RU2322662C2 - Thermal diffusivity measurement method and device (variants) - Google Patents

Thermal diffusivity measurement method and device (variants) Download PDF

Info

Publication number
RU2322662C2
RU2322662C2 RU2006116343/28A RU2006116343A RU2322662C2 RU 2322662 C2 RU2322662 C2 RU 2322662C2 RU 2006116343/28 A RU2006116343/28 A RU 2006116343/28A RU 2006116343 A RU2006116343 A RU 2006116343A RU 2322662 C2 RU2322662 C2 RU 2322662C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
heat exchanger
measuring
meter
measured
Prior art date
Application number
RU2006116343/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006116343A (en
Inventor
Елена В чеславовна Абрамова (RU)
Елена Вячеславовна Абрамова
вленский Александр Игоревич Бого (RU)
Александр Игоревич Богоявленский
Олег Николаевич Будадин (RU)
Олег Николаевич Будадин
Тамара Александровна Дацюк (RU)
Тамара Александровна Дацюк
Павел Геннадиевич Исаков (RU)
Павел Геннадиевич Исаков
Евгений Владимирович Лаповок (RU)
Евгений Владимирович Лаповок
Алексей Сергеевич Платонов (RU)
Алексей Сергеевич Платонов
Николай Александрович Соколов (RU)
Николай Александрович Соколов
Сергей Иванович Ханков (RU)
Сергей Иванович Ханков
Original Assignee
Елена Вячеславовна Абрамова
Александр Игоревич Богоявленский
Олег Николаевич Будадин
Тамара Александровна Дацюк
Павел Геннадиевич Исаков
Евгений Владимирович Лаповок
Алексей Сергеевич Платонов
Николай Александрович Соколов
Сергей Иванович Ханков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Елена Вячеславовна Абрамова, Александр Игоревич Богоявленский, Олег Николаевич Будадин, Тамара Александровна Дацюк, Павел Геннадиевич Исаков, Евгений Владимирович Лаповок, Алексей Сергеевич Платонов, Николай Александрович Соколов, Сергей Иванович Ханков filed Critical Елена Вячеславовна Абрамова
Priority to RU2006116343/28A priority Critical patent/RU2322662C2/en
Publication of RU2006116343A publication Critical patent/RU2006116343A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2322662C2 publication Critical patent/RU2322662C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: construction.
SUBSTANCE: method involves creating one-dimensional heat flow; measuring heat-carrier temperature-time dependence at heat-exchanger inlet and measuring time-dependent temperature between heat-exchanger and heat insulation.
EFFECT: increased measurement accuracy and reliability.
6 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к строительной технике и может быть преимущественно использовано для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.The invention relates to construction equipment and can be mainly used to measure the thermophysical characteristics of various building structures, for example walls, ceilings, floors, bulkheads, ceiling, etc.

Известен способ бурения скважин и устройство для его осуществления [1], позволяющие получать образцы материалов с различной глубины. Измеряя параметры этих образцов, можно получить информацию о физических и химических свойствах и конфигурации глубинных слоев. Недостаток известных способа и устройства для его осуществления заключается в том, что они не обеспечивают неразрушающего контроля исследуемого объекта.A known method of drilling wells and a device for its implementation [1], allowing to obtain samples of materials from various depths. By measuring the parameters of these samples, one can obtain information on the physical and chemical properties and configuration of the deep layers. A disadvantage of the known method and device for its implementation is that they do not provide non-destructive testing of the studied object.

Известны многочисленные варианты способов ультразвуковой дефектоскопии и устройств, их реализующих, например [2, 3], позволяющие определить наличие неоднородностей в различных конструкциях и конфигурацию этих неоднородностей, однако приборы такого рода не позволяют провести измерение теплофизических характеристик исследуемых материалов, в частности теплового сопротивления.Numerous variants of ultrasonic flaw detection methods and devices that implement them, for example, are known [2, 3], which make it possible to determine the presence of inhomogeneities in various structures and the configuration of these inhomogeneities, however, devices of this kind do not allow measuring the thermophysical characteristics of the materials under study, in particular thermal resistance.

Известны многочисленные варианты способов для измерения теплофизических характеристик различных радиоэлектронных приборов, например, описанный в [4] способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать для измерения теплофизических характеристик только радио-электронных приборов, причем только одного их класса - полупроводниковых диодов.Numerous options are known for measuring the thermophysical characteristics of various electronic devices, for example, the method described in [4] for determining the thermal resistance of the junction-case semiconductor diodes. A disadvantage of the known technical solution lies in a narrow scope: it can be used to measure the thermophysical characteristics of only radio-electronic devices, and only one of their class is semiconductor diodes.

Известны многочисленные варианты устройств для измерения теплофизических характеристик различных радиоэлектронных приборов, например устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов [5]. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать для измерения теплового сопротивления только радиоэлектронных приборов, причем только одного их класса - транзисторов.Numerous variants of devices are known for measuring the thermophysical characteristics of various electronic devices, for example, a device for measuring the thermal resistance of transistors [5]. A disadvantage of the known technical solution lies in a narrow scope: it can be used to measure the thermal resistance of only electronic devices, and only one of their class - transistors.

Известно описанное в [6] устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару и электронный блок обработки. Термопара расположена на поверхности исследуемого образца. Выход термопары подключен к входу электронного блока обработки. Главный недостаток известного устройства заключается в том, что при использовании импульсного нагрева необходима сложная обработка результатов измерений, для чего требуется сложная аппаратура. Это приводит к значительному удорожанию проведения измерений. Кроме того, большая сложность обработки результатов измерений приводит к снижению их точности и достоверности.A device for determining the characteristics of materials described in [6] is known, comprising a source of pulsed heating, a thermocouple, and an electronic processing unit. A thermocouple is located on the surface of the test sample. The output of the thermocouple is connected to the input of the electronic processing unit. The main disadvantage of the known device is that when using pulsed heating requires complex processing of the measurement results, which requires sophisticated equipment. This leads to a significant increase in the cost of measurements. In addition, the great complexity of processing the measurement results leads to a decrease in their accuracy and reliability.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов [7]. Известный способ заключается в том, что измеряют двумя термоприемниками температуру в заданных точках поверхности образца и температуру окружающей среды, по полученным результатам определяют поправочный коэффициент, затем воздействуют на поверхность образца неподвижным точечным источником тепла. В заданный момент времени измеряют двумя термоприемниками избыточные температуры нагреваемой поверхности в заданных точках. Продолжают нагрев и измеряют момент времени, когда температура более удаленного от пятна нагрева термоприемника увеличится на заданную величину. По измеренным величинам определяют коэффициенты температуропроводности и теплопроводности.Closest to the technical nature of the claimed method is a method of non-contact non-destructive testing of the thermophysical properties of materials [7]. The known method consists in measuring the temperature at predetermined points on the surface of the sample and the ambient temperature with two thermal detectors, using the results obtained, determining the correction factor, then acting on the surface of the sample with a fixed point source of heat. At a given point in time, the excess temperatures of the heated surface at predetermined points are measured with two thermal detectors. Continue heating and measure the point in time when the temperature farther from the heating spot of the thermal detector increases by a predetermined value. The measured values determine the coefficients of thermal diffusivity and thermal conductivity.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов [8], содержащий линейный нагреватель и две термопары, расположенные симметрично относительно линейного нагревателя по обе стороны от него. Главный недостаток известного устройства заключается в том, что линейный нагреватель формирует тепловой поток, расходящийся в плоскости, перпендикулярной оси линейного нагревателя.The closest in technical essence to the claimed device is a thermal probe for non-destructive testing of the thermophysical properties of materials [8], containing a linear heater and two thermocouples located symmetrically relative to the linear heater on both sides of it. The main disadvantage of the known device is that the linear heater generates a heat flux diverging in a plane perpendicular to the axis of the linear heater.

Известные технические решения (способ и устройство) имеют низкие потребительские свойства за счет узкой области применения, низкой точности и низкой достоверности измерений. Наличие указанных недостатков обусловлено следующими факторами. В известных технических решениях используется точечный или линейный источник тепловой энергии, поэтому его можно применять только при измерении теплофизических характеристик однородных объектов. Если исследуемый объект имеет различные неоднородности (например, железобетонная стена), то результаты измерений будут различаться при воздействии точечного или линейного источника тепловой энергии на различные точки поверхности исследуемого объекта. Низкие точность и достоверность известных технических решений обусловлены высокой сложностью модели, описывающей их работу. Так, в известном способе, необходимо провести предварительные измерения для определения поправочного коэффициента. Работа известных способа и устройства описываются уравнением теплового баланса, в котором необходимо учитывать потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена. Кроме того, в уравнении теплового баланса известного способа необходимо учитывать потери тепловой мощности из-за частичного поглощения лазерного излучения окружающей средой и частичного отражения лазерного излучения поверхностью исследуемого объекта. Эти компоненты учитываются приближенно расчетным путем. При обработке результатов измерений в известном способе используется функция ошибок, вычисляемая путем ее разложения в ряд Тейлора. В описании известного способа указано, что вычисление этой функции в аналитическом виде весьма затруднительно. Там же указано, что только для материалов с коэффициентом температуропроводности а≥10-7 м2/сек можно ограничиться первым членом ряда Тейлора, и только тогда можно использовать рабочую формулу для обработки результатов измерений. Все эти факторы в совокупности приводят к низким потребительским свойствам известных способа и устройства за счет узкой области применения и низких точности и достоверности.Known technical solutions (method and device) have low consumer properties due to the narrow scope, low accuracy and low reliability of the measurements. The presence of these disadvantages is due to the following factors. Known technical solutions use a point or linear source of thermal energy, so it can be used only when measuring the thermophysical characteristics of homogeneous objects. If the object under study has various inhomogeneities (for example, a reinforced concrete wall), then the measurement results will differ when a point or linear source of thermal energy acts on various points on the surface of the object under study. Low accuracy and reliability of the known technical solutions due to the high complexity of the model that describes their work. So, in the known method, it is necessary to conduct preliminary measurements to determine the correction factor. The work of the known method and device are described by the heat balance equation, in which it is necessary to take into account the loss of thermal power to the environment due to convective and radiant heat transfer. In addition, in the heat balance equation of the known method, it is necessary to take into account the loss of thermal power due to the partial absorption of laser radiation by the environment and the partial reflection of laser radiation by the surface of the object under study. These components are taken into account approximately by calculation. When processing the measurement results in a known manner, an error function is used, calculated by expanding it into a Taylor series. The description of the known method indicates that the calculation of this function in an analytical form is very difficult. It is also indicated there that only for materials with a thermal diffusivity coefficient a≥10 -7 m 2 / s it is possible to limit oneself to the first member of the Taylor series, and only then can the working formula be used to process the measurement results. All these factors together lead to low consumer properties of the known method and device due to the narrow scope and low accuracy and reliability.

