RU2523090C1 - Method of determining specific heat capacity of materials - Google Patents

Method of determining specific heat capacity of materials Download PDF

Info

Publication number
RU2523090C1
RU2523090C1 RU2013112050/28A RU2013112050A RU2523090C1 RU 2523090 C1 RU2523090 C1 RU 2523090C1 RU 2013112050/28 A RU2013112050/28 A RU 2013112050/28A RU 2013112050 A RU2013112050 A RU 2013112050A RU 2523090 C1 RU2523090 C1 RU 2523090C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
samples
thermal contact
specific
brought
Prior art date
Application number
RU2013112050/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Владимирович Балабанов
Александр Георгиевич Дивин
Михаил Михайлович Мордасов
Александр Алексеевич Чуриков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ"
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО "ТГТУ"
Priority to RU2013112050/28A priority Critical patent/RU2523090C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2523090C1 publication Critical patent/RU2523090C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method includes forming first and second identical test samples from granular or porous materials; bringing said samples into thermal contact on a plane with a heat source; bringing the outer surface of the samples into thermal contact with reference samples and bringing the outer surface of reference samples into thermal contact with the heat sources; supplying heat to the samples and measuring specific power of the heat sources; measuring, with constant time spacing, temperature, specific volume of the solid phase of the samples, heat flux from those surfaces of flat heat sources that were not brought into thermal contact with reference samples; determining heat flux through the test samples and calculating specific heat capacity.
EFFECT: high accuracy of determining specific heat capacity of porous, fibrous and granular materials.
2 dwg

Description

Изобретение относится к области технической физики, в частности к тепловым методам исследования свойств материалов, а именно к определению удельной теплоемкости.The invention relates to the field of technical physics, in particular to thermal methods for studying the properties of materials, namely to determine the specific heat.

Известен способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что измеряют толщину исследуемого образца, подводят теплоту к образцам, поддерживают температуру на внешних поверхностях образцов равной заданной температуре, регистрируют удельную мощность источника теплоты, измеряют с постоянным шагом во времени температуру в течение всего эксперимента, определяют на каждом шаге величину динамического параметра и сравнивают с максимальным значением, лежащим в заданном диапазоне, определяют искомые теплофизические характеристики по формулам, в качестве второго образца используют образец, идентичный первому образцу, эти образцы с двух сторон приводят в тепловой контакт с объемным источником теплоты, эксперимент проводят в два этапа, причем на первом этапе подводят постоянную мощность к объемному источнику теплоты, на каждом шаге во времени регистрируют среднеинтегральную температуру объемного источника теплоты и вычисляют величину динамического параметра как отношение разности скоростей изменения измеряемой среднеинтегральной температуры на первом и текущем шаге к скорости изменения среднеинтегральной температуры на первом шаге, заканчивают проведение первого этапа эксперимента при превышении заданного максимального значения динамического параметра, а на следующем шаге во времени начинают проведение второго этапа эксперимента, а именно прекращают подвод мощности к объемному источнику теплоты, на каждом шаге второго этапа вычисляют безразмерную температуру и число Фурье, проведение второго этапа эксперимента прекращают на том шаге, на котором значение безразмерной температуры становится меньше заданного значения, причем по зарегистрированным на первом этапе эксперимента данным вычисляют искомую теплопроводность, а по зарегистрированным на втором этапе эксперимента данным определяют искомую температуропроводность (Патент РФ №2243543, МПК7 G01N 25/18).A known method for the complex determination of the thermophysical characteristics of materials is that the thickness of the test sample is measured, heat is supplied to the samples, the temperature on the external surfaces of the samples is maintained at a predetermined temperature, the specific power of the heat source is recorded, and the temperature is measured with a constant step in time throughout the experiment , determine at each step the value of the dynamic parameter and compare with the maximum value lying in a given range, determine some thermophysical characteristics by formulas, a second sample is used that is identical to the first sample, these samples are brought into thermal contact on two sides with a volume source of heat, the experiment is carried out in two stages, and at the first stage, constant power is supplied to the volume source of heat, at each time step, the average integral temperature of the volumetric heat source is recorded and the value of the dynamic parameter is calculated as the ratio of the difference in the rates of change of the measured average integ temperature at the first and current steps to the rate of change of the average integral temperature at the first step, the first stage of the experiment is completed when the specified maximum value of the dynamic parameter is exceeded, and at the next time step, the second stage of the experiment is started, namely, the power supply to the volumetric heat source is stopped , at each step of the second stage, the dimensionless temperature and Fourier number are calculated; the second stage of the experiment is stopped at the step at which ix dimensionless temperature becomes smaller than the predetermined value, wherein at the first stage registered experimental data calculated desired heat conductivity, and registered according to the second phase of the experiment determining the desired thermal diffusivity (RF Patent №2243543, IPC 7 G01N 25/18).

