Способ определения теплофизическихХАРАКТЕРиСТиК зЕРНОВыХ МАТЕРиАлОВ Советский патент 1981 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям, а именно к способам определения теплофизических характеристик зерновых материалов. Известен способ для определения теплофизических характеристик зернистых материалов, предусматривающий размещение образца и этгшона одинаковой толщины между нагревателями и холодильником с соответственно равными температурами. При этом плотности установившихся через образец и эталон тепловых потоков определяются их теплопроводностями 11. Однако данный способ пригоден лиш при равенстве термических сопротивлений контакта образца и эталона с греющими поверхностями. Кроме того, система регулировки температур сложна, что затрудняет проведение опыта Способ позволяет определять только коэффициент теплопроводности образцов. Ближайшим по техническому решению является способ попеременного опреде ления теплопроводности и объемной теплоемкости материалов в плоском слое в стационарных и переходных тепловых режимах. Информации, непрерывно получаемой с помощью датчиков температуры и плотности теплового потока, размещенных в плоскостях контакта образца с нагревателем и холодильником, вполне достаточно для определения искомых характеристик 121. Однако, в связи с непостоянством контактных термических сопротивлений при исследовании зернистых материалов, способ не находит применения. К тому же здесь необходимо учитывать балластные термические сопротивления и емкости. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения влияния контактных и балластных термических сопротивлений и емкостей. Эта цель достигается тем, что тепловым потоком воздействуют одновременно на две пробы исследуемого материаша разной толщины, размещенные между одним изотермическим нагревателем и двумя изотермическими холодильниками, поддерживая при этом неизменной температуру нагревателя, а также равными и неизменными температуры холодильников, т .е. одинаковый перепад температур на пробах, получают стационарный тепловой режим, измеряя эти температуры и плотости тепловых потоков,пронизывающих аждую пробу, рассчитыван)т коэффи- иент теплопроводности исследуемогс атериала. Изменив температуры наревателя :л холодильника на один и от же заданный временной интервал, .е. произведя переходный тепловой ежим и измерив накопление тепла кажой пробой, определяют объемную тепоемкость .

На фиг.1 изображена схема размеиения образцов, нагревателя и холодильников; на фиг.2 - график изменения теплофиэических характеристик.

Между нагревателем 1 и двумя зсолодильниками 2 размещают пробы образца 3 и 4 разной толщины. На рабочих поверхностях нагревателя 1 и холодильников 2 в виде пластин 5, либо каким нибудь иным образом, смонтированы датчики 6 теплового потока и 7 температуры.

Измерения проводят следующим образом.

Размещают пробы образца 3 и 4 в ячейках устройства. Термостатируют нагреватель 1 и холодильники 2 при заданных температурах t и tj , при этом устанавливается стационарный тепловой режим, характерными тем,что плотность теплового потока для каждой пробы неизменна по толщине и во времени. Сигналы всех датчиков записывают в функции времени. Вид графика показан на фиг.2, где 1 - температура нагревателя, 2 - температура холодильников, 3 - средняя температура обеих прЬб, 4 - плотность теплового потока через большую пробу, 5 - плотность теплового потока через меньшую пробу. Количества тепла, накопленные большей и меньшей пробами, обозначены соответственно б и 7.

По даннЕлм начального стационарного режима (период 1, фиг.2) составляем систему уравнений

a.t и .,. «

rit « о 1 .

где q и q - плотности тепловых потоков через большую и Меньшую пробы; h и h - толщины проб ; At - перепад температур

между нагревателем и

ХбЛОДИЛЬНИКс1МИ .

Суммарные контактные и балластные термические сопротивления для обеих ячеек одинаковы (R Rj ) . Решение системы дает следующую формулу для определения коэффициента теплопроводности образца

(h-h)

(2) At Ц-Я/

Таким образом, величины контактных и балластных термических сопротивлений исключены из расчета.

, Далее (период П, фиг.2) производят изменение температур нагревателя, и холодильника на одинаковый интервал. При этом пробы начинают поглощать тепло, что выражается увеличением плотности теплового потока на входе тепла в слой и уменьшением на выходе. При достижении нагревателем и холодильником заданных температур происходит стабилизация теплового режима (период и , фиг.2). Плотности теплового потока на слое выравниваются, и наступает конечный стационарный тепловой режим (период у , фиг.2), по данным которого рассчитывают коэффициент теплопроводности. Линии плотностей теплового потока на входе и выходе тепла описывают замкнутые фигуры 6 и 7, площади которых пропорциональны количеству тепла, поглощенного каждой пробой за переходной режим.

0 По данным переходного режима составляем систему уравнений

-1

-П

Ср

где Qи количество тепла, накоп-. ленного пробами за переходной режим при увеличении их температуры на«ft. Как и в предыдущем случае балластные 0 теплоемкости ячеек равны (Pg Р). Решение системы дает формулу для определения объемной теплоемкости образца.

; -Q-Q

(4)

Р S-t(h-H)

Таким образом, балластные теплоемкости также исключены из расчета.

Коэффициент температуропроводности рассчитывают по известной формуле,используя полученные значения коэффициента теплопроводности и объемной теплоемкости.

Предлагаемый способ предназначен

для комплексного определения таких теплофизических свойств материалов, как теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность при нагревании или при охлаждении образца. Он

позволяет повысить точность и достоверность результатов исследований ТФХ зернистых материалов за счет исключения влияния контактных и балластных термических сопротивлений и емкостей и является практически первым способом, специально предназначенным для этих целей. Способ позволяет при исследованиях моделировать различные тепловые нагрузки, приближая их к , производственным, высокая скорость

измерений дает возможность избежать влияния влагопереноса при исследовании влажных материалов.

Изобретение наиболее целесообразно использовать для исследования температурных и влажностных зависимостей ТФХ зерна, сыпучих и гранулированны матёрисшов пищевой, химической и других отраслей промьполенности.Пригоден он и для исследования грунтов особенно при замораживании или отта ивании. Формула изобретения Способ определения теплофи ически характеристик зерновых материалов в плоском слое, размещенных между изотермическим нагревателем и холодильником, заключающийся в одномерном переносе тепла путем попеременных стационарных и переходных тепловых режимов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, за счет исключения влияния контактных и балластных термических сопротивлений и емкостей, воздействуют тепловым потоком одновременно на две пробы исследуемого материала раз ной толщины, поддерживая при этом неизменной температуру нагревателя, а также равными и неизменньоо температуры холодильников, измеряют указанные температуры и плотности тепловых потоков, пронизывающих каждую обу, рассчитывгиот коэффициент теппроводнорти aV(h-h) u,-ti)((j,) затем изменяют температур нагретеля и холодильника на один и тот заданный временной интервгш и изряют количество тепла, накопленнокаждой пробой за переходный режим определяют объемную теплоемкость g -Q-O . , , «t{h-h-) е q и q - плотности теплового по. тока соответственно через первую и вторую пробы , Ни h толщины проб; Ои О количество тепла, накопленного первой и второй пробам ; tj - температуры нагревателя и холодильника ; - приращение температуры за переходный режим. Источники, информации, инятые во внимание при экспертизе 1,Авторскс5е свидетельство СССР 542945, кл.С 01 N 25/18,1977. 2.Авторское свидетельство СССР 347643 кл.С 01 N 25/18, 1972 рототип).