УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДОГО ТЕЛА
DEVICE AND METHOD FOR COMPLEX DETERMINATION OF BASIC THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF SOLID BODY

Изобретение предназначено для комплексного определения основных теплофизических свойств твердого тела: коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости. Изобретение может применяться в строительстве и теплоэнергетике для проведения теплофизических исследований однородных строительных конструкций, теплопроводных и теплоизоляционных материалов.
Изобретение включает в себя бесконтактное тепловое воздействие на переднюю лицевую поверхность твердого тела источником инфракрасного излучения, периоды нагрева и стационарного теплового режима твердого тела, определение периода нагрева твердого тела расчетным способом, регистрацию температуры твердого тела термопреобразователями на лицевых поверхностях и в заданных координатах по толщине твердого тела, регистрацию плотности теплового потока на передней лицевой поверхности твердого тела преобразователем плотности теплового потока, построение температурного поля твердого тела за период проведения тепловых измерений, определение по температурному полю и величине плотности теплового потока коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости твердого тела.
Известны устройство и способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов. Изобретение включает в себя термостатирующее устройство, медный трубчатый электрический нагреватель, термистор, медную пластину, выступающую в качестве рабочей поверхности нагревателя, хромель-копелевые термопары, измерительный комплекс, тепловой приемник, винтовое приспособление и три направляющих стержня. Определение теплофизических характеристик материалов производят путем помещения исследуемого образца между теплоприемником с известными характеристиками и нагревателем, поверхность которого термостатируют, и последующего нахождения значений разницы температур между нагревателем и теплоприемником за два временных интервала [Патент РФ 2329492, кл. G01N 25/18, 2008].
Недостатком данного устройства и способа является техническая сложность установки, к которой можно отнести наличие термостатирующего устройства и теплоприемника с известными теплофизическими характеристиками. К недостаткам также можно отнести сложный математический метод определения коэффициентов температуропроводности и теплопроводности по разнице температур между нагревателем и теплоприемником за два временных интервала.
Известны устройство и способ комплексного определения теплофизических свойств веществ методом лазерной вспышки. Исследуемый образец, помещенный в сферический фотометр, облучают лазерным импульсом, проходящим через оптическую систему. Температуру фронтальной поверхности образца измеряют быстродействующим яркостным микропирометром тыльной поверхности - термопарой. Энергию лазерного импульса и его параметры регистрируют измерителем мощности лазерного излучения и фотодиодом, расположенным за «глухим» зеркалом резонатора лазера. Поглощенную образцом энергию определяют как разность полной энергии падающего на образец импульса и отраженной от образца энергии, измеряемой сферическим фотометром. Измерения осуществляют быстродействующим цифровым осциллографом с памятью, а управление - персональным компьютером. Определение коэффициентов теплопроводности и удельной теплоемкости исследуемого вещества осуществляют путем решения обратной задачи теплопроводности с внутренним источником теплоты, а коэффициента температуропроводности - путем решения одномерного нестационарного линейного уравнения теплопроводности [Теплоэнергетика и теплотехника. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: справочник / под общ. ред. А.В.Клименко и В.М.Зорина. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - С.431-433].
Недостатками данного устройства и способа являются техническая сложность установки, к которой можно отнести использование лазера, измерителя мощности лазерного излучения и фотодиода, служащего для измерения отраженной от образца энергии, прохождение лазерного импульса через оптическую систему. К недостаткам также можно отнести сложный математический метод определения коэффициентов теплопроводности и удельной теплоемкости вещества путем решения нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются устройство и способ определения теплопроводности материалов при стационарном тепловом режиме. Устройство состоит из плит нагревателя и холодильника, выполненных из металла, датчиков температур, установленных на рабочих поверхностях плит нагревателя и холодильника, тепломера, который размещен между испытываемым образцом и холодной плитой прибора или между испытываемым образцом и горячей плитой прибора, и электрической измерительной системы. Способ заключается в создании стационарного теплового потока путем подачи электрического тока заданной мощности на плиту нагревателя, проходящего через плотно соприкасающийся с рабочими поверхностями плит устройства испытываемый образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням испытываемого образца в сторону плиты холодильника. По результатам измерений электрической измерительной системой устройства плотности теплового потока, температуры противоположных лицевых граней испытываемого образца, а также по известной толщине испытываемого образца через уравнение теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме определяют коэффициент теплопроводности 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 устройства являются функциональная ограниченность измерительного прибора, связанная с определением только коэффициента теплопроводности материалов, техническая сложность и неприменимость для материалов с теплопроводностью более 1,5 Вт/(м·°C).
