Способ комплексного определения теплофизических характеристик твердых материалов

Способ комплексного определения теплофизических характеристик твердых материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (И) (я)з G 01 и 25/18

ГОсудАРстВенный кОмитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

bR (2) (3) (21) 4794183/25 (22) 23.02,90 (46) 15.02.92. Бюл. hk 6 (71) Обнинское научно-производственное объединение "Технология" (72) В, В. Просветов, Б; Е. Тихонов и В. Н, Шмаков (53) 536.6(088.8) (56) Лыков А. В. Методы определения теплопроводности и температуропроводности.

М.; Энергия, 1973, с. 148-149.

КоЬауаз! К. Simultaneous Measurement

of Thermal ОИй зМ(у and $расЮс Heat of

Hlgh Temperatures by à Single Rectangular

Pulse Heating Method. International Jornal of

Thermophysics, 1986, Ч,. 7, М 1. р. 181-195.

Изобретение относится к исследованию теплофизических свойств, а именно к комплексному определению в одном опыте теплойроводности, темперзтуропроводности и теплоемкости веществ в твердом или жидком состоянии.

Известен способ определения комплекса теплофизических свойств веществ, при котором на поверхности образца из исследуемого материала в виде тела пррстейшей геометрической формы (пластина, цилиндр, шар) создают постоянный удельный тепловой поток, s квазистационзрном состоянии, когда скорость разогрева образца постоянна, измеряют перепад температуры между обогреваемой поверхностью и центром образца, а теплофиэические свойства определяют по формулам

2 (54) СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЭИЗИЧЕСКИХ СВОйств

ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

{S7) Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения теплофизических характеристик твердых материалов. Цель изобретения — упрощение способа. В иссле- дуемом образце измеряют его начальную температуру,-подают тепловой импульс на одну из поверхностей образца и измеряют в процессе эксперимента два значения температуры в точке, удаленной от обогреваемой поверхности образца: максимальную температуру и температуру в момент окончания теплового импульса. 3 ил. а

° ààé с- — —, «4

Ь ) R

ЬЭ где а — коэффициент температуропроводно- . ©ф сти, и с,,фь л, — коэффициент теплопроводности, р

Втм К ;

С-удееьнеетеелееьькасть,дж кт К1: с, р — удельный тепловой поток, Втм; )- плотность, кгм з;

Ь вЂ” скорость разогрева образца. Кс ;

Г-1 - для образца в виде пластины толщиной 2й, и;

Г-2- для Цилиндра радиусом R, м;

ЬТ вЂ” перепад температуры между обог-— реваемой поверхностью и центром образца, К.

1712848

Недостатком этого способа является большая погрешность измерений, обусловленная необходимостью измерения температуры обогреваемой поверхности, где удельный тепловой поток имеет максимальное значение.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности, заключающийся в подаче на торец цилиндрического образца теплового потока в виде светового импульса. Образец предварительно термостатируют в нагревательной печи, измеряют начальную температуру, включают источник импульса теплового потока, дваж-ды измеряют температуру образца, отключают источник импульса теплового потока и измеряют максимальную температуру образца. При этом измерения температуры образца осуществляют на торце, противолежащем обогреваемому, а время. отсчитываемое от момента включения источника тепла до первого измерения, в два раза меньше, чем до второго. Температуропроводность, теплоемкасть и теплопроводность определяют расчетным путем с помощью соотношений, которые в случае пренебрежимо малых потерь тепла в окружающую среду имеют вид т,-т„

6i, jS --с (-4) —,ехр(и в — ) м< 2 г ела aciт в ю

i =ape. (6) где А- коэффициент теплопроводности, Втм К ;

C - удельная теплоемкость, Джкг К ;

a — коэффициент температуропроводности,м .с;

q -удельный тепловой поток, Втм; . д- толщина образца, м; р- плотность, кгм; з©- длительность импульса теплового потока, с;

1», Ти к — начальная и максимальная температуры образца, К;

Т, Тз — первое и второе измерения температуры образца после включения источника импульса теплового потока. К;

, хз — время от включения источника импульса теплового потока до первого и второго измерений, с, Недостатком этого способа является его сложность, обусловленная тем, что измерение температуры образца осуществляют четыре раза: начальную температуру, в

6 момент времени т и Q, максимальную тем-пературу.

