Способ определения теплофизических характеристик материалов Советский патент 1990 года по МПК G01N25/18 

Изобретение касается тепловых испытаний, а именно измерения теплофизических характеристик материалов.

Цель изобретения - расширение области применения способа за счет использования при испытаниях сред с изменяющейся во времени температурой и расширение информативности за счет дополнительного измерения коэффициента теплоотдачи среды.

Сущность способа состоит в следующем.

Используют образец в форме пластины, цилиндра или шара. Термостатируют при исходной температуре. Перемещают

образец в среду с постоянным коэффициентом теплоотдачи с температурой, которая может монотонно изменяться во времени. Регистрируют изменения во времени температуры образца в двух точках на различных расстояниях от центра и температуры среды. Измерения ведут до момента установления температуры равновесия в системе образец - среда.

По полученным данным рассчитывают коэффициент температуропроводности а, кроме того, имеется возможность дополнительно рассчитать коэффициент теплоотдачи :

ел

ОЭ

со

о ьэ

СО

oi

1539629 Т, - Tc()K(x| - х2)

2(1+1) (xn - , 2AR J Т х, - Т d

а

(1)

(R - х2) J т(хг,3- Tcmi-df- (R - х) | fr х.,, - d,(2)

т.

х

1

где Т0 - температура термостатирования;

Тс - температура среды, JQ Т (со) - установившаяся температура среды}

Т - температура образца; х - расстояние от центра

образца до точек измере- ния температур (х., х); С - время

1 - параметр формы тела ( для пластины, 1 1 для цилиндра, 20 для шара)j R - расстояние от центра до

поверхности образца; Л - теплопроводность образца. Пример 1. Температуропровод- 25 ность железа и коэффициент теплоотдачи для спокойной воды определяли в температурном интервале (0-100)С с помощью железного шара радиусом R 5 см, в центре которого () и Q на поверхности () закрепляли две термопары, выводы которых подсоединяли к четырехканальному самописцу термографа. Шар выдерживали при Т0 100°С в температурно-регулируемой печи, а потом быстро помещали в ледяную воду, объем которой пятикратно превосходил объем шара, и регистрировали кривые охлаждения T( t), Т( t) и Тс(С) в течение 10- 15 мин, причем холодные спаи всех трех термопар помещали в другой сосуд с ледяной водой, сохранявший в течение опыта температуру 0°С. После стабилизации, температуры Воды, охлаждающей шар, определяли величину Тс(со). Она оказалась равной 14,Ь°С. Далее графически (с помощью планиметра) определяли площади, заключенные между кривыми охлаждения T(r.,0; t), T( t) для шара и кривой нагрева Tc(t) для воды.

Температуропроводность определяли

являющейся частным случаем формулы (2) для образца в форме шара. Значение оказалось равным 2000 Вт/м2К. Пример 2. Температуропроводность алюминия и коэффициент теплоотдачи спокойной воды определяли в температурном интервале (22-62)°С по теплофизической схеме примера 1 с помощью алюминиевой пластины с разме рами см, в центре которой Гi

(х ,0) и на поверхности (х г -ф бы

установлены термопары, выводы которых, как и вывод термопары, фиксирую щей изменение температуры Tc(t) среды, охлаждающей пластину, подсоединя ли к четырехканальному самописцу термографа. Пластину выдерживали при Т0 62°С и быстро помещали в воду с Тс(0) 22°С, объем которой пятикратно превосходил объем пластины, и в течение 10 мин снимали кривые охлаждения Т(х(0, t), Т(х2 1

и кривую нагрева Tc(t) относительно сосуда с водой, сохранявшей

- о t)

35

40

в течение опыта температуру Т5 22 После стабилизации температуры воды определяли ее величину Тс(«), оказавшуюся равной 28,Ь°С. Далее графически определяли площади S и S 4 меж ду кривыми Т(х,0, t) , T(xr -J, t) и кривой Tc(t) соответственно. Получено: а 82,4-Ю-6 м 1799 Вт.м-2 К .

