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

Изобретение относится к области ис пытаний с применением тепловых средс а именно к определению теплофизических характеристик. известен способ определения коэффициента теплопроводности, состоящий в том, что подводят постоянный тепло вой поток к поверхности образца и регистрируют градиент температур в образце после установления стационар ного теплового режима l . Недостатком способа является невозможность комплексного измерения теплофизических характеристик. Известен способ комплексного исследования теплофизических характеристик, состоящий в том, что импульс но воздействуют тепловым потоком на поверхность образца и регистрируют изменение температуры во времени в некоторой точке внутри образца 12. -Недостатком этого способа является необходимость нарушения целрстности образца для установки измерителя температуры. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ Определения теплофизических характеристик материалов на образце, полубесконечном в тепловом отношении, со стоящий в подводе постоянного теплового потока к поверхности образца, ограниченной окружностью определенного диаметра,, и регистрации изменения температуры поверхности в зависимости от времени. Температура измеряется в точке, совпадающей с центром окружности з. Недостатками способа являются ограниченно(я точность, обусловленная локальным изменением температуры поверхности, что вносит погрешность, как вследствие искажения температуры в точке измерения так и вследствие макронеоднородности структуры образца пористость, дефекты и т. д.), а также сложность реализации, обусловленная необходимост.ю специальных устройств, обеспечивающих полное поглощение образцом теплового потока подводимого к поверхности (организация адиабатической оболочки и т. п.). Цель изобретения - повышение точности и упрощение реализации. Указанная цель достигается тем, что образец приводят в тепловой контакт с полубесконечнЪ1М в тепловом отношении эталонным образцом с извест ными теплофизическими свойствами, подводят тепловой поток к поверхности

контакта, а температуру регистрируют как среднеинтегральное ее значение по поверхности контакта, ограниченной окружностью.

На фиг. 1 изображена физическая модель исследуемой системы; на фиг. 2 схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Для обоснования расчетных соотношений способа.следует рассмотретьдва полуограниченных тела с различными теплофизическими характеристиками, имеющими щеальный контакт т. граничные условия IV рода (фиг. 1).

На часть контакта, имеющую форму круга радиуса R, центр которого совпадает с началом цилиндрических координат (О, О, 0), подводится тепловой потокпостоянной мощности q const, нормальный к поверхности контакта, на остальной части контакта он отсутствует.

В плоскости Z О теплообмен между телами пренебрежительно мал и теплсшые потоки q и q полностью направлены в каждое из тел от источник тепла, но зависят от координаты г. Соотнсшение потоков q. и q зешисит от тепловой активности тел и не зависит от времени.

В двумерном температурном поле t {г, Z, ч: ) в начальный момент Т: О температура выравнена по всему объему массивов и равна t .

Тогда система дифференциальных уравнений теплопроводности в цилиндрических координатах

эч эг

ata Тг

Решение этой задачи для интегральной температуры контакта зоны разогрева следуквдее:

fKt i

c 14 ГТdju

i (()dti, (3)

DO

где Л - коэффициент теплопроводности 1-го тела

К - ,

г

- с

Л2

V5; 2

V5:

2,

соответственно тепловая активность 1-го и 2-го тел1

KC.

а., а - соответственно коэффициенты температуропроводности 1-го и 2-го тел;

h1 - Т относительная координата

R в плоскости (ir

- . число Фурье для 2-го тела,

При малых значениях критерия F O KC, FO уравнение (3) принима ввд

2суУг:; -)

V,(4)

где -ггг время, при котором выполняются условия

FO (-г,)

(Ц)

О (5)