Цель изобретения — упрощение способа за счет уменьшения количества измерений температуры образца.

10 Указанная цель достигается тем, что в способе комплексного определения теплофизических свойств твердых материалов, включающем измерение начальной температуры образца из исследуемого материала, 16 подачу теплового импульса на одну из его поверхностей и измерение нескольких значений температуры образца в процессе нагрева с последующим вычислением искомых величин, измерение температуры

20 образца осуществляют в момент окончания теплового импульса после наступления квазистационарной стадии разогрева и в момент достижения в точке замерз максимальной температуры, а искомые ве25 личины определяют по формулам

1 х Тмакс T ) (@ где А — коэффициент теплопроводности, Втм .К ; а — коэффициент температуропроводно2. -1, 40 ети.м с:

С вЂ” удельная теплоемкость, Джкг .К ; .

q — удельный тепловой поток, Втм;

r0- длительность теплового импульса, с;

Тн, Тмакс — начальная и максимальная температуры. К;

T> — температура образца в момент окончания теплового импульса, К;

Г-1 — для образца в виде стержня длиБ0 ной Х. температуру измеряют на торце, противоположном обогреваемому;

Г-2 -для образца в виде цилиндра радиусом Х, м. температуру которого измеряют в центре, з обогревают с боковой поверхно55 сти. приведем вывод расчетных формул на примере цилиндрического образца длимойд, обогреваемого тепловым импульсом с одного из торцов. Боковая поверхность и поверхность. противолежащая обогреваемой, 1712848 од aro

Т макс= л д2 (15) С= о (16) р (17) д Тмакс

2. (18) 50 теплоизолированм. Очевидно, что эта задача эквивалентна разогреву бесконечной пластины толщиной д, одна поверхность которой теплоизолирована, а на другой действует тепловой импульс.

Пусть в момент. времени r0 на одной из поверхностей пластины с нулевой начальной температурой начинает действовать удельный тепловой поток q. Тогда температура пластины на поверхности, противолежащей обогреваемой, будет описываться выражением

Если в моментвремени r =ro(ro-длительность теплового импульса) на ту же поверхность пластины начинает действовать удельный тепловой поток q отрицательной величины, то распределение темйерэтуры в пластине, обусловленное этим тепловым воздействием, описывается выражением

Тогда согласно принципу суперпозиции температура пластины при r > r< будет описываться соотношением (сумма (10) и (11)) тФ- e+Q(- } — (е„ (-n e — )-exp(-eeô :" (щ

Для температуры пластины, на одну поверхность которой действует тепловой импульс длительностью r, получают соотношение (10) для r S r© и (12) для r > rî. Для температуры в момент времени r = 4 (момент прекращения действия импульса теплового потока). имеют

Предположим, что за время действия теплового импульса в пластине квазистационарная стадия разогрева. Условием наступления этой стадии разогрева является

Fo > 0,5 (Fo — критерий Фурье). Тогда для температуры в момент прекращения действия импульса теплового потока, получают

Это соотношение получено из (13), в котором в квазистационарной стадии разогрева сумма членов ряда равна нулю.

Анализ выражения (12) показывает, что после прекращения действия импульса теплового потока температура оластины на поверхности, противолежащей обогреваемой, продолжает увеличиваться и при т- стре15 мится к величине

Тогда после простейших преобразований (14) и (15) и, используя определение температуропроводности (а= А/р с), получают

Соотношения (16-18) получены при предположении, что пластина имеет нулевую начальную температуру. Если обозначить начальную температуру пластины, отличную от нуля, Тя то получают соотноше40 ния (7)-(9), в которых Г=1, х=б.

Рассмотрим далее процесс передачи тепла в случае; когда тепловой импульс действует на боковой поверхности образца в виде цилиндра. По аналогии с указанным случаем для температуры в центре цилиндрическаго образца радиусом и при

r ЙВ ro имеют гдето — корни характеристического уравнения;

4.- функция Бесселя.

Тогда, если длительность импульса теплового потока такова, что за время его действия наступает квазистационарйая стадия разогрева, для Т(т} из(19) получают

Для Тиас из (20) при тмполучают

Тмвкс 2-2-2 — " (22}

R 3to й

После преобразований (21) и (22) и, используя определение температуропроводности, находят

И Тмакс

2 С(XO

Р. (25) Если начальная температура образца не нулевая, а Тя, то получают(7)-(9), где Г=2, х-й.