Недостатками известного способа являются большая длительность измерений, обусловленная необходимостью проведения двух этапов эксперимента, а также возможность измерения теплофизических свойств с заданной точностью только в тех диапазонах по теплопроводности и температуропроводности, для которых определены предельные значения динамических параметров.The disadvantages of this method are the long measurement duration, due to the need for two stages of the experiment, as well as the ability to measure thermophysical properties with a given accuracy only in those ranges of thermal conductivity and thermal diffusivity for which the limiting values of the dynamic parameters are determined.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в том, что измеряют толщину исследуемого образца, в качестве второго образца используют образец, идентичный первому образцу, эти образцы с двух сторон приводят в тепловой контакт с объемным источником теплоты, подводят теплоту к образцам, регистрируют удельную мощность источника теплоты, измеряют с постоянным шагом во времени температуру в течение всего эксперимента, определяют искомые теплофизические характеристики по формулам, внешние поверхности исследуемых образцов приводят в тепловой контакт с эталонными образцами, внешние поверхности эталонных образцов приводят в тепловой контакт с плоскими нагревателями, подводят постоянную мощность к нагревателям и регистрируют перепад температур на поверхностях эталонных образцов в плоскости контакта эталонного образца с плоским нагревателем и в плоскости контакта эталонного образца с исследуемым образцом, вычисляют тепловые потоки через первый и второй исследуемые образцы, вычисляют число Фурье и безразмерную среднеинтегральную температуру объемного источника теплоты, по экспериментальным данным вычисляют тангенс угла наклона прямолинейного участка графика зависимости безразмерной среднеинтегральной температуры объемного источника теплоты от числа Фурье, по зарегистрированным в ходе эксперимента данным вычисляют искомую объемную теплоемкость и теплопроводность (Патент №2387981 РФ, G01N 25/18. Способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов).The closest technical solution adopted for the prototype is a method for comprehensively determining the thermophysical characteristics of materials, which consists in measuring the thickness of the test sample, using a sample identical to the first sample as the second sample, these samples are brought into thermal contact with a volume source on both sides heat, bring heat to the samples, record the specific power of the heat source, measure the temperature with a constant step in time throughout the experiment, determine the required thermophysical characteristics by formulas, the external surfaces of the test samples are brought into thermal contact with the reference samples, the external surfaces of the reference samples are brought into thermal contact with flat heaters, the constant power is supplied to the heaters and the temperature difference is recorded on the surfaces of the reference samples in the contact plane of the reference sample with a flat the heater and in the plane of contact of the reference sample with the test sample, calculate the heat fluxes through the first and second studies blowing samples, calculate the Fourier number and the dimensionless average integral temperature of the volumetric heat source, calculate the slope of the rectilinear portion of the graph of the dependence of the dimensionless average integral temperature of the volumetric heat source on the Fourier number from experimental data calculate the desired volumetric heat capacity and thermal conductivity (Patent No. 2387981 RF, G01N 25/18. A method for the comprehensive determination of the thermophysical characteristics of materials).

Недостатком известного способа является большая погрешность определения удельной теплоемкости пористых и сыпучих материалов, обусловленная тем, что при изменении температуры в ходе эксперимента происходит увеличение удельного объема твердой фазы исследуемого материала, что не учитывается в прототипе.The disadvantage of this method is the large error in determining the specific heat of porous and bulk materials, due to the fact that when the temperature changes during the experiment, there is an increase in the specific volume of the solid phase of the studied material, which is not taken into account in the prototype.

Такие признаки прототипа, как использование второго образца, идентичного первому образцу, приведение образцов с двух сторон в тепловой контакт с источником теплоты, приведение внешних поверхностей образцов в тепловой контакт с эталонными образцами, приведение внешних поверхностей эталонных образцов в тепловой контакт с источниками теплоты, подведение теплоты к образцам, регистрация удельной мощности источников теплоты, измерение с постоянным шагом во времени температуры в течение всего эксперимента, вычисление тепловых потоков через образцы, определение искомых теплофизических характеристик по формулам, совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения.Such features of the prototype as the use of a second sample identical to the first sample, bringing samples from two sides into thermal contact with a heat source, bringing external surfaces of samples into thermal contact with reference samples, bringing external surfaces of reference samples into thermal contact with heat sources, summing up heat to samples, registration of the specific power of heat sources, measurement with a constant step in time of temperature throughout the experiment, calculation of heat fluxes through h samples, determination of the desired thermophysical characteristics by formulas, coincide with the essential features of the claimed invention.

Технической задачей является повышение информативности способа и повышение точности определения удельной теплоемкости пористых, волокнистых и сыпучих материалов.The technical task is to increase the information content of the method and increase the accuracy of determining the specific heat of porous, fibrous and bulk materials.

Данная техническая задача решается тем, что в способе определения удельной теплоемкости материалов первый и второй идентичные образцы приводят в тепловой контакт по плоскости с источником теплоты, внешние поверхности образцов приводят в тепловой контакт с эталонными образцами, внешние поверхности эталонных образцов приводят в тепловой контакт с источниками теплоты, подводят теплоту к исследуемым образцам, регистрируют удельную мощность источников теплоты, измеряют с постоянным шагом во времени температуру в течение всего эксперимента, вычисляют тепловые потоки через исследуемые образцы, определяют искомые теплофизические характеристики по формулам, дополнительно изолируют объем с формируемыми образцами известной массы из сыпучего или пористого материала, изменяют на постоянную величину объем их газового пространства, измеряют изменение давления, определяют удельный объем твердой фазы образцов, а также тепловые потоки с тех поверхностей плоских источников теплоты, которые не приведены в тепловой контакт с эталонными образцами, вычисляют тепловые потоки через первый q1=U2/(RS)-q1u и второй q2=U2/(RS)-q2u исследуемые образцы, вычисляют удельную теплоемкость по формулеThis technical problem is solved in that in the method for determining the specific heat of materials, the first and second identical samples are brought into thermal contact along the plane with the heat source, the external surfaces of the samples are brought into thermal contact with the reference samples, the external surfaces of the reference samples are brought into thermal contact with the heat sources heat is brought to the samples under investigation, the specific power of heat sources is recorded, and the temperature is measured with a constant step in time throughout the experiment that, heat fluxes through the studied samples are calculated, the desired thermophysical characteristics are determined by the formulas, they additionally isolate the volume with the formed samples of known mass from granular or porous material, change the volume of their gas space by a constant value, measure the pressure change, determine the specific volume of the solid phase of the samples, as well as heat fluxes from those surfaces of planar heat sources that are not brought into thermal contact with reference samples, heat fluxes are calculated through the first q 1 = U 2 / (RS) -q 1u and the second q 2 = U 2 / (RS) -q 2u the test samples, calculate the specific heat by the formula