Задачей изобретения является повышение потребительских свойств путем расширения области применения и повышения точности и достоверности.The objective of the invention is to increase consumer properties by expanding the scope and increasing accuracy and reliability.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении зависимости от времени температуры первым измерителем температуры, измерении зависимости от времени температуры вторым измерителем температуры, внесены следующие усовершенствования: нагревают участок поверхности исследуемого объекта посредством использования теплоносителя, поступающего в теплообменник, внешняя поверхность которого, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта, снабжена тепловой изоляцией, при этом измеряют зависимость от времени температуры теплоносителя на входе теплообменника первым измерителем температуры, измеряют зависимость температуры от времени вторым измерителем температуры, размещенным между теплообменником и тепловой изоляцией, и определяют коэффициент температуропроводности - а из соотношения:The solution of the problem in accordance with claim 1 is ensured by the fact that in the known method, which consists in heating the surface of the test object, measuring the dependence of time on temperature by a first temperature meter, measuring the dependence of time on temperature by a second temperature meter, the following improvements are made: the section is heated the surface of the object under study through the use of a coolant entering the heat exchanger, the external surface of which, except for the surface the tee adjacent to the surface area of the object under study is provided with thermal insulation, in this case, the time dependence of the temperature of the coolant at the inlet of the heat exchanger is measured by the first temperature meter, the time dependence of temperature is measured by the second temperature meter located between the heat exchanger and thermal insulation, and the thermal diffusivity is determined - a from the ratio:

а=4Fo*τ{V0(T0-Tw)/[2(Tw-Tн)Fo*+Vwτ]}2,a = 4Fo * τ {V 0 (T 0 -T w ) / [2 (T w -T n ) Fo * + V w τ]} 2 ,

где Fo* - характеристическое значение критериального числа Фурье, τ - текущее время, V0=CM/(cγF), С - удельная теплоемкость теплоносителя, М - массовый расход теплоносителя, с - удельная теплоемкость материала исследуемого объекта, γ - плотность материала исследуемого объекта, F - площадь контакта теплообменника и исследуемого объекта, Т0 - температура, измеряемая первым измерителем температуры, Tw - температура, измеряемая вторым измерителем температуры, Тн - температура окружающей среды, Vw - скорость изменения температуры, измеряемой вторым измерителем температуры.where Fo * is the characteristic value of the criterion Fourier number, τ is the current time, V 0 = CM / (cγF), C is the specific heat of the coolant, M is the mass flow of the coolant, s is the specific heat of the material of the test object, γ is the density of the material of the test object , F is the contact area of the heat exchanger and the test object, T 0 is the temperature measured by the first temperature meter, T w is the temperature measured by the second temperature meter, T n is the ambient temperature, V w is the rate of change of temperature measured by the second meter temperature controller.

В частном случае в соответствии с п.2 формулы изобретения измеряют зависимость от времени температуры теплоносителя на выходе теплообменника третьим измерителем температуры и обеспечивают условия равенства показаний второго и третьего измерителей температуры.In the particular case, in accordance with paragraph 2 of the claims, the time dependence of the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger is measured by a third temperature meter and conditions are provided for the readings of the second and third temperature meters to be equal.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.3 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известный способ, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении зависимости от времени температуры первым измерителем температуры, измерении зависимости от времени температуры вторым измерителем температуры, внесены следующие усовершенствования: нагревают участок поверхности исследуемого объекта посредством использования теплоносителя, поступающего в теплообменник, внешняя поверхность которого, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта, снабжена тепловой изоляцией, при этом измеряют зависимость от времени температуры теплоносителя на входе теплообменника первым измерителем температуры, измеряют зависимость температуры от времени вторым измерителем температуры, размещенным между теплообменником и тепловой изоляцией, причем коэффициент температуропроводности а определяют из соотношения:The solution of the problem in accordance with paragraph 3 of the claims is ensured by the fact that in the known method, which consists in heating the surface of the test object, measuring the dependence of time on temperature by a first temperature meter, measuring the dependence of time on temperature by a second temperature meter, the following improvements are made: the section is heated the surface of the object under study through the use of a coolant entering the heat exchanger, the external surface of which, except for the surface the tee adjacent to the surface area of the object under study is provided with thermal insulation; in this case, the time dependence of the temperature of the coolant at the inlet of the heat exchanger is measured by a first temperature meter, the time dependence of temperature is measured by a second temperature meter located between the heat exchanger and thermal insulation, and the thermal diffusivity a is determined from ratios:

a=Naэ,a = Na e

N={cоэ(T0-Tw)[2(T-Tн)Fo*+Vτ]}2/{co(T0-T)[2(T-Tн)Fo*+Vwτ]}2,N = {c oe (T 0 -T w ) [2 (T -T н ) Fo * + V τ]} 2 / {c o (T 0 -T ) [2 (T -T н ) Fo * + V w τ]} 2 ,

где аэ - коэффициент температуропроводности эталонного объекта соэ - объемная теплоемкость материала эталонного объекта, Т - температура, измеряемая вторым измерителем температуры при исследовании эталонного объекта, V - скорость изменения температуры, измеряемой вторым измерителем температуры при исследовании эталонного объекта, c0 - объемная теплоемкость материала исследуемого объекта, Fo* - характеристическое значение критериального числа Фурье, τ - текущее время, Т0 - температура, измеряемая первым измерителем температуры, Tw - температура, измеряемая вторым измерителем температуры, Тн - температура окружающей среды.where a e is the coefficient of thermal diffusivity of the reference object with oe is the volumetric heat capacity of the material of the reference object, T ve is the temperature measured by the second temperature meter in the study of the reference object, V we is the rate of change of temperature measured by the second temperature meter in the study of the reference object, c 0 - volumetric heat capacity of the material of the studied object, Fo * is the characteristic value of the criterion Fourier number, τ is the current time, T 0 is the temperature measured by the first temperature meter, T w is the temperature measured by the second temperature meter, T n - ambient temperature.

В частном случае в соответствии с п.4 формулы изобретения измеряют зависимость от времени температуры теплоносителя на выходе теплообменника третьим измерителем температуры и обеспечивают условия равенства показаний второго и третьего измерителей температуры.In the particular case, in accordance with paragraph 4 of the claims, the time dependence of the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger is measured by a third temperature meter and conditions are provided for the readings of the second and third temperature meters to be equal.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.5 формулы изобретения обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее нагреватель, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит входной трубопровод, соединительный трубопровод, теплообменник, выходной трубопровод, при этом выход входного трубопровода соединен с входом нагревателя, выполненного с возможностью нагрева теплоносителя, а выход нагревателя соединен с входом соединительного трубопровода, выход которого соединен с входом теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, внешняя поверхность теплообменника, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта, снабжена тепловой изоляцией, первый измеритель температуры размещен в соединительном трубопроводе, а второй измеритель температуры размещен между теплообменником и тепловой изоляцией.The solution of the problem in accordance with paragraph 5 of the claims is ensured by the fact that the following improvements are made to the known device comprising a heater, a first temperature meter, a second temperature meter: it further comprises an inlet pipe, a connecting pipe, a heat exchanger, an output pipe, wherein the output of the inlet pipe is connected to the input of the heater, configured to heat the coolant, and the output of the heater is connected to the input of the connecting pipe an ode whose outlet is connected to the inlet of the heat exchanger, the outlet of the heat exchanger is connected to the inlet of the outlet pipe, the outer surface of the heat exchanger, except for the surface adjacent to the surface area of the object under study, is provided with thermal insulation, the first temperature meter is placed in the connecting pipe, and the second temperature meter is placed between the heat exchanger and thermal insulation.

В частном случае в соответствии с п.6 формулы изобретения устройство дополнительно содержит третий измеритель температуры, размещенный в выходном трубопроводе.In the particular case in accordance with paragraph 6 of the claims, the device further comprises a third temperature meter located in the outlet pipe.

Покажем, что поставленная задача изобретения действительно решается в заявленном техническом решении.We show that the task of the invention is really solved in the claimed technical solution.

Первичной определяемой по данным измеренных параметров обычно является температуропроводность, а теплопроводность вычисляется по известному коэффициенту температуропроводности с помощью соотношения [7]:The primary thermal conductivity determined by the data of the measured parameters is usually thermal conductivity, and the thermal conductivity is calculated by the known thermal diffusivity coefficient using the relation [7]:

Figure 00000002
Figure 00000002

где λ - коэффициент теплопроводности материала исследуемого объекта, [Вт/(м·К)]; а - коэффициент температуропроводности материала исследуемого объекта [м2/с]; c0 - объемная теплоемкость материала исследуемого объекта [Дж/(м3·К)], с - удельная теплоемкость материала исследуемого объекта [Дж/(кг·К)]; γ - плотность материала исследуемого объекта [кг/м3].where λ is the coefficient of thermal conductivity of the material of the studied object, [W / (m · K)]; a is the coefficient of thermal diffusivity of the material of the investigated object [m 2 / s]; c 0 is the volumetric heat capacity of the material of the test object [J / (m 3 · K)], s is the specific heat of the material of the test object [J / (kg · K)]; γ is the density of the material of the investigated object [kg / m 3 ].

Следует отметить, что за рубежом температуропроводность принята в качестве эталонной величины, а в России традиционно используется эталон теплопроводности.It should be noted that abroad the thermal diffusivity is accepted as a reference value, and in Russia the thermal conductivity standard is traditionally used.

