СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ВЫСОКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к стационарным способам определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью, а также к устройствам для их осуществления, и может быть использовано в области экспериментальной физики твердого тела, в материаловедении, теплоэнергетике для проведения тепловых испытаний однородных и изотропных теплоотводящих и теплораспределяющих конструкционных элементов и определения таких теплофизических свойств твердых тел, как теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность.

Известен способ определения теплопроводности твердых тел путем их компарирования с мерой теплопроводности (RU 2755330, G01N 25/18, опубл. 15.09.2021). Для этого изготавливают плоский образец с формой и размерами, идентичными плоскому эталонному образцу. Исследуемый и эталонный образцы размещают на плоском охлаждаемом основании с двух его противоположных сторон. Устанавливают на внешние плоскости исследуемого и эталонного образцов нагревательные элементы и теплоизолируют их от окружающей среды. На нагревательные элементы подают с возможностью регулирования соответствующие электрические мощности так, чтобы на исследуемом и эталонном образцах установился по их толщине одинаковый заданный стационарный перепад температуры. Измеряют стационарный перепад температуры по толщине образцов и значения электрических мощностей. Находят отношение электрической мощности нагревательного элемента, стыкованного с исследуемым образцом, к мощности нагревательного элемента, стыкованного с эталонным образцом. Найденное отношение электрических мощностей умножают на теплопроводность эталонного образца. Полученное значение принимают равным теплопроводности исследуемого образца.

Недостатками данного способа является необходимость изготовления измеряемого образца по форме и размерам эталонного образца и наличие значительного количества тепловых контактов между двумя плоскими пластинами, между источником теплоты и эталонным образцом, между исследуемым образцом и источником теплоты. Указанные тепловые сопротивления существенно зависят от давления на образцы, их сложно учесть и точно оценить.

Известны способы определения теплопроводности твердых тел (RU 2654823, G01N 25/18, опубл. 22.05.2018; RU 2625599, G01N 25/18, опубл. 17.07.2017), при которых на противоположных концах исследуемого образца помещают источник тепла и холодильник и путем регулирования их мощности достигают установившегося распределения температур, что позволяет по закону Фурье, зная перепад температур и мощности нагревателей, определить коэффициент теплопроводности. В первом из указанных патентов концы образца помещают в отдельные ячейки калориметра, каждую калориметрическую ячейку теплоизолируют, снабжают одинаковыми электрическими нагревателями и индивидуальным теплоотводом. Количество теплоты подают на нагреватель путем разряда конденсатора известной емкости. Изменением напряжения конденсатора и количеством импульсов разряда управляют мощностью нагрева. Во втором патенте используют эталонные образцы известной теплопроводности. Потери тепла учитывают за счет поправочного коэффициента, определяемого по измерениям на эталонных образцах, при этом размеры исследуемого и эталонных образцов одинаковые.

Недостатками указанных способов является возможность их применения для твердых тел с теплопроводностью не более 5 Вт/(м⋅К), сложность измерений, требующая поддержания постоянства температур и скорости разогрева, многостадийность эксперимента, а также достаточно высокая погрешность получаемых результатов.

Наиболее близким способом к заявленному изобретению является способ определения коэффициента теплопроводности образца твердого тела в системе «нагреватель - образец - холодильник» в условиях теплообмена с окружающей средой внутри теплоизолирующей оболочки и в направлении установившегося стационарного теплового потока (RU 2797313, G01N 25/18, опубл. 02.06.2023). При этом измеряют мощности - выделяемую нагревателем и принимаемую холодильником, а также измеряют установившуюся разность температур между контактирующими с образцом гранями нагревателя и холодильника с пренебрежимо малым тепловым сопротивлением в контактах. Далее вычисляют коэффициент теплопроводности на основании закона Фурье для стационарного теплового потока с поправкой на коэффициент теплообмена с окружающей средой системы «нагреватель - образец - холодильник», который принимают пропорциональным отношению тепловых потоков на холодильнике и нагревателе.

Из патента RU 2797313 также известно устройство для определения теплопроводности образца твердого тела в системе нагреватель-холодильник в условиях теплообмена с окружающей средой внутри теплоизолирующей оболочки и в направлении установившегося стационарного теплового потока, являющееся наиболее близким устройством к заявленному изобретению.

Техническая проблема заключается в том, что расчет поправочного коэффициента проводят аналитически, используя результаты измерений тепловых потоков нагревателя и холодильника. Однако такой подход не учитывает реальные теплопотери через теплоизоляцию, подводящие провода, конструкционные элементы и воздух, что отрицательно сказывается на точности измерений, в особенности при измерении теплопроводности хорошо проводящих тепло образцов, что ограничивает применение данного способа только при измерении коэффициентов теплопроводности менее 1 Вт/(м⋅К). При этом современные условия использования требуют более высокой точности определения теплофизических свойств твердых тел в стационарном тепловом режиме и сокращения затрат времени на проведение требуемых измерений.

