Устройство для определения теплофизических характеристик зернистых материалов Советский патент 1990 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизи- ческим измерениям и может быть использовано для определения и контроля теплофизических свойств зернистых материалов.

Целью изобретения является повышение точностя измерения теплофизических характеристик зернистых материалов за счет замены температурных измерений теплопоточными.

Введение в конструкцию устройства двух дополнительных измерительных ячеек позволяет определить теплофизичес- кие характеристики исследуемого материала методом компарирования со стандартными образцами.

На фиг.1 приведена схема устройства; на фиг.2 - схема многослойной пластины (измерительной ячейки).

Устройство состоит из четырех измерительных ячеек, образованных парами тепломеров 1 и2, Зи4, 5и6, 7 и 8, смонтированных соответственно на обращенных друг к другу поверхностях холодильника 9 и нагревателя 10, в которые вмонтированы-датчики 11 и 12 температуры, используемые для регулирования режимов термостатирования и определения температуры отнесения по- , лученных результатов измерений. Нагреватель 10 установлен в полости, образованной внутренними стенками холодильника 9. Для задания величины зазора между тепломерами 1 и 2, 3 и 4, 5и6,-7и8в устройство введены съемные плоские диетакционирующие пластины 13 и 14, изготовленные из материалов, аттестованных в качестве

ЪаяА

ел

ЬшД

ьЈь 00

образцовых мер теплопроводности и Теплоемкости. Измерительные ячейки , разделены между собой съемными тепло- влагоизоляционными вкладыйами 15. В рабочем положении ячейки, образованные тепломерами 1 и 2, 3 и 4, помещают исследуемый зернистый материал 16. йри аттестации устройства в эти ячейки, т.е. образованные тепломерами 1 Л 2, 3 и 4, помещают съемные стандартные образцы, которые выполнены в виде пластины из материала, аттестованного 4 качестве образцовой меры теплопро- 4одности и теплоемкости.

Устройство работает следующим образом.

При установке нагревателя 10 в г|олость холодильника 9 в измерительные ячейки, образованные тепломерами f и 6, 7и8, помещают диетакционирующие пластины 13 и 14 равной толщи- Йы, прижимают их подвижным нагревате- 4ем 10 к холодильнику 9. Затем встав- Ляют теплоизоляционные вкладыши 15 н ячейки9 образованные тепломерами 1 и 2, 3 и 4, засыпают исследуемый Дернистый материал 16, обеспечивая при этом одинаковую плотность образцов Задают постоянную и одинаковую ркорость изменения температуры нагре- )ателя 9 и холодильника 10 и по ре- Йультатам измеренных плотностей теп- Лового потока рассчитывают искомые ве Йичины по формулам

Ан0вр Usj-qJ j- (Q +Яй) Тн, аТ ТаГ+ Й

(1)

,0 (cn) JLS2- . ;

foe (C

Ъ

А Н06Р .

(2)

06 ТНрТГ&н

i U ) 4 зналДЦаг аь -з г+айЙ

Tq,-qJ-rq -qJlL i+q J-1-Tq,

50

(3)

де fy - эталонная теплопроводность; ср- объемная теплоемкость; а - температуропроводность; q . плотность теплового потока; i - номер тепломера (1,2„.,.8) 5 UH06p f Н|Нй| - разность толщины образцов 16 исследуемого материала;

0

5

0

5

(-НЭ1| - эталонная разность толщины дистанционирующих пластин 13 и 14.,

Расчетные формулы (1) - (3) получают из решения задачи нестационарной теплопроводности при двухстороннем нагреве неграниченной однородной пластины толщиной 2Н с неизменяющейся разностью температур ее поверхностей (т.е. При нагреве в квазистационарном тепловом режиме) при следующих начальных и граничных условиях:

Т(х,Ј 0) Т02 +0,5(Т0,-Тог)(1+ Ј)-,

Т(х Н,Ъ) Т0,+ b-tr ; (4)

т(х -н,)т02+ ь-г;

где T0t, TQ - начальные значения температуры поверхностей пластины;

Ъ - скорость изменения температуры;V - время;

х - координата по толщине пластины.

