Устройство для определения теплофизических характеристик зернистых материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 19) (111 51)5 С И 25 ЕНИЯ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ тепл изи ыть и .контрозернистых является повьппе я теплойиэичесрнистых матер емпературных двуек матео кие хариала а тои ва; н а ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬП ИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт технической теплофизики АН УССР и Киевский технологический институт пищевой промышленности (72) О.А, Геращенко, Т,Г. Грищенко, Л,В. Декуша, В.П, Сало, А.Г. Мазуренко, Д,П. Коломиец и Ю, Ф. Снежкин (53) 536,6 (088,8)(56) Авторское свидетельство СССР В 911275, кл, Л 01 И 25/18, 1982.Авторское свидетельство СССР В 813219, кл. С 01 1 25/18, 1981(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к теплофиИзобретение относится кческим измерениям и можетпользовано для определенияля теплофизических свойствматериалов,Целью изобретенияние точности измерениких характеристик эелов за счет замены т теплопоточными,ение в конструкцию устройстваполнительных измерительных ячеоляет определить теплофизичесрактеристики исследуем методом компарировани ртными образцами,фиг, приведена схема уфиг,2 - схема многослоны (измерительной ячейк эическим измерениям и может быт польэовано для определения и контроля теплопроводности, теплоемкости итемпературопроводности зернистых материалов. Целью изобретения являетсяповьнпение точности определения искомых характеристик за счет замены температурных измерений теплопоточными.Для этого в устройство дополнительно введены две аналогично имеющимсяизмерительные ячейки с тепломерами,которые установлены перпендикулярнотепломерам в имеющихся ячейках. Водну из пар взаимно перпендикулярныхячеек введены пластины разной толщины из эталонного материала, а нагреватель и холодильник выполнены общими для всех ячеек. 2 ил. Устройство состоит из четырех изме 1 рительных ячеек, образованных парами тепломерови 2, 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, смонтированных соответственно на обращенных друг к другу поверхностях холодильника 9 и нагревателя 10, в которые вмонтированы датчики 11 и 12 температуры, используемые для регулирования режимов термостатирования и определения температуры отнесения по-, лученных результатов измерений. Нагреватель 10 установлен в полости, образованной внутренними стенками холодильника 9, Для задания величины зазора между тепломерами 1 и 2, 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8 в устройство введены съемные плоские дистанционирующие пластины 13 и 14, изготовленные из материалов, аттестованных в качестве3 образцовых мер теплопроводности и Феплоемкости. Измерительные ячейкиразделены между собой съемными тепловлагоизоляционными вкладьпйами15, В рабочем положении ячейки, образованные тепломерамй 1 и 2, 3 и 4, помещаЮт исследуемый зернистый материал 16, ри аттестации устройства в эти ячейт,е, образованные тепломерами 1 2, 3 и 4, помещают съемные стандарте образцы, которые выполнены в виде астины из материала, аттестованного в качестве образцовой меры теплопро- одности и тейлоемкости,15Устройство работает следующим об 1 азом,При установке нагревателя 10 в олость холодильника 9 в измеритель- е ячейки, образованные тепломерами и 6 7 и 8, помещают дистанционифующие пластины 13 и 14 равной толщиьы, прижимают их подвижным нагреватет 1 ем 10 к холодильнику 9. Затем вставляют теплоизоляционные вкладьппи 15 ячейки, образованные тепломерами и 2, 3 и 4, засыпают исследуемый ернистый материал 16, обеспечивая ри этом одинаковую плотность образов, Задают постоянную и одинаковую корость изменения температуры нагревателя 9 и холодильника 10 и по результатам измеренных плотностей теплового потока рассчитывают искомые величины по формуламНово, Г(Чь 4.Ч 6) - (Чт +Ч )3, %овпД Р Ч Ч -1Ч +Ч(3)50 эталонная теплопроводность; объемная теплоемкость; температуропроводность;плотность теплового потока; номер тепломера (1,2,8)55 =Н,Н 1 " разность толщины образцов 16 исследуемого материала; 6 Н =Н, -Н, - эталонная разность толщины дистанционирующих пластин 13 и 14. Расчетные формулы (1) - (3) получают из решения задачи нестацио арной теплопроводности при двухсторон ем нагреве неграниченной однородной пластины толщиной 2 Н с неизменяющейс разностью температур ее поверхностей (т.е. при нагреве в квазистационарном тепловом режиме) прн следующих начальных и граничных условиях: Т(х,ь. = 0) ТО 2 +0,5(Т,-Т ) (1+ -); Т(х =Н,о) =Т+Ь ь (4) начальные значения температуры поверхностейпластины;,скорость изменения температуры;время;координата по толщинепластины.