Заметим, что в ряде случаев конечной величиной, подлежащей определению, является удельное тепловое сопротивление, определяемое по формуле:Note that in some cases, the final value to be determined is the specific thermal resistance, determined by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где r - удельное тепловое сопротивление [м2К/Вт], обратное величине коэффициента теплопередачи αс [Вт/м2К]; L - толщина прогреваемого слоя исследуемого объекта [м].where r is the specific thermal resistance [m 2 K / W], the reciprocal of the heat transfer coefficient α s [W / m 2 K]; L is the thickness of the heated layer of the investigated object [m].

На практике величина удельного теплового сопротивления г должна определяться экспериментально, в частности, по экспериментально определенным температуропроводности или теплопроводности.In practice, the value of the specific thermal resistance g should be determined experimentally, in particular, by experimentally determined thermal diffusivity or thermal conductivity.

Физическая модель исследуемого объекта может быть представлена в виде однородной неограниченной пластины толщиной L. В начальный момент времени одна из поверхностей пластины вводится в соприкосновение с источником тепловой мощности - теплообменником, имеющим ту же температуру, что и исследуемая пластина.The physical model of the studied object can be represented as a uniform unlimited plate with a thickness L. At the initial moment of time, one of the surfaces of the plate is brought into contact with a heat source - a heat exchanger having the same temperature as the studied plate.

Введем следующие допущения и ограничения.We introduce the following assumptions and restrictions.

1. Протяженность источника тепловой мощности вдоль поверхности исследуемого объекта достаточно велика для того, чтобы можно было считать, что тепловой поток через стенку одномерный и однородный по сечению.1. The length of the source of thermal power along the surface of the object under study is large enough so that it can be assumed that the heat flux through the wall is one-dimensional and uniform in cross section.

2. Теплофизические параметры материала исследуемого объекта одинаковы по всем направлениям и постоянны во времени.2. The thermophysical parameters of the material of the studied object are the same in all directions and are constant in time.

3. Теплообменник теплоизолирован от окружающей среды, кроме части его поверхности, соприкасающейся с поверхностью исследуемого объекта; таким образом, внешней средой для теплообменника является контактирующий с ним исследуемый объект, вглубь которого (в поперечном направлении) распространяется тепловой поток, выделяемый в теплообменнике за счет передачи тепловой энергии от нагретого теплоносителя.3. The heat exchanger is thermally insulated from the environment, except for part of its surface in contact with the surface of the object under study; Thus, the external medium for the heat exchanger is the studied object in contact with it, deep into which (in the transverse direction) the heat flux released in the heat exchanger due to the transfer of thermal energy from the heated heat carrier extends.

4. Теплообменник является изотермическим, вследствие чего можно ограничиться анализом его среднеобъемной температуры.4. The heat exchanger is isothermal, as a result of which it is possible to limit oneself to an analysis of its volumetric average temperature.

Среднеобъемная температура проточного теплообменника в рамках принятых допущений будет описываться уравнением вида:The volumetric average temperature of the flow heat exchanger within the framework of the accepted assumptions will be described by an equation of the form:

Figure 00000004
Figure 00000004

где Cw - полная теплоемкость теплообменника [Дж/К]; Tw - температура теплообменника [К]; Тc - температура поверхности исследуемого объекта, примыкающей к рабочей поверхности теплообменника [К]; Tf - температура теплоносителя [К]; σ - тепловая проводимость между поверхностями теплообменника и исследуемого объекта [Вт/К]; αк - контактный коэффициент теплообмена на границе соприкосновения поверхностей теплообменника и исследуемого объекта [Вт/м2К]; F - площадь контакта теплообменника и исследуемого объекта [м2]; α - конвективный коэффициент теплообмена в теплообменнике [Вт/м2К]; S - площадь внутренней поверхности теплообменника [м2], τ - текущее время.where C w is the total heat capacity of the heat exchanger [J / K]; T w - heat exchanger temperature [K]; T c - the surface temperature of the investigated object adjacent to the working surface of the heat exchanger [K]; T f - coolant temperature [K]; σ is the thermal conductivity between the surfaces of the heat exchanger and the test object [W / K]; α to - contact heat transfer coefficient at the interface between the surfaces of the heat exchanger and the test object [W / m 2 K]; F is the contact area of the heat exchanger and the test object [m 2 ]; α is the convective heat transfer coefficient in the heat exchanger [W / m 2 K]; S is the internal surface area of the heat exchanger [m 2 ], τ is the current time.

В дальнейшем рассматривается среднее по теплообменнику значение коэффициента теплоотдачи α.In the future, the average heat transfer coefficient α is considered over the heat exchanger.

В реальных случаях термической инерцией теплоносителя можно пренебречь, тогда распределение температур в теплоносителе вдоль оси z, совпадающей с усредненным направлением движения теплоносителя в теплообменнике, будет описываться уравнением:In real cases, the thermal inertia of the coolant can be neglected, then the temperature distribution in the coolant along the z axis, which coincides with the average direction of motion of the coolant in the heat exchanger, will be described by the equation:

Figure 00000005
Figure 00000005

где С - удельная теплоемкость теплоносителя [Дж/(кг·К)]; М - его массовый расход [кг/с]; l - его длина [м]; Т0 - температура горячего теплоносителя на входе.where C is the specific heat of the coolant [J / (kg · K)]; M is its mass flow rate [kg / s]; l is its length [m]; T 0 - temperature of the hot coolant at the inlet.

Из (4), считая теплообменник изотермическим, а распределение α по оси z постоянным, можно получить распределение температуры теплоносителя по оси z:From (4), considering the heat exchanger isothermal, and the distribution of α along the z axis constant, we can obtain the distribution of the temperature of the coolant along the z axis:

Figure 00000006
Figure 00000006

где

Figure 00000007
- средняя по оси z температура теплоносителя.Where
Figure 00000007
- the average coolant temperature along the z axis.

Из (3) с учетом (5) получим:From (3), taking into account (5), we obtain:

Figure 00000008
Figure 00000008

Рассматривая параметры, входящие в (6) и определяющие тепловой режим теплообменника, необходимо отметить сложности априорной оценки φ - важной характеристики, определяющей эффективность охлаждения. Оценка φ требует расчета коэффициента конвективного теплообмена по критериальным соотношениям.Considering the parameters included in (6) and determining the heat regime of the heat exchanger, it is necessary to note the difficulties of a priori estimation of φ, an important characteristic that determines the cooling efficiency. Estimation of φ requires the calculation of the convective heat transfer coefficient according to the criterion relations.

Безразмерный параметр φ является весьма общей характеристикой, которая присутствует в математическом описании среднеобъемных температур теплообменников. При φ>3...4 задача прогнозирования теплового режима предельно упрощается, поскольку в этом случае Е≈1 и кроме существенного упрощения расчетных соотношений отпадает необходимость расчета коэффициента конвективного теплообмена.The dimensionless parameter φ is a very general characteristic that is present in the mathematical description of the volumetric average temperatures of heat exchangers. For φ> 3 ... 4, the task of predicting the thermal regime is extremely simplified, since in this case E≈1 and in addition to a significant simplification of the calculated ratios, there is no need to calculate the convective heat transfer coefficient.

Основную формулу, описывающую процесс нагрева или охлаждения, удобно записать после преобразования соотношения (6) при условии Е=1 в виде:It is convenient to write down the basic formula describing the heating or cooling process after transforming relation (6) under condition E = 1 in the form:

Figure 00000009
Figure 00000009

В формулу (7) входит темп нагрева m0, который складывается из собственного темпа нагрева mн и дополнительной компоненты, возрастающей с увеличением массового расхода теплоносителя.Formula (7) includes the heating rate m 0 , which is the sum of the own heating rate m n and an additional component that increases with increasing mass flow rate of the coolant.

Заметим, что при выполнении условия φ>3...4 из (5) следует, что температура теплоносителя на выходе теплообменника Тв равна температуре теплообменника Tw, то есть выполняется условие:Note that when the condition φ> 3 ... 4 is satisfied, it follows from (5) that the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger T in is equal to the temperature of the heat exchanger T w , that is, the condition:

Figure 00000010
Figure 00000010

Отдаваемая теплообменником тепловая мощность при условии Е=1 может быть определена из соотношения:The heat output given by the heat exchanger under the condition E = 1 can be determined from the relation:

Figure 00000011
Figure 00000011

Подставив в (9) выражение для Tw из (7), получим:Substituting in (9) the expression for T w from (7), we obtain:

Figure 00000012
Figure 00000012

Из (10) следует, что в начальный момент времени и в конце процесса выхода на стационарный тепловой режим значение отдаваемой тепловой мощности определяется соотношением:From (10) it follows that at the initial moment of time and at the end of the process of reaching the stationary thermal regime, the value of the heat output is determined by the relation:

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

Как показывает анализ, для эффективной работы рассматриваемой измерительной системы необходимо обеспечение выполнения условия:As analysis shows, for the effective operation of the measurement system in question, it is necessary to ensure that the following conditions are met:

Figure 00000015
Figure 00000015

откудаwhere from

Figure 00000016
Figure 00000016

Однако в процессе измерений с учетом допущения 3 теплопринимающей средой для теплообменника является исследуемый объект, вследствие конечной (и обычно малой) теплопроводности его материала особенно быстро нагревается поверхность исследуемого объекта, контактирующая с рабочей поверхностью теплообменника.However, in the course of measurements, taking into account assumption 3, the studied object is the heat-receiving medium for the heat exchanger, due to the final (and usually low) thermal conductivity of its material, the surface of the studied object, which is in contact with the working surface of the heat exchanger, is heated especially quickly.

Таким образом, величина Тc в соотношениях (7), (10)-(12) не что иное, как температура нагреваемой поверхности исследуемого объекта.Thus, the value of T c in the relations (7), (10) - (12) is nothing but the temperature of the heated surface of the investigated object.

Вследствие возрастания величины Тc во времени отдаваемая теплообменником тепловая мощность падает в процессе измерений от начального значенияDue to the increase in T c in time, the heat output given by the heat exchanger decreases during the measurement process from the initial value

Figure 00000017
Figure 00000017

до конечногоto the end

Figure 00000018
Figure 00000018

Отсюда следует, что соотношения (7) и (10) необходимо дополнить зависимостью Тс(τ), для чего необходимо определить нестационарное температурное поле в стенке, описываемое следующей краевой задачей:It follows that relations (7) and (10) must be supplemented by the dependence T c (τ), for which it is necessary to determine the non-stationary temperature field in the wall, described by the following boundary-value problem:

Figure 00000019
Figure 00000019

В краевой задаче введены следующие обозначения: x - координата вдоль оси, ортогональной плоскости контакта теплообменника и исследуемого объекта [м]; q - удельный тепловой поток [Вт/м2]; Р - полный тепловой поток, отдаваемый теплообменником и определяемый соотношением (10).The following notation is introduced in the boundary-value problem: x — coordinate along the axis orthogonal to the contact plane of the heat exchanger and the object under study [m]; q is the specific heat flux [W / m 2 ]; P is the total heat flux given off by the heat exchanger and determined by relation (10).

