Способ определения температурной зависимости температуропроводности материалов

ИЯ ВИДЕТЕЛ ВТОРСКО а ев нической еским изтемперамости теп- ОСТИ ОТ я громозрешения, оследнего зависимо- кости мо- сленным Известен такж температурнойзав ности проволочных щийся в подаче на тока, регистрации к лений по ним вида ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЪТИПРИ ГКНТ СССР САНИЕ ИЗО(71) Тамбовский институт химическогошиностроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 1226234, кл. 6 01 М 25/18, 1986.Лыков А.В. Теория теплопроводностиМ.: Высшая школа, 1967, с, 449.Авторское свидетельство СССРМ 1193555, кл. 6 01 й 25/18, 1985. Изобретение относится к тефизике, в частности к теплофизичмерениям.Известен способ определениятуры материала с учетом зависилопроводности и теплоемктемпературы.Недостатком способа являетдкость и сложность полученноговследствие чего использование идля нахождения температурнойсти теплопроводности и теплоемжет быть выполнено лишь чимвтоДом. е способ определения исимости теплопроводрезисторов, заключаю- резистор стабильного ивых нагрева и опредетемпературной зависи(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР Н О Й ЗА В И СИ МОСТИ ТЕ М П Е РАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: исследования теплофизических свойств материалов. Сущность изобретения: в процессе импульсного теплового воздействия регистрируют термограммы в двух точках "поверхности, определяют температуру для двух моментов времени, соответствующих участкам термограмм после достижения максимальной температуры. 1 ил. мости, при этом амплитуду тока воздействия во время нагрева скачкообразно увеличивают-, длительность интервалов между увеличениями тока и амплитуд тока рассчитывают по соответствующим формулам, регистрируют кривые нагрева за ряд интервалов воздействия и судят о зависимости теплопроводности материала от температуры.Недостатками этого способа являются малая универсальность: способ применим лишь для электропроводматериалов, преимущественно проволочных резисторов, а также большая длительность измерения: необходимо регистрировать кривые нагрева за ряд интервалов воздействия, строить огибающую кривых.За прототип принят способ определения теплофизических характеристик материалов без нарушения их целостности.состоящий в тепловом воздействии на теплоизолированную поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела от линейного источника тепла, температурно-временных измерениях в двух разностоящих от линии действия источника точках поверхности и измерении мощности теплового воздействия, при этом воздействие на поверхность исследуемого тела осуществляют тепловыми импульсами с заданной скважностью и фиксируют число импульсов, нанесенных на поверхность тела источником тепла от начала теплового воздействия до момента, когда температура в точке контроля, расположенной на ближнем расстоянии от линии действия источника, достигнет установившегося неизменного значения, затем фиксируют число импульсов от начала теплового воздействия до момента, когда температура во второй точке контроля станет неизменной, после чего теплофизические характеристики определяют по соответствующим формулам.Недостатками известного способа являются большая трудоемкость и длительность измерений, так как после нанесения импульсов определенной скважности (5-60 с) требуется время на получение установившегося значения температуры сначала в ближней, затем в дальней точках контроля, и необходимо проводить замеры при различных установившихся значениях температуры для получения температурной зависимости а(Т), а также большие габариты измерительного зонда из-за необходимости размещения помимо линейного источника тепла двух точек контроля температуры.Целью изобретения является повышение быстродействия измерения,Поставленная цель достигается тем, что поверхность полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела подвергают адиабатическому импульсному нагреву, проводят температурно-временные измерения в заданных точках поверхности, затем снимают термограммы в двух точках, отстоящих одна от другой, на заданном расстоянии в области нагрева источником тепла, при этом для расчета используют участки термограмм за промежуток времени (1,2-2,4) Трах, где трах - время достижения максимальной температуры, на указанных участках для двух моментов времени т 1 и т 2 находят соответствующие значения температур Т 1 и Т 2, а температуропроводность определяют по формулегпа= аоТ,с271 2 10 П 3 = --- ;Т 1 3и -Тгч - скорость перемещения изотермической поверхности, м/с;х - расстояние от точки приложения теплового импульса до заданной точки, м;То и Т - температуры в точке приложения теплового импульса и в заданной точкеповерхности в фиксированный момент времени, С;ЛТ- падение температуры за промежуток времени Лт на термограмме, С; 25 ЛТх отрезок ординаты между термограммами То( г) и Т(ф С.На чертеже представлены графики, отображающие результаты экспериментов.Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.На поверхность полубесконечного втепловом отношении исследуемого тела помещают источник тепла и воздействуют на тело тепловым импульсом заданной мощности, При этом записывают термограммы в двух точках, отстоящих одна от другой на заданном расстоянии в области нагрева источником тепла, а для расчета используют участки термограмм, имеющие место после 40 достижения максимальной температуры,Затем на указанных участках для двух моментов времени находят соответствующие значения температур. Зная величины указанных параметров,определяют температу ропроводность по формуле.