Способ определения теплофизическиххарактеристик материалов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социапистнческнк Республик(5)М. Клз 6 01 М 25/18 Государственный комитет СССР по деяам изобретений и открытий(54 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКМАТЕ РИ АЛО В Изобретение относится к области испытании с применением тепловых средств,а именно к определению теплофиэических характеристик.5Известен способ определения коэффициента теплопроводкооти, состоящийв том, что подводят постоянный тепловой поток к поверхности образца ирегистрируют градиент температур вобразце после установления стационарного теплового режима 1 ),Недостатком способа является невозможность комплексного измерениятеплофиэических характеристик,Известен способ комплексного исследования теплофиэических характеристик, состоящий в том; что импульсно воздействуют тепловым потоком наповерхность образца и регистрируютизменение температуры во времени в 20некоторой точке внутри образца 2)..Недостатком этого способа является необходимость нарушения целостности образца для установки измерителятемпературы.Наиболее близким к изобретению потехническои сущности является способ,определения теплофиэических характеристик материалов на образце, полубесконечном в тепловом отношении, со стоящии в подводе постоянного теплового потока к поверхности образца, ограниченнои окружностью определенного диаметраи регистрации изменения температуры поверхности в зависимости от времени. Температура измеряется в точке, совпадакцей с центром окружности 3.Недостатками способа являются ограниченная точность, обусловленная локальным изменением температуры по- верхности, что вносит погрешность, как вследствие искажения температуры в точке измерения так и вследствиемакронеоднородности структуры образца пористость, дефекты и т. д.), а также сложность реализации, обусловленная необходимостью специальных устройств, обеспечивающих полное поглощение образцом теплового потока подводимого к поверхности (организация адиабатической оболочки и т. и.).Цель изобретения - повышение точ ности и упрощение реализации.указанная цель достигается тем, что образец приводят в тепловой контакт с полубесконечным в тепловом отношении фэталонкым"образцом с извест ными теплофизическими свойствами, под. водят тепловои поток к поверхности( 2(1 Е1--б+ Е 2 + гСЭ 21а 2/у эс,г с(л при Осг В 1 Л .( Ч50при о-о +(1 а (г, о,с) 2 Ф.Ж д 1(г, о,б ) аС 2(г, о, Ч, -) 55 д г аг при г ) й;- обО дс(г,о, 6 )- 01д г аг контакта, а температуру регистрируюткак среднеинтегральное ее значениепо поверхности контакта, ограниченнои окружностью.На фиг. 1 изображена Физическаямодель исследуемой системы; нафиг. 2 - схема устройства для осуществления предлагаемого способа.Для обоснования расчетных соотношений способа, следует рассмотретьдва полуограниченных тела с различ-ными теплофизическими характеристиками, имеющими идеальный контакт т. е.,граничные условия 1 У рода (фиг. 1),На часть контакта, имеющую формукруга радиуса К, центр которого совпадает с началом цилиндрических координат (ОО, О), подводится тепловойпОтОкпОстОяннОЙ мощности (1ооп 5 Йнормальныи к поверхности контакта,на Остальнои части контакта он отсутствует. 20В плоскости 20 теплообмен между телами пренебрежительно мал и теплОвые потоки с(1 и (12 полностью направлены в каждое из тел от источникатепла, но зависят от координаты г.Соотношение потоков (1 и (12 зависитот тепловой активностй тел и не зависит от времени,В двумерном температурном поле(г, г,С ) в начальный момент о: О,температура выравнена по всему объему масс ивов и рав наТогда система дифференциальныхуравнений теплопроводности в цилиндрических к сорди нат ах35 2где аЛ, а- соответственно коэффициентй температуропроводности 1 и 2-го тел, решается в совокупности с краевыми условиями3 й(г, о,Е )а С,1(г г о) й 2 (г к, о) Сл(г,оо, р) -(г,о,т ) с,1(г, о,т - с 2 (г, о,Г) Решение этой задачи для интегральной температуры контакта зоны разогрева следующее 1д,ц И.-1) "( л 1),О)егтЕ(,оКа Т ) д.