Технический результат заключается в повышении точности определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью с учетом реальных теплопотерь через теплоизоляцию, подводящие провода, конструкционные элементы и воздух и уменьшение времени проведения измерений и достигается посредством способа определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью в стационарном тепловом режиме, характеризующегося тем, что изготавливают образец протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью, указанный образец помещают в теплоизолирующую оболочку и зажимают между расположенными соосно образцу и имеющими теплоизолирующее покрытие нагревателем в виде цилиндрического тела, с торцевой стороны которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, смонтирован нагревательный элемент, и холодильником в виде цилиндрического тела, к торцевой стороне которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, жестко прикреплен плоский элемент Пельтье, при этом между нагревателем и торцом теплоизолирующей оболочки, а также между противоположным торцом теплоизолирующей оболочки и холодильником размещены соответствующие термопрокладки, вдоль центральной оси указанного образца создают стационарный тепловой поток, в нескольких расположенных друг от друга на заданном расстоянии точках по центральной оси образца и не менее чем в двух точках по центральной оси каждого из цилиндрических тел нагревателя и холодильника измеряют температуру, значения которой поступают в вычислительный блок, сконфигурированный с возможностью ввода исходных данных, сбора данных по результатам измерений, управления режимами измерений, «по измеренным значениям температуры рассчитывают коэффициент λизм теплопроводности образца на основании закона Фурье, который для получения истинного коэффициента теплопроводности с учетом потерь тепла через теплоизолирующую оболочку и теплоизолирующее покрытие нагревателя и холодильника за счет теплопроводности, теплового излучения и конвекционных потоков окружающей воздушной среды корректируют в меньшую сторону посредством корректирующего коэффициента λ_ист который определяют методом численного моделирования:

при этом

где

ΔQ₀ - количество теплоты, генерируемое источником тепла за время Δt,

ΔQ_пi - количества теплоты, теряемого в i-ой области,

Δt - время, в течение которого источник тепла генерирует тепло,

Δх - участок образца, на котором создан стационарный тепловой поток,

ΔT - перепад температур на участке Δх».

Дополнительно может быть определен коэффициент теплоемкости твердого тела с помощью блока измерения теплоемкости твердых тел и коэффициент плотности твердого тела с помощью блока измерения плотности твердых тел, и с использованием полученных значений коэффициентов теплоемкости и теплопроводности твердого тела определяют коэффициент температуропроводности твердого тела.

Технический результат также достигается посредством устройства для определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью, содержащего теплоизолирующую оболочку для размещения в ней образца протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью, имеющую внутренний теплоизолирующий слой и выполненную с несколькими сквозными отверстиями, оси которых расположены через равные расстояния в плоскости, проходящей через центральную ось указанной теплоизолирующей оболочки и перпендикулярно ей, с одного из торцев теплоизолирующей оболочки соосно с ней установлен с возможностью прижима к указанному торцу посредством электрического актюатора с размещенным нем на тензодатчиком нагреватель в виде цилиндрического тела, с торцевой стороны которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, смонтирован нагревательный элемент, с противоположного торца теплоизолирующей оболочки установлен холодильник в виде цилиндрического тела, к торцевой стороне которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, жестко прикреплен плоский элемент Пельтье, в каждое из цилиндрических тел нагревателя и холодильника вмонтировано на глубину центральной оси и перпендикулярно этой оси по меньшей мере по два прецизионных термосопротивления, между нагревателем и торцом теплоизолирующей оболочки, а также между противоположным торцом теплоизолирующей оболочки и холодильником размещены соответствующие термопрокладки, причем нагреватель и холодильник имеют теплоизолирующее покрытие, вдоль боковой поверхности теплоизолирующей оболочки напротив выполненных в ней сквозных отверстий размещены прецизионные термосопротивления, имеющие концевые датчики и смонтированные в держателях с возможностью перемещения в соответствующие сквозные отверстия теплоизолирующей оболочки на глубину ее центральной оси, при этом тензодатчик электрического актюатора, привод перемещения держателей, прецизионные термосопротивления, концевые датчики размещенных в держателях прецизионных термосопротивлений, нагревательный элемент и элемент Пельтье сигнально соединены с вычислительным блоком, сконфигурированным с возможностью ввода исходных данных, сбора данных по результатам измерений от прецизионных термосопротивлений, управления режимами измерений, а также расчета по измеренным значениям коэффициента λ_изм теплопроводности образца на основании закона Фурье, который для получения истинного коэффициента теплопроводности λ_ист с учетом потерь тепла через теплоизолирующую оболочку и теплоизолирующее покрытие нагревателя и холодильника за счет теплопроводности, теплового излучения и конвекционных потоков окружающей воздушной среды корректируют в меньшую сторону посредством корректирующего коэффициента Δλ_i, который определяют методом численного моделирования:

при этом

где

ΔQ₀ - количество теплоты, генерируемое источником тепла за время Δt,

ΔQ_пi - количества теплоты, теряемого в i-ой области,

Δt - время, в течение которого источник тепла генерирует тепло,

Δх - участок образца, на котором создан стационарный тепловой поток,

ΔТ - перепад температур на участке Δx».

Устройство может быть снабжено блоком определения теплоемкости твердых тел, а также блоком определения плотности твердых тел, которые подключены к вычислительному блоку с возможностью ввода исходных данных, вывода информации об измеренных значениях коэффициентов теплопроводности и теплоемкости и определения коэффициента температуропроводности образца протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью.

