Устройство для определения теплофизических свойств материалов Советский патент 1983 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к измерению тепло- и массообменных характеристик капиллярно-пористых и дисперсных материалов и может быть использовано для исследования, например, свойств горных пород, преимущественно в системе Горный массив - подземное сооружение, в частности для измерения теплофиэических свойств (ТФС) непосредственно с поверхности стен подземного сооружения, омываемых вентиляционным потоком.

Известно устройство для измерения ТФС капиллярно-пористых и дисперсных материалов, содержащее тепловлагоI изолированную обойму с эталонньм те:лом, на одной торцевой поверхности которого закреплен нагреватель, контактирующий с исследуемым материалом, а на друдой его торцевой поверхности размещен датчик температуры И ..

Известное устройство имеет такие недостатки, как значительная погрешность измерения, невозможность комплексного определения характеристик в одной -установке, а также сложность лабораторного анализа исследуемого материгша, .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достИгаемому результату является устройство для определения теплофизических свойЬтв материала, содержащее тепловлагоизоляционную обойму с установленными в ней Капиллярно-пористыми вкл адышами и эталонньм телом с нагревателями, которые снабжены накладными датчиками теплового потока и датчиками температуры, причем поверхность одного из вкладышей влагоизолирована, а их торцевые поверхности снабжены общим высокотеплопроводным покрытием, одно из которых,, контактирующее с исследуемым материалом, выполнено перфорированным 2 . . .

Основными недостатками известного устройства являются высокая динамическая погрешность измерения и узкий диапазон измеряемых Параметров, а также значительная длительность измерений,

целью изобретения является уменьшение погрешности определения и расширение диапазона измеряемых пара метров при одновременном повышении быстродействия устройства.

Цель достигается тем, что в устройстве для определения теплофизических свойств материала, содержащем тепловлагоизоляционную обойму с установленными в ней капиллярно-пористыми вкладышами и эталонным телом с, нагревателями, которые снабжены накладными датчиками теплового потока и датчиками температуры, причем

noBejpxHocTb одного из вкладышей влагоизолирована, а их торцевые поверхности снабжены общим высокотеплопроводным покрытием одно из которых, контактирующее с исследуемым материеьпом, выпблнено перфорированным торцевые поверхности эталонного тела снабжены высокотеплопроводными покрытиями, одно из которых является общим для эталонного тела и ка- пиллярно-пористых вкладышей и скреплено, с нагревателем, причем высота эталонного тела и капиллярно-.пористых вкладышей связана с эквив алентным диаметром эталонного тела соотношением ,li), где Н - высота эталонного тела и кадиллярно-пористых вкладышей}1)- эквивалентный диаметр эталонно;го тела,, В 4f/n/ f - площадь поперечного сечения эталонного тела; П - периметр эталонного тела.

На фиг. 1 представлено устройству вертикальный разрез; на фиг. 3 то же, вид сверху/ на фиг. 2 - принципиальная темловая схема устройства, выполненная .-посредством соединения термических сопротивлений в теплометрический мост.

Устройство содержит тепловлаготизоляционную .обойму 1, в которой установлены эталонное тело 2 и капиллярно-пористые вкладыши 3 с накладными датчиками 4 теплового потока и датчиками 5 температуры, высокотеплопроводное покрытие (серебро, медь) б, скрепленное с пластинчатыми нагревателями 7. Покрытие б расположено на торцевых поверхностях вкладышей 3 и эталонного тела 2, в под{рытие б встроен датчик 8 температуры. Кроме того, торцевая, поверхность эталонного тела 2, обращенная к вентиляционному потоку, снабжена высокотеплопроводным покрытием 9, аналогичным покрытием 10 снабжена торцевая поверхность капилляр но пористьах вкладышей 3.

Устройство, подключенное к вторичной аппаратуре, работает следующим образом.

Осуществляют прижим обоймы 1 с эталонным телом 2 и капиллярно-пористыми вкладышами 3 к поверхности исследуемого ела. При этом между эталонным телом 2 и исследуемым материалом, а также капиллярнопористыми, вкладышами 3 и исследуемым материалом возникает тепло- и массообмен, в результате которого значение эквивалентного коэффициента теплопроводности изменяется в зависимости от температуры и . влагосодержания, т.е.

ftt.w),

экв

где-1(х,11) - текущая температура, измеряемая датчиками 5 и 8, W - равновесная влажность.

По показаниям датчиков 5 и 8 и датчика 4 теплового потока фиксируется равновесное состояние эталонного тела 2 капиллярнопористых вкладышей 3 и исследуемого материала.

В соответствии с теорией потенциалов тепло- и массообмена через определенное время IK потенциалы массопереноса в и температуры исследуемого материала и капиллярно-пористых вкладышей будут одинаковы.

