СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕПЛОВОМ РЕЖИМЕ
METHOD OF DETERMINING HEAT CONDUCTIVITY AND TEMPERATURE CONDUCTIVITY OF SOLID-STATE BODY IN NONSTEADY THERMAL CONDITIONS

Изобретение относится к нестационарным способам определения теплофизических свойств твердых тел - коэффициентов теплопроводности и температуропроводности для условий охлаждения твердых тел при постоянстве параметров окружающей среды. Разработанный способ может применяться в строительстве и теплоэнергетике для проведения тепловых испытаний однородных и изотропных строительных конструкций, теплопроводных и теплоизоляционных материалов.
Способ включает бесконтактное неразрушающее тепловое воздействие на исследуемое твердое тело с помощью источника инфракрасного излучения, период охлаждения и этап обнаружения зоны регулярного теплового режима твердого тела, регистрацию с помощью системы термопреобразователей температурного поля твердого тела и термического состояния окружающей среды, регистрацию с помощью преобразователя плотности теплового потока, идущего от твердого тела, экспериментально-расчетное определение функций изменения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности от температуры твердого тела в зоне регулярного теплового режима.
Известен способ определения теплопроводности материалов, заключающийся в создании стационарного потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням образца. По данным измерений плотности теплового потока, температур противоположных лицевых граней и толщины образца рассчитывают теплопроводность материала [ГОСТ 7076-99. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. - Взамен ГОСТ 7076-87; Введ. 01.04.2000. - М., 2000 - 12 с.].
Недостатками данного способа являются функциональная ограниченность, заключающаяся в проведении измерений только на стационарном тепловом режиме, техническая сложность и неприменимость для материалов и изделий с теплопроводностью более 1,5 Вт/(м·°C).
Известны способы определения температуропроводности строительных и теплоизоляционных материалов, к которым относятся: метод квазистационарного теплового режима, метод монотонного режима, метод двух временных интервалов, методы теплового импульса или мгновенного источника, методы, основанные на использовании периодического нагрева температурными волнами, акустические методы и др. [Фокин В.М. Разработка научно-методологических основ и приборного обеспечения оптимизации теплотехнических характеристик ограждающих конструкций строительных объектов: дис. д-ра техн. наук: 05.23.03 / В.М.Фокин. Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия. - Волгоград, ВолгГАСА, 2003. - 191 с.].
Общими недостатками данных способов являются необходимость поддержания постоянства температур, определенных коэффициентов теплообмена, устройства изоляции, невозможность регулировать и управлять режимами теплосилового нагружения, сложность и длительность теоретических исследований, предшествующих проведению экспериментов.
Наиболее близким способом к заявленному изобретению является способ неразрушающего определения теплофизических свойств материалов, заключающийся в том, что на поверхность исследуемого объекта воздействуют по линии тепловыми импульсами постоянной мощности и периодом следования. Предварительно перед тепловым воздействием измеряют разность температур между двумя точками поверхности объекта испытания, разноотстоящих от линии действия источника теплоты, до тех пор, пока эта разность температур не станет меньше наперед заданной величины, при этом вторая точка должна находиться на расстоянии от линии действия источника не большем, чем толщина объекта испытания. Назначают период подачи тепловых импульсов от источника теплоты по заранее определенному соотношению. Проводят замеры разности температур между двумя точками поверхности объекта испытания после каждого i-го импульса. Определяют величины рассчитываемого наперед динамического параметра на каждом i-ом шаге измерения. Проводят сравнения величины динамического параметра на i-ом шаге измерения со значением параметра на (i-1)-ом шаге измерения до тех пор, пока значение динамического параметра на i-ом шаге измерения станет меньше значения динамического параметра на (i-1)-ом шаге измерения, а затем рассчитывают теплофизические свойства по определенным формулам [патент РФ 2161301, кл. G01N 25/18, 2000].
Недостатками данного способа являются обязательная теплоизоляция поверхности исследуемого тела, сложность в предварительной подготовке и проведении эксперимента, многостадийность эксперимента.
Целью изобретения является повышение точности измерений коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердых тел при нестационарном тепловом режиме, уменьшение числа стадий эксперимента и упрощение способа его проведения.
Поставленная цель достигается тем, что нагрев твердого тела осуществляют бесконтактным неразрушающим тепловым воздействием на поверхность твердого тела с помощью источника инфракрасного излучения. Температурное поле твердого тела и термическое состояние окружающей среды регистрирует система термопреобразователей. Тепловой поток, идущий от твердого тела, фиксирует преобразователь плотности теплового потока, установленный на поверхности исследуемого твердого тела. Экспериментально-расчетное определение теплопроводности и температуропроводности твердого тела проводят в зоне регулярного теплового режима в условиях охлаждения твердого тела при постоянных параметрах окружающей среды.