c = c н p н ( Q + Г 1 1 ) Г 1 ν т ф

Figure 00000001
, c = c n p n ( Q + G one - one ) G one ν t f
Figure 00000001
,

где ν т ф = V т ф m

Figure 00000002
- удельный объем твердой фазы образцов; Vтф - объем твердой фазы, m - масса образцов, снрн - объемная теплоемкость материала, из которого изготовлен источник теплоты; Г1=1+h0/(2h0+hн)-(h0+hн)/(2h0+hн) - коэффициент толщины образца h0 и источника теплоты hн; U - напряжение, подводимое к источнику теплоты, R, S - сопротивление и площадь поверхности источника теплоты, q1u, q2u - измеряемые тепловые потоки с поверхностей первого и второго плоских источников теплоты, Q = 1 + U 2 / ( R S h н ) q 1 h н + q 2 q 1 A
Figure 00000003
,Where ν t f = V t f m
Figure 00000002
- specific volume of the solid phase of the samples; V tf is the volume of the solid phase, m is the mass of the samples, s N r n is the volumetric heat capacity of the material from which the heat source is made; G 1 = 1 + h 0 / (2h 0 + h n ) - (h 0 + h n ) / (2h 0 + h n ) - coefficient of thickness of the sample h 0 and heat source h n ; U is the voltage supplied to the heat source, R, S is the resistance and surface area of the heat source, q 1u , q 2u are the measured heat fluxes from the surfaces of the first and second plane heat sources, Q = one + U 2 / ( R S h n ) q one h n + q 2 q one A
Figure 00000003
,

А - тангенс угла наклона прямолинейного участка зависимости T ¯ 2 ( τ ) T 0 q 1 ( 2 h 0 + h н ) / λ н = f ( a н τ ( 2 h 0 + h н ) 2 )

Figure 00000004
; T ¯ 2 ( τ )
Figure 00000005
- температура, измеряемая в плоскости контакта исследуемых образцов; Т0 - начальная температура.A is the tangent of the slope of the rectilinear plot of dependence T ¯ 2 ( τ ) - T 0 q one ( 2 h 0 + h n ) / λ n = f ( a n τ ( 2 h 0 + h n ) 2 )
Figure 00000004
; T ¯ 2 ( τ )
Figure 00000005
- temperature measured in the plane of contact of the studied samples; T 0 - initial temperature.

Способом, описанным в прототипе, определение удельной теплоемкости возможно только расчетным методом путем деления объемной теплоемкости на плотность материала. Однако в процессе нагрева исследуемого материала вследствие расширения частиц изменяется соотношение объемов твердой и газовой фазы. Поэтому определение удельной теплоемкости в прототипе сопряжено с большими погрешностями.By the method described in the prototype, the determination of specific heat is only possible by calculation by dividing the volumetric heat by the density of the material. However, in the process of heating the test material due to the expansion of the particles, the ratio of the volumes of the solid and gas phases changes. Therefore, the determination of specific heat in the prototype is fraught with large errors.

По сравнению с прототипом, предложенным способом можно определять не только объемную теплоемкость материала, но и удельную теплоемкость благодаря непрерывному определению удельного объема твердой фазы в ходе эксперимента. Это расширяет информативность способа и повышает точность определения удельной теплоемкости.Compared with the prototype, the proposed method, it is possible to determine not only the volumetric heat capacity of the material, but also the specific heat due to the continuous determination of the specific volume of the solid phase during the experiment. This extends the information content of the method and increases the accuracy of determining the specific heat.

На фиг.1 приведена физическая модель измерительной ячейки, реализующей предлагаемый способ. На фиг.2 изображена схема конструкции измерительной ячейки.Figure 1 shows the physical model of the measuring cell that implements the proposed method. Figure 2 shows the design diagram of the measuring cell.

Физическая модель измерительной ячейки (фиг.1) представляет собой плоскую трехслойную систему. Слои 1 и 3 системы образованы идентичными по свойствам и размерам исследуемыми образцами, между которыми расположен слой 2, состоящий из нагревателя и термометра сопротивления, выполненных из манганиновой и медной проволок. На внешних поверхностях исследуемых образцов заданы тепловые потоки q1 и q2.The physical model of the measuring cell (figure 1) is a flat three-layer system. Layers 1 and 3 of the system are formed by the studied samples, identical in properties and sizes, between which layer 2 is located, consisting of a heater and a resistance thermometer made of manganin and copper wires. On the external surfaces of the samples under study, heat fluxes q 1 and q 2 are specified.