Сопоставительный анализ данного решения с прототипом показывает. что предлагаемый способ отличается от известного тем, что температуру образца измеряют после наступления квазистационарной стадии разогрева образца в момент прекращения действия импульса теплового потока.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее первый вариант предлагаемого способа (Г-1); на фиг, 2 — представлено устройство, реализующее второй вариант предлагаемого способа (1=-2); на фиг. 3— изменение. во времени температуры образца.

Оба устройства содержат цилиндрический образец 1, установленный в нагревательную печь 2. Для уменьшения потерь тепла образец окружен теплоизоляцией 3. В первом варианте на оси нагревательной печи установлен источник 4 импульса теплового потока (например лазер). а на торце образца, противолежащем обогреваемому импульсом теплового потока, установлен датчик 5 температуры (например термопара}, Во втором варианте датчик температуры установлен в ццееннттрре е ооббррааззццаа, а источник импульса теплового потока размещен на цилиндрической поверхности образца, напри5 мер, в виде проволочного нагревателя 6, Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на устройстве, представленном на фиг. 1.

8 стационарном тепловом состоянии, о

10 чем судят по постоянству во времени ЭДС термопары, измеряют температуру образца

Тн и включают лазер (на фиг, 3 — момент времени т=0). При этом температура образца начинает увеличиваться и через некото15 рое время наступает квазйстационарная стадия разогрева образца, о чем судят по постоянству скорости разогрева образца.

После наступления квазистационарной стадии разогрева отключают лазер и в момент

20 его отключения (т — то} измеряют температуру образца Го. После отключения темпера- . тура образца в точке замера через некоторое время достигает максимума и в этот момент времени измеряют в третий раз

26 температуру образца Тмакс, а теплофизические свойства определяют по соотношениям (7)-(9), в которых Г=1, Рассмотрим далее реализацию предлагаемого способа на устройстве, представ30 ленном на фиг, 2. Отличие заключается в том, что измерение температуры осуществляется В центре образца, а импульс теплового потока сажают, включая и выключаянагреватель б, установленный непосредст36 венно на образце, теплофизические свойства определяют по соотношениям (7)-(9), в которых Г=2, Для подтверждения работоспособности . температуропроводности стали

40 12Х18Н10Т на цилиндрических образцах диаметром и высотой 10 мм. Обогрев торцо- вой поверхности осуществляли с помощью лазера ЛТН-101, а температуру образца измеряли ХА термопарой на торце, противопо45 ложном обогреваемому импульсом теплового потока. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду образец устанавливали в теплоизоляционную втулку, которую, в свою очередь, устанавливали в нагревательную горизонтально-разьемную печь для микроанализа типа МА-2/20 (диаметр оабочего пространства 15 мм; длина

200 мм), с помощью которой термостатировали образец при температурах от комнат:ной до 900 К. Импульс теплового потока на торце образца формировали с помощью заслонки, установленной на .пути лазерного луча парад образцом. ЗДС термопары измеряли с помощью универсального прибора

1712848

С-а/(рд b),, (27) а A/(pc), (28) где Л вЂ” коэффициент теплопроводности, Втм К 1;

10 С вЂ” удельная теплоемкость, Джкг 1 К 1; э — коэффициент температуропроводности,м с ; о- плотность, кг м;

q —. удельный тепловой поток, Втм;

15 д — толщина образца, м;

ЬТ вЂ” перепад температуры по толщине образца, К;

Ь вЂ” скорость возрастания температуры образца, Кс . Очевидно, что при одном и том же оборудовании и при одной продолжительности проведения опытов погрешность определения свойств по предлагаемому способу существенно выше, так как расчетные

25 формулы (7) — (9) в отличие от (26)-(28) не содержат скорость возрастания температуры образца, определяемую отношением двух малых величин. Кроме того, для реализации предлагаемого способа достаточно одного

З0 регистрирующего температуру образца прибора, что позволит существенно упро. стить обработку результатов опытов.

