RU60730U1 - DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE CONDUCTIVITY COEFFICIENT - Google Patents

DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE CONDUCTIVITY COEFFICIENT Download PDF

Info

Publication number
RU60730U1
RU60730U1 RU2006116370/22U RU2006116370U RU60730U1 RU 60730 U1 RU60730 U1 RU 60730U1 RU 2006116370/22 U RU2006116370/22 U RU 2006116370/22U RU 2006116370 U RU2006116370 U RU 2006116370U RU 60730 U1 RU60730 U1 RU 60730U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
heat exchanger
heat
thermal
output
Prior art date
Application number
RU2006116370/22U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
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
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 RU2006116370/22U priority Critical patent/RU60730U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU60730U1 publication Critical patent/RU60730U1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к строительной технике и может быть преимущественно использована для измерения коэффициента температуропроводности различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др. Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств путем расширения области применения и повышения точности и достоверности измерений. Сущность полезной модели заключается в формировании одномерного теплового потока, измерении зависимости от времени температуры теплоносителя на входе теплообменника и измерении зависимости от времени температуры между теплообменником и тепловой изоляцией.The utility model relates to construction equipment and can be mainly used to measure the thermal diffusivity of various building structures, for example, walls, ceilings, floors, bulkheads, ceilings, etc. The objective of the utility model is to increase consumer properties by expanding the scope and increasing the accuracy and reliability of measurements . The essence of the utility model is the formation of a one-dimensional heat flow, measuring the time dependence of the temperature of the coolant at the inlet of the heat exchanger, and measuring the time dependence of the temperature between the heat exchanger and thermal insulation.

Description

Полезная модель относится к строительной технике и может быть преимущественно использована для измерения теплофизических характеристик различных строительных конструкций, например, стен, потолков, полов, переборок, подволоков и др.The utility model 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.

Известно устройство для бурения скважин [1], позволяющее получать образцы материалов с различной глубины. Измеряя параметры этих образцов, можно получить информацию о физических и химических свойствах и конфигурации глубинных слоев. Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает неразрушающего контроля исследуемого объекта.A device for drilling wells [1], which allows 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 device is that it does not provide non-destructive testing of the studied object.

Известны многочисленные варианты устройств для ультразвуковой дефектоскопии, 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, коэффициента температуропроводности.Numerous versions of devices for ultrasonic flaw detection are known, for example, [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 thermal characteristics of the materials under study, in particular, thermal diffusivity.

Известны многочисленные варианты устройств для измерения теплового сопротивления различных радиоэлектронных приборов, например, описанное в [4] устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Недостаток известного технического решения заключается в узкой области применения: его можно использовать только для измерения теплового сопротивления транзисторов.Numerous variants of devices for measuring the thermal resistance of various electronic devices are known, for example, a device for measuring the thermal resistance of transistors described in [4]. A disadvantage of the known technical solution lies in a narrow scope: it can only be used to measure the thermal resistance of transistors.

Известно описанное в [5] устройство для определения характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару и электронный блок обработки. Термопара расположена на поверхности A device for determining the characteristics of materials described in [5] is known, comprising a source of pulse heating, a thermocouple, and an electronic processing unit. Thermocouple located on the surface

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.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 устройству для измерения теплофизических характеристик является термозонд для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов [6], содержащий линейный нагреватель и две термопары, расположенные симметрично относительно линейного нагревателя по обе стороны от него.The closest in technical essence to the claimed device for measuring thermophysical characteristics is a thermal probe for non-destructive testing of thermophysical properties of materials [6], containing a linear heater and two thermocouples located symmetrically relative to the linear heater on both sides of it.

Известное техническое решение имеет низкие потребительские свойства за счет узкой области применения, низкой точности и низкой достоверности измерений. Наличие указанных недостатков обусловлено следующими факторами. В известном техническом решении используется 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 линейного источника тепловой энергии на различные участки поверхности исследуемого объекта. Низкие точность и достоверность известного технического решения обусловлены также высокой сложностью модели, описывающей их работу. Работа известного устройства описываются уравнением теплового баланса, в котором необходимо учитывать потери тепловой мощности в окружающую среду за счет конвективного и лучистого теплообмена. Эти потери учитываются приближенно расчетным путем. Линейный нагреватель формирует тепловой поток, расходящийся в плоскости, перпендикулярной оси линейного нагревателя. Такой режим распространения тепла характеризуется сложной математической моделью, The known technical solution has 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. In the known technical solution, a linear source of thermal energy is used, therefore, 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 linear source of thermal energy acts on different parts of the surface of the object under study. The low accuracy and reliability of the known technical solutions are also due to the high complexity of the model that describes their work. The operation of the known device is 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. These losses are taken into account approximately by calculation. The linear heater generates a heat flux diverging in a plane perpendicular to the axis of the linear heater. This mode of heat distribution is characterized by a complex mathematical model,