Элемент Пельтье холодильника связан с радиатором и закрепленными на нем воздушными вентиляторами посредством жидкостной системы с возможностью циркуляции в ней охлаждающей среды.

Предпочтительно цилиндрические тела нагревателя и холодильника выполнены из одинакового материала и имеют одинаковую геометрическую форму и размеры.

Теплоизолирующая оболочка может быть выполнена из пластика.

Внутренний теплоизолирующий слой теплоизолирующей оболочки может быть выполнен из вспененного пенополистирола.

Теплоизолирующее покрытие нагревателя и холодильника может быть выполнено в виде слоя из пластика с внутренним теплоизолирующим слоем из вспененного пенополистирола.

Также нагреватель и холодильник выполнены с возможностью регулирования их мощности.

При этом вычислительный блок содержит компьютер и аппаратный микроконтроллер, обмен данными между которыми осуществляется с использованием модуля беспроводной связи и последовательного протокола данных.

Вышеизложенные особенности и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания предпочтительных примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых для представления одинаковых элементов используются одинаковые позиции:

на фиг. 1 приведена конструктивная схема устройства для определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью с размещенным в ней образцом, в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 2 представлено схематичное изображение в горизонтальном разрезе предложенного устройства для определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью с размещенным в ней образцом и схема теплового баланса, поясняющая принцип расчета корректирующего коэффициента при измерении теплопроводности, в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 3 представлена блок-схема программно-аппаратной системы управления устройством для определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью, в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 4 показан экспериментальный график примера стационарного распределения температуры.

На указанных фигурах для представления одинаковых элементов используются одинаковые позиции:

1 - образец протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью;

2 - теплоизолирующая оболочка;

3 - нагреватель;

4 - холодильник;

5 - теплоизолирующее покрытие нагревателя;

6 - теплоизолирующее покрытие холодильника;

7 - термопрокладка между нагревателем и теплоизолирующей оболочкой;

8 - термопрокладка между холодильником и теплоизолирующей оболочкой;

9 - прецизионные термосопротивления для размещения в образце твердого тела;

10 - прецизионные термосопротивления в цилиндрическом теле нагревателя;

11 - прецизионные термосопротивления в цилиндрическом теле холодильника;

12 - вычислительный блок;

13 -блок определения теплоемкости твердых тел;

14 - блок определения плотности твердых тел;

15 - внутренний теплоизолирующий слой;

16 - сквозные отверстия теплоизолирующей оболочки;

17 - цилиндрическое тело нагревателя;

18 - электрический нагревательный элемент;

19 - цилиндрическое тело холодильника;

20 - плоский элемент Пельтье;

21 - радиатор;

22 - воздушные вентиляторы;

23 - жидкостная система;

24 - электрический актюатор;

25 - тензодатчик;

26 - слой из пластика теплоизолирующего покрытия нагревателя и холодильника;

27 - внутренний теплоизолирующий слой из вспененного пенополистирола теплоизолирующего покрытия нагревателя и холодильника;

28 - держатели прецизионных термосопротивлений 9;

29 - шаговый мотор;

30 - концевые датчики термосопротивлений 9;

31 - персональный компьютер;

32 - аппаратный микроконтроллер;

33 - модуль беспроводной связи;

34 - последовательный протокол данных;

35 - глухие отверстия в образце;

36 - система широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и фильтра нагревателя 3;

37 - термостабильный резистор 37 нагревательного элемента 18;

38 - аналого-цифровой преобразователь;

39 - мотор циркуляции охлаждающей среды жидкостной системы 23;

40 - система широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и фильтра элемента Пельтье.

Сущность предлагаемого способа определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью, таких как теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, заключается в следующем.

Изготавливают образец 1 протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью, который помещают в теплоизолирующую оболочку 2 между расположенными соосно теплоизолирующей оболочке 2 и размещенному в ней образцу 1 нагревателем 3 и холодильником 4, имеющими теплоизолирующее покрытие 5, 6. При этом нагреватель 3 выполнен в виде цилиндрического тела 17, с торцевой стороны которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке 2, смонтирован нагревательный элемент 18, а холодильник 4 выполнен в виде цилиндрического тела 19, к торцевой стороне которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке 2, жестко прикреплен плоский элемент Пельтье 20. Между нагревателем 3 и торцом теплоизолирующей оболочки 2, а также между противоположным торцом теплоизолирующей оболочки 2 и холодильником 4 размещены соответствующие термопрокладки 7 и 8, создающие тепловой барьер. Вдоль центральной оси 0-0 указанного образца 1 создают стационарный тепловой поток, причем установившееся распределение температур контролируют несколькими прецизионными термосопротивлениями 9, помещенными на глубину расположения центральной оси О-О образца 1 твердого тела. Также контролируют температуру нагревателя 3 и холодильника 4 не менее чем двумя прецизионными термосопротивлениями 10, 11 в каждом, помещенными на глубину расположения центральной оси 0-0 системы «нагреватель - образец - холодильник». Значения измеренной термосопротивлениями 9, 10, 11 температуры поступают в вычислительный блок 12, сконфигурированный с возможностью ввода исходных данных, сбора данных по результатам измерений, управления режимами измерений. По полученным значениям температуры рассчитывают коэффициент теплопроводности образца 1 на основании закона Фурье, который корректируют в меньшую сторону с учетом потерь тепла через теплоизолирующую оболочку 2 и теплоизолирующее покрытие 5, 6 нагревателя 3 и холодильника 4 за счет теплопроводности, теплового излучения и конвекционных потоков окружающей воздушной среды посредством корректирующего коэффициента, который определяют методом численного моделирования. При этом, для определения температуропроводности дополнительно определяют теплоемкость и плотность твердого тела с помощью встроенных в устройство блока 13 определения теплоемкости твердых тел и блока 14 определения плотности твердых тел.