Решение уравнения нестационарной

теплопроводности при 2 для температуры и температурного градиента в сечении (X х/Н) имеет вид

ън2 Т(х/г) 0,5(Т0,+Т02) + 22 (F0 - 0,5) +

+ 0,5(T01-TnJ x + gV- .

L0l -Qt

2a

0

5

0

5

T«- T02

Ъ-Н

2H

x

(5)

Каждая из измерительных ячеек устройства в рабочем состоянии представляет собой симметричную относи- тельно принятого начала координат многослойную пластину (фиг.2), установленную между холодильником 9 и нагревателем 10 и состоящую из последовательно расположенных контактного слоя 17 толщиной hч и температуропроводностью а, между холодильником 9 и соответствующим тепломером 1 (или 3,5 и 7) толщиной hn и температуропроводностью а2, контактного слоя 18 толщиной Ь5 и температуропроводностью а, между тепломером 1 (или 3,5 и 7) и исследуемым материалом 16 (или эталонным материалом дистанционирующих пластин 13 и 14), слоя материала толщиной 2h). и температуропроводэкв

51545148

ностью а. (исследуемого 16 или эта- ны толщиной 2Н лонного 13 или 14), контактного слоя времени 19 толщиной hj и температуропроводностью а между материалом 16 (или „. .Т(НЭКВ ,Ј) - Т(-НЭК6,Ј) Ј--

Л э(с в

x(q,, +

в каждый момент

Н:

5

13 и 14) и тепломером 2 (или 4,6 и 8), (9)

тепломера 2 (или 4,6 и 8) толщиной Ьг нэка

и температуропроводностью а, и кон- /-, „

on -n.Согласно выражению (7) для каждой

тактного слоя 20 толщиной h. и темпе-„

измерительной ячейки можно записать

ратуропроводностью а, между тепломе- in ,ч.

X / 7 ти формулу для расчета эквивалентной пором 2 (или 4,6 и 8) и нагревателем 10.

Для расчета температур и плотностей теплового потока в многослойной пластине воспользуемся решением (4) и (5), полученным для однородной тины, заменив действительные толщины эквивалентными исходя из соотношения

oepi

51 $1мй. , i 1,2,3,4,

экв

h(6)

9Ke a,j, с учетом (6), полу-

Если а

чаем следуюп ее выражение эквивалентной полутолщины Нэкь рассматриваемой многослойной пластины

НЭКБ - ЬГ

+ Чг1 и

(7)

При нагревании в квазистационарном тепловом режиме распределение плотностей теплового потока по толщине однородной /эквивалентной) пластины линейное, а сумма плотностей теплового потока в сечениях, равноудаленных от геометрического центра пластины и имеющих координаты х и х2 -х , является величиной постоянной, что следует из подстановки знаЗТчений величины х- при х х и

х х в сумму

q(x,)+q(xe) Ц(Г9-1)) +

+ (-Э-хУ; q(xj + q(x2) ne. (8)

ПЭК6

где 7v ЭК6 9v4 .

Из уравнения (4) с учетом (8) полу чаем выражение разности температуры на поверхностях эквивалентной пластиэкв

Т(-НЭК6,Ј) Ј--

в каждый момент

ЈН:

н в

oepi

20

.M lf+h«ePi UH06P5 Hj...Zh:J +b9li

ЭК в HI

пэкв iv L.

i-h:-f-a76+h + (Ш)

где ho6P,ho6pz- полутолщины исследуемых образцов;

h9l, - полутолщины эталонных образцов.

После подстановки значений эквивалентных полутолщин измерительных ячеек из выражения (10) в (9) получаем систему уравнений

h. h

(Т т ) 71 a; ho6P, lTM-Tx i7Г

Л

ОБО

40

4S

50

где Тни Тх - температуры нагревате- 55ля и холодильника, измеряемые посредством датчиков 12 и 11 температуры;

V

- плотности теплового потока, измеренные посредством тепломеров 1.0.8;

ospi э теплопроводности исследуемого (16) и эталонного (13 и 14) образцов которые для своих ячеек играют роль

ЧЬкв.