Математическая модель, описывающая температурное поле в измерительном устройстве, была сформулирована при следующих допущениях: 1) теплоперенос излучением в исследуемых образцах отсутствует; 2) температурное поле внутри системы считается одномерным; 3) термические сопротивления на границах контакта слоев отсутствуют; 4) на внешних границах исследуемых образцов заданы постоянные тепловые потоки; 5) в ходе эксперимента температура слоев системы изменяется незначительно, поэтому теплофизические свойства слоев постоянны; 6) мощность, выделяемая на нагревателе, равномерно распределена по всему объему слоя 2. С учетом допущений математическая модель записана в виде системы дифференциальных уравнений теплопроводностиThe mathematical model describing the temperature field in the measuring device was formulated under the following assumptions: 1) there is no heat transfer by radiation in the samples under study; 2) the temperature field inside the system is considered one-dimensional; 3) there are no thermal resistances at the contact boundaries of the layers; 4) at the external borders of the samples under study, constant heat fluxes are specified; 5) during the experiment, the temperature of the layers of the system changes slightly, therefore, the thermophysical properties of the layers are constant; 6) the power allocated to the heater is evenly distributed throughout the entire volume of layer 2. Subject to assumptions, the mathematical model is written in the form of a system of differential heat equations

Θ i ( x ¯ , F o ) F o = a ¯ i 2 Θ i ( x ¯ , F o ) x ¯ 2 + W ¯ i , 0 < x ¯ < 1, F o > 0, i = 1,3 ¯ , ( 1 )

Figure 00000006
Θ i ( x ¯ , F o ) F o = a ¯ i 2 Θ i ( x ¯ , F o ) x ¯ 2 + W ¯ i , 0 < x ¯ < one, F o > 0 i = 1.3 ¯ , ( one )
Figure 00000006

с начальными условиями Θ i ( x ¯ ,0 ) = 0, ( 2 )

Figure 00000007
with initial conditions Θ i ( x ¯ 0 ) = 0 ( 2 )
Figure 00000007

и граничными условиямиand boundary conditions

Θ i ( 0, F o ) x ¯ = λ 2 λ 1 , ( 3 )

Figure 00000008
Θ i ( 0 F o ) x ¯ = - λ 2 λ one , ( 3 )
Figure 00000008

Θ i ( l i l 3 0, F o ) = Θ i + 1 ( l i l 3 + 0, F o ) , i = 1,2 ¯ , ( 4 )

Figure 00000009
Θ i ( l i l 3 - 0 F o ) = Θ i + one ( l i l 3 + 0 F o ) , i = 1,2 ¯ , ( four )
Figure 00000009

λ i Θ i ( l i l 3 0, F o ) x ¯ = λ i + 1 Θ i + 1 ( l i l 3 + 0, F o ) x ¯ , i = 1,2 ¯ , ( 5 )

Figure 00000010
λ i Θ i ( l i l 3 - 0 F o ) x ¯ = λ i + one Θ i + one ( l i l 3 + 0 F o ) x ¯ , i = 1,2 ¯ , ( 5 )
Figure 00000010

Θ 3 ( 1, F o ) x ¯ = q 2 q 1 λ 2 λ 3 , ( 6 )

Figure 00000011
Θ 3 ( one, F o ) x ¯ = q 2 q one λ 2 λ 3 , ( 6 )
Figure 00000011

где a ¯ i

Figure 00000012
- безразмерная температуропроводность i-го слоя, определяемая из выражения a ¯ i = a i / a 2
Figure 00000013
; λi - теплопроводность; W ¯ i
Figure 00000014
- безразмерная объемная мощность внутренних источников теплоты, определяемая из выражения W ¯ i = W i l 3 / q 1
Figure 00000015
, причем объемная мощность внутренних источников теплоты первого и третьего слоев равны W1=W3=0, а объемная мощность внутренних источников теплоты второго слоя определяется как отношение мощности P нагревателя к объему V2 второго слоя, т.е. W2=P/V2; Θ i ( x ¯ , F o )
Figure 00000016
- безразмерная температура, определяемая из выраженияWhere a ¯ i
Figure 00000012
- dimensionless thermal diffusivity of the i-th layer, determined from the expression a ¯ i = a i / a 2
Figure 00000013
; λ i - thermal conductivity; W ¯ i
Figure 00000014
- dimensionless volumetric power of internal heat sources, determined from the expression W ¯ i = W i l 3 / q one
Figure 00000015
moreover, the volumetric power of the internal heat sources of the first and third layers is W 1 = W 3 = 0, and the volumetric power of the internal heat sources of the second layer is determined as the ratio of the power P of the heater to the volume V 2 of the second layer, i.e. W 2 = P / V 2 ; Θ i ( x ¯ , F o )
Figure 00000016
- dimensionless temperature, determined from the expression

Θ i ( x ¯ , F o ) = T i ( x , τ ) T 0 q 1 l 3 / λ 2

Figure 00000017
, Θ i ( x ¯ , F o ) = T i ( x , τ ) - T 0 q one l 3 / λ 2
Figure 00000017
,

где Т1(x,τ) - температурное поле i-го слоя; T0 - начальная температура; x ¯ = x / l 3

Figure 00000018
- безразмерная пространственная координата; F o = a 2 τ l 3 2
Figure 00000019
- число Фурье, x,τ - пространственная координата и время.where T 1 (x, τ) is the temperature field of the i-th layer; T 0 - initial temperature; x ¯ = x / l 3
Figure 00000018
- dimensionless spatial coordinate; F o = a 2 τ l 3 2
Figure 00000019
is the Fourier number, x, τ is the spatial coordinate and time.