Предложенный способ может быть реализован посредством устройства для определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью, которое содержит теплоизолирующую оболочку 2 с внутренним теплоизолирующим слоем 15 для размещения в ней образца 1 протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью и предотвращающую боковые потери тепла. Теплоизолирующая оболочка 2 с внутренним теплоизолирующим слоем 15 выполнена из теплоизолирующих материалов с предельно достижимыми низкими коэффициентами теплопроводности и достаточной толщины, обеспечивающих минимизацию тепловых утечек. Теплоизолирующая оболочка 2 может быть выполнена, например, из пластика, а внутренний теплоизолирующий слой 15 теплоизолирующей оболочки 2 - из вспененного пенополистирола. При этом теплоизолирующая оболочка 2 может быть выполнена разъемной для более удобного помещения в нее образца 1 протяженного твердого тела.

В теплоизолирующей оболочке 2 с внутренним теплоизолирующим слоем 15 выполнено несколько сквозных отверстий 16 для установки в них прецизионных термосопротивлений 9, при этом оси указанных сквозных отверстий 16 расположены через равные расстояния в плоскости, проходящей через центральную ось O-O указанной теплоизолирующей оболочки 2 и перпендикулярно центральной оси О-О.

С одного из торцев теплоизолирующей оболочки 2 соосно с ней установлен нагреватель 3 в виде цилиндрического тела 17, с торцевой стороны которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке 2, смонтирован электрический нагревательный элемент 18.

С противоположного торца теплоизолирующей оболочки 2 установлен холодильник 4 в виде цилиндрического тела 19, к торцевой стороне которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке 2, жестко прикреплен плоский элемент Пельтье 20.

При этом цилиндрические тела 17, 19 нагревателя 3 и холодильника 4 выполнены из одинакового материала, например, латуни, и имеют одинаковую геометрическую форму и размеры.

Элемент Пельтье 20 для его охлаждения связан с радиатором 21 и закрепленными на нем воздушными вентиляторами 22 посредством жидкостной системы 23 с возможностью циркуляции в ней охлаждающей среды.

Между торцом цилиндрического тела 17 нагревателя 3 и соответствующим торцом теплоизолирующей оболочки 2 размещена термопрокладка 7. Между торцом цилиндрического тела 19 холодильника 4 и соответствующим торцом теплоизолирующей оболочки 2 размещена термопрокладка 8.

При этом нагреватель 3 выполнен с возможностью прижима к соответствующему торцу теплоизолирующей оболочки 2 через термопрокладку 7 посредством электрического актюатора 24, что обеспечивает лучший тепловой контакт и компенсацию изменений размеров конструкции при нагреве. При этом на электрическом актюаторе 24 размещен тензодатчик 25.

В цилиндрическое тело 17 нагревателя 3 вмонтировано на глубину центральной оси 0-0 и перпендикулярно этой оси по меньшей мере два прецизионных термосопротивления 10. В цилиндрическое тело 19 холодильника 4 аналогичным образом на глубину центральной оси 0-0 и перпендикулярно этой оси вмонтировано по меньшей мере два прецизионных термосопротивления 11.

Нагреватель 3 выполнен с теплоизолирующим покрытием 5, а холодильник 4 выполнен с теплоизолирующим покрытием 6. Указанные покрытия 5 и 6 могут быть выполнены виде слоя 26 из пластика с внутренним теплоизолирующим слоем 27 из вспененного пенополистирола.

Вдоль боковой поверхности теплоизолирующей оболочки 2 напротив выполненных в ней сквозных отверстий 16 по числу указанных сквозных отверстий 16 размещены прецизионные термосопротивления 9, которые смонтированы в держателях 28 с возможностью возвратно-поступательного перемещения от шагового мотора 29 (фиг. 3) и их установки в соответствующие сквозные отверстия 16 теплоизолирующей оболочки 2 на глубину ее центральной оси О-О. При этом размещенные в держателях 28 термосопротивления 9 снабжены концевыми датчиками 30 (фиг. 3).

Для определения коэффициента температуропроводности образца 1 протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью устройство снабжено блоком 13 определения теплоемкости твердых тел, а также блоком 14 определения плотности твердых тел.