Решение уравнения нестационарной теплопроводности при Р ) 2 для темпе- оратуры и температурного градиента в сечении (Х = х/Н) имеет вид2 т(х,. ) - О,5(т+т) + - (Г, - 0,5) +ЬН 2 Зт(х ) + 0,5(т -т ) х +х -о оа 2 а дх То, - То о Н= - -- + -- х, (5) 2 Н а Каждая из измерительных ячеек устройства в рабочем состоянии представляет собой симметричную относительнопринятого начала координат многослойную пластину (фиг,2), установленную между холодильником 9 и нагревателем 10 и состоящую из последовательно расположенных контактного слоя 17 толщиной Ьи температуропроводностью а между холодильником 9 и соответствующим тепломером 1 (или 3,5 и 7) толщиной й и температуропровод 2ностью ап, контактного слоя 18 толщиной Ь н температуропроводностью а 3 между тепломером 1 (или 3,5 и 7) и исследуемым материалом 16 (или эталонным материалом дистанционирующих пластин 13 и 14), слоя материала толщиной 21 и температуропровод5 1545148ностью а (исследуемого 16 или эта- ны толщинойлонного 13 или 14) контактного слоя времени19 толщиной Ьэ и температуропроводностью а между материалом 16 (или13 и 14) и тепломером 2 (или 4,6 и 8),тепломера 2 (или 4,6 и 8) толщиной Ьи температуропроводностью а и конСогласнотактного слоя 20 толщиной Ьи темпеизмерительноратуропроводностью а между тепломерормулу дляром 2 (или 4,6 и 8) и нагревателем 1 О,лутолщиныДля расчета температур и плотностей теплового потока в многослойнойпластине воспользуемся решением (4)и (5), полученным для однородной пластины, заменив действительные толщиныэквивалентными исходя из соотношения1 эква= 1,2,3,4,а; аэкь 20 2 Н в каждый момент экю выражению (7) для каждойй ячейки можно записатьрасчета эквивалентной позовРц НовР 9Ч ) Если а,в = а 99 с учетом (6), полу-. чаем следующее выражение эквивалентной полутолщины Н э рассматриваемой многослойной пластины При нагревании в квазистационарном тепловом режиме распределение плотностей теплового потока по толщине однородной эквивалентной) пластины линейное, а сумма плотностей теплового потока в сечениях, равноуда" ленных от геометрического центра пластины и имеющих координаты х 1 и х= -х, является величиной постоян- ной, что следует из подстановки знаЗтчений величиныпри х = х и3экю - -ову :где Ь 9 Ь - полутолщины исследуеОБ 9мых образцов;Ь , й - полутолщины эталонных образцов,После подстановки значений эквивалентных полутолщин измерительных ячеек из выражения (10) в (9) получаем систему уравненийГдЕ% Экв= 7Из уравнения (4) с ,четом (8) получаем выражение разности температуры на поверхностях эквивалентной пластигде Т ни Тк - температуры нагревателя и холодильника, измеряемые посредством датчиков 12 и 11 температуРЫ 9)ввР ф э- теплопроводностидуемого (16) и эталон"ного (13 и 14) образцов,кЭторые для своих ячеек играют рольЪ экв1 ОРешив систему (11) относительнополучаем Формулу (1) для 1 эасчетат йлопроводности исследуемого зернист го материала при нагревании в кваз стационарном режиме в заявляемомустройстве,Используя уравнение (5), записываем выражение для расчета разностиплотностей теплового потока в равиудаленных от геометрического центра 20сечениях однородной пластины, т,е.вх и х для которых х, = х,;Ь Н(х- хд)д(х ) - 1(х ),З. . ( Я.25 Так как в нестационарном режиме тепломер измеряет плотность теплового потока, проходящего через его гео метрический центр, измерительную ячейку предлагаемого устройства рассмат- риваем как многослойную пластину толпиной, равной расстоянию между геоМетрическими центрами тепломеров в , 35 ячейке.Используя введенное выше понятие эквивалентной полутолщины (7); записваем для каждой измерительной ячейкй значения величины Нх , входящие в формулу (12) 1 1пг 1 аэкв аэкв-- +Ь -- +ЬПосле подстановки выражений (13)в (12) получаем систему уравнений- с = 2(с) Ь( --- + 11 -- +г аэкв аэкво 8 Р 2а, З+ Ь эР+ Иэ, + 6 Нэ), (14)3 аз Решив систему уравнений (14) отно-. сительна (с)8, получаем формулу (2) для расчета о ъемной теплоемкости исследуемого материала, Исходя из ФоРмУл ,1) и (2) и соотношениЯ а ввР = = Ъ 8 Р/(сф получаем Формулу (3) для расчета температуропроводности исследуемого образца.Из анализа Формул (1) и (3) следуетчто дпя определения теплофизических характеристик не требуются измерения малых изменений температур в пространстве и во времени, что позволяет повысить точность определения теплофизических характеристик материалов.Положительный эффект от внедрения предлагаемого устройства достигается за счет повышения точности измерений благодаря введенным дополнительным,измерительным ячейкам, которые позволяют определить теплоемкость и теплопроводность методом компарирования со стандартными образцами и исключить влияние контактных термических сопротивлений и контактных емкостей,Поверка устройства осуществляется по стандартным образцам, при этом погрешность не превышает удвоенной погрешности аттестации образцовых мер.Формул а из о брет ения Устройство для определения теплоФизических характеристик зернистыхматериалов, содержащее две плоскиеизмерительные ячейки с регулируемойшириной зазора для размешения образцов,каждая иэ которых образована паройпараллельно установленных тепломеров,один из которых размешен на общемнагревателе, а второй - на холодильнике, и снабженных. датчиками температуры, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точности определения искомых характеристик,в устройство дополнительно введеныдве аналогичные имеющимся измерительные ячейкитепломеры которых установлены перпендикулярно тепломерам имеющихся ячеек, в одну из пар взаимно перпендикулярных ячеек введены съемные дистанционирующие пластины 5разной толщины из эталонного материала, нагреватель и холодильник выполнены общими для всех ячеек, разделенных между собой тепловлагоизоляционными вкладышами, причем нагреватель выполнен подвижным,11545148Составитель В. Марченкоредактор Н. Лазаренко ТехредЛ,Олийнык Корректор С Шекмар Заказ 488 Тираж 499 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4)5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 10