Из теории теплопроводности известно, что поле температур Θ i ( x ¯ , F o )

Figure 00000020
будет автомодельным относительно координаты Fo. Решение задачи (1)-(6) имеет следующий видFrom the theory of thermal conductivity it is known that the temperature field Θ i ( x ¯ , F o )
Figure 00000020
will be self-similar with respect to the coordinate Fo. The solution to problem (1) - (6) has the following form

Θ i ( x ¯ , F o ) = A F o + F i ( x ¯ ) , i = 1,3 ¯

Figure 00000021
, Θ i ( x ¯ , F o ) = A F o + F i ( x ¯ ) , i = 1.3 ¯
Figure 00000021
,

где А - постоянный коэффициент; F i ( x ¯ )

Figure 00000022
- функции, имеющие видwhere A is a constant coefficient; F i ( x ¯ )
Figure 00000022
- functions having the form

F i ( x ¯ ) = { A a 2 a 1 x ¯ 2 2 λ 2 λ 1 x ¯ + C 1 , i = 1, ( A W ¯ 2 ) x ¯ 2 2 + C 21 x ¯ + C 22 , i = 2, A a 2 a 3 x ¯ 2 2 ( q 2 q 1 λ 2 λ 3 + A a 2 a 3 ) x ¯ + C 3 , i = 3.

Figure 00000023
F i ( x ¯ ) = { A a 2 a one x ¯ 2 2 - λ 2 λ one x ¯ + C one , i = one, ( A - W ¯ 2 ) x ¯ 2 2 + C 21 x ¯ + C 22 , i = 2 A a 2 a 3 x ¯ 2 2 - ( - q 2 q one λ 2 λ 3 + A a 2 a 3 ) x ¯ + C 3 , i = 3.
Figure 00000023

Константы А, С1, С21, С22, С3 определяются из граничных условий (3)-(6), а также из уравнения теплового баланса, записанного для системы слоев 1-3 на фиг.1. В частности, для А получено выражение видаThe constants A, C 1 , C 21 , C 22 , C 3 are determined from the boundary conditions (3) - (6), as well as from the heat balance equation recorded for the system of layers 1-3 in figure 1. In particular, for A an expression of the form

A = 1 + W ¯ 2 ( l 2 / l 3 l 1 / l 3 ) + q 2 q 1 c 1 ρ 1 c 2 ρ 2 ( l 1 / l 3 ) l 1 / l 3 c 3 ρ 3 c 2 ρ 2 ( l 2 / l 3 ) + c 3 ρ 3 c 2 ρ 2 + l 2 / l 3 , ( 7 )

Figure 00000024
A = one + W ¯ 2 ( l 2 / l 3 - l one / l 3 ) + q 2 q one c one ρ one c 2 ρ 2 ( l one / l 3 ) - l one / l 3 - c 3 ρ 3 c 2 ρ 2 ( l 2 / l 3 ) + c 3 ρ 3 c 2 ρ 2 + l 2 / l 3 , ( 7 )
Figure 00000024

из которого с учетом с1ρ1=c3ρ3=сρ можно получить выражение для расчета объемной теплоемкости исследуемых образцовfrom which, taking into account 1 ρ 1 = c 3 ρ 3 = сρ, we can obtain an expression for calculating the volumetric heat capacity of the samples

c ρ = c 2 ρ 2 1 + W 2 q 1 ( l 2 l 1 ) + q 2 q 1 A + l 1 / l 3 l 2 / l 3 ( 1 + l 1 / l 3 l 2 / l 3 ) . ( 8 )

Figure 00000025
c ρ = c 2 ρ 2 one + W 2 q one ( l 2 - l one ) + q 2 q one A + l one / l 3 - l 2 / l 3 ( one + l one / l 3 - l 2 / l 3 ) . ( 8 )
Figure 00000025

При исследовании пористых, волокнистых или сыпучих материалов их объемная теплоемкость будет складываться из двух составляющих - объемной теплоемкость твердой фазы и объемной теплоемкости газовой фазы, заполняющей поры, то естьIn the study of porous, fibrous or bulk materials, their volumetric heat capacity will consist of two components - volumetric heat capacity of the solid phase and volumetric heat capacity of the gas phase filling the pores, i.e.

сρ=(сρ)тф+(сρ)гф.cF = (cF) Tp + (cF) gf.

Последнее выражение, при условии (сρ)тф>>(сρ)гф, примет видThe last expression is provided (cF) tf >> (cF) gf takes the form

cρ≈(cρ)тф, или cρ≈cтфm/Vтф=cтфтф.cρ≈ (cρ) tf , or cρ≈c tf m / V tf = c tf / ν tf .

Таким образом, удельная теплоемкость твердой фазы будет определяться из выраженияThus, the specific heat of the solid phase will be determined from the expression

cтф=cρνтф,c tf tf = cρν,

а с учетом (8) получимand taking into account (8) we get

c т ф = c 2 ρ 2 1 + W 2 q 1 ( l 2 l 1 ) + q 2 q 1 A + l 1 / l 3 l 2 / l 3 ( 1 + l 1 / l 3 l 2 / l 3 ) ν т ф . ( 9 )

Figure 00000026
c t f = c 2 ρ 2 one + W 2 q one ( l 2 - l one ) + q 2 q one A + l one / l 3 - l 2 / l 3 ( one + l one / l 3 - l 2 / l 3 ) ν t f . ( 9 )
Figure 00000026

Обозначим h0=l1 - толщина образца, hн=l2-l1 - толщина источника теплоты (нагревателя), 2h0+hн=l3, Г1=1+h0/(2h0+hн)-(h0+hн)/(2h0+hн), Q = 1 + U 2 / ( R S h н ) q 1 h н + q 2 q 1 A