Прецизионные термосопротивления 9, 10, 11, электрический нагревательный элемент 18, элемент Пельтье 20, тензодатчик 25 на электрическом актюаторе 24, концевые датчики 30 на термосопротивлениях 9, привод перемещения держателей 28 в виде шагового мотора 29, а также блок 13 определения теплоемкости твердых тел и блок 14 определения плотности твердых тел сигнально соединены с вычислительным блоком 12.

На фиг. 3 представлена блок-схема программно-аппаратной системы управления устройством для определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью, в соответствии с настоящим изобретением, на которой пунктирными линиями обозначены элементы устройства, а сплошными линиями отражены каналы передачи данных между элементами устройства и вычислительным блоком 12, при этом на фиг. 3 используются следующие обозначения:

ПК - персональный компьютер 31;

МК - микроконтроллер 32;

БС - модуль беспроводной связи 33;

Pt100 - термосопротивления 9, 10, 11;

КДТ - концевые датчики 30 термосопротивлений 9;

ДШМ - драйвер шагового мотора;

ЭП - элемент Пельтье 20;

М - мотор;

SPI - последовательный периферийный интерфейс.

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ШИМ - широтно-импульсный модулятор;

U1, U2 - напряжение;

I1, I2 - сила тока.

Вычислительный блок 12 содержит персональный компьютер 31 и аппаратный микроконтроллер 32, обмен данными между которыми осуществляется с использованием модуля 33 беспроводной связи и последовательного протокола данных 34.

Вычислительный блок 12 сконфигурирован с возможностью ввода исходных данных, сбора данных по результатам измерений от прецизионных термосопротивлений 9, 10, 11 с возможностью регулирования мощности нагревателя 3 и холодильника 4 для выравнивания входящего и выходящего из образца 1 тепловых потоков, силы прижима нагревателя 3 к соответствующему торцу теплоизолирующей оболочки 2 посредством электрического актюатора 24, управления режимами измерений, а также расчета потерь тепла через теплоизолирующую оболочку 2 и теплоизолирующее покрытие 5, 6 нагревателя 3 и холодильника 4 за счет их теплопроводности и теплового излучения, а также конвекционных потоков окружающей воздушной среды, влияние которых рассчитывают посредством численного моделирования.

Для реализации предложенного способа определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью в стационарном тепловом режиме изготавливают протяженный образец 1 исследуемого твердого тела, например, в виде в виде прямоугольного параллелепипеда, в котором по большей его стороне через равные расстояния выполняют несколько глухих отверстий 35 по числу сквозных отверстий 16 в теплоизолирующей оболочке 2, таким образом, что оси глухих отверстий 35 расположены в плоскости, проходящей через его центральную ось О-О, и перпендикулярно этой оси, при этом глухие отверстия 35 доходят до центральной оси O-O образца 1.

Под протяженным образцом следует понимать образец, длина которого не менее, чем в пять раз превышает его наибольший поперечный размер.

Указанный образец 1 помещают в теплоизолирующую оболочку 2 между цилиндрическим телом 17 нагревателя 3 и цилиндрическим телом 19 холодильника 4, при этом образец 1 расположен соосно с теплоизолирующей оболочкой 2, а также с цилиндрическим телом 17 нагревателя 3 и цилиндрическим телом 19 холодильника 4. При этом между нагревателем 3 и образцом 1 и между холодильником 4 и образцом 1 устанавливают термопрокладки 7, 8, которые создают тепловой барьер, служащий для автоматизированного управления условиями достижения стационарности теплового потока.

К установленному в оболочку 2 образцу 1 посредством электрического актюатора 24 подводится цилиндрическое тело 17 нагревателя 3. Условием остановки электрического актюатора 23 является достижение установленной пользователем силы прижима, контролируемой тензодатчиком 25. Достигнутый прижим поддерживается неизменным в процессе измерений.

Затем на шаговый мотор 29 подается команда на перемещение держателей 28 с закрепленными в них термосопротивлениями 9, которые через сквозные отверстия 16 в теплоизолирующей оболочке 2 вставляются в глухие отверстия 35 образца 1, и перемещаются до достижения ими центральной оси O-O системы «нагреватель - образец - холодильник», чтобы избежать влияния самих термосопротивлений 9 на результаты измерений. Контроль положения термосопротивлений 9 осуществляется концевыми датчиками 30 (КДП).

После этого включаются калиброванный по мощности нагревательный элемент 18, мощность которого регулируется системой 36 широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и фильтра (фиг. 3), при этом контроль тепловой мощности проводится путем измерения силы тока на термостабильном резисторе 37 и напряжения на нагревательном элементе посредством аналого-цифрового преобразователя 38. Нагреватель 3 создает направленный тепловой поток в плоскости соприкосновения с измеряемым образцом 1. При этом исследуемый образец 1, а также нагреватель 3 и холодильник 4 теплоизолированы от окружающей среды.

Для достижения в образце стационарного распределения температуры в направлении теплового потока используется система управления элементом Пельтье 20 с радиатором 21 водяного охлаждения, оснащенного воздушными вентиляторами 22 и мотором 39 циркуляции охлаждающей среды жидкостной системы 23. Балансировка отводимой мощности обеспечивается по схеме 40, аналогичной схеме управления нагревательным элементом 18, широтно-импульсным модулятором (ШИМ) и фильтром. Мощности нагревателя 3 и холодильника 4 согласуются, чтобы обеспечить стабилизацию теплового поля.