Тепловой процесс при действии источника тепла на какое-либо тело описывается следующим дифференциальным уравнением:с р, - , = ач( А цгаб Т), (1)где с, р, А - соответственно удельная массовая теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности материала тела.55 В общем.случае коэффициенты А и сзависят от температуры. Примем эту зависимость степеннойА = Т; с=с,т"2.(13) 4) 55 Тогда коэффициент температуропроводности а= - ,= - Т, Л Ло оц(2)с р с,р Обозначив 5 ао= - , е= Ь-К 2,Лосор получим а=аоТ (3) Введем в рассмотрение скорость рас пространения изотермической поверхности где и - внешняя нормаль к изотермической поверхности, 15 Тогда Т Т дп 3 Т,где х - расстояние по нормали и от точки40 приложения источника тепла до заданной точки;То, Т - температуры в точке приложения источника тепла и в заданной точке соответственно. Из формулы (11) чхв(12)Т- ТСкорость движения изотермической по верхности чГ ОтсюдаЛТЬ Т ч=)ч) =- - ") где ЛТ - падение температуры за промежуток времени Ьх на термограмме; ЬТх - отрезок ординаты между термогРаммами То(х) и Т(х).Дополнительное соотношение для вычисления величины в найдем из анализа размерностей,На участке установившегося изменения Т(х), который имеет место после достижения максимального значения температуры, термограмма Т(х) монотонно убывает.Принимая для функции Т в качестве определяющих параметров Х, а и удельное количество тепла О, имеем для этого участкаТ= Х а 0 У (1 5) Варьируя только время, получим отсюда- (16) где Т 1 и Тг - величины температур по термограмме в моменты времени Х 1 и Х 2 соответственно в одной и той же точке тела, например в точке, расположенной на расстоянии х от источнйка тепла.Подставляя соотношение (1 5) в (1), пол- учим а= - .1(17)гп+дПодставив это выражение в (16), найдемокончательно 1 и Х 2/Х 1 2щ т 17 т 2 3(18)Соотношения (3), (12), (14) и (18) являются расчетными для определения искомой температурной зависимости температуропроводности материалов,Интегрирование уравнений (7) и (10) выполнено при условии постоянства определяемой по выражению (14) скорости ч распространения изотермы для фиксированной координаты х.Из соотношения (14) следует, что если термограммы То(т) и Т(х) изменяются монотонно и эквидистантно, то ч=сопзт.Для проверки этого были проведены эксперименты, в которых в качестве исследуемых использовались материалы; рипор (12 модификаций), стекло, КССК.Схема опытов: импульсный источник тепла располагался на поверхности полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела. Подавался тепловой импульс определенной мощности в течение 0,1 с.В процессе экспериментов измерялись в зависимости от времени: температура То (соответственно напряжение Оо) в точке О приложения импульса и температура Т (соответственно напряжение О) в точке 1, отстоящей на расстоянии х=1,65 мм от точкиКоэффициент пересчета температурыпо напряжению 1=0,0665 м 8/град;Приведенные графики построены, начиная с времени т=5 с, когда процесс распространения тепла можно считать 5установившимся. Установившийся участокхарактеризуется монотонным, без перегибов, изменением Т(ф Эксперименты показали, что для каждого из исследуемыхматериалов термограммы То(г) и Т(т) являются монотонными и эквидистантными в течение промежутка времени (1,2-2,4) гвах,где трах - время достижения максимальной температуры в заданной точке поверхности.15Как отмечалось, для монотонных и эквидистантных участков термограмм То( т)и Т( т) скорость ч=сопз 1, Соответствующиепостроения для нахождения ЬТ-и ЛТх приведены на графиках для стекла.Полученные предлагаемым способомзначения коэффициента температуропроводности рипора, стекла и КССК сравнивались с таковыми, определенными постационарному методу, Расхождение результатов было в пределах 2%,По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет повысить быстродействие измерений за счет исключенияопераций нанесения серий импульсов определенной скважности, проведения замеровпри различных установившихся значенияхтемпературы для получения температурнойзависимости а(Т), измерения мощности теплового воздействия. 35Технико-зкономическая эффективностьспособа вытекает из повышения быстродействия измерений.Формула изобретенияСпособ определения температурной зависимости температуропроводности материалов без нарушения их целостности,состоящий в адиабатическом импульсном нагреве полубесконечного в тепловом отношении исследуемого тела, температурно- временных измерениях в заданных точках поверхности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия, снимают термограммы в двух точках, отстоящих друг от друга на заданном расстоянии в области нагрева источником тепла, при этом для расчета используют, участки термограмм после достижения максимальной температуры, находят на указанных участках для двух моментов времени х 1 и тг, соответствующие значения температур Т 1 и Тг, а температуропроводность определяют по формулеа=аоТ", м с,гдечха м ТГ - Т с (С) ЛТсЛТх м,7 Гт 1 хс 1 П -тгг 1 2П 3 = -П -Т 1 3Тгч - скорость перемещения изотермической поверхности, м/с;х- расстояние от точки приложения теплового импульса до заданной точки, м;То, Т - температуры в точке приложения теплового импульса и в заданной точке поверхности в фиксированный момент времени, оС;Ж- падение температуры за промежуток Лх на термограмме, С;Ьт=гг - г 1, с;ЬТх - отрезок ординаты между термограммами То(т) и Т(ф С,1749801 5 ч пор 10 а екло Реда ЗаказВН роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1.Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор А,Осауленк 92 Тираж ПодписноеИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5