Решив систему СИ) относительно Л|бр получаем формулу (1) для расчета теплопроводности исследуемого зернистого материала при нагревании в ква- з гстационарном режиме в заявляемом устройстве.

Используя уравнение (5), записываем выражение для расчета разности плотностей теплового потока в рав- н удаленных от геометрического центра сучениях однородной пластины, т.е. -- -:,:

Bix( и х, для которых xci х, а(Х(),. q(xa) :H(x.)

ср-Ъ-2Ц-х,

(12)

Так как в нестационарном режиме тепломер измеряет плотность теплового потока, проходящего через его гео

,

метрический центр, измерительную ячейку предлагаемого устройства рассмат- решаем как многослойную пластину тол- псиной, равной расстоянию между гео- Метрическими центрами тепломеров в

ячейке. i

Используя введенное выше понятие эквивалентной полутолщины (7), запи- с гааем для каждой измерительной ячей- кй значения величины Нх., входящие в формулу (12).

+ UHpsp ;

52 + h ая

Э1

5

аэкв

а

-f-D+h3t+ №,. (13)

После подстановки выражений (13) в (12) получаем систему уравнений

1, ьввр|;

2(ср)ОБр. ъф

15-

,б 2(ср)э.ъ(™ +

47 - 1;

2(срХ,.

(14)

2Q

25

30

35

0

45

50

5

Решив систему уравнений (14) отнот сительно (ср)ОБр, получаем формулу (2) для расчета объемной теплоемкости исследуемого материала. Исходя из формул () и (2) и соотношения а0ер оБр/(ср) олучаем формулу (3) для расчета температуропроводности исследуемого образца.

Из анализа формул (1) и (3) следует,,что для определения теплофиэи- ческих характеристик не требуются измерения малых изменений температур в пространстве и во времени, что позволяет повысить точность определения теплофизических характеристик материалов.

Положительный эффект от внедрения предлагаемого устройства достигается за счет повышения точности измерений благодаря введенным дополнительным, измерительным ячейкам, которые позволяют определить теплоемкость и теплопроводность методом компари- рования со стандартными образцами и исключить влияние контактных термических сопротивлений и контактных емкостей,,

Поверка устройства осуществляется по стандартным образцам, при этом погрешность не превышает удвоенной погрешности аттестации образцовых мер. Формула изобретения

Устройство для определения тепло- физических характеристик зернистых материалов, содержащее две плоские измерительные ячейки с регулируемой шириной зазора для размещения образцов, каждая из которых образована парой параллельно установленных тепломеров, один из которых размешен на общем

нагревателе, а второй - на холодильнике, и снабженных.датчиками температуры, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения искомых характеристик, в устройство дополнительно введены две аналогичные имеющимся измерительные ячейки,,тепломеры которых установлены перпендикулярно тепломерам

имеющихся ячеек, в одну из пар взаимно перпендикулярных ячеек введены съемные дистанционирующие пластины разной толщины из эталонного материала, нагреватель и холодильник выполнен общими для всех ячеек, разделенных между собой тепловлагоиэоля- ционными вкладышами, причем нагреватель выполнен подвижным.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения и контроля теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности зернистых материалов. Целью изобретения является повышение точности определения искомых характеристик за счет замены температурных измерений теплопоточными. Для этого в устройство дополнительно введены две аналогично имеющимся измерительные ячейки с тепломерами, которые установлены перпендикулярно тепломерам в имеющихся ячейках. В одну из пар взаимно перпендикулярных ячеек введены пластины разной толщины из эталонного материала, а нагреватель и холодильник выполнены общими для всех ячеек. 2 ил.

К

V 3

Фиг.1

9 /17 ,18

/

1ty(S)(D

16(3)(1ti Фие.2

19

гШШ)