для практического применения в математическую модель приходится вносить ряд упрощений, которые не всегда реализуются на практике. Все эти факторы в совокупности приводят к низким потребительским свойствам известного устройства за счет узкой области применения и низких точности и достоверности.for practical application, a number of simplifications have to be introduced into the mathematical model, which are not always implemented in practice. All these factors together lead to low consumer properties of the known device due to the narrow scope and low accuracy and reliability.

Задачей полезной модели является повышение потребительских свойств путем расширения области применения и повышения точности и достоверности измерений.The objective of the utility model is to increase consumer properties by expanding the scope and increasing the accuracy and reliability of measurements.

Решение поставленной задачи в соответствии с п.1 полезной модели обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее нагреватель, тепловую изоляцию, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, внесены следующие усовершенствования: оно дополнительно содержит входной трубопровод, соединительный трубопровод, теплообменник, выходной трубопровод, выход входного трубопровода соединен с входом нагревателя, выход нагревателя соединен с входом соединительного трубопровода, выход соединительного трубопровода соединен с входом теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, первый измеритель температуры размещен в соединительном трубопроводе, второй измеритель температуры размещен между теплообменником и тепловой изоляцией, причем коэффициент температуропроводности а определяют по соотношениям:The solution to the problem in accordance with paragraph 1 of the utility model is ensured by the fact that the following improvements are made to the known device comprising a heater, thermal insulation, a first temperature meter, a second temperature meter: it further comprises an inlet pipe, a connecting pipe, a heat exchanger, an output pipe , the output of the inlet pipe is connected to the input of the heater, the output of the heater is connected to the input of the connecting pipe, the output of the connecting pipe is connected it is connected with 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 is provided with thermal insulation in addition to the outer surface of the heat exchanger adjacent to the surface of the test object, the first temperature meter is placed in the connecting pipe, the second temperature meter is located between the heat exchanger and thermal insulation, and the thermal diffusivity and determined by the ratios:

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

илиor

a=Naэ a = Na e

N={с(T0-Tw)[2(T-Tн)Fo*+Vτ]}2/{сo(To-T)[2(T-Tн)Fo*+Vwτ]}2,N = {s oe (T 0 -T w ) [2 (T we- T n ) Fo * + V τ]} 2 / {s o (T o -T we ) [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 - 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

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, аэ - коэффициент температуропроводности эталонного объекта cоэ - 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, С0 - объемная теплоемкость материала исследуемого объекта.mass flow rate of the coolant, s is the specific heat of the material of the studied object, γ is the density of the material of the studied object, F is the contact area of the heat exchanger and the studied 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 temperature meter, and e is the thermal diffusivity of the reference object c oe is volumetric the heat capacity of the material of the reference object, T ve - temperature measured by the second temperature meter in the study of the reference object, V we - the rate of change of temperature measured by the second temperature meter in the study the reference object, С 0 - volumetric heat capacity of the material of the studied object.

В частном случае в соответствии с п.2 формулы полезной модели устройство для измерения коэффициента температуропроводности дополнительно содержит третий измеритель температуры, размещенный в выходном трубопроводе.In the particular case, in accordance with claim 2 of the utility model, the device for measuring the thermal diffusivity coefficient further comprises a third temperature meter located in the outlet pipe.

Такое построение устройства для измерения температуропроводности позволяет повысить потребительские свойства путем расширения области применения и повышения точности и достоверности измерений за счет формирования одномерного теплового потока и измерения зависимости от времени разности температур теплоносителя на входе и выходе теплообменника. Ниже будет показано, что температура, измеряемая вторым измерителем температуры при его размещении между теплообменником и тепловой изоляцией, равна температуре, измеряемой третьим измерителем температуры при его размещении в выходном трубопроводе.Such a construction of a device for measuring thermal diffusivity allows to increase consumer properties by expanding the scope and increasing the accuracy and reliability of measurements due to the formation of a one-dimensional heat flow and measuring the time difference of the temperature difference of the coolant at the inlet and outlet of the heat exchanger. It will be shown below that the temperature measured by the second temperature meter when it is placed between the heat exchanger and the thermal insulation is equal to the temperature measured by the third temperature meter when it is placed in the outlet pipe.

