Способ определения коэффициента температуропроводности материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области определения теплофизических свойств материалов в условиях кратковременного интенсивного нагрева (охлаждения) и может быть использовано в ма шиностроении, приборостроении, на транспорте и в ряде других отраслей промышленности. Известны нестационарные способы определения коэффициента температур проводности, при которых измеряют температуры в одной или нескольких характерных точках внутри образца или на его поверхности, после чего искомую величину находят вычисление по соответствующим формулам ClJНапример, если условиями экспери мента предусмотрено, что образец мо но рассматривать как полуограничеяное тело и на его поверхности поддерживается постоянная температура, тогда распределение температуры в образце определяется из выражения (z,(, 0) где-гЯ - температура-, - начальная температура, п температура поверхности; Z - текущая координата-, сх - коэффициент температуропроводности;i - время. Если образец рассматривать как полуограниченное тело, и его поверх ность нагревается постоянным тепловым потоком интенсивностью cj,, тогда распределение температуры в образце определяется из выражения IcvVciT U,i)o. где - коэффициент теплопроводност tj, - плотность теплового потока а если как неограниченную теплоизол рованную с одной стороны пластину, другая поверхность которой нагреватепловым потоком ( ется постоянным t Фурье FO 0,3 растогда при числах гр пределение температурьГ в образце оп ределяется из выражения c.(it-|- i). W где Ь - толщина пластины. Недостатком известных способов определения коэффициента температуропроводности является трудность в условиях кратковременного нагрева воспроизведения граничных условий (1 ьоп5-1 ; q, . Кроме того, формулы (2 ) и (3 ) помимо искомой величины С5| содержат неизвестную А . Наиболее близким к изобретению . по технической сущности и достигаемому результату является способ определения коэффициента температуропроводности материалов путем кратковременного интенсивного теплового воздействия на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности, противолежащей подвергаемой теплово{4у воздействию 21. Однако при реализации известного способа необходимо точно определять величину теплового потока, вводимого в образец. Кроме того, расчетная формула содержит в качестве неизвестных удельные теплоемкость и пло1:ность исследуемого материала, которые в свою очередь зависят от распределения температуры. Все это приводит к низкой точности определения коэффициента температуропроводности материала в условиях кратковременного интенсивного нагрева образца. При кратковременном интенсивном тепловом воздействии на материал его коэффициент температуропроводности существенно зависит от условий нагрева поверхности образца, которые на практике могут быть любыми и в том числе заранее не прогнозируемы- . ми и отличающимися от граничных условий, заложенных в теорию известных способов. Между тем в первые моменты нагрева (сотые и десятые доли секунды ) происходит существенное (в несколько раз) изменение коэффициента температуропроводности, числовые значения которого зависят от характера изменения нестационарного температурного поля, а следовательно, и от характера теплового воздействия на поверхность образца. Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента температуропроводности в условиях непрогнозируемых кратковременных длительностью 0,03-10 с тепловых воздействий. Цель достигается тем, что при способе определения коэффициента тем пературопроводности материалов путем кратковременного теплового воздействия на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной тем пературы и изменений температуры во времени в фиксированной точке образца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воздействию, изменения температуры вовремени измеряют в процессе нагрева на поверхности, подвергаемой тепловому воздействию, и в дополнительных фиксированных точках внутри образца, разноотстоящих от нагреваемой поверхности, после чего искомую вели чину определяют по формуле где t - время с момента начала теплового воздействия-, ч - коэффициент температуропроводности материала за время { ; R(-t) - площадь под кривой приращения температуры по длине образца -в момент времени -t-, (ji - площадь под кривой среднего температурного градиента по длине образца в момент време ни t Таким образом, при предлагаемом способе, как и при известном, образец подвергают кратковременному тепловому воздействию, регистрируют его начальную температуру и изменения температуры во времени в процессе Сеплового воздействия в фиксированной точке внутри образца и на поверхности, противоположной на- греваемой. Но в отличие от известно го, при предлагаемом способе в образ це устанавливают на два термопреобразователя, а несколько - в том числе на нагреваемой поверхности, на поверхности, противоположной нагреваемой, и в дополнительных фиксированных точках в различных по толщине сечениях образца, регистрируя тем самым нестационарное температурное поле и температурный градиент по дли не образца. При длительности тепловых воздействий в сотые и десятые доли секунды можно пренебречь тепло24отдачей в окружающую среду и рассматривать распространение тепла в образце как одномерное, а при более длительном нагреве образец теплоизолируют с боковых сторон (т.е. вдоль его длины ) и ненагреваемого торца. Изменение температурного поля по толщине образца имеет информацию об аккумулированном образцом к заданному моменту времени i количестве тепла ft ), которое определяется из выражения a«,Ct)c((,t). , (5) где cCt) , pU) средние з.начения теплоемкости и плотности образца за время нагрева i i площадь поперечного сечения образца-, 5(г,1) йлощадь под экспериментальной кривой приращения температур по длине образ-; ца, которую обозначаем как Sl(t) . Поделив левую и правую части уравения (.5) на Si и учитывая .Wti«-i. олучаем выражение для среднего уделього теплового потока в образце за ремя t. ,4-1) Если экспериментальные распредеения температур 9(2,t), при фиксиро анных -t продифференцировать (это ожно делать, например, графически), олучаем зависимости (2,t)« Площадь dZ ОД этими кривыми г; фиксированные оменты времени равна j||-(Z.i)cIZ Среднее значение температурного градиента в образце в фиксированный момент времени -t определяется отношением (эл Ч а ЧЭ Z /ср Ъ Среднее значение температурного градиента в образце за время опред ляется из выражения . Urn/ 1 где V it) площадь под соответству щей экспериментальной к / Эг)- да момент в мени t . Если известен/5гас1г -(ср ,fo велич ну ((t) можно также найти из выраж ния 4Ct) Ht))- (т) Приравняв правые части уравнений (6) и (7 ), получаем ..iUil Теким образом формула (8 ) содер жит лишь экспериментальные данные Ж)-и VC-t). Раскроем ее физический смысл. Для этого, умножая и де числитель и знаменатель правой час ти уравнения (8 ) на bt , получаем „bfclilbye rrtJiAJ H«)-. ср - среднее прира цение температуры по всему об

