Способ определения теплопроводности материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

10

С

Способ определения теплопроводности материалов относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям. Сущность способа заключается в Следующем: на теплоизолированную за счет охранного кольца поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела воздействуют источником тепла. Измеряют мощность теплового источника и разность температур в двух точках, расположенных под Охранным кольцом на заданном расстоянии друг от друга в радиальном направлении по отношению к источнику тепла, а теплопроводность определяют с учетом величины радиуса теплового источника,

Изобретение относится к технической физике, в частности к теплофизическим измерениям.

Известен способ измерения коэффициента теплопроводности, состоящий в создании перепада температуры на плоском образце за счет его теплового контакта с двумя средами разной температуры, измерении в квазистационарной стадии опыта лерелада температуры на образце и скорости изменения температуры одной из поверхности образца, при этом на верхней поверхности образца выделяют и изменяют мощность, обеспечивающую нулевую разность температур между нею и контактирующей с ней средой, дополнительно измеряют скорость изменения температуры на нижней поверхности образца и рассчитывают коэффициент теплопроводности по соответствующей формуле

Недостатками известного способа являются: необходимость нарушения целостности исследуемого тела (надо изготовить плоский образец); малое быстродействие: требуется выждать время установления нулевой разности температур между верхней поверхностью образца и контактирующей средой; большая трудоемкость: необходимо наличие двух сред разной температуры, измерение перепада температур на образце и скорости изменения температуры на обеих поверхностях образца.

За прототип принят способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, состоящий в тепловом воздействии на теплоизолированную поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела от источника тепла, измерении времени достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности тела rmax,

vi

00

4

00 00

о

тепла Q

принято постоянным за

измерении мощности источника тепла, при этом обеспечивают постоянную мощность W источника тепла, до момента достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности, затем мощность источника тепла изменяют обратно пропорционально корню квадратному из времени и замеряют величину максимальной избыточной температуры в точке приложения источника тепла Т0 max, а искомые теплофизйческйй характеристики определяют по соответствующим формулам с учетом измеренных W0, rmax и Tmax.

Недостатками способа являются малая точность, так как не учитываются размеры источника тепла (он принят точечным); в течение времени достижения максимальной температуры удельное количество

Ж

j .счет поддержания постоянства мощности

источника тепла; в действительности же температурное поле претерпевает искажения из-за краевого эффекта (отклонения от плоской формулы), следовательно, изменяется площадь изотермической поверхности, что приводит к непостоянству величины Q; возможно влияние излучения источника тепла на термопары, замеряющие соответствующие температуры; малое быстродействие из-за необходимости ожидания времени достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что теплоизолированную за счет охранного кольца поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела воздействуют источникомчтепла, проводят температурные измерения в заданных точках поверхности, измеряют мощность Q теплового источника, кроме того, измеряют разность температур Л Т в двух точках, расположенных под охранным кольцом на расстоянии х друг от друга в радиальном направлении по отношению к источнику тепла, а теплопроводность определяют по следующей формуле с учетом величины радиуса R теплового источника

. Я ДТ-R х

л irfoi .TX + 1.24R Вт

х 0.168 In . , в /

Лх +5,04 R м . о

Наличие совокупности существенных признаков: измерение разности температур в двух точках, расположенных под охранным кольцом на определенном расстоянии друг от друга, учет величины радиуса теплового источника обеспечит повышение

точности измерения.

Сущность способа заключается в следующем.

На теплоизолированную за счет охранного кольца поверхность исследуемого тела

0 устанавливают торцовой поверхностью цилиндрический источник тепла и сообщают последнему постоянную мощность. Затем измеряют разность температур в двух точках, расположенных под охранным кольцом

5 на определенном расстоянии друг от друга в радиальном направлении, кроме того, измеряют мощность теплового источника. Зная значение этих параметров, определяют теплопроводность с учетом величины

0 радиуса теплового источника по соответствующей формуле.

Согласно закону Фурье количество теплоты, проходящее в единицу времени через площадь Ризотермической поверхности

5

Q--A F

dT

(О

W8T

где п - нормаль к изотермической поверхности.

0 Обычно при пользовании формулой (1) считывают площадь F постоянной благодаря применению охранного кольца. Однако в действительности это условие не выполняется вследствие краевого эффекта, приводя5 щего к искажению температурного поля (отклонению его от плоской формы).

Изотермическая поверхность проходит по исследуемому телу как непосредственно под источником тепла в виде постоянной

0 торцовой поверхности цилиндра радиуса R, так и проникая под охранное кольцо и распространяясь в виде части увеличивающейся поверхности тора радиуса г. Очевидно, R const, a r - непрерывно воз5 растающая величина.

Найдем соотношение для расчета площади F изотермической поверхности. Элемент поверхности тора равен

50

dFT r-f.

(2)

тогда F я R2 + оТт 2 ar(R + -Ј-). (3)

55 Подставляя (2) в (3), найдем искомую площадь:

+ л2 Rr +

(4)

Подставляя выражение (4) в (1), получим

0 -А(ЯЯ2+ )-Јf. Разделим переменные: -/dT

Q./.dr

Тп л,2,

--jrRr + R2

(5)

В соотношении (5) интеграл можно свести к табличному, введя следующие обозначения

а -у-; b - JtR; с R2; г х; Д 4ас - Ь2 - ttR2(2 - л} 0.

Тогда решение уравнения (5) будет иметь вид

А Q 1. 2 эх + ь - V -А Q ir ln2ax-fb+v/-A I

J JTx + JTR - R (Я - 2 )

RVjr(rc-2) ШЛх+7ГР-яУлг(я-2)

- Q . t . ЛГх + 1,24 R Яя 1.9 R ЛГх -f-5,04R

т.е. Д Т

Q . mfiflin TX + 1.24R ,ftv TIT ° 1681пях+5,04Р )

Из соотношения (6) получаем окончательное расчетное соотношение для коэффициента теплопроводности

/

1 Q -mftoin Ях + 1.24 К /чч Я AT-R °-168|п ях4-5,04Р

где А Т - разность температур в двух точках поверхности исследуемого тела, отстоящих друг от друга на величину базы х в Ј5

Ю

,5

15

0

0

5

радиальном направлении. Целесообразно базу х выбирать под охранным кольцом: это позволит устранить влияние излучения источника тепла на термопары, замеряющие величину А Т.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ обладает более высокой точностью вследствие учета размеров источника тепла, действительной величины изотермической поверхности и исключения влияния теплового излучения на результаты измерения температуры.

Кроме того, предлагаемый способ характеризуется и большим быстродействием, так как исключает необходимость ожидания времени достижения максимальной избыточной температуры в заданной точке поверхности.

Технико-экономическая эффективность способа вытекает из повышения точности измерения.

Формула изобретения

Способ определения теплопроводности материалов, состоящий в тепловом воздействии на теплоизолированную посредством охранного кольца поверхность полубесконечного в тепловом соотношении исследуемого тела, температурных измерениях в заданных точках поверхности, измерении мощности источника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, измеряют разность температур в двух точках, расположенных под охранным кольцом на заданном расстоянии друг от друга в радиальном направлении по отношению к источнику тепла, а теплопроводность определяют с учетом радиуса теплового источника по формуле

А

Q

AT- R

0,168 In

лгх + 1.24 R Ях +5,04 R

где Q - мощность теплового источника, Вт; Д Т - разность температур, С; R - радиус теплового источника, м.