СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ТЕПЛОЗВУКОФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК G01N25/18 G01N3/54 

Изобретение относится к определению теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов и может найти широкое применение в теплоэнергетике, строительстве и других областях.

Известен способ измерения скорости звука в твердых материалах, состоящий в излучении звука в иммерсионную среду, приеме его после прохождения через иммерсионную среду и образец исследуемого материала и измерении времени распространения ультразвука, причем образец размещают на поверхности заземленного основания, а противоположную поверхность основания приводят в контакт с иммерсионной средой, так же на поверхности основания, на которой установлен образец, и на поверхности образца, противоположной основанию, размещают пьезоэлектрические приемники, измеряют время прохода звука на пьезоэлектрические приемники и с их учетом определяют скорость звука [Патент SU 1456792, - аналог].

Способ позволяет определять только скорость звука в твердых материалах при излучении и прохождении звука через иммерсионную среду и исследуемый образец и измерении времени распространения звука, ограничивая возможности способа для определения других физико-механических характеристик.

Известно устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в твердых материалах при квазистатических и циклических нагрузках [Патент RU 2652520, - аналог].

Данное устройство не позволяет определять теплофизические характеристики, что ограничивает его использование и невозможность применения для определения комплекса теплофизических характеристик: теплопроводности, объемной теплоемкости, температуропроводности.

Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов, с помощью которого определяют теплофизические характеристики: теплопроводность, объемную теплоемкость и температуропроводность. [Патент РФ №2530441, - аналог].

В известном способе для определения комплекса теплофизических характеристик учитывается только значение температуры холодильника без учета значения температуры поверхности образца со стороны холодильника, не позволяя определять дополнительные теплозвукофизические и механические характеристики.

Известен способ неразрушающего контроля комплекса теплофизических характеристик твердых строительных материалов состоящий в нагреве исследуемого образца, выполненного в виде пластины, расположенной между плоским нагревателем, находящимся сверху образца и охлаждении снизу плоским холодильником, определении температуры поверхности образца со стороны холодильника с помощью термопары, установленной на середине плоскости поверхности образца со стороны холодильника и подключенной к прибору ЭВМ для снятия и регистрации показаний и времени от начала нагрева исследуемого образца и до наступления стационарного теплового режима, посредством термопары, подключенной к прибору ЭВМ и установленной на середине плоскости образца со стороны нагревателя осуществлялось снятие показаний и регистрация температуры и времени от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима с занесением данных в прибор ЭВМ для определения теплофизических характеристик [Патент РФ №2788562 - прототип].

Недостатком способа является то, что он не позволяет определять акустические и механические характеристики твердых материалов: скорость распространения звука в материале и прочностные характеристики (модуль Юнга), что снижает технологические возможности известного способа.

Так же недостатком известного способа при определении комплекса теплофизических характеристик является то, что при расчете теплофизических характеристик учитывается значение стационарной плотности теплового потока со стороны холодильника без учета текущего значения плотности теплового потока со стороны нагревателя, что снижает точность определения теплофизических характеристик.

Технический результат - расширение технологических возможностей способа определения теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов.

Техническая задача - расширение технологических возможностей способа определения теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов, за счет определения дополнительных теплофизических характеристик, при одновременном повышении точности их определения.

