Способ определения коэффициента температуропроводности материалов

Изобретение относится к областиопределения теплофизических свойствматериалов в условиях кратковременного интенсивного нагрева охлаждения) и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, натранспорте и в ряде других отраслейпромышленности,Известны нестационарные способыопределения коэффициента температуропроводности, при которых измеряюттемпературы в одной или несколькиххарактерных точках внутри образцаили на его поверхности, после чегоискомую величину находят вычислениемпо соответствующим формулам 11).Например, если условиями эксперимента предусмотрено, что образец можно рассматривать как полуограничеяное тело и на его поверхности поддерживается постоянная температура,тогда распределение температуры вобразце определяется из выражениягде Ю - температура;б - начальная температура,д- температура поверхности;2: - текущая координата;с - коэффициент температуропроводности;1 . - время.Если образец рассматривать как полуограниченное тело, и его поверх- З 5 ность нагревается пдстоянным тепловым потоком интенсивностью 1 тогда распределение температуры в образце определяется из выражения402 р,1 Га 1, ЕР)а . - 1 е 1 йса Л ЧЛа 1где Л - коэффициент теплопроводности;- плотность теплового потока, а если как неограниченную теплоизолированную с одной стороны пластину, другая поверхность которой нагрева ется постоянным тепловым потоком , тогда при числах Фурье Г 00,3 рас-50 пределение температурь 1 в образце оп" ределяется из выражения11(2,1)д+---+ -/, (5)ЧЬа 2 2 1 1 55о Л Ь Ь 2 Ь З/г"где Ь - толщина пластины,Недостатком известных способов определения коэффициента температуропроводности является трудность в условиях кратковременного нагрева воспроизведения граничных условийб = ьопз 1; с = сопи . Кроме того, формулы (2 ) и (3 ) помимо искомой величины д содержат неизвестную й .Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения коэффициента температурогроводности материалов путем кратковременного интенсивного теплового воздействия на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности, противолежащей подвергае-. мой тепловому воздействию 1.23. Однако при реализации известного способа необходимо точно определять величину теплового потока, вводимого в образец, Кроме того, расчетная формула содержит в качестве неизвестных удельные теплоемкость и плотность исследуемого материала, которые в свою очередь зависят от распределения температуры. Все это приводит к низкой точности определения коэффициента температуропроводности материала в условиях кратковременного интенсивного нагрева образца.При кратковременном интенсивном тепловом воздействии на материал его коэффициент температуропроводности существенно зависит от условий нагрева поверхности образца, которые на практике могут быть любыми и в том числе заранее не прогнозируемыми и отличающимися от граничных условий, заложенных в теорию известных способов. Между тем в первые моменты нагрева .сотые и десятые доли секунды ) происходит существенное в несколько раз) изменение коэффициента температуропроводности, числовые значения которого зависят от характера изменения нестационарного температурного поля, а следовательно, и от характера теплового воздействия на поверхность образца.Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента температуропроводности в условиях непрогнозируемых кратковременных длительностью 0,03-10 с тепловых воздействий.Цель достигается тем, что при способе определения коэффициента температуропроводности материалов путем 5 кратковременного теплового воздействия на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке об разца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воз" действию, изменения температуры во .времени измеряют в процессе нагрева на поверхности, подвергаемой тепло вому .воздействию, и в дополнительных фиксированных точках внутри образца,разноотстоящих от нагреваемой поверхности, после чего искомую величину определяют по формуле 20 где- время с момента начала теплового воздействия;Ф - коэффициент температуропроводности материала за время ;Я,1) - площадь под кривой приращения температуры по длине образца.в момент времени 1;16) - площадь под кривой среднеготемпературного градиента подлине образца в момент времеЗЗни.Таким образом, при предлагаемом способе, как и при известном, образец подвергают кратковременному тепловому воздействию, регистрируют40 его начальную температуру и изменения температуры во времени в процессе ;еплового воздействия в фиксированной точке внутри образца и на поверхности, противоположной нагреваемой. Но в отличие от известно.45 го, при предлагаемом способе в образце устанавливают на два термопреобразователя, а несколько - в том числе на нагреваемой поверхности, на поверхности, противоположной нагре ф ваемой, и в дополнительных фиксированных точках в различных по толщине сечениях образца, регистрируя тем самым нестационарное температурноеполе и температурный градиент по длине образца. При длительности тепловых воздействий в сотые и десятые доли секунды можно пренебречь теплоотдачей в окружающую среду и рассматривать распространение тепла в образце как одномерное, а при более длительном нагреве образец тепло- изолируют с боковых сторон т.