Критерием перехода в стационарный режим является выполнение требования, чтобы циклически измеряемый перепад температур на термосопротивлениях 9 не превышал некоторого наперед заданного значения ДТ. Измеренное распределение температуры передается в программу численного моделирования, которая позволяет рассчитать тепловые потери, применительно к конкретной конструкции устройства измерения и используемым в нем материалам.

При этом персональный компьютер 32 с интерфейсом пользователя позволяет задать мощность нагревателя 3, силу прижима нагревателя 3 к образцу, ввести значение критерия остановки, определяющего условия выхода на стационарный тепловой режим, запускает измерения, обеспечивает передачу данных в программу численного моделирования, а также выводит информацию об измеренных теплофизических параметрах испытуемого образца 1.

Посредством термосопротивлений 9 в нескольких расположенных друг от друга на заданном расстоянии точках по центральной оси О-О образца 1 и посредством термосопротивлений 10, 11 не менее чем в двух точках по центральной оси O-O каждого из цилиндрических тел 17, 19 нагревателя 3 и холодильника 4 измеряют температуру, значения которой поступают в режиме реального времени в вычислительный блок 12. При этом, наличие у нагревателя 3 и холодильника 4 цилиндрических тел 17 и 19 позволяет более точно определить границы зоны перепада температур.

По измеренным значениям температуры рассчитывают коэффициент теплопроводности образца 1 на основании закона Фурье, который корректируют в меньшую сторону с учетом потерь тепла через теплоизолирующую оболочку 2 и теплоизолирующее покрытие 5, 6 нагревателя 3 и холодильника 4 за счет теплопроводности, теплового излучения и конвекционных потоков окружающей воздушной среды посредством корректирующего коэффициента, который определяют методом численного моделирования.

Численное моделирование позволяет определить потери тепла, приводящие к систематической погрешности, что завышает коэффициент теплопроводности λ_изм, измеренный напрямую по показаниям системы встроенных термосопротивлений 9-11, в сравнении с истинным коэффициентом теплопроводности λ_ист.

Пусть ΔQ₀ количество теплоты, генерируемое источником тепла за время Δt (фиг. 2). В случае согласованного отвода через измеряемый образец сечением S возможно обеспечить переход в стационарный режим, создав перепад температур ΔT на участке Δх, что на основании закона Фурье позволяет определить коэффициент теплопроводности

Полученное выражение является завышенным вследствие того, что не учитываются потери тепла через теплоизоляционный материал и элементы конструкции. Условно потери можно разделить на три части: потери ΔQ_n1 до области измерения (на фиг. 2 - область I), потери ΔQ_n2 в области измерения (на фиг. 2 - область II) и потери ΔQ_n3 после области измерения (на фиг. 2 - область III). Для расчета истинного коэффициента теплопроводности нужно использовать ΔQ_n3, которое находится из уравнения теплового баланса Значения количества теплоты ΔQ_ni, теряемого в i-ой области определяется методом численного моделирования по заданной геометрии и материальным константам. Обозначив через корректирующие коэффициенты вклада потерь на каждом из этапов можно определить истинное значение коэффициента теплопроводности Учитывая, что по своей физической природе корректирующие коэффициенты являются сугубо положительными числами то истинное значение коэффициента теплопроводности меньше измеренного Численное моделирование позволяет рассчитать потери через теплоизоляцию по механизмам теплопроводности, теплового излучения и конвективной теплопередачи, что позволяет скорректировать в меньшую сторону значение измеряемого коэффициента теплопроводности образца. Использование встроенных в описываемое устройство определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью блока 29 определения теплоемкости с_р по времени изменения температуры образца известной массы, нагреваемого стандартизированным тепловым источником заданной мощности, а также блока 30 измерения плотности твердых тел р путем предварительного взвешивания образца на воздухе и в жидкости, позволяет найти коэффициент температуропроводности образца

На основании результатов численного моделирования и экспериментально измеренного распределения температуры можно найти величину контактных тепловых барьеров с теплоизолирующей оболочкой 2, термопрокладками 7 и 8, конструкционными и функциональными элементами предлагаемого устройства.

Пример

Для определения теплофизических свойств теплопроводности протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью был изготовлен образец 1 из высокочистого алюминия (99,999%), обладающего высокой теплопроводностью. Исследуемый образец 1 был выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с большей гранью длиной 250 мм и меньшими гранями равной длины 40 мм. На одной из больших граней образца 1 через равные расстояния выполнено пять глухих отверстий 27, оси которых расположены в плоскости, перпендикулярной этой поверхности и проходящей через его центральную ось, и перпендикулярно этой оси, при этом глухие отверстия 27 доходят до центральной оси O1-O1 образца 1.

Исследуемый образец 1 указанной формы поместили в теплоизолирующую оболочку 2, по внутренней форме соответствующую указанному образцу 1, через соответствующие термопрокладки 21 и 22 зажали между нагревателем 3 и холодильником 4. При мощности нагревательного элемента Р₀=21.1 Вт) внутри образца устанавливается, как это показано на Фиг. 4, стационарный перепад температуры, равный в рассматриваемом частном случае ΔT=11.46 (К).