Figure 00000027
, W2=U2/(RShн), с2ρ2=cнρн. Тогда (9) примет видDenote h 0 = l 1 is the thickness of the sample, h n = l 2 -l 1 is the thickness of the heat source (heater), 2h 0 + h n = l 3 , G 1 = 1 + h 0 / (2h 0 + h n ) - (h 0 + h n ) / (2h 0 + h n ), Q = one + U 2 / ( R S h n ) q one h n + q 2 q one A
Figure 00000027
, W 2 = U 2 / (RSh n ), with 2 ρ 2 = c n ρ n . Then (9) takes the form

c т ф = c н ρ н ( Q + Г 1 1 ) Г 1 ν т ф . ( 10 )

Figure 00000028
c t f = c n ρ n ( Q + G one - one ) G one ν t f . ( 10 )
Figure 00000028

Таким образом, по сравнению с прототипом, дополнительное измерение удельного объема твердой фазы в процессе эксперимента позволяет определять удельную теплоемкость твердой фазы исследуемого материала.Thus, in comparison with the prototype, an additional measurement of the specific volume of the solid phase during the experiment allows us to determine the specific heat capacity of the solid phase of the investigated material.

Схема измерительной ячейки показана на фиг.2. Исследуемые образцы (или насыпной слой) размещены в камере 4 между газопроницаемой оболочкой 5 с нанесенными на нее нагревательным элементом и измерителем температуры, которые выполнены из манганиновой и медной проволок соответственно. Внешние поверхности исследуемых образцов приведены в тепловой контакт с тонкими медными пластинами 6, на внешней поверхности которых размещены плоские нагреватели 7, которые, в свою очередь, приведены в тепловой контакт с датчиками теплового потока 8. Описанная система теплоизолирована от окружающей среды изоляцией 9. В конструкции ячейки предусмотрен цилиндр 10 с поршнем 11, осуществляющим возвратно-поступательное движение. Полость цилиндра 10 соединена с камерой 12 и измерителем давления (на фиг. 2 не показан).The circuit of the measuring cell is shown in figure 2. The studied samples (or bulk layer) are placed in the chamber 4 between the gas-permeable sheath 5 with a heating element and a temperature meter deposited on it, which are made of manganin and copper wires, respectively. The external surfaces of the test samples are brought into thermal contact with thin copper plates 6, on the external surface of which are placed flat heaters 7, which, in turn, are brought into thermal contact with heat flux sensors 8. The described system is thermally insulated from the environment by insulation 9. In the design the cell provides a cylinder 10 with a piston 11, performing a reciprocating motion. The cavity of the cylinder 10 is connected to the chamber 12 and the pressure meter (not shown in Fig. 2).

Применение в конструкции измерительной ячейки датчиков теплового потока позволяет измерять тепловые потоки q1u и q2u с поверхностей нагревателей 7. Это позволяет по известной мощности, выделяемой на нагревателях и определяемой по выражению U2/(RS), где U, R, S напряжение, подводимое к нагревателю, его сопротивление и площадь, определять тепловые потоки через первый и второй образцы по формуламThe use of heat flux sensors in the design of the measuring cell makes it possible to measure heat fluxes q 1u and q 2u from the surfaces of the heaters 7. This allows the known power allocated to the heaters and determined by the expression U 2 / (RS), where U, R, S is the voltage, supplied to the heater, its resistance and area, determine heat fluxes through the first and second samples according to the formulas

q1=U2/(RS)-q1u q2=U2/(RS)-q2u.q 1 = U 2 / (RS) -q 1u q 2 = U 2 / (RS) -q 2u .

Способ определения удельной теплоемкости материалов реализуется следующим образом. Перед помещением в камеру анализируемого материала определяют его массу m и атмосферное давление Ратм. Засыпают исследуемый сыпучий материал в камеру 4 (фиг.2) и герметизируют камеру. Подводят постоянное напряжение U к нагревателям 8 и 5 измерительной ячейки. На каждом шаге во времени τ измеряют среднеинтегральную температуру T ¯ 2 ( τ )

Figure 00000029
нагревательного элемента 5. Вычисляют безразмерную среднеинтегральную температуру Θ ¯ 2 ( F o ) = T ¯ 2 ( τ ) T 0 q 1 ( 2 h 0 + h н ) / λ н
Figure 00000030
и число Фурье F o = a н τ ( 2 h 0 + h н ) 2
Figure 00000031
. При достижении регулярного теплового режима второго рода регистрируют Θ ¯ 2 ( F o )
Figure 00000032
и в заданном интервале безразмерного времени [Fo∗,Fo∗∗] вычисляют А по формуле A = [ Θ ¯ 2 ( F o ) Θ ¯ 2 ( F o ) ] / [ F o F o ]
Figure 00000033
.The method for determining the specific heat of materials is implemented as follows. Before placing the analyzed material in the chamber, its mass m and atmospheric pressure P atm are determined. The test bulk material is poured into the chamber 4 (FIG. 2) and the chamber is sealed. A constant voltage U is applied to the heaters 8 and 5 of the measuring cell. At each time step τ, the average integral temperature is measured T ¯ 2 ( τ )
Figure 00000029
heating element 5. Calculate the dimensionless average integral temperature Θ ¯ 2 ( F o ) = T ¯ 2 ( τ ) - T 0 q one ( 2 h 0 + h n ) / λ n
Figure 00000030
and Fourier number F o = a n τ ( 2 h 0 + h n ) 2
Figure 00000031
. Upon reaching the regular thermal regime of the second kind Θ ¯ 2 ( F o )
Figure 00000032
and in a given interval of dimensionless time [Fo ∗, Fo ∗∗] calculate A by the formula A = [ Θ ¯ 2 ( F o ) - Θ ¯ 2 ( F o ) ] / [ F o - F o ]
Figure 00000033
.