му образца.

Следовательно, коэффициент температуропроводности материалов в условиях кратковременного интенсивного нагрева является функцией среднего приращения температуры по всему объему образца, среднего температурного градиента и времени нагрева -t . Чис- /

В остальных сечениях температура измеряется термопреобразователями, сваренными встык, диаметр горячего спая 0,10-0,12 мм. Горячие спаи устанавливаются в пазы шириной 0,15мм и глубиной 0,5 мм, прорезанные на боковой поверхности образца, и зачеканиваются отожженой медью. На ловые значения площадей K(tl и t(t) в каждый момент времени зависят от характера теплового воздействия на поверхность образца. Формулы (8 ) и (9 ) в теории теплотехнического эксперимента являются новыми, они справедливы и для случая кратковременного интенсивного охлаждения образца. Ценность информации о а заключается в том, что она позволяет анализировать способность образца из .заданного материала в конкретных условиях: в условиях кратковременного нагрева - поглощать теплоту, кратковременного охлаждения - отдавать теплоту. Пример. Определяют с( в условиях кратковременного фрикционного нагрева с торца цилиндрического образца диаметром 6 мм и высотой 9 мм из титана марки ВТ-1, .контактирующего с боковой поверхностью диска диаметром 300 мм из стали 1Х18Н10Т. Диск вращается с постоянной угловой скоростью, скорость скольжения V 25 м/с, удельная нагрузка на номинальную площадь контакта Рд 0,3 Па, полное время процесса трения t 9 с, число Фурье изменяется в пределах F 0-1. Такие условия испытания поэволяют рассматривать температурное поле в образце за время нагрева как одномерное, теплоотдачей в окружающую среду можно пренебречь. Однако средний удельный тепловой поток, направленный в образец, на границе контакта q,(0,-t) неизвестен, теоретическое распределение температуры по высоте образца тоже неизвестно Измерение температурного поля проводится пятью медьконстантановыми термоэлектрическими преобразователями в сечениях: Z О, 2 Д 0,15 мм; 2 й 0,5 мм; Z-Л 3 ММ) 2 Ъ 8,85 мм. Диаметр термоэлектродов 0,1 мм. Измерение температуры на поверхности трения (в сечении Z 0) производится истирающимся термопреобразователем. ружная поверхность и противоположный орец образца теплоизолируются стеклонитью, которая в дальнейшем пропитывается эпоксидным клеем. Таб личное значение коэффициента температуропроводности теплоизоляции на два порядка меньше коэффициента температуропроводности титана. Предварительные иЬследования динамических характеристик термопреоб разователей показали, что в исследуемом температурном интервале достоверными являются результаты измв рений температур, начиная с момента времени i 0,03 с. При этом максимальная погрешность измерений в момент времени t 0,03 с не превыша328ет 5%. С течением времени эта погрешность уменьшается (при i 0,05 с она уже менее 1%). Регистрация температуры осуществляется светолучевым осциллографом. На фиг.1 представлены экспериментальные распределения температур в образце-, на фиг.2 - температурные поля по высоте образца в фиксированные моменты времени и изменение температурного градиента по высоте образца в фиксированный момент времени 4 1 С , на фиг.З - изменение среднего температурного градиента в образце за период времени t. Результаты обработки экспериментальных данных даны в таблице.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФЙЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ путем кратковременного интен сивного теплового воздействия на од ну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воздействию, о тличающийся тем, что, с целью повьппения точност определения коэффициента температур л 253 проводности непрогнозируемых кратковременных тепловых воздействий, изменения температуры во времени измеряют в процессе нагрева на поверхности, подвергаемой тепловому воздействию, и в дополнительных фиксированных точках внутри образца, разноотстоящих от нагреваемой поверхности, после чего искомую величину определяют по формуле где i время с момента-начала теплового воздействия, 01 - коэффициент. температуропроводности материала за время t j RCt) - площадь под кривой приращения температуры по длине образца в момент времени -t ; V(i)- площадь под кривой среднего температурного градиента по длине образца в момент времени i.

74,4 77,8

104

152

154

141

128

.800

2400

27,5

7

26,3

5100

15 17 44 75 91

8500

9000

9000

17,2

16,6

П700

23500

14300

57300

М ,7

90100

15020

9,0

4800 112

7,5

14970

z,w