Решение технической задачи

Способ определения комплекса теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов, состоящий в нагреве исследуемого образца, выполненного в виде пластины, подводом тепла к его поверхности, определении искомых теплофизических характеристик по соответствующим зависимостям, измерении во времени температуры исследуемого образца, размещенного между нагревателем и охлаждаемым снизу холодильником, со всех сторон исследуемый образец закрывают герметичными крышками для стабилизации температуры и теплового потока, выявляют температурную волну на поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя, в электронном блоке управления таймером устанавливают время исследования, с помощью пульта управления на кнопках устанавливают толщину образца, температуру нагревателя и температуру холодильника, значения которых в памяти блока управления поддерживаются до заданных величин, значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, характеризующие температурную волну на поверхности образца со стороны нагревателя, значения температуры поверхности образца со стороны холодильника, характеризующие температурную волну на поверхности образца со стороны холодильника, снятие и регистрацию температуры и времени испытания с заданным интервалом от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима заносят в прибор ЭВМ, в котором дополнительно определяют плотность теплового потока датчиком теплового потока, установленным на середину плоскости поверхности образца со стороны нагревателя и подключенным к прибору ЭВМ для снятия и регистрации изменения во времени показаний плотности теплового потока от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима, а снятие показаний температуры от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима, осуществляется посредством термопар, которые подключены непосредственно к прибору ЭВМ, для снятия показаний и расчета в ЭВМ доли проникновения температурной волны, по полученным значениям плотности теплового потока и доли проникновения температурной волны в приборе ЭВМ по известным математическим зависимостям рассчитывается комплекс теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов.

Сущность

Предлагаемый способ позволяет определять дополнительные теплозвукофизические и механические (модуль упругости Юнга) характеристики твердых материалов.

Сущность способа заключается в том, что для определения комплекса теплозвукофизических характеристик исследуемого образца, выполненного в виде пластины, расположенной между плоским нагревателем, находящимся сверху образца и плоским холодильником, расположенным снизу образца, определяют плотность теплового потока датчиком теплового потока, установленным на середину плоскости поверхности образца со стороны нагревателя и подключенным к прибору ЭВМ для снятия и регистрации изменения во времени показаний плотности теплового потока от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима, то есть когда температуры поверхности образца со стороны нагревателя и холодильника перестанут изменяться.

Помимо этого, посредством термопар, подключенных к прибору ЭВМ, одна из которых установлена на середине плоскости поверхности образца со стороны нагревателя, а другая на середине плоскости поверхности образца со стороны холодильника, осуществляют снятие изменения показаний температуры от начала нагрева образца и до момента времени наступления стационарного теплового режима с занесением данных в прибор ЭВМ для определения доли проникновения температурной волны в исследуемый образец.

Значение плотности теплового потока и доли проникновения температурной волны необходимы для определения комплекса теплозвукофизических характеристик твердых материалов при повышении точности их определения.

При проведении эксперимента использовался несимметричный нагрев пластины, то есть одновременно нагрев одной поверхности нагревателем и охлаждение другой поверхности холодильником. В начале эксперимента идет период, который называется начальным режимом. Затем наступает период, который называется упорядоченным тепловым режимом, который в течение времени переходит в стационарный тепловой режим. В результате нагрева поверхности пластины в ней возникает температурная волна, которая перемещается от поверхности нагрева по всей толщине и в зависимости от толщины пластины затухает с определенной долей проникновения.

Экспериментально подтверждено, что для твердого материала в виде пластины, которую подвергают несимметричному нагреву, при наступлении стационарного теплового режима доля проникновения температурной волны будет равна интервалу 0,243…0,250.

Способ поясняется графическим материалом.

На фиг. 1 приведено распределение плотности теплового потока и температур по толщине образца от времени исследования:

- кривая I - изменение плотности теплового потока со стороны нагревателя от времени испытания;

- кривая II - изменение температуры поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя от времени испытания

- кривая III - изменение температуры поверхности исследуемого образца со стороны холодильника от времени испытания;

- позиция IV - доля проникновения температурной волны равная значению 0,244.

На фиг. 2 схематично приведено устройство для осуществления способа с принятыми обозначениями.

При проведении исследования образца из текстолита размером 250×250×20 мм начальная температура образца составляет Т₀=22,02°С, плотность теплового потока равна 0,0 Вт/м². После включения установки, значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, характеризующие температурную волну на указанной поверхности, начинают изменяться и при достижении заданной температуры нагревателя Т_П1=34,0°С блоком управления поддерживается постоянной (Фиг. 1, кривая II). Так же, после включения установки, значения температуры поверхности образца со стороны холодильника, характеризующие температурную волну на указанной поверхности образца, начинают изменяться и при достижении заданной температуры в блоке управления Т_х=19,10°С блоком управления поддерживается постоянной (Фиг. 1. кривая III). После того, как температуры поверхности образца со стороны нагревателя и со стороны холодильника перестанут меняться, что соответствует времени наступления стационарного теплового режима τ=2150 секунд (Фиг. 1, позиция IV), при этом доля проникновения температурной волны будет равняться значению 0,244.