В ходе эксперимента уменьшают суммарный объем камер 4 и 10 на величину ΔV=k·m, где k - коэффициент пропорциональности. Измеряют изменение давления ΔР. Удельный объем твердой фазы определяют из уравненияDuring the experiment, the total volume of chambers 4 and 10 is reduced by ΔV = k · m, where k is the coefficient of proportionality. The change in pressure ΔP is measured. The specific volume of the solid phase is determined from the equation

ν т ф = V m k P а т м Δ P = ν м k P а т м Δ P

Figure 00000034
, ν t f = V m - k P but t m Δ P = ν m - k P but t m Δ P
Figure 00000034
,

где V - суммарный объем камеры 4, в которой размещен исследуемый материал и камеры 10; m - масса исследуемого материала; Ратм - атмосферной давление; ΔP - изменение давления в камере с исследуемым материалом; νм - удельный объем исследуемого материала; k - коэффициент пропорциональности.where V is the total volume of the chamber 4, in which the test material and chambers 10 are placed; m is the mass of the test material; P atm is atmospheric pressure; ΔP - pressure change in the chamber with the studied material; ν m is the specific volume of the investigated material; k is the coefficient of proportionality.

Определение удельного объема твердой фазы анализируемого материала осуществляется дискретно с заданным шагом.The determination of the specific volume of the solid phase of the analyzed material is carried out discretely with a given step.

Искомую удельную теплоемкость вычисляют по формуле (10).The desired specific heat is calculated by the formula (10).

Claims (1)

Способ определения удельной теплоемкости материалов, заключающийся в том, что первый и второй идентичные образцы приводят в тепловой контакт по плоскости с источником теплоты, внешние поверхности образцов приводят в тепловой контакт с эталонными образцами, внешние поверхности эталонных образцов приводят в тепловой контакт с плоскими источниками теплоты, подводят теплоту к исследуемым образцам, регистрируют удельную мощность источников теплоты, измеряют с постоянным шагом во времени температуру в течение всего эксперимента, вычисляют тепловые потоки через исследуемые образцы, определяют искомые теплофизические характеристики по формулам, отличающийся тем, что дополнительно изолируют объем с формируемыми образцами известной массы из сыпучего или пористого материала, изменяют на постоянную величину объем их газового пространства, измеряют изменение давления, определяют удельный объем твердой фазы образцов, а также тепловые потоки с тех поверхностей плоских источников теплоты, которые не приведены в тепловой контакт с эталонными образцами, вычисляют тепловые потоки через первый q1=U2/(RS)-q1u и второй q2=U2/(RS)-q2u исследуемые образцы, вычисляют удельную теплоемкость по формуле
Figure 00000035

где
Figure 00000036
- удельный объем твердой фазы образцов; V - объем камеры, заполненной исследуемым материалом, m - масса исследуемого материала; Ратм - атмосферной давление; ΔP - изменение давления в камере с исследуемым материалом; k - коэффициент пропорциональности; снρн - объемная теплоемкость материала, из которого изготовлен источник теплоты; Г1=1+h0/(2h0+hн)-(h0+hн)/(2h0+hн) - коэффициент толщины образца h0 и источника теплоты hн, U - напряжение, подводимое к источникам теплоты, R, S - сопротивление и площадь поверхности источника теплоты, q1u, q2u - измеряемые тепловые потоки с поверхностей первого и второго плоских источников теплоты,
Figure 00000037
, A - тангенс угла наклона прямолинейного участка зависимости
Figure 00000038
;
Figure 00000039
- температура, измеряемая в плоскости контакта исследуемых образцов; T0 - начальная температура.
A method for determining the specific heat capacity of materials, namely, that the first and second identical samples are brought into thermal contact in a plane with a heat source, the external surfaces of the samples are brought into thermal contact with reference samples, the external surfaces of the reference samples are brought into thermal contact with flat heat sources, heat is brought to the test samples, the specific power of the heat sources is recorded, the temperature is measured with a constant step in time throughout the experiment, I calculate t heat fluxes through the studied samples, determine the desired thermophysical characteristics by the formulas, characterized in that they additionally isolate the volume with the formed samples of known mass from bulk or porous material, change the volume of their gas space by a constant value, measure the pressure change, determine the specific volume of the solid phase samples, as well as heat fluxes from those surfaces of planar heat sources that are not brought into thermal contact with reference samples, calculate heat sweat ki first through q 1 = U 2 / (RS) -q 1u and second q 2 = U 2 / (RS) -q 2u test samples, specific heat calculated by the formula
Figure 00000035

Where
Figure 00000036
- specific volume of the solid phase of the samples; V is the volume of the chamber filled with the test material, m is the mass of the test material; P atm is atmospheric pressure; ΔP - pressure change in the chamber with the studied material; k is the coefficient of proportionality; with n ρ n - volumetric heat capacity of the material from which the heat source is made; G 1 = 1 + h 0 / (2h 0 + h n ) - (h 0 + h n ) / (2h 0 + h n ) is the coefficient of thickness of the sample h 0 and heat source h n , U is the voltage supplied to the sources heat, R, S - resistance and surface area of the heat source, q 1u , q 2u - measured heat fluxes from the surfaces of the first and second plane heat sources,
Figure 00000037
, A is the slope of the straight section of the dependence
Figure 00000038
;
Figure 00000039
- temperature measured in the plane of contact of the studied samples; T 0 is the initial temperature.
RU2013112050/28A 2013-03-18 2013-03-18 Method of determining specific heat capacity of materials RU2523090C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013112050/28A RU2523090C1 (en) 2013-03-18 2013-03-18 Method of determining specific heat capacity of materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013112050/28A RU2523090C1 (en) 2013-03-18 2013-03-18 Method of determining specific heat capacity of materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2523090C1 true RU2523090C1 (en) 2014-07-20