Граничное условие (17в) введено из тех соображений, что процесс измерений длится гораздо меньше времени, чем требуется для прогрева всей толщи стенки.Boundary condition (17c) was introduced for the reason that the measurement process takes much less time than is required for heating the entire wall thickness.

Преобразуем (10), с учетом обозначения σΣ в (12), к следующему виду:We transform (10), taking into account the notation σ Σ in (12), to the following form:

Figure 00000020
Figure 00000020

Заметим, чтоnotice, that

Figure 00000021
Figure 00000021

где σм - новое введенное обозначение параметра, имеющего размерность тепловой проводимости.where σ m is the newly introduced designation of the parameter having the dimension of thermal conductivity.

Подставив (19) в (18), получим:Substituting (19) in (18), we obtain:

Figure 00000022
Figure 00000022

После подстановки (20) в (17б) можно получить граничное условие в следующем виде:After substituting (20) into (17b), we can obtain the boundary condition in the following form:

Figure 00000023
Figure 00000023

Получим оценку нестационарной температуры поверхности исследуемого объекта, проинтегрировав обе части уравнения (17а) по x в пределах от 0 до L:We obtain an estimate of the unsteady surface temperature of the object under study by integrating both sides of equation (17a) over x in the range from 0 to L:

Figure 00000024
Figure 00000024

Подставив (22) с учетом (21) в (17а), получим:Substituting (22) taking into account (21) into (17a), we obtain:

Figure 00000025
Figure 00000025

Для упрощения уравнения (23) удобно перейти от температур к перегреву ϑ=Т0с0:To simplify equation (23), it is convenient to pass from temperatures to overheating ϑ = Т 0с0 :

Figure 00000026
Figure 00000026

при начальном условии, определяемом с учетом (17 г):under the initial condition, determined taking into account (17 g):

Figure 00000027
Figure 00000027

Умножим все члены уравнения (24) на L и перейдем к безразмерным параметрамWe multiply all terms of equation (24) by L and move on to dimensionless parameters

Figure 00000028
Figure 00000028

где Fo - безразмерное критериальное число Фурье.where Fo is the dimensionless criterion Fourier number.

Решение уравнения (26) имеет вид:The solution of equation (26) has the form:

Figure 00000029
Figure 00000029

В результате интегрирования в (27) с учетом начального условия (25) после преобразований получим окончательное решение уравнения (26) в виде:As a result of integration in (27), taking into account the initial condition (25) after the transformations, we obtain the final solution of equation (26) in the form:

Figure 00000030
Figure 00000030

Из (28) можно определить нестационарную температуру нагреваемой поверхности исследуемого объекта:From (28) it is possible to determine the unsteady temperature of the heated surface of the investigated object:

Figure 00000031
Figure 00000031

Подставив (29) в (7) с учетом тождества Тc≡Тсо, получим выражение для температуры теплообменника Тw, которая, как следует из (5), при φ>4 совпадает с температурой теплоносителя на выходе теплообменника:Substituting (29) into (7), taking into account the identity T c ≡T co , we obtain the expression for the temperature of the heat exchanger T w , which, as follows from (5), for φ> 4 coincides with the temperature of the heat carrier at the outlet of the heat exchanger:

Figure 00000032
Figure 00000032

Из (10) с учетом (29) можно также определить отдаваемый теплообменником тепловой поток:From (10), taking into account (29), it is also possible to determine the heat flux given by the heat exchanger:

Figure 00000033
Figure 00000033

Начальная стадия нагрева по определению будет ограничиваться таким отрезком времени от начала процесса нагрева, в пределах которого выполняются следующие неравенства:The initial stage of heating, by definition, will be limited to such a length of time from the start of the heating process, within which the following inequalities are satisfied:

Figure 00000034
Figure 00000034

При весьма малых значениях аргумента после разложения экспоненты в ряд можно ограничиться линейным приближением, то есть:For very small values of the argument, after expanding the exponential in a series, we can restrict ourselves to a linear approximation, i.e.

Figure 00000035
Figure 00000035

поэтому функции f1 и f2 с высокой степенью точности можно представить в виде:therefore, the functions f 1 and f 2 with a high degree of accuracy can be represented in the form:

Figure 00000036
Figure 00000036

где fin - приближенное значение функции fi на начальном временном участке (i=1, 2); Сс - полная теплоемкость, нагреваемого слоя стенки в пределах площади F контакта с теплообменником [Дж/К].where f in is the approximate value of the function f i at the initial time interval (i = 1, 2); C c is the total heat capacity of the heated wall layer within the area F of contact with the heat exchanger [J / K].

При выполнении условий (34) выражения (29) и (30) можно привести к виду:When conditions (34) are satisfied, expressions (29) and (30) can be reduced to the form:

Figure 00000037
Figure 00000037

Figure 00000038
Figure 00000038

Из (35) можно определить скорость роста температуры поверхности исследуемого объекта Vc:From (35) it is possible to determine the rate of growth of the surface temperature of the investigated object V c :

Figure 00000039
Figure 00000039

Полученные соотношения для температур Тсо и Tw, а также для скорости роста температуры поверхности исследуемого объекта непригодны для определения теплофизических свойств (теплопроводности, температуропроводности) материала исследуемого объекта, поскольку рассмотренная модель физического процесса относится только к поверхности, оставляя без рассмотрения процесс распространения температурного поля вглубь исследуемого объекта. Поэтому необходимо получить решение для нестационарного температурного поля в прилегающем к поверхности слое материала исследуемого объекта.The relations obtained for the temperatures T u and T w, and a surface temperature rise rate test object suitable for determining the thermophysical properties (thermal conductivity, thermal diffusivity) of the material of the test object, as considered model of the physical process relates only to the surface, leaving no consideration of process temperature field propagation deep into the investigated object. Therefore, it is necessary to obtain a solution for an unsteady temperature field in the material layer of the object under study adjacent to the surface.

Введем еще одно допущение (в дополнение к четырем ранее сформулированным).We introduce one more assumption (in addition to the four previously formulated).

Допущение 5:Assumption 5:

Figure 00000040
Figure 00000040

что позволяет перейти к рассмотрению средней скорости роста температуры в нагреваемом слое.which allows us to move on to considering the average rate of temperature increase in the heated layer.

Подставим Vc из (38) в левую часть уравнения (17а), полагая с учетом (37), что Vc=const. В результате получим новое уравнение:We substitute V c from (38) into the left-hand side of equation (17a), assuming, taking into account (37), that V c = const. As a result, we obtain a new equation:

Figure 00000041
Figure 00000041

Решение уравнения (39) имеет вид:The solution of equation (39) has the form:

Figure 00000042
Figure 00000042

где С1 и С2 - постоянные интегрирования.where C 1 and C 2 are the integration constants.

Из граничного условия (17б) получим:From the boundary condition (17b) we obtain:

Figure 00000043
Figure 00000043

Постоянную интегрирования С2 найдем из дополнительного граничного условия:We find the integration constant C 2 from the additional boundary condition:

Figure 00000044
Figure 00000044

С учетом граничных условий (41) и (42) решение (40) примет вид:Given the boundary conditions (41) and (42), solution (40) will take the form:

Figure 00000045
Figure 00000045

Из (43) нетрудно определить температуру на поверхности Тсос(х=0); с учетом очевидного соотношения λ=асγ, получим:From (43) it is easy to determine the surface temperature T w = T a (x = 0); taking into account the obvious relation λ = acγ, we obtain:

Figure 00000046
Figure 00000046

Из (44) нетрудно определить значение коэффициента температуропроводности:From (44) it is easy to determine the value of the coefficient of thermal diffusivity:

Figure 00000047
Figure 00000047

В полученное соотношение (45) входит в качестве параметра толщина прогреваемого слоя L, значение которой следует признать неопределенным, поскольку с течением времени эта толщина непрерывно возрастает.The obtained relation (45) includes, as a parameter, the thickness of the heated layer L, the value of which should be recognized as undefined, since over time this thickness continuously increases.

При хорошем тепловом контакте между поверхностями теплообменника и исследуемого объекта, характеризуемом значениями критерия Bi>50, всегда сохраняется постоянное характеристическое значение критериального числа Фурье Fo*, характеризующее связь глубины прогрева с временем от начала подвода тепловой энергии [7]. Вследствие этого толщина прогретого слоя L связана с текущим временем τ следующим соотношением [7]:With good thermal contact between the surfaces of the heat exchanger and the test object, characterized by the values of the criterion Bi> 50, a constant characteristic value of the criterion Fourier number Fo * is always maintained, which characterizes the relationship between the depth of heating and the time from the beginning of the supply of thermal energy [7]. As a result, the thickness of the heated layer L is related to the current time τ by the following relation [7]:

Figure 00000048
Figure 00000048

Подставив (46) в (45), после преобразований можно получить новое уравнение:Substituting (46) into (45), after the transformations, we can obtain a new equation:

Figure 00000049
Figure 00000049

Из уравнения (47) можно определить коэффициент температуропроводности:From equation (47) it is possible to determine the coefficient of thermal diffusivity:

Figure 00000050
Figure 00000050

В соотношение (48) входят трудноопределимые в эксперименте величины температуры поверхности исследуемого объекта Тсо и скорости изменения температуры этой поверхности Vc. Это обусловлено трудностями в установке измерителя температуры между поверхностями теплообменника и исследуемого объекта таким образом, чтобы он регистрировал только температуру исследуемого объекта, исключая влияние теплообменника на показания измерителя температуры.In equation (48) are difficult to define in experimental quantities of the test object surface temperature T and temperature change from the surface speed V c. This is due to difficulties in installing a temperature meter between the surfaces of the heat exchanger and the test object in such a way that it only records the temperature of the test object, excluding the influence of the heat exchanger on the temperature meter readings.