Предлагаемый способ позволяет определять дополнительные теплозвукофизические и механические характеристики твердых материалов, в том числе:

- долю проникновения температурной волны;

- звуковую (акустическую) скорость в материале;

- модуль упругости Юнга для определения прочностных характеристик твердых материалов, при определении которых используют вспомогательные физико-механические характеристики образца, полученные в результате эксперимента и рассчитанные по известным математическим зависимостям.

Комплекс теплозвукофизических и механических характеристик в соответствии с опытными данными определяют по математическим зависимостям.

Амплитуду колебаний температурной полуволны определяют по формуле:

где: Т_П1 - температура поверхности образца со стороны нагревателя в момент времени наступления стационарного теплового режима, °С;

Т₀ - начальная температура поверхности образца.

Коэффициент теплоусвоения определяют по формуле:

где: q_п - плотность теплового потока со стороны нагревателя, в момент времени наступления стационарного теплового режима, Вт/м²;

ϑ_п - амплитуда колебаний температурной полуволны, °С.

Термическое сопротивление определяют по формуле:

где: Т_П1 - температура поверхности образца со стороны нагревателя, в момент времени наступления стационарного теплового режима, °С;

Т_П2 - температура поверхности образца со стороны холодильника, в момент времени наступления стационарного теплового режима, °С;

q_п - плотность теплового потока со стороны нагревателя, в момент времени наступления стационарного теплового режима, Вт/м².

Долю проникновения температурной волны определяют по формуле:

где: Т₀ - начальная температура поверхности образца, °С;

Т_П1 - температура поверхности образца со стороны нагревателя, в момент времени наступления стационарного теплового режима, °С;

Т_П2 - температура поверхности образца со стороны холодильника, в момент времени наступления стационарного теплового режима, °С.

Безразмерное волновое число определяют по формуле:

где: θ_Т - доля проникновения температурной волны.

Волновое температурное число определяют в момент времени наступления стационарного теплового режима, по формуле:

где: Н - безразмерное волновое число;

δ - толщина образца, м.

Коэффициент теплопроводности определяют по формуле:

где: В - коэффициент теплоусвоения, Вт/(м²⋅К);

Н - безразмерное волновое число;

- волновое температурное число образца, м^-1.

Объемную теплоемкость определяют по формуле:

где: В - коэффициент теплоусвоения, Вт/(м²⋅К);

τ - время, при котором рассчитывается доля проникновения температурной волны, с;

λ - коэффициента теплопроводности, Вт/(м⋅К);

π - математическая константа, равна 3,14.

Температуропроводность определяют по формуле:

где: τ - время, при котором рассчитывается доля проникновения температурной волны, с;

- волновое температурное число образца в момент времени наступления стационарного теплового режима, м^-1;

Тепловую инерцию определяют по формуле:

где: λ - коэффициента теплопроводности, Вт/(м⋅К);

(сρ) - объемная теплоемкость, Дж/(м³⋅К).

Тепловую активность определяют по формуле:

где: b - тепловая инерция, Дж²/(с⋅м⁴⋅К²).

Термопроводность определяют по формуле:

где: 0,434 - математическая константа, равная log(2,718);

- волновое температурное число образца, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, м^-1;

δ - толщина образца, м.

Термоизоляцию определяют по формуле:

где: 4,34 - математическая константа равная 10⋅log(2,718).

- волновое температурное число образца, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, м^-1;

δ - толщина образца, м.

Поверхностную скорость температурной волны определяют по формуле:

где: - температуропроводность, м²/с;

δ - толщина образца, м.

