способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме

Формула изобретения

Способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме, включающий предварительное нагревание твердого тела, использование термопреобразователей в качестве средств измерений теплового режима твердого тела, отличающийся тем, что нагрев твердого тела осуществляют бесконтактным тепловым воздействием на переднюю лицевую поверхность твердого тела с помощью источника инфракрасного излучения, температурное поле твердого тела регистрируют в течение нестационарного теплового режима, определяемого расчетным способом, по экспериментальным данным строят одномерное нестационарное температурное поле твердого тела вида t=t(x, ), где t - температура твердого тела; х - координата; - время, по результатам построения температурного поля твердого тела в режиме нагрева и дифференциальному уравнению теплопроводности:



вычисляют коэффициент температуропроводности твердого тела.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нестационарным способам определения температуропроводности твердых тел. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике при проведении тепловых испытаний однородных строительных объектов, теплопроводных и теплоизоляционных материалов.

Способ включает бесконтактное тепловое воздействие на исследуемое твердое тело с помощью источника инфракрасного излучения, период нагрева твердого тела, определение зоны нестационарного теплового режима твердого тела при нагреве последнего, регистрацию температурного поля твердого тела с помощью системы термопреобразователей, построение одномерного нестационарного температурного поля твердого тела по экспериментальным данным, вычисление по дифференциальному уравнению теплопроводности коэффициента температуропроводности твердого тела.

Известен способ а-калориметра для определения температуропроводности твердого тела, заключающийся в охлаждении исследуемого материала в среде с интенсивной теплоотдачей при Bi . Тогда между искомой величиной температуропроводности и темпом охлаждения твердого тела существует линейная зависимость. Темп охлаждения определяют по показаниям дифференциальной термопары, спаи которой монтируют в центральной зоне образца и в среде с интенсивной теплоотдачей. Коэффициент пропорциональности, математически связывающий коэффициент температуропроводности твердого тела с темпом охлаждения, зависит от геометрических параметров исследуемого образца [Теплотехнический справочник: справочник. В 2-х т. / под общ. ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. - М.: Энергия, 1976. - Т. 2. - С.311-312].

Недостатком данного способа является техническая сложность организации и проведения тепловых измерений, так как для реализации рассматриваемого способа необходимо наличие а-калориметра, предварительно нагретого до высоких температур в сушильном шкафу, и жидкостного термостата с интенсивным перемешиванием среды, обеспечивающего условие Bi .

Известен способ комплексного определения теплофизических характеристик вещества, одной из которых является коэффициент температуропроводности. Сущность предложенного способа заключается во введении теплового импульса известной величины в исследуемое вещество, после которого измеряют время перемещения максимума температуры от точки теплового импульса до точки, отстоящей от источника теплоты на известном расстоянии. По известному расстоянию и времени прохождения температурного максимума от точки теплового импульса до заданной точки вещества расчетным способом определяют коэффициент температуропроводности тела [Патент РФ 2216011, кл. G01N 25/18, 2001].

К недостаткам данного способа можно отнести техническую сложность подачи теплового импульса в заданную точку вещества и экспериментального определения его величины, а также вероятность непредвиденных погрешностей при измерении времени перемещения максимума температуры от источника теплоты до конечной точки вещества в связи с неорганизованной диссипацией энергии в окружающую среду.

Наиболее близким способом к заявленному изобретению является способ определения температуропроводности твердого тела методом непрерывного нагрева. Образец в виде круглого стержня, в среднем сечении которого на оси и поверхности закреплены термопары, помещают в электрический нагреватель и разогревают. По известному радиальному расстоянию между фиксированными точками на оси и поверхности образца, а также времени запаздывания температурного максимума на оси образца по сравнению с температурой на его поверхности вычисляют коэффициент температуропроводности материала [Теплотехнический справочник: справочник. В 2-х т. / под общ. ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. - М.: Энергия, 1976. - Т.2. - С.313].

Недостатками данного способа являются неконтролируемое время перемещения температурного максимума от поверхности тела к его центру, а также математическая сложность определения поправок, учитывающих влияние непостоянства скорости нагревания и зависимости теплофизических параметров от температуры, при вычислении коэффициента температуропроводности материала.

Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициента температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме, уменьшение числа стадий эксперимента и упрощение способа его проведения.

Поставленная цель достигается тем, что нагрев твердого тела осуществляют с помощью бесконтактного теплового воздействия на переднюю лицевую поверхность (далее ПЛП) последнего источником инфракрасного излучения. Температурное поле твердого тела регистрируют с помощью системы термопреобразователей в течение нестационарного теплового режима, определяемого расчетным способом. По экспериментальным данным строят одномерное нестационарное температурное поле твердого тела. По результатам построения температурного поля твердого тела в режиме нагрева и дифференциальному уравнению теплопроводности вычисляют коэффициент температуропроводности твердого тела.

На фиг.1 показана принципиальная схема реализации способа.

На фиг.2 показана схема расположения термопреобразователей в твердом теле.

На фиг.3 показаны фотографии устройства, с помощью которого реализуют заявленный способ определения температуропроводности твердого тела на примере силикатного кирпича.

На фиг.4 показаны расчетная и экспериментальная _max зоны нестационарного теплового режима при нагреве силикатного кирпича.