о(

45

50

Положительный эффект способа - возможность проведения испытаний с использованием сред с изменяющейся в времени температурой, что расширяет область его применения. Кроме того, положительный эффект состоит в расши рении информативности способа-прототипа: помимо температуропроводности имеется возможность измерения коэффициента теплоотдачи среды.

по формуле (1). Значение а для железа получилось равным 21, ЫО 4м2 с .

-

Коэффициент теплоотдачи воды опре деляли по формуле (2)

R

(1)

являющейся частным случаем формулы (2) для образца в форме шара. Значение оказалось равным 2000 Вт/м2К. Пример 2. Температуропроводность алюминия и коэффициент теплоотдачи спокойной воды определяли в температурном интервале (22-62)°С по теплофизической схеме примера 1 с помощью алюминиевой пластины с размерами см, в центре которой Гi

(х ,0) и на поверхности (х г -ф бы

установлены термопары, выводы которых, как и вывод термопары, фиксирующей изменение температуры Tc(t) среды, охлаждающей пластину, подсоединяли к четырехканальному самописцу термографа. Пластину выдерживали при Т0 62°С и быстро помещали в воду с Тс(0) 22°С, объем которой пятикратно превосходил объем пластины, и в течение 10 мин снимали кривые охлаждения Т(х(0, t), Т(х2 1

и кривую нагрева Tc(t) относительно сосуда с водой, сохранявшей

- о t)

в течение опыта температуру Т5 22 С. После стабилизации температуры воды определяли ее величину Тс(«), оказавшуюся равной 28,Ь°С. Далее графически определяли площади S и S 4 между кривыми Т(х,0, t) , T(xr -J, t) и кривой Tc(t) соответственно. Получено: а 82,4-Ю-6 м 1799 Вт.м-2 К .

о(

5 Q 45

50

55

Положительный эффект способа - возможность проведения испытаний с использованием сред с изменяющейся во времени температурой, что расширяет область его применения. Кроме того, положительный эффект состоит в расширении информативности способа-прототипа: помимо температуропроводности имеется возможность измерения коэффициента теплоотдачи среды.

Способ может найти применение при массовых измерениях теплофизических свойств материалов и при оценке теплоотдачи охлаждающих сред.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в том, что термостатируют образец при исходной температуре и измеряют эту температуру, перемещают его в среду с постоянным коэффициентом теплоотдачи, регистрируют изменение во времени температур в двух точках образца ностоящих от его центра, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых образцов и расширения информативности за счет дополнительного измерения коэффициента теплоотдачи, регистрируют изменение температуры среды во времени, а искомые величины определяют по соотношениям

(Х-ТсС-) Сх| -

2(1+1)- {Т(Х,, ,

Изобретение относится к области тепловых испытаний, а именно к измерению теплофизических характеристик материалов. Цель изобретения - расширение области применения способа за счет использования при испытаниях сред с изменяющейся во времени температурой и расширение информативности за счет дополнительного измерения коэффициента теплоотдачи среды. Используют образцы в форме пластины, цилиндра или шара. Термостатируют образец при исходной температуре. Помещают его в среду с постоянным коэффициентом теплоотдачи. Допускается монотонное изменение температуры среды за счет ее теплообмена с образцом. Регистрируют изменение температуры образца в двух точках и изменение температуры среды. Положительный эффект способа - возможность проведения испытаний в средах с изменяющейся температурой, а также возможность получения дополнительной по сравнению со способом- прототипом информации - коэффициента теплоотдачи среды.

2 Л R У - - d

(R - X,) J - Tc(T)Jdr- (R2 - Xj)j .,3- ТС(€))Л

Ол1

де а - температуропроводность

материала, о( - коэффициент теплоотдачи среды,Вт. Т0 - температура термостатирования;

Тс температура среды; Тс (оо) - установившаяся температура средыj

Т - температура образца X,, Х - расстояния от центра

образца до точек изме0

5

f

R Лрения температур образца (X , Хг);

-время ;

-параметр формы тела (i 0 для пластины, i 1 для цилиндра, для шара); расстояние от центра до поверхности образца;

теплопроводность образца,