронеоднородности структуры образца (пористость, дефекты и т. д.), а также сложность реализации, обусловленная необходимостью специальных устройств, обеспечивающих полное поглощение образцом теплового потока подводимого к поверхности (организация адиабатической оболочки и т. и.).

Цель изобретения — повышение точ» ности и упрощение реализации.

Указанная цель достигается тем, что образец приводят в тепловой контакт с полубесконечным в тепловом отношении "эталонным"образцом с извест ными теплофизическими свойствами, подводят тепловои поток к поверхности

832433 (2ц ГЕ; из = —— б„+ f.2 +

{4) 1

Э 4 40

Э z2/х а : (Э 2

ЭГ = 2 ай + г

2 г с(л при 04r

Д .(Ч

50 при q-q +0

3tg(1 0 С ) 2q, ß д1. (г 0 ) д (г, 0, : ) 55 д r аг при г ) К;

to о 60 д „(г,о, ) д g(P 00, г ) — 0; дz аг

65 контакта, а температуру регистрируют как среднеинтегральное ее значение по поверхности контакта, ограниченнои окружностью.

На фиг. 1 изображена физическая модель исследуемой системы; на фиг. 2 - схема устройства для осуществления предлагаемого способа. ,Пля обоснования расчетных соотношений способа, следует рассмотреть два полуограниченных тела с различными теплофизическими характеристиками, имеющими идеальный контакт т. е., граничные условия IV рода (фиг. 1).

На часть контакта, имеющую форму круга радиуса R, центр которого совпадает с началом цилиндрических коор- 15 динат (О, О, О), подводится тепловой пОтОк пОстОяннОЙ мОщнОсти q 00п5t нормальныи к поверхности контакта, на остальнои части контакта он отсутствует. 20

В плоскости Z 0 теплообмен между телами пренебрежительно мал и теплОвые потоки q и q полностью направлены в каждое из тел от источника тепла, но зависят от координаты r.

Соотношение потоков q и q зависит от тепловой активностй тел и не зависит от времени.

В двумерном температурном поле (r, z, C ) в начальный момент 0 = О, температура выравнена по всему объему масс ивов и рав на

Тогда система дифференциальных уравнений теплопроводности в цилиндрических к сорди нат ах

2 а„(Э, 1 а „ а + + аа аС г Эг где аЛ, а — соответственно коэффициентй температуропроводности 1 и

2-го тел, решается в совокупности с краевыми условиями а„(.. .,- ) а

t<(r, z, 0) tg (r, z, о) сл(r,,.р) - t (г,c, ) с,1(г, о,ъ) - t2 (r, 0, Г) Решение этой задачи для интегральной температуры контакта зоны разогрева следующее1

0((.(К (М) „(Р)е.те(,КаГЪ) 62

-- К Ц J,(Лн1) д„(Л 1Е1 е (,07 0) >d 1), (3) ар где Ал — коэффициент теплопРоводности 1-ro тела;

К

F1 +82

А1

Е a„ 2 lа соответств енно теплов ая активность 1-го и 2-го тел.а„, а — соответственно коэффициен2 ты температуропроводности

1-го и 2-го тел;

1= —— — — относительная координата в плоскости Z = 0;.

О = — — число фурье для 2-го тела.

Прй малых значениях критерия F

2 о и F0 = К(F уравнение (3 ) прин има

/ ет вид гце .,"2 — время, при котором выполняются условия (и(ф — и 0 и F (и) — и О (5) 02 (практически F0 0, 1) .

Уравнение (4) описыв ает изменение температуры контакта двух полуорганических тел при действии в нем источника тепла постояннои мощности. Зная тепловую активность одного из полуограниченных тел, допустим 1-го Я, тепловои поток q и определяя в эксперименте С1 и А,, уравнение (4) позволяет расчитать тепловую активность

2-ro тела. где Еэ =,1 — тепловая активность

1-го тела, принятого за эталонное. (Индекс 1 относится к эталонному образыу, а индекс 2 — к исследуемому) .