Термическое напряжение возникает в любой точке среды объема материала пластины за счет нагрева или воздействия теплового потока любой интенсивности, при прохождении температурной волны, и представляют собой тепловое давление, действующее на единицу глубины по толщине пластины. Термическое напряжение обратно пропорционально половине термического сопротивления теплопроводности пластины.

Для условий стационарного теплового режима, при прохождении теплоты Q=1 Джоуль, в единицу времени τ=1 с, через объем вещества V=1 м³, возникает температурная волна с амплитудой ϑ=1°С, что подтверждается термодинамическим законом (Менделеева-Клапейрона) и законом сохранения энергии, а именно в данном случае, переходе части тепловой энергии Q в механическую энергию, в виде теплового давления, то есть по существу и по размерности выполняется условие:

1 Дж/(с⋅м³⋅К)=1 Вт/(м³⋅К)=1Па или Вт/(м²⋅К)=(Па⋅м)

Термическое напряжение на поверхности образца определяют по формуле:

где: R - термическое сопротивление, (м²⋅К)/Вт.

Безразмерное число волновой скорости, определяют по формуле:

где: S_П - поверхностная скорость температурной волны, м/с;

ρ_П - поверхностная плотность, кг/м²;

- термическое напряжение на поверхности, (Па⋅м).

Скорость распространения звука в твердом материале определяют по формуле:

где: - поверхностная скорость плоской температурной волны на глубине 1 м, численно пропорциональна температуропроводности материала, определяют по формуле:

где: - температуропроводность, м²/с;

δ - толщина образца, равна 1 м.

Ф_К - безразмерное число волновой скорости.

Модуль упругости Юнга определяют по формуле:

где: С_А - звуковая (акустическая) скорость, м/с;

ρ - удельная плотность образца, (кг/м³).

Предлагаемый способ, в сравнении со способом по прототипу, позволяет определять дополнительные теплозвукофизические и механические характеристики твердых материалов: звуковую (акустическую) скорость и модуль упругости Юнга, за счет использования значений плотности теплового потока и определении доли проникновения температурной волны при одновременном повышении их точности за счет определения значений плотности теплового потока со стороны нагревателя, что и является повышением технического результата.

Осуществление способа

Исследуемый образец, выполненный в форме пластины, например из текстолита, с размерами 250×250×5÷45 мм помещают в устройство для осуществления способа между нагревателем и холодильником. На середину плоскости поверхности образца со стороны нагревателя устанавливают датчик теплового потока для измерения плотности теплового потока со стороны нагревателя, термопару для измерения температуры на наружной поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя, термопару для измерения температуры на наружной поверхности исследуемого образца со стороны холодильника и подключенных к прибору ЭВМ. Исследуемый образец с торцов закрывают герметичными крышками для стабилизации температуры и теплового потока, проходящего через исследуемый образец. В электронном блоке управления устанавливают температуру нагревателя, температуру холодильника, толщину образца и включают устройство.

Электронный блок управления поддерживает заданные значения температуры нагревателя и холодильника и контролирует их с заданной точностью. Изменение плотности теплового потока со стороны нагревателя, изменение температуры на наружной поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя и температуры на наружной поверхности исследуемого образца со стороны холодильника регистрирует прибор ЭВМ. По полученным значениям строят графики зависимости плотности теплового потока и температур от времени измерения, выявляют по ним тепловую волну, температурную волну на наружной поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя, температурную волну на наружной поверхности исследуемого образца со стороны холодильника и выявляют момент времени, когда наступает стационарный тепловой режим, при этом доля проникновения температурной волны будет соответствовать значениям 0,243…0,250.

Прибор ЭВМ, используя полученные экспериментальные данные плотности теплового потока со стороны нагревателя, температур поверхности исследуемого образца со стороны нагревателя и со стороны холодильника при доли проникновения температурной волны равной 0,243…0,250, рассчитывает комплекс теплозвукофизических и механических характеристик исследуемого образца, а именно: термическое сопротивление, коэффициент теплопроводности, объемную теплоемкость, температуропроводность, тепловую инерцию, тепловую активность, термопроводность, термоизоляцию, поверхностную скорость температурной волны, термическое напряжение, звуковую (акустическую) скорость, модуль упругости Юнга.