е.вдоль его длины ) и ненагреваемого торца.Изменение температурного поля потолщине образца имеет информацию об аккумулированном образцом к заданному моменту времени 1 количестве тепла ЮЬ ), которое определяется из выраженияср), р) - средние значениятеплоемкости и плотности образца за время нагрева 1;5 - площадь поперечногосечения образца;Ъ2 цу - Площадь под экспеориментальной кривой приращения температур по длине образца, которую обозначаем как Я.1),Поделив левую и правую части уравнения 51 на 5 Ф и учитываялИ)сЬ)у" -Ипол чаем выражение для среднего удельного теплового потока в образце за время 1.) 8).- -- ).)лц а ццЕсли экспериментальные распределения температур 6(2,), при фиксиро: ванных 1 продифференцировать аэто можно делать, например, графически ), получаем зависимости ф (2 ц . Площадьд 2под этими кривыми в фиксированные моменты времени равнаЬ1163232 15 35 ЭСреднее значение температурного градиента в образце в фиксированный момент времени 1 определяется отно- шением 1Среднее значение температурного градиента в образце за время определяется из выражения д 2 сра О,:а гдеф - площадь под соответствующей экспериментальной кри(ао +вой--на момент вреОС аг lсмени 1,Если из в ес тек1.рд О ) , то величину (С) можно также найти из выражения25 ц 3 ц)ив в) ц - т)У(1) Приравняв правые части уравнений (6 ) и ( 7 ), получаем Таким образом формула (8 ) содержит лишь экспериментальные данные - Я и М(+). Раскроем ее физичес-кий смысл. Для этого, умножая и деля числитель и знаменатель правой час О ти уравнения (8 ) на Ъ 1, получаем В)где. б(2 ф") 1 о 3 ср"- среднее приращение температуры по всему объему образца,Следовательно, коэффициент температуропроводности материалов в условиях кратковременного интенсивного нагрева является функцией среднего приращения температуры по всему объему образца, среднего температурного градиента и времени нагрева , Числовые значения площадей Я(С) и 4(В) в каждый момент времени зависят от характера теплового воздействия на поверхность образца.Формулы (8 ) и (9 ) в теории теплотехнического эксперимента являются новыми, они справедливы и для случая кратковременного интенсивного охлаждения образца.Ценность информации о а заключается в том, что она позволяет анализировать способность образца из заданного материала в конкретных условиях: в условиях кратковременного нагрева - поглощать теплоту, кратковременного охлаждения - отдавать теплоту.П р и м е р. Определяют а в условиях кратковременного фрикционного нагрева с торца цилиндрического образца диаметром 6 мм и высотой 9 мм из титана марки ВТконтактирующего с боковой поверхностью диска диаметром 300 мм из стали 1 Х 18 Н 10 Т. Диск вращается с постоянной угловой скоростью, скорость скольжения Ч =25 м/с, удельная нагрузка на номинальную площадь контакта Рп =0,3 Па, полное время процесса трения 1 = 9 с, число Фурье изменяется в пределах Р = 0-1, Такие условия испытания позволяют рассматривать температурное поле в образце за время нагрева как одномерное теплоотдачей в окружающую среду можно пренебречь. Однако средний удельный тепловой поток, направленный в образец, на границе контакта );(О, 1 ) неизвестен, теоретическое распределение температуры по высоте образца тоже неизвестно.Измерение температурного поля проводится пятью медьконстантановыми термоэлектрическими преобразователями в сечениях: 2 = О, 2 = Д.1 =О 15 мм; 2 = Ь = О 5 мм; 2 = йз3 мм; 2 = Ъ = 8,85 мм. Диаметр термоэлектродов 0;1 мм. Измерение температуры на поверхности трения (в сечении 2= 0) производится "истирающимся" термопреобразователем. В остальных сечениях температура измеряется термопреобразователями, сваренными встык, диаметр горячего спая 0,10-0,12 мм, Горячие спаи устанавливаются в пазы шириной 0,15 мм и глубиной 0,5 мм, прорезанные на боковой поверхности образца, и зачеканиваются отожженой медью. На.17,2 9000 9000 104 16,8 13700 44 23500 152 11,7 4 34300 75 154 57300 9,0 35020 91 90300 141 14970 134800 112 ружная поверхность и нротивоположный торец образца теплоизолируются стеклонитью, которая в дальнейшем пропитывается эпоксидным клеем. Табличное значение коэффициента температуропроводности теплоизоляции на два порядка меньше коэффициента температуропроводности титана.Предварительные исследования динамических характеристик термопреобразователей показали, что в исследуемом температурном интервале достоверными являются результаты измерений температур, начиная с момента времени= 0,03 с. При этом максимальная погрешность измерений в момент времени 10,03 с не превыша 0,066 0,134 0,155 0,397 0,671 0,815 1,012 163232 8ет 57. С течением времени эта погрешность уменьшается (при= 0,05 с она уже менее 1 Ж ). Регистрация температуры осуществляется свето лучевым осциллографом.На фиг.1 представлены экспериментальные распределения температур вобразце; на фиг.2 - температурныеполя но высоте образца в фиксирован ные моменты времени и изменение температурного градиента по высоте образца в фиксированный момент време"ни Ф1 с; на фиг.3 - изменениесреднего температурного градиентав образце за период времени 1.Результаты обработки экспериментальных данных даны в таблице.,Корре Подписно Тираж 897 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж"35, Раушская наб