Задача значительно упрощается, если учесть результаты численного математического моделирования рассматриваемого процесса нагрева, в соответствии с которыми перепад температур между поверхностями теплообменника и исследуемого объекта в течение всего процесса мал по сравнению с уровнями температур. Это позволяет принять следующее допущение:The task is greatly simplified if we take into account the results of numerical mathematical modeling of the heating process under consideration, according to which the temperature difference between the surfaces of the heat exchanger and the test object during the whole process is small compared with the temperature levels. This allows us to make the following assumption:

Допущение 6:Assumption 6:

Figure 00000051
Figure 00000051

что в принципе дает возможность ограничиться измерением только температуры теплообменника. Скорость роста температуры при этом определяется из соотношения:which in principle makes it possible to confine oneself to measuring only the temperature of the heat exchanger. The rate of temperature increase is determined from the ratio:

Figure 00000052
Figure 00000052

илиor

Figure 00000053
Figure 00000053

В формуле (50) фигурирует среднее значение скорости

Figure 00000054
за все время от начала прогрева, а в формуле (51) - мгновенное V, при этом ΔTw - приращение температуры теплообменника в течение выбранного промежутка времени Δτ; индекс «н» соответствует начальному значению; Тн - начальная температура всей измерительной схемы и окружающей среды в самом распространенном случае, когда все начальные температуры совпадают.In the formula (50) appears the average value of speed
Figure 00000054
for all the time from the start of heating, and in formula (51) - instantaneous V wm , while ΔT w is the increment of the heat exchanger temperature over a selected period of time Δτ; index “n” corresponds to the initial value; T n - the initial temperature of the entire measuring circuit and the environment in the most common case, when all the initial temperatures coincide.

Представим формулу для определения плотности теплового потока с учетом (9) и (17б) в виде:We present the formula for determining the heat flux density taking into account (9) and (17b) in the form:

Figure 00000055
Figure 00000055

Введем также обозначениеWe also introduce the notation

Figure 00000056
Figure 00000056

где V0 - имеет размерность скорости [м/с].where V 0 - has a dimension of velocity [m / s].

С учетом (49), (50), (52) и (53) формулу (48) можно представить в виде:Taking into account (49), (50), (52) and (53), formula (48) can be represented as:

Figure 00000057
Figure 00000057

С целью проверки работоспособности формулы для определения температуропроводности (54) было проведено математическое моделирование, в процессе которого конечно-разностным методом рассчитывалось нестационарное температурное поле в исследуемом объекте, контактирующем с теплообменником, нестационарная температура которого вычислялась по формуле (10).In order to verify the operability of the formula for determining the thermal diffusivity (54), mathematical modeling was carried out, during which the unsteady temperature field in the studied object in contact with the heat exchanger, whose unsteady temperature was calculated by the formula (10), was calculated by the finite-difference method.

Расчет проводился в нелинейной постановке с использованием итераций.The calculation was carried out in a nonlinear setting using iterations.

Численные исследования проводились при следующих значениях параметров:Numerical studies were carried out with the following parameter values:

Figure 00000058
Figure 00000058

В результате численных исследований определено, в частности, что Fo*=0,0665 при ΔТ=0,5 К. С учетом принятых в (55) параметров значение V0=8,2·10-6 м/с.As a result of numerical studies, it was determined, in particular, that Fo * = 0.0665 at ΔТ = 0.5 K. Taking into account the parameters adopted in (55), the value V 0 = 8.2 · 10 -6 m / s.

Подставив в (54) все указанные значения параметров, получим рабочую расчетную формулу:Substituting in (54) all the indicated parameter values, we obtain a working calculation formula:

Figure 00000059
Figure 00000059

В формулу (56) входит мгновенное значение Vw=V.Formula (56) includes the instantaneous value V w = V wm .

Результаты исследований представлены в таблице 1.The research results are presented in table 1.

Таблица 1.Table 1. Результаты численных расчетов Tw от текущего времени τ, мгновенных скоростей роста температуры теплообменника V и значений коэффициента температуропроводности а, вычисленных по формуле (56).The results of numerical calculations of T w from current time τ, instantaneous growth rates of the heat exchanger temperature V wm and values of the thermal diffusivity a, calculated by the formula (56). τ, минτ min 33 55 88 1010 1313 20twenty 30thirty 4040 50fifty II τ, сτ, s 180180 300300 480480 600600 780780 12001200 18001800 24002400 30003000 Т, °СT wm , ° С 27,527.5 3333 38,738.7 41,341.3 4444 48,348.3 5252 54,554.5 56,456.4 Δτ, сΔτ, s 180180 120120 180180 120120 180180 420420 600600 600600 600600 IIII ΔТ, °СΔТ, ° С 7,57.5 5,55.5 5,75.7 2,62.6 2,72.7 4,34.3 3,73,7 2,52,5 1,91.9 Vw,

Figure 00000060
V w
Figure 00000060
0,04170.0417 0,04580,0458 0,03170,0317 0,02170,0217 0,0150.015 0,010.01 0,00620.0062 0,0040.004 0,00320.0032 IIIIII а, 10-7
Figure 00000061
a, 10 -7
Figure 00000061
1,231.23 0,50.5 0,470.47 0,640.64 0,820.82 0,870.87 1,01,0 1,391.39 1,431.43

Данные таблицы 1 разделены на три группы (I, II, III). Первую группу составляют данные первичных исследований (расчета, эксперимента). Во вторую группу входят величины, определенные на основании первичных данных и служащие исходными данными для определения мгновенной скорости; при этом Δτnnn-1; ΔТnnn-1, где n - номер данной колонки таблицы 1. Третья строка группы II содержит данные о вычисленной мгновенной скорости. В третьей группе приведены значения конечной определяемой физической величины (а).The data in table 1 are divided into three groups (I, II, III). The first group consists of data from primary studies (calculation, experiment). The second group includes values determined on the basis of primary data and serving as initial data for determining the instantaneous speed; wherein Δτ n = τ nn-1 ; ΔТ n = Т nn-1 , where n is the number of this column of table 1. The third row of group II contains data on the calculated instantaneous speed. In the third group, the values of the final determined physical quantity (a) are given.

Представленные в таблице 1 значения мгновенной скорости (для простоты в таблице и в формулах (54) и (56) индекс «м» при Vw опущен) определялись по формуле (51).The instantaneous velocity values presented in Table 1 (for simplicity, in the table and in formulas (54) and (56), the index “m” at V w is omitted) were determined by formula (51).

Из таблицы 1 можно сделать следующие выводы.From table 1 we can draw the following conclusions.

1. Скорость роста температуры теплообменника (и, соответственно, нагреваемой поверхности стенки) со временем снижается - от начала процесса до пятидесятой минуты - на порядок.1. The rate of increase in temperature of the heat exchanger (and, accordingly, the heated wall surface) decreases with time - from the beginning of the process to the fiftieth minute - by an order of magnitude.

2. Наибольшее отличие величины коэффициента температуропроводности, определенного по полученной аналитической формуле (54), а в данном конкретном случае - по формуле (56), от исходного значения а=1,28·10-7 м2/с (55), наблюдается на временном отрезке от пятой до двадцатой минуты. Именно в этом временном промежутке, как показали результаты численных расчетов, имеет место максимальное отличие температур теплообменника и прилегающей поверхности исследуемого объекта, и допущение 6, описываемое соотношениями (49), выполняется наименее строго.2. The greatest difference between the thermal diffusivity coefficient determined by the obtained analytical formula (54), and in this particular case, by the formula (56), from the initial value a = 1.28 · 10 -7 m 2 / s (55), is observed in the time interval from the fifth to the twentieth minute. It is in this time period, as shown by the results of numerical calculations, that the maximum difference between the temperatures of the heat exchanger and the adjacent surface of the object under study takes place, and assumption 6, described by relations (49), is least rigorous.

3. В целом предложенная методика определения коэффициента температуропроводности, основанная на использовании формулы (54) позволяет получить достаточно точные значения искомой величины, даже несмотря на то, что значения мгновенных скоростей определялись весьма приближенно. Отсюда можно сделать вывод о том, что разработанная физическая модель адекватна физическому процессу.3. In general, the proposed methodology for determining the thermal diffusivity, based on the use of formula (54), allows one to obtain sufficiently accurate values of the sought-for value, even though the instantaneous velocities were determined very approximately. From this we can conclude that the developed physical model is adequate to the physical process.

Повысить точность определения коэффициента температуропроводности можно, вводя необходимые поправки на нелинейность теплового процесса на основе использования результатов численного анализа, а также используя для определения мгновенных скоростей значения производных температуры по времени в каждый заданный момент времени.The accuracy of determining the coefficient of thermal diffusivity can be improved by introducing the necessary corrections for the nonlinearity of the thermal process based on the use of the results of numerical analysis, and also using the derivatives of the temperature with respect to time at each given moment to determine instantaneous velocities.

Самым эффективным методом компенсации погрешности является применение метода сравнения с эталонным образцом. Этот метод основан на предварительном измерении величины а образца из материала с хорошо известными теплофизическими свойствами.The most effective method of error compensation is the application of the method of comparison with a reference sample. This method is based on a preliminary measurement of the value of a sample from a material with well-known thermophysical properties.

В последнем случае обработка результатов измерений проводится по формуле:In the latter case, the processing of measurement results is carried out according to the formula:

Figure 00000062
Figure 00000062

В (57) индекс «э» относится к эталонному образцу.In (57), the “e” index refers to a reference sample.

При использовании соотношения (57) погрешность определения коэффициента температуропроводности должна существенно снижаться за счет взаимной компенсации систематических погрешностей для эталонного и исследуемого образцов материалов.When using relation (57), the error in determining the coefficient of thermal diffusivity should be significantly reduced due to the mutual compensation of systematic errors for the reference and studied samples of materials.

Величина коэффициента теплопроводности λ определяется по измеренному значению коэффициента температуропроводности а с помощью соотношения (1). Это возможно потому, что параметры с и γ большинства материалов хорошо известны, в отличие от λ и а.The value of the coefficient of thermal conductivity λ is determined by the measured value of the coefficient of thermal diffusivity a using relation (1). This is possible because the parameters c and γ of most materials are well known, in contrast to λ and a.