Пример конкретного исполнения

В качестве исследуемого образца 1 для определения комплекса теплозвукофизических и механических характеристик использовали образец из текстолита, выполненный в виде пластины с размерами 250×250×20 мм. На середину плоскости поверхности образца 1 со стороны нагревателя 2 устанавливали датчики измерения плотности теплового потока 3. На середину плоскости поверхности образца 1 со стороны нагревателя 2 и на середину плоскости поверхности образца 1 со стороны холодильника 4 устанавливали датчики измерения температуры 5 и 6 соответственно. Образец 1 помещали в устройство для осуществления способа между нагревателем 2 и холодильником 4, торцы образца закрыли герметичными крышками 7 для стабилизации температуры и теплового потока в процессе нагрева образца.

В электронном блоке управления 8 с помощью пульта управления 9 кнопками устанавливали температуру нагревателя 34°С, температуру холодильника 19,1°С, толщину образца устанавливали 20 мм и подключали устройство к источнику переменного тока 10. Далее нагреватель 2 и холодильник 4 начинали достигать своих заданных температур. Посредством электронного блока управления 8 установленные температуры нагревателя 2 и холодильника 4 поддерживались заданных значений. Кроме этого, к электронному блоку управления 8 подключены термопара 11, установленная на нагревателе 2, термопара 12, установленная на холодильнике 4. Плотность теплового потока со стороны нагревателя 2, температура поверхности исследуемого образца 1 со стороны нагревателя 2 и температура поверхности исследуемого образца 1 со стороны холодильника 4 заносились в устройство ЭВМ 14. Запись показаний производилась до момента времени достижения стационарного теплового режима, что соответствует доли проникновения температурной волны равной значениям 0,243…0,250.

Для нахождения значения плотности теплового потока в любой момент времени, устанавливали на поверхность образца со стороны нагревателя датчик измерения плотности теплового потока.

Для определения амплитуды колебаний температурной волны, доли проникновения температурной волны, коэффициента теплоусвоения, коэффициента термического сопротивления, волнового температурного числа, безразмерного волнового числа, коэффициента теплопроводности, объемной теплоемкости, температуропроводности, термопроводности, термоизоляции, поверхностной скорости температурной волны, термического напряжения на поверхности пластины, безразмерного числа волновой скорости, звуковой (акустической) скорости, модуля упругости Юнга исследуемого образца, строили график распределения плотности теплового потока и температур от времени измерения и определяли плотность теплового потока со стороны нагревателя, температуру поверхности образца со стороны нагревателя, температуру поверхности образца со стороны холодильника в момент времени, когда доля проникновения температурной волны будет равна значению 0,243…0,250.

Температура испытываемого образца до начала испытаний составляла Т₀=22,02°С, температура поверхности образца со стороны нагревателя составляла Т_П1=34,0°С, температура поверхности образца со стороны холодильника составляла Т_П2=19,10°С. Значение плотности теплового потока составило q_п=197,0 Вт/м² при доли проникновения температурной волны равной значению 0,244.

Далее, по полученным значениям плотности теплового потока со стороны нагревателя, температуры поверхности образца со стороны нагревателя, температуры поверхности образца со стороны холодильника в момент времени достижения доли проникновения температурной волны, равной значению 0,244, занесенным в прибор ЭВМ, который производил расчеты теплозвукофизических и механических характеристик испытываемого образца.

Амплитуду колебаний температурной полуволны определяли по формуле:

ϑ_п=0,5(Т_П1-Т_П2)=0,5(34-19,1)=7,45,°С,

где: Т_П1 - температура поверхности образца со стороны нагревателя в момент времени наступления стационарного теплового режима равна 34,0°С;

Т_П2 - температура поверхности образца со стороны холодильника в момент времени наступления стационарного теплового режима равна 19,10°С.