Целью изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение точности способа комплексного определения основных теплофизических свойств твердого тела: коэффициентов температуропроводности, теплопроводности и удельной теплоемкости.
Поставленная цель достигается тем, что нагрев твердого тела осуществляют бесконтактным тепловым воздействием на переднюю лицевую поверхность твердого тела источником инфракрасного излучения. Температуру твердого тела регистрируют за период проведения тепловых измерений термопреобразователями на лицевых поверхностях и в заданных координатах по толщине твердого тела. Плотность теплового потока, направленного от источника инфракрасного излучения к твердому телу, за период проведения тепловых измерений регистрирует преобразователь плотности теплового потока, установленный на передней лицевой поверхности твердого тела. Период нагрева твердого тела определяют расчетным способом. По результатам построения температурного поля твердого тела в период нагрева и дифференциальному уравнению теплопроводности определяют коэффициент температуропроводности твердого тела. В период стационарного теплового режима твердого тела по величине плотности теплового потока, значениям температуры на передней и задней лицевых поверхностях твердого тела и уравнению теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме определяют коэффициент теплопроводности твердого тела. По найденным коэффициентам температуропроводности и теплопроводности твердого тела расчетным способом определяют коэффициент удельной (объемной, массовой) теплоемкости твердого тела.
На фиг.1, 2 показана принципиальная схема устройства.
На фиг.3 показано устройство, с помощью которого реализуют способ комплексного определения основных теплофизических свойств твердого тела на примере силикатного кирпича.
На фиг.4 показаны периоды нагрева и стационарного теплового режима твердого тела на примере силикатного кирпича.
На фиг.5 показан фрагмент нестационарного температурного поля твердого тела на примере силикатного кирпича в период нагрева.
a
a
t
t
-7
На фиг.6 показана функция изменения коэффициента температуропроводности вида =(τ)·10 для силикатного кирпича.
На фиг.7 показан график изменения плотности теплового потока за период проведения тепловых измерений.
В корпусе 1 устройства с внутренними линейными размерами A×B×H при условии A/B>2, изнутри покрытого слоем тепловой изоляции 2, установлен источник инфракрасного излучения 3 (фиг.1, 2). Ширина излучающей поверхности источника инфракрасного излучения 3 соответствуют ширине B корпуса 1 устройства, а высота равна (0,8…0,9)H. Тепловую мощность источника инфракрасного излучения 3 регулируют с помощью регулятора тепловой мощности 4. Твердое тело 5 высотой, соответствующей высоте излучающей поверхности источника инфракрасного излучения 3, закреплено в корпусе 1 устройства на расстоянии от источника инфракрасного излучения 3 с помощью фиксирующих элементов 6. Центры источника инфракрасного излучения 3 и твердого тела 5 расположены на одной оси. В центре на поверхностях и в толще твердого тела 5 размещены термопреобразователи 7. На передней лицевой поверхности твердого тела 5 установлен преобразователь плотности теплового потока 8. Термопреобразователи 7 и преобразователь плотности теплового потока 8 подсоединены к измерительному блоку 9 устройства. За перфорированной перегородкой 10, расположенной напротив задней лицевой поверхности твердого тела 5, регулируемые отверстия в верхней части которой предназначены для пропускания нагретого воздуха, размещен канал 11 для отвода нагретого воздуха из корпуса 1 устройства. Вентилятор 12, работающий на всасывание с помощью электрического двигателя 13, соединен с каналом 11 для отвода нагретого воздуха через всасывающий патрубок 14 и с окружающей средой - через нагнетательный патрубок 15. Для восполнения нагретого воздуха, удаляемого из устройства в окружающую среду, на крышке 16 прибора за твердым телом 5 расположены вентиляционные отверстия 17 для забора воздуха из окружающей среды.
Устройство работает следующим образом.
Твердое тело 5 помещают в открытый корпус 1 устройства и закрепляют внутри него с помощью фиксирующих элементов 6. По окончании установки твердого тела 5 в корпусе 1 устройства сверху на корпус 1 устанавливают крышку 16, которая полностью перекрывает габариты устройства, включают источник инфракрасного излучения 3 с предварительно отрегулированной тепловой мощностью и электрический двигатель 13 вентилятора 12.