Важным преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом

З5 является также простота расчетных соотно. шений. что позволяет при автоматизации измерений испольэовать более простое (более дешевое и надежное) вычислительное устройство, что важно, особенно при создании приборов для массовых теплофиэиче- . ских измерений. Кроме того, предлагаемый способ позволяет использовать практически без изменения (меняются только коэффициенты) одни и те же соотношения при

45 исследовании материалов на-образцах различной формы.

Если из исследуемого материала изготовить образец в виде шара радиусом Х, тепловой поток создать на его поверхности, б0 а температуру образца измерять в центре, то для определения теплофиэических . свойств получают соотношения (7)-(9), в ко- . торых Г-З.

Формула изобретен ия

Способ комплексного определения теплофизических характеристик твердых материалов. включающий измерение начальной температуры исследуемого образца, подачу теплового импульса на одну иэ его поверхI

Измерение комплекса теплофизических свойств твердых материалов осуществляют по известной методике. В квазистационарном режиме разогрева образца постоянным 5 тепловым потоком одним прибором КСП-4фиксируют перепад температуры в образце, а другим — температуру образца. По полученным данным теплофизические свойства определяют расчетным путем

Щ-302. Для повышения точности измерений перед подачей импульса теплового потока частично компенсировали ЭДС термопары с помощью потенциометра ПП-63, так кэк максимальную чувствительность 2 мкВ прибор Щ-302 имеет нэ шкале 0-1 мВ, Мощность лазерного излучения устанавливали такой, чтобы максимальный разогрев образца от воздействия импульса теплового потока не превышал 5 К.

Для автоматизации измерений в состав установки входят тиристорный усилитель, цифроаналоговый преобразователь, универсальный программируемый контроллер

"Электроника К1-20" (s качестве управляющего и вычислительного прибора), электронная клавишная вычислительная машина

"Искра-108" (s качестве выводного устройства на печать). Автоматически при заранее заданных температурах происходит измерение температуропроводности образца в следующей последовательности: включается облучение торца образца световым потоком лазера; анализируется закон изменения температуры образца; при появлении линейного закона изменения температуры (квазистационарная стадия разогрева образца) измеряется температура образца и выключается облучение образца; продолжается анализ закона изменения

- температуры образца; при достижении максимума температуры измеряется величина этого максимума; производится расчет температуропроводности; выдается на печать температура и температуропроводность образца.

В интервале температур 300-900 К проведено 10 серий опытов. Отклонение опытных величин «озффициента температуропроводности от стандартных значений во всем йнтервале температур не превышает

2%., Отрабатывается технология нанесения на образцы покрытия, обладающего стабильными иэлучатеиьными характеристиками. Нанесение таких покрытий на образцы позволяет по известной мощности лазерного излучения определять удельный тепловой поток, а следовательно, измерять весь комплекс теплофиэических свойств.

Л = 0,5 qд/ЛT (26) 1712848 где А — козффициент теплопроводности;

Составитель B.Просветов

Техред М.Моргентал Корректор Н,ревская

Редактор И.Касарда

Заказ 532 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская нэб., 4/б

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ностей и измерение при нагреве температуры образца в точке, удаленной от нагреваемой поверхнос ги, а также максимальной температуры в атой точке с последующим вычислением искомых характеристик, о т ли ч а юшийся тем, что,.с целью упрощения способа, измерение температуры образца при ere нагреве осуществляют в момент окончания теплового импульса, а искомые характеристики определяют по формулам:

А ГQXI{2(Г+2)(Т»-с — Т») 1: ,-X (ò...-Т.У{2(Г+

+2)(Тмакс- To) e;

C ÃqТ»/{»Р(Т»»»» — Т»)), а — коэффициент температуропроводности;

С вЂ” удельная теплоемкость;

q — величина теплового потока; б то — длительность теплового импульса; р- плотность исследуемого материала;

Т)(, Т22а)(с соответственно начальная и максимальная температуры образца;

10 Т© — температура образца в момент окончания теплового импульса, Г- параметр, характеризующий геометрию образца и обогреваемую поверхность (Г=1 для цилиндрического образца длиной

16 . Х, температуру которого измеряют на торце, противоположном обогреваемому; Г 2— для цилиндрического образца радиусом Х, температуру которого измеряют в его гео-. метрическом центре, а обогревают с боко20 вой поверхностф