Коэффициент теплоусвоения определяли по формуле:

В=q_п/ϑ_п=197/7,45=26,44 Вт/(м²⋅К),

где: q_п - плотность теплового потока со стороны нагревателя, в момент времени наступления стационарного теплового режима, равна 197,0 Вт/м²;

ϑ_п - амплитуда колебаний температурной полуволны, равна 7,45°С.

Термическое сопротивление определяли по формуле:

где: Т_П1 - температура поверхности образца со стороны нагревателя в момент времени наступления стационарного теплового режима равна 34,0°С;

Т_П2 - температура поверхности образца со стороны холодильника в момент времени наступления стационарного теплового режима равна 19,10°С.

Долю проникновения температурной волны определяли по формуле:

где: Т₀ - начальная температура поверхности образца, равна 22,02°С;

Т_П1 - температура поверхности образца со стороны нагревателя в момент времени наступления стационарного теплового режима равна 34,0°С;

Т_П2 - температура поверхности образца со стороны холодильника в момент времени наступления стационарного теплового режима равна 19,10°С.

Волновое температурное число, определяли в момент времени наступления стационарного теплового режима, по формуле:

где: Н - безразмерное волновое число, определяемое расчетным путем при доли проникновения температурной волны 0,243…0,245 равное соответственно 1,39…1,414;

δ - толщина образца, равна 0,02 м.

Коэффициент теплопроводности определяли по формуле:

где: В - коэффициент теплоусвоения, составил 26,44 Вт/ (м²⋅К);

Н - безразмерное волновое число, определяемое расчетным путем в момент наступления стационарного теплового режима равное 1,412;

- волновое температурное число образца, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, равное 70,6 м^-1.

Объемную теплоемкость определяли по формуле:

(сρ)=В²⋅τ/(π⋅λ)=(26,44²⋅2150)/(3,14⋅0,265)=1806⋅10³, Дж/(м³⋅К),

где: В - коэффициент теплоусвоения, составил 26,44 Вт/(м²⋅К);

τ - время наступления стационарного теплового режима, определяемое по графику, составило 2150 с;

λ - коэффициента теплопроводности, составил 0,265 Вт/(м⋅К);

π - математическая константа, равна 3,14.

Температуропроводность определяли по формуле:

где: τ - время наступления стационарного теплового режима, определяемое по графику, равно 2150 с;

- волновое температурное число, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, составило 70,6 м^-1;

π - математическая константа, равна 3,14.

Тепловую инерцию определяли по формуле:

b=λ⋅(сρ)=0,265⋅(1806⋅10³)=0,479⋅10⁶, Дж²/(с⋅м⁴⋅К²),

где: λ - коэффициента теплопроводности, составил 0,265 Вт/(м⋅К);

(сρ) - объемная теплоемкость, составила 1806⋅10³ Дж/(м³⋅К).

Тепловую активность определяли по формуле:

где: b - тепловая инерция, составила 0,479⋅10⁶ Дж²/(с⋅м⁴⋅К²).

Термопроводность определяли по формуле:

где: 0,434 - математическая константа, равна log(2,718);

- волновое температурное число образца в виде пластины, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, равно 70,6 м^-1;

δ - толщина образца, равна 0,02 м.

Термоизоляцию определяли по формуле:

где: 4,34 - математическая константа равна 10⋅log(2,718);

- волновое температурное число образца в виде пластины, вычисленное в момент времени наступления стационарного теплового режима, равно 70,6 м^-1;

δ - толщина образца, равна 0,02 м.

Поверхностную скорость температурной волны определяли по формуле:

где: - температуропроводность, равна 0,1465⋅10^-6, м²/с;

δ - толщина образца, равна 0,02 м.

Термическое напряжение на поверхности образца определяли по формуле:

где: R - термическое сопротивление равно 0,0756 (м²⋅К)/Вт.

Безразмерное число волновой скорости определяли по формуле:

где: S_П - поверхностная скорость температурной волны равна 7,325⋅10^-6 м/с;

ρ_П - поверхностная плотность равна 26,8 кг/м²;

- термическое напряжение на поверхности равно 26,5 (Па⋅м).