В начальный момент времени τ=0 температурное поле твердого тела 5, установленного с помощью фиксирующих элементов 6 в корпусе 1 устройства, однородно и численно равно температуре окружающей среды. В момент включения источника инфракрасного излучения 3 на переднюю лицевую поверхность твердого тела 5 равномерно подают поток электромагнитного излучения, который впоследствии преобразуется во внутреннюю энергию твердого тела 5. Во избежание перегрева устройства нагретый воздух из корпуса 1 устройства отводят в окружающую среду через регулируемые отверстия, расположенные в верхней части перфорированной перегородки 10, и канал 11 для отвода нагретого воздуха. Приточный воздух из окружающей среды поступает через вентиляционные отверстия 17, расположенные на крышке 16 устройства. Организованный воздухообмен в корпусе 1 устройства осуществляют с помощью всасывающего 14 и нагнетательного 15 патрубков вентилятора 12, на валу которого размещен электрический двигатель 13.
Температурное состояние твердого тела 5 в координатах x=0, δ/4, δ/2 и δ за период проведения тепловых измерений регистрируют термопреобразователи 7. По данным термопреобразователей 7 строят температурное поле твердого тела 5 вида t=t(x,τ). Плотность теплового потока, идущего от источника инфракрасного излучения 3 в направлении к лицевой поверхности твердого тела 5, регистрирует за период проведения тепловых измерений преобразователь плотности теплового потока 8, установленный на передней лицевой поверхности твердого тела 5.
Расчетную продолжительность периода нагрева твердого тела 5 определяют по формуле:
где δ - толщина твердого тела 5;
- предварительно заданный коэффициент температуропроводности твердого тела 5.
ht
ht
Пусть по данным термопреобразователей 7 известно температурное поле твердого тела 5 и его уравнение вида t=t(x,τ) в период нагрева τ∈[0,τ]. Тогда коэффициент температуропроводности твердого тела 5 можно найти через дифференциальное уравнение теплопроводности:
где t - температура твердого тела 5; x - координата; t - время.
ht
При выходе твердого тела 5 на стационарный тепловой режим τ>τ коэффициент теплопроводности твердого тела 5 определяют по уравнению теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме:
<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>q</mi><mi>δ</mi></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>c</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>c</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
c1
c2
где q - плотность теплового потока, падающего на лицевую поверхность твердого тела 5, по данным преобразователя плотности теплового потока 8; δ - толщина твердого тела 5; t и t - соответственно значения температуры на передней и задней лицевых поверхностях твердого тела 5.
Удельную объемную теплоемкость твердого тела 5 определяют по найденным коэффициентам температуропроводности и теплопроводности:
t
t
a
где λ - коэффициент теплопроводности твердого тела 5;  - коэффициент температуропроводности твердого тела 5.
По предварительно заданной плотности твердого тела 5 и найденным коэффициентам температуропроводности и теплопроводности твердого тела 5 определяют удельную массовую теплоемкость твердого тела 5:
t
t
a
где λ - коэффициент теплопроводности твердого тела 5;  - коэффициент температуропроводности твердого тела 5; ρ - плотность твердого тела 5.
Достоинствами предложенного устройства и способа являются бесконтактное тепловое воздействие регулируемой тепловой мощности источником инфракрасного излучения на переднюю лицевую поверхность твердого тела, фиксирующие элементы, позволяющие устанавливать твердое тело различных геометрических параметров в корпусе устройства, система охлаждения твердого тела, работающая с помощью вентиляционных отверстий на крышке устройства и перфорированной перегородки, которые необходимы соответственно для притока холодного воздуха из окружающей среды и отвода теплого воздуха в окружающую среду с помощью вентилятора, возможность расчетным способом устанавливать период нагрева твердого тела, определение коэффициента температуропроводности твердого тела в период нагрева по его температурному полю.
Пример конкретной реализации способа
Рассмотрим способ комплексного определения основных теплофизических свойств твердого тела на примере силикатного кирпича 2 марки М150 (ГОСТ 379-95) толщиной δ=0,12 м (фиг.3), на котором основана работа заявленного устройства. В качестве источника инфракрасного излучения использован электрический инфракрасный излучатель 1 марки Эколайн 10R суммарной мощностью 3 кВт, расположенный на расстоянии 0,6 м от передней лицевой поверхности силикатного кирпича 2. Спаи хромель-алюмелевых термопар 3: T0, T1, T2 и T3 закреплены в центре силикатного кирпича 2 соответственно в точках с координатами x=0; 0,03; 0,06 и 0,12 м. На передней лицевой поверхности силикатного кирпича 2 установлен преобразователь плотности теплового потока ПТП-0,25 4, подключенный к измерителю плотности теплового потока ИПП-25. Для регистрации температуры силикатного кирпича 2 в заданных координатах и плотности теплового потока хромель-алюмелевые термопары 3 через аналогово-цифровой преобразователь ICPCON 1-7014 и конвертер ICPCON 1-7520 (не изображены) и измеритель плотности теплового потока ИПП-2 5 подключены к персональному компьютеру 6.