Величина эквивалентного коэффициента теплопроводности капиллярнопористых вкладышей принимает установившееся значение в момент Z / для которого рассчитываются всг теплофизические характеристики по зависимостям, аналогичным зависимостям, используемым в известном устройстве.

Однако в отличие от известнрго в предлагаемом устройстве возможно также определять локальный коэффициент теплоотдачи,

В соответствии с принципиальной ; тепловой схемой /фиг. 2) составляется система уравнений

,.

CVljHRn RH

,

Rn(«i+«c,,V(R.-Rc,

Отсюда формула для рассчета коффициента теплоотдачи имеет вид

«Ц,(i 47- c 43-CiC5(3,

1где

C,(R,4Rc),C2M/(R,Rc,,c,4R,tRc,V

Кроме того в известном устройстве эталонное тело и капиллярнопористые вкладыши представляют собой полуограниченные тела, т.е. боковая их поверхность тепловлагоизолирована, а линейный размер основания эталонного тела и вкладышей на порядок меньше их (эталонногч Tejfa и вкладышей) высоты Н(О,Н в 10 раз). Измерение ТФС на извест;ном устройстве составляет 3-4 ч. .

Для того, чтобы уменьшить постоянную времени, в изобретении высота

эталонного.тела и адекватная эталон-, ному телу высота капиллярно-пористых вкладышей соотносится с экви- , валентным диаметром как H:t)l:10, т.е. в отличие от известного уст ройства.Н в 10 раз.

Выполнение этого условия в предлагаемом устройстве позволяет уменьшить постоянную времени в 60 раз (как показали эксперименты), т.е.

О быстродействие устройства составляет 3-4 мин, так как при выбранном соотношении релаксация тЬмпе«ратурного и влажностного полей происходит практически одновременно

15 , - , «т

,

где LU - критерий Лыкова

0 c«w - коэ.ффициеит. потенциалоГ проводности

On- коэффициент температуропроводности. Введение в устройство единого

5 для торцевых поверхностей эталонного тела и капиллярно-пористых вкладышей температуровйравнивающего покрытия из высокотеплопроводного материала (медь, алюминий и T.n.J и скрепленного с этим покрытием нагревателя позволяет измерять тепловой режим на единой изотермической поверхности, образованной с помощью этого покрытия, и та- КИМ образом уменьшить погрешность

5 (экспериментальные данные) измерений в 7-10 раз. Такое снижение погрешности обусловлено также тем, что в известном устройстве, в отличие от предлагаемого,нагреватель

0 расположен на торце эталонного тела, и при включении нагревателя температурное поле капиллярно-пористых вкладышей искажается.

Введение в устройство температу5 ровыравнивакхцего покрытия торца

эталонного тела, омываемого вентиля|ц |1онным потоком, создает краевые {условия, единичные как для.эталонного тела, так и для капиллярно- . .

Q пористых вкладышей. Взаимодействие устройства с исследуемым телом через общую изотермическую поверхность и раздельный вывод тепловых потоков через эталонное тело и капиллярно-пористые вкладыии поз5воляет использовать в устройстве принцип теплотермического моста при этсм погрешность измерений снижается в 4-5 раз (так как относительное теплометрическое взвешивание, как известно, уменьшает общую приборную погрешность) .

Использование в устройстве теплометрического моста (фиг. 2) поз5 воляет измерять локальные коэффицивпты теплоотдачи без учета температуры вентиляционного потока, т.е. расширить диапазон определяе |Мых теплофиэических характериЬТИК. .

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет снизить погрешность измерений в 10-15 раз при одновременпоп повышении выстродейст1вия в 60 Е)аа.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, содержащее тепловлагоизоляционную обойму с установленными в ней капил;Лярно-пористыми вкладышами и эталон);ным телом с нагревателями, которые , снабжены накладными датчиками теплового потока и датчиками температуры, причем поверхность одного из вклады шей влагоизолиррвана, а их торцевые jповерхности снабжены общим высокотеп-. лопроводным покрытием, одно нз ко- , торых, контактирующее с исследуемым материалом, выполнено перфорирован ным, отличающее-ся тем, что, с целью уменьшения погрешности определения и расширения диапазона измеряемых паргилетров при одновременном повышении быстродействия устройства, торцевые поверхности эталонного тела снабжены высокотеплопроводными покрытиями, одно из которых лвляется общим для эталонного тела и капиллярно-пористых вкладышей и скреплено с нагревателем, причем высота эталонного тела и капиллярнопористых вклад1лией связана с эквива(Л лентным диаметром эталонного тела соотношением Н 0,1D, с где И - BbioOTa эталонного тела и капиллярно-пористых вкладышей; 0- эквивалентный диаметр эталонного тела, D « 4 1- площадь сечения эталонного тела/ П - периметр эталонного тела.

Фие.