Family

ID=51217598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013112050/28A RU2523090C1 (en) 2013-03-18 2013-03-18 Method of determining specific heat capacity of materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2523090C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2613591C1 (en) * 2015-12-01 2017-03-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Method for bulk materials specific heat capacity determination
RU2616343C1 (en) * 2015-12-03 2017-04-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ") Method for determination of parameters of process bulk material layer thermal properties
RU2807398C1 (en) * 2023-04-14 2023-11-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Method for measuring thermophysical properties of materials and unit for its implementation using pyrometers

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1326975A1 (en) * 1986-03-28 1987-07-30 Казанский государственный университет им.В.И.Ульянова-Ленина Apparatus for determining thermophysical properties of materials
SU1755152A1 (en) * 1990-12-10 1992-08-15 Казанский государственный университет им.В.И.Ульянова-Ленина Device for testing thermophysical properties of materials
RU2178166C2 (en) * 1999-11-29 2002-01-10 Тамбовский государственный технический университет Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials
RU2243543C1 (en) * 2003-04-08 2004-12-27 Тамбовский государственный технический университет Method for comprehensive evaluation of material thermal characteristics
RU2387981C1 (en) * 2009-03-11 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") Method for complex detection of thermal characteristics of materials

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1326975A1 (en) * 1986-03-28 1987-07-30 Казанский государственный университет им.В.И.Ульянова-Ленина Apparatus for determining thermophysical properties of materials
SU1755152A1 (en) * 1990-12-10 1992-08-15 Казанский государственный университет им.В.И.Ульянова-Ленина Device for testing thermophysical properties of materials
RU2178166C2 (en) * 1999-11-29 2002-01-10 Тамбовский государственный технический университет Method of complex determination of thermal and physical characteristics of solid and dispersive materials
RU2243543C1 (en) * 2003-04-08 2004-12-27 Тамбовский государственный технический университет Method for comprehensive evaluation of material thermal characteristics
RU2387981C1 (en) * 2009-03-11 2010-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО "ТГТУ") Method for complex detection of thermal characteristics of materials

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2613591C1 (en) * 2015-12-01 2017-03-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Method for bulk materials specific heat capacity determination
RU2616343C1 (en) * 2015-12-03 2017-04-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "МГТУ") Method for determination of parameters of process bulk material layer thermal properties
RU2807398C1 (en) * 2023-04-14 2023-11-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Method for measuring thermophysical properties of materials and unit for its implementation using pyrometers
RU2807433C1 (en) * 2023-04-14 2023-11-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Method for measuring thermophysical properties of materials and unit for its implementation using thermal imagers
RU2811326C1 (en) * 2023-10-15 2024-01-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Method for measuring thermophysical properties of materials and unit for its implementation using heat flow sensors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Riche et al. Thermal conductivity of snow measured by three independent methods and anisotropy considerations
RU2387981C1 (en) Method for complex detection of thermal characteristics of materials
Xiao et al. Effective thermal conductivity of open-cell metal foams impregnated with pure paraffin for latent heat storage
Zhang et al. A high-precision instrumentation of measuring thermal contact resistance using reversible heat flux
Zhang et al. A numerical study on the theoretical accuracy of film thermal conductivity using transient plane source method
Jannot et al. Thermal conductivity measurement of insulating materials with a three layers device
Kwon et al. Precise measurement of thermal conductivity of liquid over a wide temperature range using a transient hot-wire technique by uncertainty analysis
Hu et al. Transient hot wire measures thermophysical properties of organic foam thermal insulation materials
RU2523090C1 (en) Method of determining specific heat capacity of materials
Mogensen The calibration factor of heat flux meters in relation to the thermal conductivity of the surrounding medium
Zhang et al. Determination of temperature dependent thermophysical properties using an inverse method and an infrared line camera
Assael et al. An improved application of the transient hot-wire technique for the absolute accurate measurement of the thermal conductivity of pyroceram 9606 up to 420 K
RU2417368C2 (en) Method of contactless determination of solid body thermo physical properties
Gustavsson et al. Thermal conductivity as an indicator of fat content in milk
Tian et al. Effects of layer stacking sequence on temperature response of multi-layer composite materials under dynamic conditions
RU2716472C1 (en) Method of measuring specific heat capacity of materials
Nishimura et al. Measurement of in-plane thermal and electrical conductivities of thin film using a micro-beam sensor: A feasibility study using gold film
Janetti et al. Heat flux measurements for determination of the liquid water diffusivity in capillary active materials
RU2613591C1 (en) Method for bulk materials specific heat capacity determination
RU2535527C1 (en) Method of determining quantitative composition of multi-component medium (versions)
Zhang et al. Experimental and theoretical investigation of transparent sand composing of fused quartz and calcium bromide solution
RU2613194C1 (en) Method of measuring thermal properties of anisotropic materials by linear impulse of heat source
RU2556290C1 (en) Method of determination of thermophysical properties of solid materials
RU2752398C1 (en) Method for cumulative measurement of thermal conductivity of dissimilar solid materials and device for its implementation
RU2329492C2 (en) Method of complex determination of thermophysical properties of materials and method for its implementation

Legal Events

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

Effective date: 20150319