На фиг.1 показана принципиальная схема реализации способа.
На фиг.2 показана схема расположения термопреобразователей в твердом теле и окружающей среде.
На фиг.3 показана зона регулярного теплового режима для керамического кирпича при охлаждении.
На фиг.4 показано температурное поле керамического кирпича в зоне регулярного теплового режима.
На фиг.5 показан график потерь теплоты в окружающую среду поверхностью керамического кирпича при охлаждении.
t
t
На фиг.6 показана функция изменения коэффициента теплопроводности вида λ=λ(T) для керамического кирпича.
t
t
На фиг.7 показана функция изменения коэффициента температуропроводности вида a=a(T) для керамического кирпича.
На фиг.8 показан заявленный способ в оригинале.
0
1
2
0
Источник инфракрасного излучения 1 работает от электрической сети (фиг.1). Исследуемое твердое тело 2 в форме параллелепипеда толщиной δ=2h расположено на некотором расстоянии от источника инфракрасного излучения 1. Центральная ось излучателя 1 и твердого тела 2 совпадают. На участке x∈[0,h] твердого тела 2 зафиксированы термопреобразователи 3: T, T и T соответственно в точках с координатами х=0, h/2 и h (фиг.2). На поверхности твердого тела 2 при x=h установлен преобразователь плотности теплового потока 4. Температура окружающей среды в режиме нагрева и охлаждения исследуемого твердого тела 2 постоянна и равна t.
Устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом.
0
y
z
max
max
Перед началом эксперимента по нагреву твердого тела 2 в начальный момент времени τ=0 температурное поле твердого тела 2 однородно и численно равно температуре окружающей среды, т.е. Т(х,0)=t. С началом эксперимента по нагреву твердого тела 2 энергия в форме электричества поступает из электрической сети к источнику инфракрасного излучения 1, который преобразует и передает бесконтактно часть энергии в форме электромагнитного излучения поверхности твердого тела 2. Поток инфракрасного излучения, равномерно падающий на поверхность исследуемого твердого тела 2, преобразуется в теплоту, которая идет на нагрев всего объема твердого тела 2. Изменения температур твердого тела 2 регистрируют термопреобразователи 3, передающие информацию на компьютер (условно не показан) через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и конвертер (условно не показаны). Тепловой поток, идущий от твердого тела 2, фиксирует преобразователь плотности теплового потока 4, установленный на поверхности исследуемого твердого тела 2. Продолжительность периода нагрева исследуемого твердого тела 2 длится до тех пор, пока при заданной мощности источника инфракрасного излучения 1 температурное поле твердого тела 2 не достигнет своего максимального значения на стационарном режиме, т.е. T=T(x) при x∈[0,h] (фиг.2). Так как инфракрасный излучатель 1 облучает поверхность твердого тела 2 равномерно, то изменение температуры в исследуемом твердом теле 2 происходит преимущественно только в одном направлении - вдоль оси 0X, a в двух других направлениях температура исследуемого твердого тела 2 не изменяется, т.е. ∇T=∇T=0.
По достижении максимальных значений температур при нагреве твердого тела 2 в точках твердого тела 2 при х=0, h/2 и h (фиг.2) инфракрасный излучатель 1 отключают. Момент времени отключения инфракрасного излучателя 1 при нагреве твердого тела 2 является начальным моментом времени τ=0 для периода охлаждения твердого тела 2.
max
cl
cl
0
Тогда в начальный момент времени τ=0 для периода охлаждения температура твердого тела 2 максимальна и равна Т(х,0)=T. За отрезок времени Δτ твердое тело 2 отдает некоторое количество теплоты окружающей среде и охлаждается до температуры T(х,Δτ)=t. Цикл эксперимента завершен.
cl
0
Пусть по данным термопреобразователей 3 известно температурное поле Т=T(x,τ) твердого тела 2 для периода охлаждения τ∈[0,Δτ] и температура окружающей среды t=const. Тогда для обнаружения стадии регулярного теплового режима должно выполняться условие
0
где ϑ=Т(x)-t - температура твердого тела 2 в координате x, отсчитываемая от температуры окружающей среды; τ - время; С - отрицательное число.
reg
1
2
t
В зоне регулярного теплового режима τ=[τ,τ] имеет место уравнение, с помощью которого производят расчет коэффициента теплопроводности λ исследуемого твердого тела 2
где q=q(h,τ) - мощность тепловых потерь твердым телом 2, замеряемая преобразователем плотности теплового потока 4.
t
reg
1
2
Коэффициент температуропроводности a твердого тела 2 для интервала времени τ=[τ,τ] вычисляют, применяя первый (основной) ряд общего интеграла уравнения Фурье
где µ - коэффициент, определяемый из граничных условий; - безразмерная температура исследуемого твердого тела 2 по данным термопреобразователей 3.
