SU1689825A1

SU1689825A1 - Способ определени теплофизических характеристик материалов

Info

Publication number: SU1689825A1
Application number: SU894670170A
Authority: SU
Inventors: Сергей Владимирович Мищенко; Анатолий Михайлович Карпов; Александр Алексеевич Чуриков; Сергей Васильевич Пономарев; Евгений Федорович Андреев
Original assignee: Тамбовский институт химического машиностроения; Научно-производственное объединение "Биотехника"
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1991-11-07

Abstract

Изобретение относитс к области тепловых испытаний именно к области исследований , теплофизических характеристик материалов. Цель изобретени - повышение точности. При испытани х используетс пакет из плоских исследуемого и эталонного образцов. Торцовые поверхности образцов теплоизолируютс , а внешние поддерживаютс при посто нной температуре Внутри эталонного образца параллельно плоскости стыка образцов установлен плоский источник теплоты, генерирующий ее непрерывно по произвольному закону Регистрируетс изменение температуры в этом образце на известном рассто нии от плоскости стыка образцов, Испытание прекращаетс по достижении заданной минимальной скорости изменени температуры. Вычисл ютс теплопроводность и температуроводность испытуемого материала. За счет минимальных ограничений на вид теплового воздействи и использовани при вычислени х интегральных характеристик достигаетс повышение точности. 1 ил.

Description

Изобретение относитс к области тепловых испытаний, а именно к области исследований теплофизических характеристик материалов.

Цель изобретени - повышение точности измерени теплофизических характеристик материалов.

На чертеже показана схема осуществлени способа.

Используют плоские исследуемый образец 1 и трехслойный эталонный образец 2. Между ними и средним слоем эталонного образца 2 размещен плоский источник 3 теплоты. Плоскость источника 3 теплоты принимаетс за начало отсчета геометрических размеров (). Между средним и верхним сло ми эталонного образца в плоскости с координатой расположен датчик А температуры. Исследуемый образец 1 приведен в тепловой контакт с эталонным образцом 2 по плоскости с координатой . Внешние поверхности исследуемого образца 1( h) и эталонного образца 2( U ) приведены в тепловой контакт со стоками 5 теплоты с посто нной температурой . Система из исследуемого 1 и эталонного 2 образцов окружена термостатирующей стенкой 6, исключающей теплообмен с внешней средой.

Способ реализуют следующим образом.

Оч 00 ЧЭ 00

К)

ел

Перед началом эксперимента измер ют значение толщины h исследуемого образца

1. Затем исследуемый образец 1 привод т в тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом 2. Образцы термостатируют при заданной начальной температуре. Затем непрерывно подвод т теплоту к плоскости внутри эталонного образца, расположенной на известном рассто нии от плоскости контакта образцов. Температуры на внеш- них поверхност х исследуемого и эталонного образцов поддерживают посто нными и равными заданной начальной температуре термостатировани . В процессе непрерывного подвода теплоты к плоскости внутри эталонного образца измер ют и регистрируют изменение во времени т значений удельной мощности источника теплоты О. ( г). Одновременно регистрируют изменение во времени значений температуры Т(г) эталонного образца в плоскости с координатой х э. По измеренным значени м температуры Т(г) в течение всего времени нагрева вычисл ют скорость изменени температуры S(r) dT( r)/dT . Пре- кращают эксперимент при достижении заданной минимальной скорости изменени температуры S(r) Smin. Значени Smin выбирают исход из заданной методи- ческой погрешности. Затем искомые тепло- физические характеристики исследуемого образца 1 определ ют из соотношений

а - р h а - th ( дэ ) th (ji

чот

th(ga) th(fl)

(1) (2)

qJF)(3).

где А, Аэ - теплопроводности исследуемого и эталонного образцов;

а,аэ - температуропроводности исследуемого и эталонного образцов;

С - объемна теплоемкость исследуемо- го образца; h - толщина исследуемого образца . Причем

0)

а Гр)- - ММ11ЬЛМ /9 fc|(PHh((P)-ctb(.tb(h99)l

ЫР)-сЬ((р)-Сэ() ,с.