ъКЬИЭ,(Лщ)3(,ц)Е 1 е(,ОВ,) - а, (3)ар где Ал - коэффициент теплопРоводности 1-го тела;КЕ 5+2 л л,Б 2 lасоответственно тепловая активность 1-го и 2-го тела а - соответственно коэффициен 2ты температуропроводности1-го и 2-го тел;-- относительная координатав плоскости Е = 0;Го = -Й - число фурье для 2-го тела,Прй малых значениях критерия Р2ои Го = Ка ГО УРавнение (3) пРинима/ет вид гце ,"2 - время, при котором выполняются условия(ф в 0 и Е (Г( - + О (5( оМУравнение (4) описывает изменение температуры контакта двух полуорганических тел при действии в нем источника тепла постояннои мощностиЗная тепловую активность одного из полуограниченных тел, допустим 1-гоЯ тепловои поток (1 и определяя в эксперименте С 1 и Ауравнение (4) позволяет расчитать тепловую активность 2-го тела. где Еэ = 8,1 - тепловая активность 1-го тела, принятого за эталонное. (Индекс 1 относится к эталонному образцу а индекс 2 - к исследуемому),для момента времени (2 ЕЛкоторому соответствует Г (с 2) и не выполняются условия уравнения (5), на ЭВМ можно вычислить значения частиц уравнения (3), находящегося в квадратных скобках (обозначим его Ю )и затем затабулируем в следующем виде: 9= Г (Г Лг), К Кд) Зная Г (Сг), рас считыв аются Я г,по формуле определяют К :Е 1и 6 по формуле д" 9 Л 1В -О(7) используя таблицу,. находят соответствующее значение К а = Каа 2,2 9 (.(10) Следовательно, в ходе одного опыта по изменению интегральной температуры зоны разогрева контакта в зависимости от времени, можно комплексно определить теплофиэические характеристики материалов. Для осуществления эксперимента необходимо реализовать физическую модель, заложенную в его теории;а) создать надежный контакт эталонного образца с поверхностью исследуемого материала;б) подвести тепловой ток постоян О ной мощности ц к зоне разогрева части контакта в виде круга радиуса й;в ) произвести иэмерание изменяю- щейся во времени интегральной температуры зоны разогрева контакта в мо мент времени С, для которого выполняется условие (5), и в момент времени 2, причем С 2 )т С,г) по приращению температуры д г, соответствующему моменту времени с 5 О рассчитать критерий фурье эталонного гела для момента времениЕр (С 2) = ф 55 д) получить величину коэффициента6 лй 5+аж) рассчитать по форуле (7) величину 6 Рассчитывают теплофизические ха рактеристики испытуемого материала: коэффициент температуропроводности з) по таблице В: Г(ГО (Сг),К К) определить коэффицйентк =./;,е) рассчитать последовательно по формулам (8) - (10) теплофизические характеристики исследуемого материала.Устройство для осуществления способа содержит плоскии нагреватель 1 малои теплоемкости, имеющий форму круга, тело-эталон 2, выполненный в виде ограниченного цилиндра. В качестве эталонного материала применяют органическое стекло (3.з = 0,196 Вт/м град. = 0,09210 м /с) . На нижнем торце цилиндра соосно с ним прикреплены нагреватель 1 и изолированный от него плоский рабочии термометр 3 сопротивления, такого же радиуса, что и нагреватель, который замеряет температуру зоны разогрева контакта в ходе опыта.условие полуограниченности тела- эталона 2 практически выполняется тогда, когда температура его поверхности, удаленной от нагревателя, за время опыта изменяется не более, чем на 0,001 С, 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-крыакой б. Все узлы помещены в корпус 7, на котором находится разъем 8Использование предлагаемого способа определения теплофизических характеристик материалов обеспечивает по сравнению с известньм следующие преимущества:а) расширение классов изделий, требующих определения теплофизических характеристик неразрушающим способом за счет возмржности исследования пористых и крупнодисперсных .композиционных материалов;б) более точное опРеделение тепло- физических характеристик материалов вследствие замены измерения локальной температуры на интегральную температуру эа счет чего роль случайных Факторов резко снижается;в) упрощение реализации способа за счет устранения систем поддержания постоянства теплового потока, поглощаемого образцом.дводят теп- контакта, как сред- по поверхой окружула из об рет ени 2 рош ения теполубес"эта" тепло 3. АвторскоеР 458753, кл. 3 (прототип),видетельство СССР1 М 25/18, 1972 Способ определения теплофизических характеристик материалов на образце, полубесконечном в тепловом отношении, состояший в подводе постоянного теплового потока к поверх ности образца ограниченной.окружноэтью определенного диаметра и регистрации изменения температуры поверхности в зависимости от времени, о т л и ч а в щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и уп реализации, образец приводят в ловой контакт по плоскости с п конечным в тепловом отношении лоннымф образцом с известными скими свойствами, п поток к поверхности ратуру регистрирую гральное ее эначени онтакта, ограничен физичелозойа темпенеинтености ккостью.Источникпринятые во вним1, АвторскоеР 162688, кл, 62 . Дмитров ичтеплофизическнхматериалов. М.,с. 99. информации,ание при экспертизесвидетельство СССР01 й 25 /18, 1963.А Д. Определениесвойств строительныГосстройиздат, 1963832433 Фи ертогр адс к ий КорректорВ. Синицка оставитель В, ехред М. Рейве Редактор О. Черниченко Тираж 907 Подписное ВНИИПИ осударственного комитета СССР по делам изобретений и открытии 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д