Измеренное значение коэффициента теплопроводности составило λ_изм=242 Вт/(м⋅К). Проведенное численное моделирование применительно к указанной геометрии образца 1 и конструкции устройства для определения теплофизических свойств протяженного твердого тела, представленного на фиг. 1, позволило учесть тепловые потери через теплоизоляцию по механизмам теплопроводности, теплового излучения и конвективной теплопередачи. Уточненное значение коэффициента теплопроводности после корректировки по результатам моделирования составило λист=238 Вт/(м⋅К).

Таким образом, заявляемая группа изобретений позволяет повысить точность определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью с учетом реальных теплопотерь через теплоизоляцию, подводящие провода, конструкционные элементы и воздух и уменьшить время проведения измерений. При этом данный способ применим для твердых тел с теплопроводностью 200 Вт/(м⋅К) и более, в частности 400-450 Вт/(м⋅К) и более.

Описанный выше пример осуществления и фигуры следует во всех аспектах рассматривать лишь как иллюстративные и не обуславливающие никаких ограничений. Следовательно, могут быть использованы другие примеры осуществления настоящего изобретения и примеры внедрения, которые не выходят за пределы описанных здесь существенных признаков.

Изобретение относится к стационарным способам определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью, а также к устройствам для их осуществления, и может быть использовано в области экспериментальной физики твердого тела, в материаловедении, теплоэнергетике для проведения тепловых испытаний однородных и изотропных теплоотводящих и теплораспределяющих конструкционных элементов и определения таких теплофизических свойств твердых тел, как теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность. Предложенный способ характеризуется тем, что образец протяженного твердого тела помещают в теплоизолирующую оболочку и зажимают между расположенными соосно образцу и имеющими теплоизолирующее покрытие нагревателем в виде цилиндрического тела, с торцевой стороны которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, смонтирован нагревательный элемент, и холодильником в виде цилиндрического тела, к торцевой стороне которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, жестко прикреплен плоский элемент Пельтье. Между нагревателем и торцом теплоизолирующей оболочки, а также между противоположным торцом теплоизолирующей оболочки и холодильником размещены соответствующие термопрокладки. Вдоль центральной оси указанного образца создают стационарный тепловой поток. В нескольких расположенных друг от друга на заданном расстоянии точках по центральной оси образца и не менее чем в двух точках по центральной оси каждого из цилиндрических тел нагревателя и холодильника измеряют температуру, значения которой поступают в вычислительный блок, сконфигурированный с возможностью ввода исходных данных, сбора данных по результатам измерений, управления режимами измерений. По измеренным значениям температуры рассчитывают коэффициент теплопроводности образца на основании закона Фурье, который корректируют в меньшую сторону с учетом потерь тепла через теплоизолирующую оболочку и теплоизолирующее покрытие нагревателя и холодильника за счет теплопроводности, теплового излучения и конвекционных потоков окружающей воздушной среды посредством поправочного коэффициента, который определяют методом численного моделирования. При этом дополнительно определяют коэффициент теплоемкости твердого тела с помощью блока измерения теплоемкости твердых тел и коэффициент плотности твердого тела с помощью блока измерения плотности твердых тел и с использованием полученных значений коэффициентов теплоемкости и теплопроводности твердого тела определяют коэффициент температуропроводности твердого тела. Технический результат - повышение точности определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью с учетом реальных теплопотерь через теплоизоляцию, подводящие провода, конструкционные элементы и воздух и уменьшение времени проведения измерений. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью в стационарном тепловом режиме, характеризующийся тем, что

- изготавливают образец протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью;

- указанный образец помещают в теплоизолирующую оболочку и зажимают между расположенными соосно образцу и имеющими теплоизолирующее покрытие нагревателем в виде цилиндрического тела, с торцевой стороны которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, смонтирован нагревательный элемент, и холодильником в виде цилиндрического тела, к торцевой стороне которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, жестко прикреплен плоский элемент Пельтье, при этом между нагревателем и торцом теплоизолирующей оболочки, а также между противоположным торцом теплоизолирующей оболочки и холодильником размещены соответствующие термопрокладки;

- вдоль центральной оси указанного образца создают стационарный тепловой поток;

- в нескольких расположенных друг от друга на заданном расстоянии точках по центральной оси образца и не менее чем в двух точках по центральной оси каждого из цилиндрических тел нагревателя и холодильника измеряют температуру, значения которой поступают в вычислительный блок, сконфигурированный с возможностью ввода исходных данных, сбора данных по результатам измерений, управления режимами измерений;

- по измеренным значениям температуры рассчитывают коэффициент λ_изм теплопроводности образца на основании закона Фурье, который для получения истинного коэффициента теплопроводности с учетом потерь тепла через теплоизолирующую оболочку и теплоизолирующее покрытие нагревателя и холодильника за счет теплопроводности, теплового излучения и конвекционных потоков окружающей воздушной среды корректируют в меньшую сторону посредством корректирующего коэффициента Δλ_i, который определяют методом численного моделирования:

где

λ_ист - истинный коэффициент теплопроводности,

λ_изм - измеренный коэффициент теплопроводности;

Δλ_i - корректирующий коэффициент,

при этом

а

где

ΔQ₀ - количество теплоты, генерируемое источником тепла за время Δt,

ΔQ_ni - количества теплоты, теряемого в i-ой области,

Δt - время, в течение которого источник тепла генерирует тепло,

Δх - участок образца, на котором создан стационарный тепловой поток,

ΔT - перепад температур на участке Δ.