№

f(P)сЬ (Ыэ)

T(P}«jeKp(-Pft}T(fiWO + T(tkVexp(-P)/Pj (7)

1K

Q(P) j expfPC)Q(()exp(-pC1(VPi (3)

да

Ц;

Сэ(Р) Ц/(Аэдэ) 6э(Р) иГ/(Лед);

где rj3 1э/Ц и тэ 1 - J/э-параметры,- вычисл емые по экспериментальной информации (13);

Ц - рассто ние от источника тепла до поверхности контакта эталонного и исследуемого образцов;

Ц рассто ние от источника тепла до внешней поверхности эталонного образца,

1э - рассто ние от источника тепла до плоскости измерени температуры внутри эталонного образца;

Т - температура эталонного образца, измер ема в плоскости на рассто нии 1Э от источника тепла;

Q - удельна теплова мощность источника тепла;

т- текущее врем ;

rk - врем окончани эксперимента (момент достижени заданной Smin);

( rk)/ rk -(14)

параметр интегрировани ;

g - безразмерный параметр, определ емый из уравнени

th(q)оДР)

lh (q Vk ) q(P -к)

(15)

где k - посто нный коэффициент ().

Расчетные формулы (1) - (3) получены в результате решени краевой задачи расчета температурного пол в системе контактирующих исследуемого и эталонного образцов при действии непрерывного источника теплоты , помещенного на рассто нии Ц от плоскости контакта исследуемого и эталонного образцов, При этом к исходной системе уравнений применено интегральное преобразование Лапласа. Расчетные зависимости дл вычислени теплофизических характеристик (1)-(3) найдены в результате решени преобразованной по Лапласу краевой задачи теплопроводности и получены в области интегральных преобразований температуры и тепловых потоков. 1 Пример. Были измерены теплофизи- чёские свойства плоского образца из пол- иметилметакрилата. При подготовке к эксперименту микрометром была измерена толщина h 2,75 м исследуемого образца 1. Затем исследуемый образец привели в

тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом 2, выполненным из эталонного материала - полиметилметакрилата с тепло- физическими свойствами: аэ 1.1 м2/с, 0,190 Вт/(м К). Эталонный образец имел следующие геометрические размеры: Ц 0,97 м, LT 4,7 м, 1Э - 0,11 м. После этого на внешние поверхности эталонного и исследуемого образцов поместили стоки 5 теплоты посто нной температуры, выполненные в виде проточных теплообменников. Эталонный 2 и исследуемый 1 образцы поместили в воздушный термостат. После стабилизации температуры образцов включили источник 3 теплоты, выполненный в виде плоского электронагревател и расположенный внутри эталонного образца на рассто нии Ц 0,97 м от плоскости контакта с исследуемым образцом и параллельно этой плоскости. После включени источника 3 теплоты теплоту к нему подводили непрерывно вплоть до окончани эксперимента. Момент включени источника 3 теплоты был прин т за начало отсчета времени эксперимента . Через равные промежутки времени Лг 1 регистрировали значени удельной мощности Q( т) источника 3 теплоты и значени температуры Т{ г) эталонного материала датчиком 4 температуры. Датчик 4 температуры, выполненный в виде плоского термопреобразовател сопротивлени , установлен в заданном сечении эталонного образца на рассто нии (ЦНэ) 0,88 10 3 м от плоскости теплового контакта исследуемого и эталонного образцов, В процессе нагрева осуществл ли вычисление скорости изменени температуры

дГгЧ- dT(r) Т(Г,)-Т(Т,-1 )

ь(т) dr - Ti-n-i где Г|, Г| - 1 - моменты измерени значений температуры эталонного образца, отсто щие друг от друга на равные промежуткивремени

АГ Г| -п -1 1 с 1 с.