Одновременное измерение температуры на поверхности теплообменника (между теплообменником и тепловой изоляцией) и на выходе потока теплоносителя из теплообменника - в выходном трубопроводе позволяет повысить точность и достоверность измерений, поскольку это позволяет проконтролировать выполнение условия обеспечения полного теплообмена Simultaneous measurement of temperature on the surface of the heat exchanger (between the heat exchanger and thermal insulation) and at the outlet of the heat carrier flow from the heat exchanger - in the outlet pipe allows to increase the accuracy and reliability of measurements, since this allows you to verify that the conditions for ensuring full heat transfer are met

(полной рекуперации). Если температура теплоносителя на выходе оказалась бы выше температуры теплообменника, то это обозначало бы, что площадь контакта теплоносителя с тепловоспринимающей поверхностью теплообменника недостаточно велика. В этом случае, как будет показано ниже, алгоритм обработки результатов измерений усложняется, поскольку необходимо учитывать в расчетных соотношениях величину коэффициента теплоотдачи., а при установлении факта равенства температуры теплоносителя на выходе и температуры теплообменника коэффициент теплоотдачи выпадает из расчетных соотношений, что существенно упрощает алгоритм обработки результатов измерений. В эксперименте можно добиться в опыте равенства указанных температур путем регулировки массового расхода теплоносителя. Для обеспечения такой возможности и необходимо использование второго измерителя температуры и третьего измерителя температуры.(full recovery). If the temperature of the coolant at the outlet would be higher than the temperature of the heat exchanger, then this would mean that the contact area of the coolant with the heat-absorbing surface of the heat exchanger is not large enough. In this case, as will be shown below, the algorithm for processing the measurement results is complicated, since the heat transfer coefficient must be taken into account in the calculated ratios., And when the fact that the coolant temperature at the outlet and the heat exchanger temperature is equal, the heat transfer coefficient drops out of the calculated ratios, which greatly simplifies the processing algorithm measurement results. In the experiment, it is possible to achieve in the experiment the equality of these temperatures by adjusting the mass flow rate of the coolant. To ensure this possibility, it is necessary to use a second temperature meter and a third temperature meter.

Покажем, что поставленная задача полезной модели действительно решается в заявленном устройстве.We show that the task of the utility model is really solved in the claimed device.

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 from the measured data is usually thermal conductivity, and the thermal conductivity is calculated from the known thermal diffusivity using the relation [7]

где λ - коэффициент теплопроводности материала исследуемого объекта, [Вт/мК]; а - коэффициент температуропроводности материала исследуемого объекта [м2/с]; с0 - объемная теплоемкость материала исследуемого объекта [Дж/м3К], 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 / mK]; a is the coefficient of thermal diffusivity of the material of the investigated object [m 2 / s]; с 0 - volumetric heat capacity of the material of the studied object [J / m 3 K], s - specific heat capacity of the material of the studied 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 формулеNote that in some cases, the final value to be determined is the specific thermal resistance, determined by the formula

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 r должна определяться экспериментально, в частности, по экспериментально определенным температуропроводности или теплопроводности.In practice, the value of specific thermal resistance r 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 object under study can be represented as a uniform unlimited plate with a thickness L. At the initial moment of time, one of the plate surfaces is brought into contact with a heat source - a heat exchanger having the same temperature as the plate under study.

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, into the depths of which (in the transverse direction) the heat flux released in the heat exchanger due to the transfer of thermal energy from the heated coolant is distributed.

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 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:

где Cw - полная теплоемкость теплообменника [Дж/К]; Tw - температура теплообменника [К]; Тс - 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/м2 К]; 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 with - 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:

где С - удельная теплоемкость теплоносителя [Дж/кг К]; М - его массовый расход [кг/с]; 1 - его длина [м]; То - 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]; 1 - its length [m]; T about - the 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), assuming that the heat exchanger is isothermal, and the distribution of α along the z axis is constant, we can obtain the distribution of the temperature of the coolant along the z axis.

