книги из ГПНТБ / Коротков П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин

Тепло, необходимое для измерения, выделяется нихромовым

метром 2 мм, в которые заложены термопары 14 типа ХК. Электроды термопар вставляются в металлический кожух — иглу с наруж­

ции температуры в центре образца аналогичная игла с термопа­ рой соединяется с пробкой 4.

Температурное поле эталона определяется по разностям тем­ ператур соседних точек. Термопары 14 соединяются попарно и подключаются к прибору ЭПП-09М с диапазоном измерения 0—4 мВ. Внутренняя из этих термопар для определения темпера­ туры на наружной поверхности образца подключается к другому потенциометру.

Для уменьшения утечек тепла через торцы установлены асбо­ цементные прокладки 2, а для полной компенсации через боко­ вую и торцовые поверхности включаются компенсационные нагре­ ватели 6, 9 и 11, мощность которых контролируется и регулиру­

висимости перепадов температур по радиусу стенки эталона, измеренных дифференциальными термопарами. По этому графику путем его экстраполирования до внутреннего радиуса {Rx = 7 мм) определяется температура tx на внутренней поверхности эталона. После измерения температуры t2 по оси образца определяется гра­ диент температуры < 2 на границе раздела эталон — образец

со стороны эталона.

эталона и соединяются прямой. Так же строится кривая изменения температуры в центре образца. Эта кривая разбивается на отрезки, соответствующие разности температур в 10° С, и определяется время, необходимое для того, чтобы температура эталона повыси­ лась на 10° С.

Для определения теплоемкости сначала находится средняя температура по сечению для каждого момента времени как средне­ арифметическая из температуры оси и на образующей образца, а затем находится среднеарифметическая температура для данного отрезка времени Ат как полусумма температур по сечениям.

140

мощностью к эталону и образцу Qn и повышением энтальпии А1

Коэффициент температуропроводности определяется в резуль­ тате решения уравнения (1.3) приближенным методом, которое состоит в том, что температурное поле t (г, т) представляется в виде

Коэффициенты ряда находятся с помощью метода неопреде­ ленных коэффициентов. При подстановке этого ряда в уравнение

Формула для определения коэффициента температуропровод­ ности получается в результате определения членов ряда, под­

Это выражение справедливо для любого закона изменения темпе­ ратуры на образующей образца. Последний член отбрасывается как пренебрежимо малый по сравнению с суммой первых членов.

В формулу ( I I I . 11) подставляются следующие величины: определенная ранее величина At, скорость нагрева на образующей как отношение изменения температуры на образующей к про­ должительности опыта Ат и отношение скорости нагрева к Ат.

141

Плотность в любой момент опыта определяется по формуле

где р 0 , / плотность и длина образца в начале опыта; Л/ — удлине­ ние образца.

Давление до 250. 105 Па на образец создается прессом. Измене­ ние длины образца может измеряться с помощью либо механи­

включения нагревателя и наступления квазистационарного со­ стояния измеряются следующие величины: температура / х образца в точке 11 в момент т, и температура t2 в этой же точке в момент т 2 ; разность At температур нагревателя t„ и в центре плиты £ц. Раз­ ность At определяется как среднеарифметическая разность тем­ ператур, определяемых двумя дифференциальными термопарами со спаями соответственно 9 и 10, 12 и 13.

142

В основу другой модификации метода [13] положено решение одномерной задачи нагревания потоком q системы двух тел: пластины толщиной б из испытуемого материала с коэффициен­ тами К, а и Ь и полуограниченного (с идеальной боковой тепловой изоляцией) стержня-эталона с коэффицентами Яэ, аэ и Ьэ. Тол­ щина образцов испытуемого полимерного материала от 0,1 до 10 мм, длина и ширина 35 мм. Продолжительность опыта 5—8 мин.

Схема измерительной установки, реализующей также метод постоянной мощности нагревателя, приведена на рис. 82. Образцы пластины 1 исследуемого материала располагаются снизу и сверху

Термопары подключаются к регистрирующему электронному потенциометру 4 (одноточечному или многоточечному) с диапазо­ ном шкалы, равным 1 мВ. Для удобства использования произво­ димой прибором записи в нижеприведенных формулах в протяж­ ный механизм встроено дополнительное устройство, которое обес­

143

При вычислении коэффициентов используются термограммы — кривые зависимости (рис. 83) температуры нагревателя (х = О,

тяжный механизм. После этого на диаграммной бумаге произво­

144

Для последних двух видов материалов коэффициент тепло­ проводности определяется по ( I I I . 14), коэффициент тепловой актив­ ности по формуле

в виде сплошной металлической ленты. Выполнение такого нагре­ вателя представляет собой определенную трудность. Одним из решений может быть полупроводниковый нагреватель (например, из хлористого олова), нанесенный на титановую эмаль.