На каждом шаге измерени сравнивали текущее значение скорости S( т) изменени температуры с заданной минимальной скоростью ) К/с. Эксперимент закончили в момент времени Г| 980 с. В этот момент фактическа скорость S( г) изменени температуры Т( г) датчика 4 температуры стала меньше заданной.

Затем искомые теплофизические характеристики исследуемого образца вычислили с использованием ИВК ИСКРА-125б по формулам (1)-{15). При этом по экспериментальным данным рассчитывали в первую очередь значение параметра Р по формуле

0

(14), s затем интегральные значени температуры Т(Р), T(k P) и удельной мощности Q(P), PЈk Р) при значении коэффициента k 12. После этого определ пи численные величины параметров (4)-(6), (9Н13). Затем из уравнени (15) нашли величину безразмерного параметра д, а по этому значению из формул (1)-(3) - численные значени тепло- физических характеристик исследуемого образца,

Были получены следующие значени теплофизических характеристик исследуемого образца: теплопроводность ,185 Вт/(м К): температуропроводобъемна теп- з

5 ность а -- 1,05 10 м2/с; лоемкссть с 1,62 кДж/м

При предлагаемом по сравнению со способом-прототипом достигаетс повышение точности за счет минимальных ограни0 чений на подлежащие воспроизведению граничные услови и использовани интегральных во времени значений температур и мощности, благодар чему достигаетс минимизаци случайных погрешностей этих

5 величин.

Способ может быть использован дл контрол значений теплофизических характеристик плоских образцов твердых материалов в производственных и лабораторных

0 услови х

Claims

Формула изобретени Способ определени теплофизических характеристик материалов, заключающийс в том, что исследуемый образец привод т в

5 тепловой контакт по плоскости с эталонным образцом и термостатируют образцы при заданной начальной температуре, затем подвод т теплоту к плоскости внутри эталонного образца, расположенной на извест0 ном рассто нии и параллельно плоскости контакта, и измер ют температуру эталонного образца в заданном сечении, отличающийс тем, что, с целью повышени точности, измер ют толщину иссле5 дуемого образца, температуры на внешних поверхност х эталонного и исследуемого образцов поддерживают посто нными и равными заданной начальной температуре термостатировани , теплоту

0 подвод т непрерывно и регистрируют значени удельной мощности источника теплоты во времени, испытани прекращают при достижении заданной минимальной скорости изменени температуры, а искомые ха5 рактеристики определ ют из соотношений

Ph-.

«h(gi)-th(g)

q ( Р ) lh(g, ) th(g)

q(P)

Ь(Р)

ггл -Г ьт Л

(,,f J

Q(P)-q5(p)-thM-T(p)/ch( ,(rt-th(9)«Q,(Pl-6th,vth(,99 H,(Pl-ch(n,q,VT(P)-U(P)-sM49) ,

1((

Т(Р) fexpt-ttVrfftVtt + TtC,, ехр(-РвИ/Р

о

«к

Q{P)-j«xp(PC)(«i«)exp{-pCKVP;

о

g« Vp/a, U; g V P/a, L G,(P) U/(kga) ; G,(P) bV(A.g):

( Is/La и m 1 -

гда P

- Д

/T(rk)3

rk

интегрировани ,

g - безразмерный параметр, емый из уравнени

thfq) о(Р) th(qVk) q(P-k) k - посто нный коэффициент

tk - момент окончани эксперимента; f врем ;

а, аэ„- температуропроводность исследуемого и эталонного образцов; А, Ад - теплопроводность исследуемого

и эталонного образцов;

С - объемна теплоемкость исследуемого образца;

h - толщина исследуемого образца;

-э - рассто ние от источника теплоты до поверхности контакта эталонного и исследуемого образцов;

Ц - рассто ние от источника теплоты до внешней поверхности эталонного образца;

э - рассто ние от источника теплоты до плоскости измерени температуры внутри эталонного образца;

Т - температура эталонного образца, измер ема в плоскости на рассто нии э от источника теплоты;

Q - удельна теплова мощность источника теплоты.

1ч