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

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

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 видеIt 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

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 условиеNote that when the condition φ> 3 ... 4 is satisfied, it follows from (5) that the temperature of the heat carrier at the outlet of the heat exchanger T in is equal to the temperature of the heat exchanger T w , that is, the condition

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

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

Из (10) следует, что в начальный момент времени и в конце процесса выхода на стационарный тепловой режим значение отдаваемой тепловой мощности определяется соотношениемFrom (10) it follows that at the initial 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

Как показывает анализ, для эффективной работы рассматриваемой измерительной системы необходимо обеспечение выполнения условияAs analysis shows, for the effective operation of the measurement system in question, it is necessary to ensure that the condition

откудаwhere from

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

до конечногоto the end

Отсюда следует, что соотношения (7) и (10) необходимо дополнить зависимостью Тс(τ), для чего необходимо определить нестационарное температурное поле в стенке, описываемое следующей краевой задачейIt 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

В краевой задаче введены следующие обозначения: х - координатаThe following notation is introduced in the boundary value problem: x is the coordinate

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).along the axis orthogonal to the plane of contact of the heat exchanger and the test object [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 Boundary condition (17c) was introduced for the reason that the measurement process takes much less time than it takes to warm the entire

толщи стенки.wall thickness.

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

Заметим, чтоnotice, that

где σM - 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), получимSubstituting (19) into (18), we obtain

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

Получим оценку нестационарной температуры поверхности исследуемого объекта, проинтегрировав обе части уравнения (17а) по х 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:

Подставив (22) с учетом (21) в (17а), получимSubstituting (22) with (21) in (17a) into account, we obtain

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 :

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

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

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

Решение уравнения (26) имеет видThe solution of equation (26) has the form

В результате интегрирования в (27) с учетом начального условия (25) после преобразований получим окончательное решение уравнения (26) в видеAs 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

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:

Подставив (29) в (7) с учетом тождества Тc≡Тсо, получим выражение для температуры теплообменника Tw, 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 heat exchanger temperature T w , which, as follows from (5), for φ> 4 coincides with the temperature of the heat carrier at the heat exchanger outlet:

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:

Начальная стадия нагрева по определению будет ограничиваться таким отрезком времени от начала процесса нагрева, в пределах которого выполняются следующие неравенстваThe 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

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.

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

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 видуUnder conditions (34), expressions (29) and (30) can be reduced to

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 :

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 the propagation of the temperature field 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:

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:

Решение уравнения (39) имеет видThe solution of equation (39) has the form

где C1 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:

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

С учетом граничных условий (41) и (42) решение (40) примет видGiven the boundary conditions (41) and (42), solution (40) takes the form

Из (43) нетрудно определить температуру на поверхности Тсос(х=0); с учетом очевидного соотношения λ=асγ, получимFrom (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

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

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 indefinite, 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]:

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

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

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 surface temperature value T from the object under study and the rate of change of the surface temperature of 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 соответствие The task is greatly simplified if we take into account the results of numerical mathematical modeling of the heating process under consideration, in accordance

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:with which the temperature difference between the surfaces of the heat exchanger and the test object during the entire process is small compared with the temperature levels. This allows us to make the following assumption:

Допущение 6:Assumption 6:

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:

илиor

В формуле (50) фигурирует среднее значение скорости 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 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:

Введем также обозначениеWe also introduce the notation

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 видеTaking into account (49), (50), (52) and (53), formula (48) can be represented as

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:

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.

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. - Результаты численных расчетов Tw от текущего времени τ, мгновенных скоростей роста температуры теплообменника V и значений коэффициента температуропроводности а, вычисленных по формуле (56).Table 1. - Results of numerical calculations of T w from current time τ, instantaneous growth rates of heat exchanger temperature V wm and values of thermal diffusivity a calculated according to formula (56). II τ, минτ min 33 55 88 1010 1313 20twenty 30thirty 4040 50fifty τ, сτ, s 180180 300300 480480 600600 780780 12001200 18001800 24002400 30003000 T, °СT wm , ° С 27,527.5 3333 38,738.7 41,341.3 4444 48,348.3 5252 54,554.5 56,456.4 IIII Δτ, сΔτ, s 180180 120120 180180 120120 180180 420420 600600 600600 600600 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, V w 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
but,
10 -7
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; ΔTnnn-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 ; ΔT n = T n -T n-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. On the whole, the proposed methodology for determining the thermal diffusivity, based on the use of formula (54), allows one to obtain fairly 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 results of numerical analysis, as well as using the derivatives of the temperature with time at each given moment to determine the 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:

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 обеспечивают 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 V 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 measurement and processing of 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:

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:

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 заявленного технического решения анализом результатов численных исследований.We complete the description 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/мК: 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 / mK: 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/мК: 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 этой фиг., 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 investigated object in W / mK: 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 this Fig., At the initial time interval these dependencies are nonlinear, which is 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 фиг. 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 from these FIGs. 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.