Скорость распространения звука в твердом материале определили по формуле:

где: - поверхностная скорость температурной волны на глубине 1 м, численно пропорциональна температуропроводности () материала, равна 0,1465⋅10^-6 (м/с);

Ф_К - безразмерное число волновой скорости равно 0,0543⋅10^-9.

Модуль упругости Юнга определили по формуле:

где: С_А - звуковая (акустическая) скорость равна 2698 м/с;

ρ - удельная плотность образца равна 1340 кг/м³.

Предлагаемый способ позволяет определять теплозвукофизические и механические характеристики твердых материалов:

- звуковую (акустическую) скорость: скорость прохождения звуковой волны в твердом материале;

- модуль Юнга: для определения прочностных характеристик твердого материала.

Также определение значения плотности теплового потока со стороны нагревателя позволяет повысить точность определения теплофизических характеристик.

Данный способ позволяет определять комплекс теплозвукофизических и механических характеристик для различных твердых материалов, например, оргстекла, стали, кирпича, стекла и других.

Изобретение относится к определению теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов, и может найти широкое применение в различных областях техники, например, в теплоэнергетике, строительстве и т.д. Предложен способ определения комплекса теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов, согласно которому образец помещают в устройство для осуществления способа. В электронном блоке управления таймером устанавливают время исследования, температуру нагревателя, температуру холодильника, толщину образца. К прибору ЭВМ подключены термопары для измерения температуры поверхности образца со стороны нагревателя и со стороны холодильника. Дополнительно к прибору ЭВМ подключен датчик теплового потока, установленный на середине плоскости поверхности образца со стороны нагревателя. Прибор ЭВМ, используя полученные значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, со стороны холодильника и плотности теплового потока со стороны нагревателя определяет долю проникновения температурной волны. По полученным значениям плотности теплового потока и доли проникновения температурной волны прибор ЭВМ по известным математическим зависимостям рассчитывает комплекс теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов. Технический результат - расширение технологических возможностей способа определения теплозвукофизических и механических характеристик твердых материалов. 2 ил.

Способ определения комплекса теплофизических характеристик твердых материалов, состоящий в нагреве исследуемого образца, выполненного в виде пластины и размещенного между нагревателем и холодильником, подводом тепла к его поверхности, измерении во времени температуры исследуемого образца, причем со всех сторон исследуемый образец закрывают герметичными крышками для стабилизации температуры и теплового потока, в электронном блоке управления таймером устанавливают время исследования, с помощью пульта управления на кнопках устанавливают толщину образца, температуру нагревателя и температуру холодильника, значения которых в памяти блока управления поддерживаются до заданных величин, определяют значения температуры поверхности образца со стороны нагревателя, характеризующие температурную волну на поверхности образца со стороны нагревателя, значения температуры поверхности образца со стороны холодильника, характеризующие температурную волну на поверхности образца со стороны холодильника, которые регистрируют с заданным интервалом от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима, заносят данные в прибор ЭВМ с последующим определением искомых теплофизических характеристик, отличающийся тем, что дополнительно определяют плотность теплового потока датчиком теплового потока, установленным на середину плоскости поверхности образца со стороны нагревателя и подключенным к прибору ЭВМ для снятия и регистрации изменений во времени показаний плотности теплового потока от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима, а снятие показаний температуры от начала нагрева образца и до наступления стационарного теплового режима осуществляют посредством термопар, которые подключены непосредственно к прибору ЭВМ для снятия показаний и расчета в ЭВМ доли проникновения температурной волны, по полученным значениям плотности теплового потока и доли проникновения температурной волны, определяют комплекс теплофизических характеристик твердых материалов, включающий коэффициент теплоусвоения, термическое сопротивление, коэффициент теплопроводности, объемную теплоемкость, температуропроводность, тепловую инерцию, тепловую активность и термопроводность, а также термическое напряжение на поверхности образца, модуль упругости Юнга и скорость распространения звука в твердом материале.