На фиг.5 показано одномерное температурное поле силикатного кирпича на участке нестационарного теплового режима.

На фиг.6 показана функция изменения коэффициента температуропроводности вида для силикатного кирпича.

Источник инфракрасного излучения 1 работает от электрической сети (фиг.1). Исследуемое твердое тело 2 в форме параллелепипеда толщиной =2h расположено на некотором расстоянии от источника инфракрасного излучения 1. Центральная ось инфракрасного излучателя 1 и твердого тела 2 совпадают. На участке твердого тела 2 зафиксированы термопреобразователи 3: Т0, Т1 и Т2 соответственно в точках с координатами х=0, h/2 и h (фиг.2), которые подключены через аналогово-цифровой преобразователь (далее АЦП) и конвертер (условно не показаны) к компьютеру (условно не показан).

Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом.

В начальный момент времени =0 температурное поле твердого тела 2 однородно и численно равно температуре окружающей среды. С момента реализации заявленного способа энергия в форме электричества поступает из электрической сети к источнику инфракрасного излучения 1, который преобразует и передает бесконтактно часть энергии в виде электромагнитного излучения ПЛП твердого тела 2. Поток инфракрасного излучения, равномерно падающий на ПЛП исследуемого твердого тела 2, преобразуется в теплоту, которая идет на нагрев всего объема твердого тела 2. Инфракрасный излучатель 1 облучает ПЛП твердого тела 2 равномерно, следовательно, изменение температуры в твердом теле 2 происходит только в одном направлении - вдоль оси 0Х, а в двух других направлениях (по координатам 0Y и 0Z) температура твердого тела 2 не изменяется, т.е. _yt= _zt=0. Изменения температур твердого тела 2 вдоль оси 0Х регистрируют термопреобразователи 3: Т0, Т1 и Т2 (фиг.2), передающие информацию через АЦП и конвертер (условно не показаны) на энергонезависимую память компьютера (условно не показан).

Продолжительность нестационарного теплового режима твердого тела 2 определяют по формуле:

где - толщина твердого тела 2; - температуропроводность твердого тела 2, которой предварительно задаются.

Пусть по данным термопреобразователей 3 известно температурное поле твердого тела 2 и его уравнение вида для периода нагрева , где _nst - участок нестационарного теплового режима при нагреве твердого тела 2, при условии . Тогда коэффициент температуропроводности твердого тела 2 можно найти через дифференциальное уравнение теплопроводности

где t - температура твердого тела 2; х - координата; - время.

Достоинством предложенного способа является бесконтактный нагрев твердого тела источником инфракрасного излучения, возможность аналитическим способом устанавливать продолжительность проведения эксперимента и выбирать произвольный участок температурного поля твердого тела, входящий в расчетный интервал времени, для вычисления его коэффициента температуропроводности, уменьшение числа стадий проведения эксперимента (только стадия нагрева твердого тела), математическая простота и компактность итогового уравнения для вычисления коэффициента температуропроводности твердого тела.

Пример конкретной реализации способа.

Определим коэффициент температуропроводности твердого тела на примере силикатного кирпича 2 марки M150 (ГОСТ 379-95) толщиной =0,120 м (h=0,06 м) (фиг.3). Спаи хромель-алюмелевых термопар 3: Т0, Т1 и Т2 закреплены в толще силикатного кирпича 2 вдоль центральной оси соответственно в точках с координатами х=0, 0,03 и 0,06 м. В качестве источника инфракрасного излучения использован электрический инфракрасный излучатель 1 марки Эколайн 10 R суммарной мощностью 3 кВт, расположенный на расстоянии 0,6 м от передней лицевой поверхности силикатного кирпича 2. Предварительное значение температуропроводности силикатного кирпича 2 равно (СП 23-101-2004). Тогда продолжительность периода нагрева силикатного кирпича 2 по формуле (1) составит (по результатам эксперимента _max=31560 с (фиг.4); среднее изменение температур на участке силикатного кирпича 2 на интервале времени в соответствии с показаниями термопар 3 при погрешности измерений ±2,5°С составило 0,60°С, что можно считать допустимым).

Рассмотрим тепловой режим участка силикатного кирпича 2 на интервале времени . На фиг.5 изображено температурное поле силикатного кирпича 2 вида при и , построенного по экспериментальным данным. Функциональная зависимость, описывающая режим нагрева силикатного кирпича 2 при и имеет вид, °С:

где a=22,830014, b=0,010623358, с=-481,12022, d=-6,1933549·10^-7, е=10518,343, f=-0,014857501; g=1,2080758·10^-11; h=-79288,783; i=-0,44211261; j=2,4679544·10^-6 - параметры уравнения.

На фиг.6 по результатам решения уравнения (2) получен график изменения коэффициента температуропроводности силикатного кирпича 2 в режиме нагрева при вида

Значение коэффициента температуропроводности a_t силикатного кирпича 2 в начальный момент времени =0 по уравнение (4) равно 5,0896·10^-7 м ²/с (при температуре силикатного кирпича t=19,7°С, равной температуре окружающей среды), что сопоставимо с нормативным значением 5,49·10^-7 м²/с, приведенным в СП 23-101-2004.