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

- на фиг.1-4 приведены графики, поясняющие сущность полезной модели;- figures 1-4 are graphs explaining the essence of the utility model;

- на фиг.5 приведена схема варианта конструктивного выполнения заявленного устройства.- figure 5 shows a diagram of a variant of the structural implementation of the claimed device.

Устройство для измерения коэффициента температуропроводности, содержит (фиг.5) нагреватель 1, тепловую изоляцию 2, первый измеритель температуры 3, второй измеритель температуры 4. Оно дополнительно содержит входной трубопровод 5, соединительный трубопровод 6, теплообменник 7, выходной трубопровод 8, третий измеритель температуры 9. Выход входного трубопровода 5 соединен с входом нагревателя 1, выход нагревателя 1 соединен с входом соединительного трубопровода 6, выход соединительного трубопровода 6 соединен с входом теплообменника 7, выход теплообменника 7 соединен с входом выходного трубопровода 8, внешняя поверхность теплообменника 7 снабжена тепловой изоляцией 2 кроме примыкающей к поверхности исследуемого объекта 10 внешней поверхности теплообменника 7, первый измеритель температуры 3 размещен в соединительном трубопроводе 6, второй измеритель температуры 4 размещен между теплообменником 7 и тепловой изоляцией 2. Третий измеритель температуры 9 размещен в выходном трубопроводе 8. На фиг.5 стрелками 11 и 12 показано направление движения теплоносителя.A device for measuring the coefficient of thermal diffusivity, contains (Fig. 5) a heater 1, thermal insulation 2, a first temperature meter 3, a second temperature meter 4. It further comprises an inlet pipe 5, a connecting pipe 6, a heat exchanger 7, an output pipe 8, a third temperature meter 9. The output of the input pipe 5 is connected to the input of the heater 1, the output of the heater 1 is connected to the input of the connecting pipe 6, the output of the connecting pipe 6 is connected to the input of the heat exchanger 7, the output of the heat exchanger 7 is connected to the inlet of the outlet pipe 8, the outer surface of the heat exchanger 7 is provided with thermal insulation 2 in addition to the outer surface of the heat exchanger 7 adjacent to the surface of the test object 10, the first temperature meter 3 is placed in the connecting pipe 6, the second temperature meter 4 is placed between the heat exchanger 7 and thermal insulation 2. The third temperature meter 9 is located in the outlet pipe 8. 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 5 поступает в нагреватель 1, где он нагревается, после чего по соединительному трубопроводу 6 поступает в теплообменник 7. Часть своей тепловой энергии теплоноситель передает исследуемому объекту 10. Из теплообменника 7 теплоноситель поступает в выходной трубопровод 8. Первый измеритель температуры 3 измеряет зависимость от времени температуры теплоносителя на входе теплообменника 7. Второй измеритель температуры 4 измеряет зависимость от времени температуры между теплообменником 7 и тепловой изоляцией 2. Температуропроводность определяют из соотношения (54).A device for measuring thermal diffusivity works as follows. The heat carrier under pressure passes through the inlet pipe 5 to the heater 1, where it is heated, and then through the connecting pipe 6 it enters the heat exchanger 7. A part of its heat energy is transferred to the test object 10. From the heat exchanger 7, the heat carrier enters the outlet pipe 8. The first temperature meter 3 measures the time dependence of the temperature of the coolant at the inlet of the heat exchanger 7. The second temperature meter 4 measures the time dependence of the temperature between the heat exchanger 7 and t 2. Thermal insulation pilaf is determined from the 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 4 измерителем температуры. Измерения являются достоверными только при условии равенства показаний второго 3 и третьего 4 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 4 temperature meter. Measurements are reliable only if the readings of the second 3 and third 4 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, публ. 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, публ. 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., публ. 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. Устройство для измерения теплового сопротивления транзисторов. Заявка на патент РФ на изобретение №2000127414/09, приор. 2000.10.31, публ. 2002.10.10, МПК7 G01R 31/26.4. Sergeev V. A. 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.

