способ определения коэффициента теплоотдачи твердых тел

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, заключающийся в помещении образца, выполненного в виде стержня постоянного сечения, в испытательную среду с постоянной температурой, измерении изменения во времени температуры поверхности образца, вызванного процессом теплообмена за счет разницы температур образца и среды, и определении по достижении стадии регулярного теплового режима темпа нагрева, по которому вычисляют коэффициент теплоотдачи, отличающийся тем, что после помещения образца, выполненного из однородного изотропного упругого материала, в испытательную среду его выдерживают там до тех пор, пока температуры образца и среды не сравняются, после чего вызывают скачкообразное изменение температуры образца путем его одноосного деформирования постоянным усилием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплофизических измерений и предназначено для определения коэффициента теплоотдачи твердых тел в различных средах.

Известен способ определения коэффициента теплоотдачи твердых тел методом стационарного теплового потока, по которому через определенный участок поверхности образца (труба, пластина) устанавливается известный тепловой поток и, измеряя температуры стенки образца и окружающей среды, используя закон Ньютона-Рихмана, вычисляется коэффициент теплоотдачи, местный или осредненный по образцу [1]

Основным недостатком этого способа следует считать необходимость значительных затрат времени на подготовку необходимого теплового режима и на проведение самого опыта.

Известен также способ определения коэффициента теплоотдачи твердых тел, основанный на методе регулярного теплового режима, по которому образец (пластина, цилиндр, шар) однородно нагревается до определенной температуры, погружается в испытательную среду с другой постоянной температурой и измеряется изменение температуры поверхности образца во времени [2] По результатам этих измерений по достижении регулярного режима охлаждения образца определяется темп его охлаждения, а затем по известным формулам вычисляется коэффициент теплоотдачи.

Этот способ обладает следующими недостатками. Поскольку образец перед опытом необходимо нагреть до температуры Т₁ и изучать его поведение в среде с температурой Т₂, то требуется иметь две нагревательные камеры с термостатирующими устройствами. Проведение опыта предполагает наличие разности температур Т₁ и Т₂ порядка 10-20^оС, что само по себе нарушает условие теплообмена на границе твердого тела, так как может изменять режим движения окружающей его среды. В процессе переноса образца в исследуемую среду нарушается однородное температурное распределение в последнюю, что может искажать результаты опыта. Отмеченные недостатки усложняют опыт и снижают его точность.

Задача, на решение которой направлено изобретение, повышение точности определения коэффициента теплоотдачи и упрощение эксперимента. Это расширит возможности исследования процесса теплоотдачи твердых тел и позволит с меньшими затратами получить данные о коэффициенте теплоотдачи, позволяющие точно учитывать баланс тепловых процессов в исследуемых системах при решении соответствующих краевых задач.

Решение данной задачи основывается на использовании явления связанной термоупругости, заключающегося в том, что деформация твердых тел в адиабатных условиях вызывает изменение их температуры в соответствии со знаком напряжения: при растяжении уменьшается, а при сжатии увеличивается (см. Сычев В. В. Сложные термодинамические системы. С. Энергия, 1970, с. 223). При этом однородное по координатам поле напряжений вызывает однородное поле температур в данном геле.

Сущность изобретения заключается в том, что образец в виде стеpжня постоянного сечения помещают в испытательную среду с постоянной температурой, выдерживают до тех пор, пока он не примет температуру испытательной среды, после чего вызывают скачкообразное изменение его температуры путем одноосного деформирования неизменным усилием, не выходя за пределы его упругости, измеряют изменение во времени температуры поверхности образца, вызванные процессы теплообмена, по полученным данным определяют темп нагрева (охлаждения) в регулярном тепловом режиме и по известным формулам (см. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М. Высшая школа, 1967, с. 550) вычисляют коэффициент теплоотдачи.

Не известны сведения, в которых были бы приведены отличительные признаки изобретения, обеспечивающие решение поставленной задачи. На этом основании делается вывод о том, что данное решение соответствует критериям "Новизна" и "Изобретательский уровень".

Предлагаемый способ определения коэффициента теплоотдачи обладает следующими достоинствами. Ввиду того, что образец однородно нагревается (охлаждается) путем адиабатического деформирования непосредственно в испытуемой среде, отпадает необходимость во втором термостате, и, следовательно, исключается искажение температурного поля в образце, связанное с операцией перенесения образца из термостата в термостат. Так как изменение температуры образца при его адиабатическом деформировании не превышает величин порядка 1 10^-1оС, исключается возможность нарушения режима омывания образца окружающей средой, что обеспечивает неизменность коэффициента теплоотдачи. Вместе с этим проведение испытаний по данному способу позволяет осуществить однородное температурное изменение в образце с достаточно высокой скоростью, определяемой скоростью механического процесса нагружения (разгрузки), и тем самым позволяет исследовать процесс теплопередачи на ранней стадии его развития.

С целью проверки работоспособности предлагаемого способа и оценки воспроизводимости опытов при определении коэффициента теплоотдачи были произведены эксперименты на призматическом образце из алюминия с размерами 190х11,5х1,9 мм. Эксперименты проводились в среде воздуха при температуре 297 К и нормальном атмосферном давлении в условиях естественной слабой конвекции.

В таблице в качестве примера представлены результаты четырех опытов, осуществляемых при различных значениях растягивающих напряжений (16,16; 12,72; 9,34; 5,45 МПа).

По измеренной во времени разности температур образца и среды в регулярном режиме теплопередачи вычисляется темп нагрева образца

m [c^-1] где (t₁) T_c T_o(t₂) разность температур среды и образца при времени t₁;

(t₂) T_c-T_o(t₂) разность температур среды и образца при времени t₂.

Затем вычислялся коэффициент теплоотдачи по формуле (Лыков А.В. Теория теплопроводности. М. Высшая школа, 1967, с. 559)

=m CR_v[Bm m^-2K^-1] где плотность материала образца, кг/м³;

С удельная теплоемкость, Дж/кг К;

R_v обобщенный размер, м;

v объем образца, м³;

s поверхность теплоотдачи образца, м².

После этого по результатам четырех опытов были вычислены средние значения и приведенные в нижней строке таблицы. Значение было использовано для оценки воспроизводимости опытов путем нахождения величины 100%

Из таблицы видно, что вычисленные по данным опытов значения коэффициента теплоотдачи характеризуются небольшим разбросом, а само значение коэффициента теплоотдачи находится в удовлетворительном согласии со справочными данными (см. Краткий физико-технический справочник. Т.З./Под ред. К.П.Яковлева. M. Физматгиз, 1962, с. 686), по которым 17,5-70 Вт/м²К.

На этих примерах показано, что предлагаемый способ определения коэффициента теплоотдачи позволяет упростить эксперимент и повысить его точность.