о и F

40 (практически FO О , 1) . где a , a 2 - соответственно коэфф циенты температуропроводности 1 и 2-го тел, хзешается в совокупности краевыми условиями 9t(r, 0,-С )с при о г Э Z Э tjir , о.-С- ) при q q 3t(r, о.ту ) Э 12 ( г , о , f ) при г i. R ; t(r, 2, о) t 2 (г, Z, о) tp t-4(r,oo,C) ± , (г ,00 tt ) at(r,a, -гг ) gtst, 00 ,r ) l(r, о ,C ) t2.(r, o,r). уравнение (4) описывает изменение температуры контакта двух полуорганических тел. при действии в нем источника тепла постоянной мощности. Зная тепловую активность одного из полуограниченных тел, .допустим тепловой поток q и определяя в эксперименте Т и At , уравнение (4) позволяет расчитать тепловую активность 2-го тела. с Я ,. 2 isVrf Э где fg е. тепловая активность 1-го тела/ принятого за эталонное. (Индекс 1 относится к эталонному образцу, а индекс 2 - к исследуемому). Для момента времени которому соответствует Р и не выполняются условия уравнения (5), на ЭВМ можно вычислить значения частиц уравнения (3), находящегося в квадратных скобках (обозначим его ) и затем затабулируем. в следующем ви де: & f (FO (гсг). Kg, Кд) . Зная FO (G;, рассчитываются 2 1/ по формуле определяют К g ы U по AonMVJK И 9 ПО формуле - Л используя таблицу, находят соответст ющее значение . Рассчитывают теплофизические хэ:рактеристики испытуемого материала: коэффициент температуропроводности а а,, I коэффициент теплопроводности А. €2 92.) объемную теплоемкость С - Р 2 Следовательно, в ходе одного опы та по изменению интегральной темпер туры з.оны разогрева контакта в зави симости от времени, можно комплексн определить теплофизические характеристики материалов. Для осуществления эксперимента необходимо реализовать физическую м дель, заложенную в его теории: а)создать надежный контакт эталонного образца с поверхностью иссл дуемого материала; б)подвести ..тепловой ток постоя ной мощности q к зоне разогрева час контакта в виде круга радиуса R; в)произвести измерение изменяющейся во времени интегральной темпе ратуры зоны разогрева контакта в мо мент времени tr , для которого выпо няется условие (5),. и в момент време ни С2. , причем Та f ; г), по приращению температуры дt соответствующему моменту времени -tr рассчитать критерий Фурье эталонног тела для момента времени ) д) получить величину коэффициент Kg g-, 4-е а ж) рассчитать по формуле (7) величину © : з) по таблице -в f(f, (Су), Кс, KOI) определить коэффициент W е) рассчитать последовательно по формулам (8) -(10) теплофизические характеристики исследуемого материала.. Устройство для осуществления способа содержит плоский нагреватель 1 малой теплоем1сости, имеющий форму круга, тело-эталон-2, выполненный в виде ограниченного цилиндра. В качестве эталонного материала применяют органическое стекло (А.9 0,196 Вт/м град. 0,092- ) . На нижнем торце цилиндра соосно с ним прикреплены нагреватель 1 и изолированный от него плоский рабочий термометр 3 сопротивления, такого же радиуса, что и нагреватель, который замеряет темпердтуру зоны разргрева контакта в ходе опыта. Условие полуограниченности телаэталона 2 практически выполняется тогда, когда температура его поверхности, удаленной от нагревателя, за время опыта изменяется не более, чем на 0,, поэтому для контроля в теле-эталоне 2 заделан плоский контрольный термометр 4 сопротивления, по показаниям которого можно судить также и о выравнивании температуры по всему объему тела-эталона 2 и испытуемого материала 5 в предопытный период времени. Плотное прижатие тела-эталона 2 к поверхности.испытуемого материала 5 осуществляется грузом-крынкой б. Все узлы помещены в корпус 7, на котором находится разъем 8. Использование предлагаемого способа определения теплофизических характеристик материалов обеспечивает по сравнению с известньм следукяцие преимущества: а)расширение классов изделий, требующих определения теплофизических характеристик неразрушающим способом за счет возмржности исследования пористых и крупнодисперсных .композиционных материалов г б)более точное определение теплофизических характеристик материалов вследствие замены измерения локальной температуры на интегральную температуру за счет чего роль случайных факторов резко снижается в)упрощение реализации способа за счет устранения систем поддержания постоянства теплового потока, поглощаемого образцом.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических характеристик материалов на образце, полубесконечном в тепловом отношении, состоящий в подводе посхоянного теплового потока к поверхности образца ограниченной окружноатью определенного диаметра и регистрации изменения температуры поверхности в зависимости от времени, отлич ающийс я тем, что, с целью повышения точности и упрощения реализации, образец приводят в тепловой контакт по плоскости с полубесконечным в тепловом отношении эталонным образцом с известными теплофизическими свойствами, подводят тепловой поток к поверхности контакта, а температуру регистрируют как среднеинтегральное ее значение по поверхности контакта, ограниченной окружностью.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 162688, кл. 6 01 N 25/18, 1963.

2.Дмитрович А. Д. Определение теплофизических свойств строительных материалов. М., Госстройиздат, 1963, с. 99,

3.Авторское свидетельство СССР 458753, кл. G 01 N 25/18, 1972 (прототип).