-7
2
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>h</mi><mi>t</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>τ</mi><mrow><mi>h</mi><mi>t</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
ht
ht
Предварительное значение температуропроводности силикатного кирпича 2 равно
=5,49·10 м/с (СП 23-101-2004). Тогда продолжительность периода нагрева силикатного кирпича 2 по формуле (1) составит
=26218 с (по результатам эксперимента τ=31560 с (фиг.4); среднее изменение температур па участке x∈[0;0,12] м силикатного кирпича 2 на интервале времени [
;τ]с в соответствии с показаниями хромель-алюмелевых термопар 3 при погрешности измерений ±2,5°C составило 0,65°C, что можно считать допустимым). Выход силикатного кирпича 2 на стационарный тепловой режим происходит при τ>31560 с (фиг.4).
Рассмотрим тепловой режим участка x∈[0;0,06] м силикатного кирпича 2 на интервале времени τ∈[0;15000] с. На фиг.5 изображено температурное поле силикатного кирпича 2 вида t=t(x,τ) в период нагрева при x∈[0;0,06]м и τ∈[0;15000] с, построенное по экспериментальным данным. Функциональная зависимость, описывающая период нагрева силикатного кирпича 2 при x∈[0;0,06]м и τ∈[0;15000]с, имеет вид, °C:
a
-7
-11
-6
где =22,830014, b=0,010623358, c=-481,12022, d=-6,1933549·10, e=10518,343, f=-0,014857501; g=1,2080758·10; h=-79288,783; i=-0,44211261; j=2,4679544·10 - параметры уравнения.
a
a
t
t
-7
2
На фиг.6 по результатам решения уравнения (2) получен график изменения коэффициента температуропроводности силикатного кирпича 2 в период нагрева при τ∈[0;15000]с вида =(τ)·10, м/с:
a
t
-7
2
-7
2
Значение коэффициента температуропроводности  силикатного кирпича 2 в начальный момент времени τ=0, согласно уравнению (7), равно 5,09-10 м/с (при температуре силикатного кирпича 2 t=19,7°C, равной температуре окружающей среды), что сопоставимо с нормативным значением 5,49-10 м/с (СП 23-101-2004).
c1
c2
2
В период стационарного теплового режима при τ>31560 с средние значения температуры на передней и задней лицевых поверхностях силикатного кирпича 2 (фиг.4) соответственно составили t=87,0°C и t=58,8°C. Среднее значение плотности теплового потока (фиг.7) в период стационарного теплового режима q=189 Вт/м. Тогда коэффициент теплопроводности силикатного кирпича 2 по уравнению теплопроводности для плоской стенки при стационарном тепловом режиме (3) равен:
<mrow><msub><mi>λ</mi><mi>t</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>189</mn><mo>⋅</mo><mn>0,12</mn></mrow><mrow><mn>87,0</mn><mo>−</mo><mn>58,8</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,804</mn></mrow>
Вт/(м·°C).
t
Значение коэффициента теплопроводности λ силикатного кирпича 2 сопоставимо с нормативным значением 0,87 Вт/(м·°C) (СП 23-101-2004).
t
t
a
-7
2
Удельная объемная теплоемкость силикатного кирпича 2 по соотношению (4) при λ=0,804 Вт/(м·°C) и =5,09·10 м/с составит:
<mrow><msub><mi>c</mi><mi>V</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,804</mn></mrow><mrow><mn>5,09</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow></msub></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1580</mn></mrow>
3
кДж/(м·°C).
t
t
a
-7
2
3
Удельная массовая теплоемкость силикатного кирпича 2 по соотношению (5) при λ=0,804 Вт/(м·°C), =5,09·10 м/с и плотности ρ=1900 кг/м составит:
<mrow><msub><mi>c</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,804</mn></mrow><mrow><mn>5,09</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow></msub></mrow></msup><mo>⋅</mo><mn>1900</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,83</mn></mrow>
кДж/(кг·°C).
Значение удельной массовой теплоемкости силикатного кирпича 2 сопоставимо с нормативным значением 0,88 кДж/(кг·°C) (СП 23-101-2004).