Для момента времени +)) Cy, которому соответствует F { с2) и не выполняются условия уравнения {5), на ЭВМ можно вычислить значения частиц уравнения (3), находящегося н квадратных скобках (обозначим его Ю ) 832433 и затем затабулируем в следующем виде: ("о () °

Зная Г (Гд), рас считыв аются Я g по формуле определяют К =

8q +Еа и 6 по формуле (дг9 В—

Ч (7) используя таблицу,. находят соответству ющее значение К а = Ка а

2 .Е 9 ( (8)

20 коэффициент теплопроводности (9) Л.= 42 а ) объемиую теплоемкость

) а

С р Clg

25 (10) Следовательно, в ходе одного опыта по изменению интегральной температуры зоны разогрева контакта в зависимости от времени, можно комплексно определить теплофиэические характеристики материалов. для осуществления эксперимента необходимо реализовать физическую модель, заложенную в его теории: а) создать надежный контакт эталонного образца с поверхностью исследуемого материала; б) подвести . тепловой ток постоян- 40 нои мощности q к зоне разогрева части контакта в виде круга радиуса R; в ) произвести иэмерание изменяю- щейся во времени интегральной температуры зоны разогрева контакта в мо- 45 мент времени С, для которого выполняется условие (5),и в момент времени ®g причем С2 >т ;, r) по приращению температуры 4, t2> соответствующему моменту времени с 5Q рассчитать критерий Фурье эталонного гела для момента времени

F (С ) =

55 д) получить величину коэффициента л и s+fа ж) рассчитать по формуле (7) величину 6

Рассчитывают теплофизические ха- (5 рактеристики испытуемого материала: коэффициент температуропроводности з) по таблице В = f (F „, ((.2), К, ) определить к оэ ффицйе нт к =./ е) рассчитать последовательно по формулам (8) †(10) теплофизические характеристики исследуемого материала.

Устроиство для осуществления способа а содержит плоскии нагрев атель 1 малои теплоемкости, имеющий форму круга, тело-эталон. 2, выполненный в виде ограниченного цилиндра. В качестве эталонного материала применяют органическое стекло (В g = 0,196 Вт/м град. = 0,092 - 10 м /с) . На нижнем торце цилиндра соосно с ним прикреплены нагреватель 1 и изолированный от него плоский рабочии термометр 3 сопротивления, такого же радиуса, что и нагреватель, который замеряет температуру зоны разогрева контакта в ходе опыта. условие полуограниченности телаэталона 2 практически выполняется тогда, когда температура его поверхности, удаленной от нагрев ателя, з а время опыта изменяется не более, чем на 0,001 С, поэтому для контроля в теле-эталоне 2 заделан плоский контрольный термометр 4 сопротивления, по показаниям которого можно судить также и о выравнивании температуры по всему объему тела-эталона 2 и испытуемого материала 5 в предопытный период времени.

Плотное прижатие тела-эталона 2 к поверхности, испытуемого материала 5 осуществляется грузом-крыакой б. Все узлы помещены в корпус 7, на котором находится разъем 8.

Использование предлагаемого способа определения теплофизических характеристик материалов обеспечивает по сравнению с известньм следующие преимущества: а) расширение классов изделий, требующих определения теплофизических. характеристик неразрушающим способом за счет возмржности исследования пористых и крупнодисперсных .композиционных материалов; б) более точное определение теплофизических характеристик материалов вследствие замены измерения локальной температуры на интегральную температуру эа счет чего роль случайных факторов резко снижается; в ) упрощение реализации способа за счет устранения систем поддержания постоянства теплового потока, поглощаемого образцом.

В32433

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик материалов на образце, полубесконечном.в тепловом отношении, состояший в подводе по- 20 стоянного теплового потока к поверхнссти образца ограниченной. окружноетью определенного диаметра и регистрации изменения температуры rzoверхности в зависимости от времени, )5 о т л и ч а в шийся тем, что, с целью повышения точности и упрошения реализации, образец приводят в тепловой контакт по плоскости с полубесконечным в тепловом отношении "эталонным" образцом с известными теплофизическими свойствами, подводят тепловой поток к поверхности контакта, а температуру регистрируют как среднеинтегральное ее значение по поверхности контакта, ограниченной окружностью.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 162688, кл. G 01 N 25/18, 1963.

2. Дмитров ич A. д. Определение теплофизических свойств строительных материалов. М., Госстройиздат, 1963, c. .99.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 458753, кл. G 01 М 25/18, 1972 (прототип), 832433

Фиг. Г

Тираж 907 Под пис ное

ВНИИПИ государственного комитета СССР по делам изобретений и открытии

113035, NocKBa, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3418/45

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4

Состав итель В. Вертоградский

Редактор О. Черниченко Техред M ° Рейвес КорректорВ. Синицкая