Метод позволяет выполнять при комнатной температуре ком­ плексные измерения коэффициентов на образцах в форме полого цилиндра или пластины, внутри которых действуют источники постоянной мощности, а наружные поверхности поддерживаются при постоянной температуре [16]. Цилиндрическая форма образца используется для сыпучих материалов, пластинчатая — для твер­ дых.

Коэффициент температуропроводности определяется по фор­ муле

а = —w-tn, х\

где Rx — внутренний радиус; q— тепловой поток на внутренней поверхности; At— разность температур на внутренней и наруж­ ной поверхностях.

Метод постоянной мощности применялся [93] для определения коэффициента температуропроводности армированных пластмасс (прококсованных асбостекло- и углетекстолитов) в интервале температур 900—2800 К-

Модификацией метода постоянной мощности является метод, в котором используется решение задачи теплопроводности при нагреве неограниченной среды тонким неограниченным цилин­ дром [92]. Такой закон представляет собой, например, тонкую медицинскую иглу, на которую бифилярно наматываются нагре­

Малые размеры зонда позволяют производить комплексное опре­ деление теплофизических констант полимерных растворов или расплавов, а также порошковых материалов.

Модификация метода имеет две разновидности —• абсолютный и

где А — параметр, зависящий от удельной мощности q и тепло­ вой инерционности зонда; он определяется при предварительной градуировке в эталонной среде.

При q = const коэффициент теплопроводности исследуемой среды определяется по формуле

служит термопара. Нагрев и измерение производятся одновременно. Для разделения нагревательной и измерительной цепей служит сложный индуктивно-емкостный фильтр перед электронным потен­

1 8 . М Е Т О Д И З О Т Е Р М И Ч Е С К О Г О И С Т О Ч Н И К А Т Е П Л А

Этот метод, называемый также методом двух температурновременных интервалов, применяется для комплексного определе­ ния всех коэффициентов [17]. Он основан на зависимости скорости

146

изменения температуры на границе соприкосновения исследуемого

иэталонного тел от теплофизических свойств материала. Существует несколько модификаций метода [18], отличаю­

щихся друг от друга составом системы тел. Система может состоять из одной исследуемой пластины и термоприемника, из двух пла­ стин и термоприемника, из трех пластин (две металлические) и термоприемника. Все указанные модификации могут реализо­ ваться на одной установке и позволяют производить исследование твердых образцов, жидкостей, порошков, тканей и т. д.

Сущность метода рассмотрим на модификации с двумя пласти­ нами и термоприемником.

Испытуемый образец (рис. 84) в виде плоскопараллельной пластинки / помещается между плоским нагревателем 3 с постоян­ ной температурой t и эталоном 2

Для использования результатов эксперимента с целью одновре­ менного определения а, X и с указанная зависимость определена аналитически путем решения уравнений теплопроводности (1.1) для образца и эталона. В качестве начальных условий приняты следующие. В начальный момент т = 0 температуры тел 1 и 2

где X, а, Хэ, аэ — теплопроводности и температуропроводности тел 1 и 2; б — толщина образца / .

Формулы (III.24) и (III.25) — рабочие. Величина b — постоян­ ная, характеризующая тепловые свойства эталона; е и z2 — безразмерные параметры, которые берутся из рабочих таблиц [19],

„ N-, N. N,

заний стрелки пирометрического милливольтметра, работающего в паре с термопарой.

148

Во время опыта два секундомера пускают в ход одновременно в тот момент, когда стрелка гальванометра проходит через неко­

первоначальным условиям, когда образец не соприкасался с на­

милливольтметра 5.

Для калибровки прибора определяется величина b с исполь­ зованием эталона из гипса, мрамора, резины, цемента или ка­ кой-либо жидкости. Из формул (III.3), (III.24) и (111.25) имеем

28 VЧ Д * 2

Одной из модификаций метода является интерполяционный метод [19] определения коэффициента тонкослойных материалов, позволяющий не измерять толщину образца и исключать влияние контактных тепловых сопротивлений.

Другой модификацией является дифференциальный метод [59], который позволяет проводить комплексное определение коэффи­ циентов материала, мало отличающегося от эталона. Например, метод удобен для измерения зависимости характеристик раство­ ров от концентрации.

Модификации метода, разработанные в Институте тепло- и массообмена АН БССР, описываются в [63]. При использовании первой модификации теплофизические характеристики опреде­ ляются по двум точкам, а второй — по одной точке.

Образцами служат тонкослойные материалы и покрытия.

1 9 . М Е Т О Д М Г Н О В Е Н Н О Г О И С Т О Ч Н И К А Т Е П Л А

Метод мгновенного источника тепла позволяет определить все термические коэффициенты из одного опыта. Сущность его заключается в том, что через нагреватель, установленный в испы-

149