Таким образом, заявленное устройство обеспечивает быстрое, простое и достоверное определение коэффициента температуропроводности.Thus, the claimed device provides a quick, simple and reliable determination of the coefficient of thermal diffusivity.

Проведем анализ основных закономерностей протекания тепловых процессов в рамках рассмотренной физической модели.Let us analyze the basic laws of thermal processes in the framework of the considered physical model.

Прежде всего отметим, что благодаря введенному допущению 5, выраженному соотношением (38), удается прийти к координатной зависимости (43), содержащей скорость нагрева Vc. Использование в расчетах величины мгновенной скорости Vсм позволяет исключить необходимость учета существенной нелинейности процесса нагрева, а введение допущения 6 позволяет существенно упростить методику измерений и обработки экспериментальных данных.First of all, we note that thanks to the introduced assumption 5, expressed by relation (38), it is possible to arrive at the coordinate dependence (43), which contains the heating rate V c . The use of the instantaneous velocity V cm in the calculations eliminates the need to take into account the significant nonlinearity of the heating process, and the introduction of assumption 6 allows us to significantly simplify the method of measuring and processing experimental data.

Нелинейность процесса проявляется в непрерывном снижении скорости нагрева, что видно из данных таблицы 1. Указанная нелинейность может быть проанализирована с использованием соотношений (37) и (46).The nonlinearity of the process is manifested in a continuous decrease in the heating rate, as can be seen from the data in table 1. This nonlinearity can be analyzed using relations (37) and (46).

Запишем соотношение (37) в виде:We write relation (37) in the form:

Figure 00000063
Figure 00000063

откуда можно определить толщину прогретого слоя в приближении бесконечно большой теплопроводности:where can we determine the thickness of the heated layer in the approximation of infinitely large thermal conductivity:

Figure 00000064
Figure 00000064

Подставив в (59) все значения параметров из (55), получим, например, для τ=3000 с: Vw=0,0032 К/с (табл.1), откуда L=0,15 м=15 см.Substituting in (59) all the parameter values from (55), we obtain, for example, for τ = 3000 s: V w = 0.0032 K / s (Table 1), whence L = 0.15 m = 15 cm.

С другой стороны, тот же расчет по формуле (46) приводит для τ=3000 с к значению L=0,058 м≈6 см, что в 2,5 раза меньше, чем значение, определенное по формуле (59). Такой результат вполне понятен, учитывая низкую теплопроводность и температуропроводность рассматриваемого материала стенки.On the other hand, the same calculation by formula (46) leads for L = 0.058 m ≈ 6 cm for τ = 3000 s, which is 2.5 times less than the value determined by formula (59). Such a result is understandable, given the low thermal conductivity and thermal diffusivity of the wall material in question.

Из проведенного анализа можно сделать следующий вывод: для исследуемого объекта толщиной 30 см предложенный способ измерения обеспечивает результат на той стадии, когда исследуемый объект прогревается всего на 1/5 толщины.The following conclusion can be drawn from the analysis: for the studied object 30 cm thick, the proposed measurement method provides the result at the stage when the studied object warms up only 1/5 of the thickness.

Завершим описание сущности заявленного технического решения анализом результатов численных исследований.We complete the description of the essence of the claimed technical solution by analyzing the results of numerical studies.

На фиг.1 представлены расчетные зависимости перепадов температур между теплообменником и исследуемым объектом от времени от начала процесса нагрева при величинах коэффициента теплопроводности исследуемого объекта в Вт/(м·К): 0,05 (линия L1); 0,1 (линия L2); 0,3 (линия L3); 0,5 (линия L4); 1 (линия L5); 2 (линия L6); 3 (линия L7). Все приведенные линии соответствуют тем же значениям коэффициента температуропроводности, умноженным на 106. Максимальные значения перепада температур реализуются как раз на том временном интервале, в пределах которого погрешности расчетов коэффициента температуропроводности были максимальны (таблица 1).Figure 1 presents the calculated dependences of temperature differences between the heat exchanger and the test object on time from the start of the heating process with the values of the thermal conductivity of the test object in W / (m · K): 0.05 (line L 1 ); 0.1 (line L 2 ); 0.3 (line L 3 ); 0.5 (line L 4 ); 1 (line L 5 ); 2 (line L 6 ); 3 (line L 7 ). All the lines shown correspond to the same values of thermal diffusivity multiplied by 10 6 . The maximum values of the temperature difference are realized just on that time interval within which the errors in calculating the coefficient of thermal diffusivity were maximum (table 1).

На фиг.2 представлены начальные участки зависимостей температуры теплообменника от времени нагрева при величинах коэффициента теплопроводности исследуемого объекта в Вт/(м·К): 0,05 (линия L8); 0,1 (линия L9); 0,3 (линия L10); 0,5 (линия L11); 1 (линия L12); 2 (линия L13); 3 (линия L14). Как видно из фиг.2, на начальном временном участке эти зависимости нелинейны, что обусловлено наличием второй степени параметра τ, как это видно из формулы (36). Из фиг.2 следует, что по динамике нагрева можно определять теплофизические свойства материала стенки.Figure 2 presents the initial sections of the dependences of the temperature of the heat exchanger on the heating time for the values of the coefficient of thermal conductivity of the studied object in W / (m · K): 0.05 (line L 8 ); 0.1 (line L 9 ); 0.3 (line L 10 ); 0.5 (line L 11 ); 1 (line L 12 ); 2 (line L 13 ); 3 (line L 14 ). As can be seen from figure 2, at the initial time interval, these dependencies are nonlinear, due to the presence of the second degree of the parameter τ, as can be seen from formula (36). From figure 2 it follows that the dynamics of heating can determine the thermophysical properties of the material of the wall.

На фиг.3 представлены обратные зависимости - a(Tw) для разных моментов времени от начала поступления теплоносителя в теплообменник, в минутах: 10 (линия L15); 20 (линия L16); 30 (линия L17); 40 (линия L18); 50 (линия L19); 60 (линия L20), а на фиг.4 - аналогичные зависимости а от мощности тепловыделения в теплообменнике при разных моментах времени от начала поступления теплоносителя в теплообменник в минутах: 10 (линия L21); 20 (линия L22); 30 (линия L23); 40 (линия L24); 50 (линия L25); 60 (линия L26). Данные этих фигур могут служить руководством для экспериментального определения коэффициента температуропроводности материала.Figure 3 shows the inverse dependences - a (T w ) for different time instants from the beginning of receipt of the coolant in the heat exchanger, in minutes: 10 (line L 15 ); 20 (line L 16 ); 30 (line L 17 ); 40 (line L 18 ); 50 (line L 19 ); 60 (line L 20 ), and Fig. 4 shows similar dependences of a on the heat dissipation power in the heat exchanger at different times from the start of the flow of heat carrier into the heat exchanger in minutes: 10 (line L 21 ); 20 (line L 22 ); 30 (line L 23 ); 40 (line L 24 ); 50 (line L 25 ); 60 (line L 26 ). The data of these figures can serve as a guide for the experimental determination of the coefficient of thermal diffusivity of a material.

Таким образом, заявленное техническое решение может реализовываться как с использованием полученных аналитических формул, так и на основе результатов численных расчетов.Thus, the claimed technical solution can be implemented both using the obtained analytical formulas, and based on the results of numerical calculations.

Заявленные способ и устройство по сравнению со способом-прототипом и устройством-прототипом обладают более высокими потребительскими свойствами за счет расширения области применения и повышения точности и достоверности измерений. В отличие от прототипа-способа и прототипа-устройства, в описываемом техническом решении используется протяженный в двух взаимно перпендикулярных направлениях источник тепловой энергии, поэтому измерения дают эффективные (усредненные) значения теплофизических характеристик, а в большинстве случаев на практике нужны не точечные, а именно эффективные значения тепловых характеристик, например при исследовании стен зданий. В заявленных способе и устройстве обеспечивается формирование одномерного теплового потока (тепловой поток распространяется прямолинейно от внутренней поверхности исследуемого объекта к внешней поверхности исследуемого объекта), который описывается значительно более простой математической моделью, чем в прототипе. Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, заявленные способ и устройство обладают более широкой областью применения. В описываемых способе и устройстве используется более простая и более достоверная модель. В известном способе нужно проводить предварительные измерения для определения поправочного коэффициента, а в описываемых технических решениях этого делать не нужно. В уравнении теплового баланса, описывающего работу заявленных способа и устройства, не надо учитывать потери тепловой энергии в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена вследствие того, что применяется протяженный источник тепловой энергии, снабженный тепловой изоляцией. В уравнении теплового баланса описываемого способа отсутствуют необходимые в уравнении теплового баланса способа-прототипа члены, описывающие частичное поглощение тепловой мощности окружающей средой при передаче тепловой энергии от источника энергии к поверхности исследуемого объекта и при частичном отражении от поверхности исследуемого объекта. В модели, описывающей работу заявленного способа, отсутствует необходимость разложения каких-либо функций в ряд Тейлора. Таким образом, описываемые технические решения обладают более высокими точностью и достоверностью. Расширение области применения и повышение точности и достоверности измерений приводит к повышению потребительских свойств заявленных технических решений по сравнению с прототипами.The claimed method and device in comparison with the prototype method and the prototype device have higher consumer properties by expanding the scope and increasing the accuracy and reliability of measurements. In contrast to the prototype method and prototype device, the described technical solution uses a thermal energy source extended in two mutually perpendicular directions, therefore, measurements give effective (average) values of thermophysical characteristics, and in most cases, in practice, not point, but effective values of thermal characteristics, for example, when studying the walls of buildings. The claimed method and device provides the formation of a one-dimensional heat flux (the heat flux propagates linearly from the inner surface of the test object to the outer surface of the test object), which is described by a much simpler mathematical model than in the prototype. Thus, compared with the known technical solutions, the claimed method and device have a wider scope. In the described method and device uses a simpler and more reliable model. In the known method, it is necessary to carry out preliminary measurements to determine the correction factor, and in the described technical solutions this is not necessary. In the heat balance equation describing the operation of the claimed method and device, it is not necessary to take into account the loss of thermal energy into the environment due to convective and radiant heat transfer due to the fact that an extended source of thermal energy equipped with thermal insulation is used. In the heat balance equation of the described method there are no terms necessary for the heat balance equation of the prototype method that describe the partial absorption of thermal power by the environment during the transfer of thermal energy from the energy source to the surface of the object under study and with partial reflection from the surface of the object under study. In the model describing the operation of the claimed method, there is no need to expand any functions in a Taylor series. Thus, the described technical solutions have higher accuracy and reliability. The expansion of the scope and increase the accuracy and reliability of measurements leads to an increase in consumer properties of the claimed technical solutions in comparison with prototypes.