Коэффициент µ из выражения (3) находят, исходя из граничных условий второго рода:
где a=0,017429616 и b=0,87675155 - параметры уравнения.
Достоинством предложенного способа является возможность управлять источником инфракрасного излучения, подавать энергию по заранее заданной функции во времени и пространстве, бесконтактность нагрева материала, повышение настройки системы на объект исследования, наличие обратной связи, возможность контроля за процессами, протекающими в системе, повышение точности измерений коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердых тел при нестационарном тепловом режиме, уменьшение числа стадий эксперимента и упрощение способа его проведения, проведение экспериментально-расчетных исследований по определению коэффициентов теплопроводности и температуропроводности твердого тела в зоне регулярного теплового режима, что в свою очередь является абсолютным способом, не требующим наличия эталонов с известными тепловыми свойствами, обеспечение достаточно высокой точности экспериментов и их результатов, достаточно простой вид аналитических выражений для обработки экспериментальных данных, отсутствие необходимости в теплоизоляции поверхности исследуемого твердого тела.
Пример конкретной реализации способа.
0
1
2
0
Определим коэффициенты теплопроводности и температуропроводности твердого тела на примере фрагмента стенки из керамического кирпича толщиной δ=0,12 м (h=0,06 м). Спаи хромель-алюмелевых термопар Т, Т и T закреплены в толще керамического кирпича вдоль центральной оси соответственно в точках с координатами x=0, 0,03 и 0,06 м. Температура окружающей среды равна t=24,2°С. В качестве источника инфракрасного излучения использован электрический инфракрасный излучатель суммарной мощностью 3 кВт, расположенный на расстоянии 0,6 м от поверхности исследуемого твердого тела. С учетом мощности и взаимного расположения электрического инфракрасного излучателя и исследуемого твердого тела период нагрева керамического кирпича составил ≈10 ч, а период охлаждения ≈8 ч. Регистрация температурных данных с устройства произведена с дискретностью измерений χ=30 с.
reg
-5
-1
Согласно условию (1), регулярный тепловой режим охлаждения керамического кирпича (фиг.3) расположен на отрезке времени τ∈[5000,20000] с. Число С в формуле (1), характеризующее темп охлаждения кирпича, составило - 9,1·10 с.
reg
reg
На фиг.4 изображено температурное поле кирпичной стенки по экспериментальным данным вида T=T(x,τ) при x∈[0;h] и τ=[5000,20000] с. Функциональная зависимость, описывающая режим охлаждения твердого тела во временной зоне τ∈[5000,20000] с, имеет вид:
-8
где а=81,13519, b=-0,0039562428, с=-199,73255, d=7,9167968·10, е=-1900,8151, f=0,013109745 - параметры уравнения.
Ход изменения плотности теплового потока q=q(h,τ) регистрировался с помощью преобразователя плотности теплового потока ПТП-0,25 и измерителя ИПП-2. Результаты измерений мощности тепловых потерь керамическим кирпичом q при охлаждении представлены на фиг.5. Функция, описывающая интенсивность теплообмена между стенкой из керамического кирпича и окружающей средой, имеет вид:
где а=6,5674551, b=-0,019257568 - параметры уравнения.
t
t
t
На фиг.6 по результатам решения уравнения (2) получен график изменения коэффициента теплопроводности керамического кирпича λ от его температуры Т. Зависимость вида λ=λ(T) выглядит следующим образом, Вт/(м·°С):
t
Среднеинтегральное значение λ в доверительном интервале времени τ=[5000,20000] с при Т∈[30,6;48,4]°С составило 0,429 Вт/(м·°С).
t
t
t
7
2
На фиг.7 по результатам решения уравнения (3) получен график изменения коэффициента температуропроводности керамического кирпича a от его температуры Т. Зависимость вида a·10=a(T) выглядит следующим образом, м/с:
t
-7
2
Среднеинтегральное значение a в доверительном интервале времени τ=[5000,20000] с при T∈[34,1;63,5]°С составило 5,257·10 м/c.