2. Способ по п. 1, при котором дополнительно определяют коэффициент теплоемкости твердого тела с помощью блока измерения теплоемкости твердых тел и коэффициент плотности твердого тела с помощью блока измерения плотности твердых тел и с использованием полученных значений коэффициентов теплоемкости и теплопроводности твердого тела определяют коэффициент температуропроводности твердого тела.

3. Устройство для определения теплофизических свойств протяженных твердых тел с высокой теплопроводностью, содержащее теплоизолирующую оболочку для размещения в ней образца протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью, имеющую внутренний теплоизолирующий слой и выполненную с несколькими сквозными отверстиями, оси которых расположены через равные расстояния в плоскости, проходящей через центральную ось указанной теплоизолирующей оболочки и перпендикулярно ей, с одного из торцев теплоизолирующей оболочки соосно с ней установлен с возможностью прижима к указанному торцу посредством электрического актюатора с размещенным нем на тензодатчиком нагреватель в виде цилиндрического тела, с торцевой стороны которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, смонтирован нагревательный элемент, с противоположного торца теплоизолирующей оболочки установлен холодильник в виде цилиндрического тела, к торцевой стороне которого, противолежащей теплоизолирующей оболочке, жестко прикреплен плоский элемент Пельтье, в каждое из цилиндрических тел нагревателя и холодильника вмонтировано на глубину центральной оси и перпендикулярно этой оси по меньшей мере по два прецизионных термосопротивления, между нагревателем и торцом теплоизолирующей оболочки, а также между противоположным торцом теплоизолирующей оболочки и холодильником размещены соответствующие термопрокладки, причем нагреватель и холодильник имеют теплоизолирующее покрытие, вдоль боковой поверхности теплоизолирующей оболочки напротив выполненных в ней сквозных отверстий размещены прецизионные термосопротивления, имеющие концевые датчики и смонтированные в держателях с возможностью перемещения в соответствующие сквозные отверстия теплоизолирующей оболочки на глубину ее центральной оси, при этом тензодатчик электрического актюатора, привод перемещения держателей, прецизионные термосопротивления, концевые датчики размещенных в держателях прецизионных термосопротивлений, нагревательный элемент и элемент Пельтье сигнально соединены с вычислительным блоком, сконфигурированным с возможностью ввода исходных данных, сбора данных по результатам измерений от прецизионных термосопротивлений, управления режимами измерений, а также расчета по измеренным значениям коэффициента λ_изм теплопроводности образца на основании закона Фурье, который для получения истинного коэффициента теплопроводности λ_ист с учетом потерь тепла через теплоизолирующую оболочку и теплоизолирующее покрытие нагревателя и холодильника за счет теплопроводности, теплового излучения и конвекционных потоков окружающей воздушной среды корректируют в меньшую сторону посредством корректирующего коэффициента Δλ_i, который определяют методом численного моделирования:

при этом

где

ΔQ₀ - количество теплоты, генерируемое источником тепла за время Δt,

ΔQ_пi - количества теплоты, теряемого в i-ой области,

Δt - время, в течение которого источник тепла генерирует тепло,

Δх - участок образца, на котором создан стационарный тепловой поток,

ΔТ - перепад температур на участке Δх».

4. Устройство по п. 3, которое снабжено блоком определения теплоемкости твердых тел, а также блоком определения плотности твердых тел, которые подключены к вычислительному блоку с возможностью ввода исходных данных, вывода информации об измеренных значениях коэффициентов теплопроводности и теплоемкости и определения коэффициента температуропроводности образца протяженного твердого тела с высокой теплопроводностью.

5. Устройство по п. 3, в котором элемент Пельтье холодильника связан с радиатором и закрепленными на нем воздушными вентиляторами посредством жидкостной системы с возможностью циркуляции в ней охлаждающей среды.

6. Устройство по п. 3, в котором цилиндрические тела нагревателя и холодильника выполнены из одинакового материала и имеют одинаковую геометрическую форму и размеры.

7. Устройство по п. 3, в котором теплоизолирующая оболочка выполнена из пластика.

8. Устройство по п. 3, в котором внутренний теплоизолирующий слой теплоизолирующей оболочки выполнен из вспененного пенополистирола.

9. Устройство по п. 3, в котором теплоизолирующее покрытие нагревателя и холодильника выполнено в виде слоя из пластика с внутренним теплоизолирующим слоем из вспененного пенополистирола.

10. Устройство по п. 3, в котором нагреватель и холодильник выполнены с возможностью регулирования их мощности.

11. Устройство по п. 3, в котором вычислительный блок содержит компьютер и аппаратный микроконтроллер, обмен данными между которыми осуществляется с использованием модуля беспроводной связи и последовательного протокола данных.