Сущность изобретения поясняется описанием варианта выполнения заявленного устройства и чертежами, на которых:The invention is illustrated by a description of an embodiment of the claimed device and drawings, in which:

- на фиг.1-4 приведены графики, поясняющие сущность изобретения;- figure 1-4 are graphs explaining the invention;

- на фиг.5 приведена схема устройства, соответствующая п.5 формулы изобретения.- figure 5 shows a diagram of a device corresponding to paragraph 5 of the claims.

Устройство для измерения коэффициента температуропроводности содержит (фиг.5) нагреватель 1, первый измеритель температуры 2, второй измеритель температуры 3, входной трубопровод 4, соединительный трубопровод 5, теплообменник 6, выходной трубопровод 7, при этом выход входного трубопровода 4 соединен с входом нагревателя 1, выполненного с возможностью нагрева теплоносителя, выход нагревателя 1 соединен с входом соединительного трубопровода 5, выход которого соединен с входом теплообменника 6, выход теплообменника 6 соединен с входом выходного трубопровода 7, внешняя поверхность теплообменника 6, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта 8, снабжена тепловой изоляцией 9, первый измеритель температуры 2 размещен в соединительном трубопроводе 5, а второй измеритель температуры 3 размещен между теплообменником 6 и тепловой изоляцией 9. Третий измеритель температуры 10 размещен в выходном трубопроводе 7. На фиг.5 стрелками 11 и 12 показано направление движения теплоносителя.A device for measuring the thermal diffusivity contains (Fig. 5) a heater 1, a first temperature meter 2, a second temperature meter 3, an inlet pipe 4, a connecting pipe 5, a heat exchanger 6, an output pipe 7, while the output of the input pipe 4 is connected to the input of the heater 1 made with the possibility of heating the coolant, the output of the heater 1 is connected to the input of the connecting pipe 5, the output of which is connected to the input of the heat exchanger 6, the output of the heat exchanger 6 is connected to the input of the output pipeline 7, the outer surface of the heat exchanger 6, in addition to the surface adjacent to the surface area of the test object 8, is provided with thermal insulation 9, the first temperature meter 2 is placed in the connecting pipe 5, and the second temperature meter 3 is placed between the heat exchanger 6 and thermal insulation 9. The third meter temperature 10 is placed in the outlet pipe 7. In figure 5, arrows 11 and 12 show the direction of movement of the coolant.

Устройство для измерения температуропроводности работает следующим образом. Теплоноситель под давлением по входному трубопроводу 4 поступает в нагреватель 1, где он нагревается, после чего по соединительному трубопроводу 5 поступает в теплообменник 6. Часть своей тепловой энергии теплоноситель передает исследуемому объекту 8. Из теплообменника 6 теплоноситель поступает в выходной трубопровод 7. Первый измеритель температуры 2 измеряет зависимость от времени температуры теплоносителя на входе теплообменника 6. Второй измеритель температуры 3 измеряет зависимость от времени температуры между теплообменником 6 и тепловой изоляцией 9. Температуропроводность определяют из соотношения (54).A device for measuring thermal diffusivity works as follows. The heat carrier under pressure passes through the inlet pipe 4 to the heater 1, where it is heated, and then through the connecting pipe 5 it enters the heat exchanger 6. A part of its heat energy is transferred to the test object 8. From the heat exchanger 6, the heat carrier enters the outlet pipe 7. The first temperature meter 2 measures the time dependence of the temperature of the coolant at the inlet of the heat exchanger 6. The second temperature meter 3 measures the time dependence of the temperature between the heat exchanger 6 and those heat insulation 9. The thermal diffusivity is determined from relation (54).

Если известны данные по исследованию эталонного объекта, то есть объекта, параметры которого известны с достаточной точностью, то температуропроводность исследуемого объекта может быть определена из соотношения (57).If the data on the study of the reference object is known, that is, an object whose parameters are known with sufficient accuracy, then the thermal diffusivity of the studied object can be determined from relation (57).

В расчетные формулы подставляются измеренные значения Tw, Vw, T, V, измеренные вторым 3 или третьим 10 измерителем температуры. Измерения являются достоверными только при условии равенства показаний второго 3 и третьего 10 измерителей температуры. Если в процессе измерений это условие не выполняется с первого же измерения, необходимо добиться этого равенства регулировкой массового расхода теплоносителя.The calculated formulas are substituted with the measured values of T w , V w , T , V , measured by a second 3 or third 10 temperature meter. Measurements are reliable only if the readings of the second 3 and third 10 temperature meters are equal. If during the measurement process this condition is not satisfied from the first measurement, it is necessary to achieve this equality by adjusting the mass flow rate of the coolant.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Сухов Р.И., Лебедкин Ю.М., Кузнецов В.Г. и др. Способ бурения скважин и устройство для его осуществления. Патент РФ на изобретение №2237148, приор. 1999.10.06, опубл. 2001.07.20, МПК7 Е21В 6/02, Е21В 7/00, Е21В 10/36.1. Sukhov R.I., Lebedkin Yu.M., Kuznetsov V.G. and others. A method of drilling wells and a device for its implementation. RF patent for invention No. 2237148, prior. 1999.10.06, publ. 2001.07.20, IPC7 Е21В 6/02, Е21В 7/00, Е21В 10/36.

2. Пилин Б.П., Марков А.А., Молотков С.Л. Способ ультразвуковой дефектоскопии и устройство, его реализующее. Патент РФ на изобретение №2131123, приор. 1996.01.12, опубл. 1999.05.27, МПК6 G01N 29/04.2. Pilin B.P., Markov A.A., Molotkov S.L. The method of ultrasonic inspection and a device that implements it. RF patent for the invention No. 2131123, prior. 1996.01.12, publ. 1999.05.27, IPC6 G01N 29/04.

3. Бобров В.Т., Тарабрин В.Ф., Ордынец С.А., Кулешов Р.В. Ультразвуковой дефектоскоп «Ласточка». Патент РФ на изобретение №2231783, приор. 2001.08.09., опубл. 2003.07.10, МПК7 G01N 29/04.3. Bobrov V.T., Tarabrin V.F., Ordynets S.A., Kuleshov R.V. Ultrasonic flaw detector "Swallow". RF patent for invention No. 2231783, prior. 2001.08.09., Publ. 2003.07.10, IPC7 G01N 29/04.

4. Сергеев В.А. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых приборов. Патент РФ на изобретение №2178893, приор. 2001.03.13, опубл. 2002.01.27, МПК7 G01R 31/26.4. Sergeev V.A. A method for determining the thermal resistance of the transition-case of semiconductor devices. RF patent for invention No. 2178893, prior. 2001.03.13, publ. 2002.01.27, IPC7 G01R 31/26.

5. Сергеев В.А. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение №2000127414/09, приор. 2000.10.31, опубл. 2002.10.10, МПК7 G01R 31/26.5. Sergeev V.A. Device for measuring the thermal resistance of transistors. Application for a patent of the Russian Federation for invention No.2000127414 / 09, prior. 2000.10.31, publ. 2002.10.10, IPC7 G01R 31/26.

6. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение №2212653, приор. 2002.05.28, опубл. 2003.09.20, МПК7 G01N 25/18.6. Medvedev VV, Troitsky O.YU. Device for determining the characteristics of materials. RF patent for invention No. 2212653, prior. 2002.05.28, publ. 2003.09.20, IPC7 G01N 25/18.

7. Чернышев В.П., Сысоев Э.В., Павлов Р.В. Способ бесконтактного неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Патент РФ на изобретение №2251098, приор. 2003.11.17, опубл. 2005.04.27, MПK7 G01N 25/18.7. Chernyshev V.P., Sysoev E.V., Pavlov R.V. Method of non-destructive non-destructive testing of thermophysical properties of materials. RF patent for invention No. 2251098, prior. 2003.11.17, publ. 2005.04.27, MPK7 G01N 25/18.

8. Чудинов Ю.В., Ишук И.Н., Фесенко А.И. Термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов. Заявка на патент РФ на изобретение №2003129494, приор. 02.10.2003, опубл. 27.03.2005, МПК7 С01N 25/18.8. Chudinov Yu.V., Ishuk I.N., Fesenko A.I. Thermal probe for non-destructive testing of thermophysical properties of materials. Application for a patent of the Russian Federation for invention No. 2003129494, prior. 10/02/2003, publ. 03/27/2005, IPC7 С01N 25/18.

9. Лыков А.В. Теория теплопроводности. Высшая школа. - М.: 1967. - 599 с.9. Lykov A.V. Theory of thermal conductivity. Graduate School. - M .: 1967. - 599 p.

Claims (6)

1. Способ измерения коэффициента температуропроводности, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении зависимости от времени температуры первым измерителем температуры, измерении зависимости от времени температуры вторым измерителем температуры, отличающийся тем, что нагревают участок поверхности исследуемого объекта посредством использования теплоносителя, поступающего в теплообменник, внешняя поверхность которого, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта, снабжена тепловой изоляцией, при этом измеряют зависимость от времени температуры теплоносителя на входе теплообменника первым измерителем температуры, измеряют зависимость температуры от времени вторым измерителем температуры, размещенным между теплообменником и тепловой изоляцией, и определяют коэффициент температуропроводности а из соотношения1. The method of measuring the coefficient of thermal diffusivity, which consists in heating the surface of the investigated object, measuring the dependence of the time on the temperature by the first temperature meter, measuring the dependence of the time on the temperature by the second temperature meter, characterized in that they heat the surface area of the test object by using a coolant entering the heat exchanger the surface of which, in addition to the surface adjacent to the surface area of the investigated object, is equipped with lovoy insulation, the measured time dependence of the coolant temperature at the inlet of the heat exchanger a first temperature measurement, the temperature dependency is measured from the time the second temperature measuring device, disposed between the heat exchanger and thermal insulation, and the thermal diffusivity a is determined from the relation a=4Fo*τ{V0(T0-Tw)/[2(Tw-Tн)Fo*+Vwτ]}2,a = 4Fo * τ {V 0 (T 0 -T w ) / [2 (T w -T n ) Fo * + V w τ]} 2 , где Fo* - характеристическое значение критериального числа Фурье, τ - текущее время, V0=CM/(cγF), С - удельная теплоемкость теплоносителя, М - массовый расход теплоносителя, с - удельная теплоемкость материала исследуемого объекта, γ - плотность материала исследуемого объекта, F - площадь контакта теплообменника и исследуемого объекта, Т0 - температура, измеряемая первым измерителем температуры, Tw - температура, измеряемая вторым измерителем температуры, Тн - температура окружающей среды, Vw - скорость изменения температуры, измеряемой вторым измерителем температуры.where Fo * is the characteristic value of the criterion Fourier number, τ is the current time, V 0 = CM / (cγF), C is the specific heat of the coolant, M is the mass flow of the coolant, s is the specific heat of the material of the test object, γ is the density of the material of the test object , F is the contact area of the heat exchanger and the test object, T 0 is the temperature measured by the first temperature meter, T w is the temperature measured by the second temperature meter, T n is the ambient temperature, V w is the rate of change of temperature measured by the second meter temperature controller. 2. Способ измерения коэффициента температуропроводности по п.1, отличающийся тем, что измеряют зависимость от времени температуры теплоносителя на выходе теплообменника третьим измерителем температуры и обеспечивают условия равенства показаний второго и третьего измерителей температуры.2. The method of measuring the thermal diffusivity coefficient according to claim 1, characterized in that the time dependence of the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger is measured by a third temperature meter and the conditions for the equality of the readings of the second and third temperature meters are provided. 3. Способ измерения коэффициента температуропроводности, заключающийся в нагревании поверхности исследуемого объекта, измерении зависимости от времени температуры первым измерителем температуры, измерении зависимости от времени температуры вторым измерителем температуры, отличающийся тем, что нагревают участок поверхности исследуемого объекта посредством использования теплоносителя, поступающего в теплообменник, внешняя поверхность которого, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта, снабжена тепловой изоляцией, при этом измеряют зависимость от времени температуры теплоносителя на входе теплообменника первым измерителем температуры, измеряют зависимость температуры от времени вторым измерителем температуры, размещенным между теплообменником и тепловой изоляцией, причем коэффициент температуропроводности а определяют из соотношения3. The method of measuring the coefficient of thermal diffusivity, which consists in heating the surface of the test object, measuring the dependence of the time on the temperature by the first temperature meter, measuring the dependence of the time on the temperature by the second temperature meter, characterized in that the surface area of the test object is heated by using a coolant entering the heat exchanger the surface of which, in addition to the surface adjacent to the surface area of the investigated object, is equipped with lovoy insulation, the measured time dependence of the coolant temperature at the inlet of the heat exchanger a first temperature gauge measures the temperature dependence on time second temperature measuring device, disposed between the heat exchanger and the thermal insulation, the thermal diffusivity a is determined from the relation a=Naэ,a = Na e N={cоэ(T0-Tw)[2(T-Tн)Fo*+Vτ]}2/{co(T0-T)[2(T-Tн)Fo*+Vwτ]}2,N = {c oe (T 0 -T w ) [2 (T -T н ) Fo * + V τ]} 2 / {c o (T 0 -T ) [2 (T -T н ) Fo * + V w τ]} 2 , где аэ - коэффициент температуропроводности эталонного объекта, Ооэ - объемная теплоемкость материала эталонного объекта, Т - температура, измеряемая вторым измерителем температуры при исследовании эталонного объекта, V - скорость изменения температуры, измеряемой вторым измерителем температуры при исследовании эталонного объекта, cо - объемная теплоемкость материала исследуемого объекта, Fo* - характеристическое значение критериального числа Фурье, τ - текущее время, Т0 - температура, измеряемая первым измерителем температуры, Tw - температура, измеряемая вторым измерителем температуры, Тн - температура окружающей среды.where a e is the coefficient of thermal diffusivity of the reference object, O oe is the volumetric heat capacity of the material of the reference object, T ve is the temperature measured by the second temperature meter in the study of the reference object, V we is the rate of change of temperature measured by the second temperature meter in the study of the reference object, c о is the volumetric heat capacity of the material of the studied object, Fo * is the characteristic value of the criterion Fourier number, τ is the current time, T 0 is the temperature measured by the first temperature meter, T w - t the temperature measured by the second temperature meter, T n - ambient temperature. 4. Способ измерения коэффициента температуропроводности по п.3, отличающийся тем, что измеряют зависимость от времени температуры теплоносителя на выходе теплообменника третьим измерителем температуры и обеспечивают условия равенства показаний второго и третьего измерителей температуры.4. The method of measuring the coefficient of thermal diffusivity according to claim 3, characterized in that the time dependence of the temperature of the coolant at the outlet of the heat exchanger is measured by a third temperature meter and conditions are provided for the readings of the second and third temperature meters to be equal. 5. Устройство для измерения коэффициента температуропроводности, содержащее нагреватель, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит входной трубопровод, соединительный трубопровод, теплообменник, выходной трубопровод, при этом выход входного трубопровода соединен с входом нагревателя, выполненного с возможностью нагрева теплоносителя, а выход нагревателя соединен с входом соединительного трубопровода, выход которого соединен с входом теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, внешняя поверхность теплообменника, кроме поверхности, примыкающей к участку поверхности исследуемого объекта, снабжена тепловой изоляцией, первый измеритель температуры размещен в соединительном трубопроводе, а второй измеритель температуры размещен между теплообменником и тепловой изоляцией.5. A device for measuring the coefficient of thermal diffusivity, comprising a heater, a first temperature meter, a second temperature meter, characterized in that it further comprises an inlet pipe, a connecting pipe, a heat exchanger, an output pipe, wherein the output of the input pipe is connected to an input of a heater configured to heating medium, and the output of the heater is connected to the input of the connecting pipe, the output of which is connected to the input of the heat exchanger, the output of the heat ennika output connected to an input pipe, the outer surface of the heat exchanger, except the surface adjacent to the surface of the object portion is provided with thermal insulation, a first temperature gauge placed in the connecting pipe, and a second temperature gauge is arranged between the heat exchanger and thermal insulation. 6. Устройство для измерения коэффициента температуропроводности по п.5, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит третий измеритель температуры, размещенный в выходном трубопроводе.6. A device for measuring the thermal diffusivity according to claim 5, characterized in that it further comprises a third temperature meter located in the outlet pipe.
RU2006116343/28A 2006-05-06 2006-05-06 Thermal diffusivity measurement method and device (variants) RU2322662C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006116343/28A RU2322662C2 (en) 2006-05-06 2006-05-06 Thermal diffusivity measurement method and device (variants)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006116343/28A RU2322662C2 (en) 2006-05-06 2006-05-06 Thermal diffusivity measurement method and device (variants)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006116343A RU2006116343A (en) 2007-12-10
RU2322662C2 true RU2322662C2 (en) 2008-04-20

Family

ID=38903186

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006116343/28A RU2322662C2 (en) 2006-05-06 2006-05-06 Thermal diffusivity measurement method and device (variants)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2322662C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722088C1 (en) * 2019-05-06 2020-05-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113848231B (en) * 2020-06-28 2024-03-08 宝山钢铁股份有限公司 Coking property judging method based on thermal diffusivity in coking coal pyrolysis process

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2722088C1 (en) * 2019-05-06 2020-05-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) Method of measuring specific thermal resistance and device for implementation thereof

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006116343A (en) 2007-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. Experimental study on condensation heat transfer in vertical minichannels for new refrigerant R1234ze (E) versus R134a and R236fa
Rose Heat-transfer coefficients, Wilson plots and accuracy of thermal measurements
Lu et al. Inverse estimation of the inner wall temperature fluctuations in a pipe elbow
Kim et al. Experimental and numerical analysis of heat transfer phenomena in a sensor tube of a mass flow controller
Hemadri et al. Experimental study of heat transfer in rarefied gas flow in a circular tube with constant wall temperature
Bertsche et al. Experimental investigation on heat transfer in laminar, transitional and turbulent circular pipe flow with respect to flow regime boundaries
Schubring et al. Critical friction factor modeling of horizontal annular base film thickness
RU2322662C2 (en) Thermal diffusivity measurement method and device (variants)
Du et al. Tikhonov regularization stabilizes multi-parameter estimation of geothermal heat exchangers
Liu et al. Experimental study on forced convective heat transfer characteristics in quartz microtube
Kamsanam et al. Development of experimental techniques for measurement of heat transfer rates in heat exchangers in oscillatory flows
RU2568983C1 (en) Method to determine coefficient of heat conductivity of liquid heat insulation in laboratory conditions
Liu et al. Time-resolved heat transfer characteristics for steady turbulent flow with step changing and periodically pulsating flow temperatures
RU60730U1 (en) DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE CONDUCTIVITY COEFFICIENT
Mita et al. Pressure drop of water flow across a micro-pin–fin array part 2: Adiabatic liquid–vapor two-phase flow
RU2330270C2 (en) Device and calculation method of thermal resistivity
JP3926571B2 (en) Method and apparatus for measuring temperature conductivity etc. of solid
Hedayati-Dezfooli et al. A design of experimental apparatus for studying coupled heat and moisture transfer in soils at high-temperature conditions
Samadi et al. Analytical solution for partial heating on the exterior of the pipe with application to measuring fluid flow rate
RU2646437C1 (en) Method of determining thermal conductivity coefficient of liquid heat insulation at non-stationary thermal mode
RU54193U1 (en) DEVICE FOR MEASURING THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS (OPTIONS)
Hanby et al. Modeling the dynamic response of conduits
Minakov et al. Experiment-calculated investigation of the forced convection of nanofluids using single fluid approach
RU2326370C2 (en) Method of thermal characteristics measurement (variants) and device for its implementation (variants)
RU57464U1 (en) DEVICE FOR MEASURING SPECIFIC HEAT RESISTANCE

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110507