5. Медведев В.В., Троицкий О.Ю. Устройство для определения характеристик материалов. Патент РФ на изобретение №2212653, приор. 2002.05.28, публ. 2003.09.20, МПК7 G01N 25/18.5. 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.

6. 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, публ. 27.03.2005, MПК7 G01N 25/18.6. 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, MPK7 G01N 25/18.

7. Лыков А.В. Теория теплопроводности. Высшая школа, М.: 1967. - 599 с.7. Lykov A.V. Theory of thermal conductivity. Higher School, Moscow: 1967 .-- 599 p.

Claims (2)

1. Устройство для измерения коэффициента температуропроводности, содержащее нагреватель, тепловую изоляцию, первый измеритель температуры, второй измеритель температуры, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит входной трубопровод, соединительный трубопровод, теплообменник, выходной трубопровод, выход входного трубопровода соединен с входом нагревателя, выход нагревателя соединен с входом соединительного трубопровода, выход соединительного трубопровода соединен с входом теплообменника, выход теплообменника соединен с входом выходного трубопровода, внешняя поверхность теплообменника снабжена тепловой изоляцией кроме примыкающей к поверхности исследуемого объекта внешней поверхности теплообменника, первый измеритель температуры размещен в соединительном трубопроводе, второй измеритель температуры размещен между теплообменником и тепловой изоляцией, причем коэффициент температуропроводности а определяют по соотношениям:1. A device for measuring the coefficient of thermal diffusivity, comprising a heater, thermal insulation, 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, the output of the input pipe is connected to the input of the heater, the output of the heater connected to the inlet of the connecting pipe, the output of the connecting pipe is connected to the input of the heat exchanger, the output of the heat exchanger is connected to the input ohm output conduit, the outer surface of the heat exchanger is provided with thermal insulation in addition to the adjacent surface of the object outer surface of the heat exchanger, the first temperature measuring instrument disposed in the connecting pipe, a second temperature gauge is arranged between the heat exchanger and the thermal insulation, the thermal diffusivity a is determined by the relationships: 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 илиor 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 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, у - плотность материала исследуемого объекта, F - площадь контакта теплообменника и исследуемого объекта, Vo - размерность скорости изменения температуры, Т0 - температура, измеряемая первым измерителем температуры, Tw -температура, измеряемая вторым измерителем температуры, Тн - температура окружающей среды, Vw - скорость изменения температуры, измеряемой вторым измерителем температуры, аэ - коэффициент температуропроводности эталонного объекта, cоэ -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.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 studied object, y is the density of the material of the studied object , F - the contact area of the heat exchanger and the test object, Vo - dimension rate of temperature change, T 0 - temperature measured by the first temperature measurement, T w is the temperature measured by the second temperature measurement, T n - ambient temperature, V w - rates temperature change, measured by a second temperature measuring device, and e - thermal diffusivity reference object, c is the volume specific heat oo reference object material we T - temperature measured by the second temperature measuring device in the study of the reference object, V we - speed of temperature change measured by the second temperature measuring device in the study of the reference object, c 0 is the volumetric heat capacity of the material of the studied object. 2. Устройство для измерения коэффициента температуропроводности по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит третий измеритель температуры, размещенный в выходном трубопроводе.
Figure 00000001
2. The device for measuring the thermal diffusivity according to claim 1, characterized in that it further comprises a third temperature meter located in the outlet pipe.
Figure 00000001
RU2006116370/22U 2006-05-06 2006-05-06 DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE CONDUCTIVITY COEFFICIENT RU60730U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006116370/22U RU60730U1 (en) 2006-05-06 2006-05-06 DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE CONDUCTIVITY COEFFICIENT

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006116370/22U RU60730U1 (en) 2006-05-06 2006-05-06 DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE CONDUCTIVITY COEFFICIENT

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU60730U1 true RU60730U1 (en) 2007-01-27

Family

ID=37774149

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006116370/22U RU60730U1 (en) 2006-05-06 2006-05-06 DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE CONDUCTIVITY COEFFICIENT

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU60730U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
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
Dalkilic et al. Experimental investigation of convective heat transfer coefficient during downward laminar flow condensation of R134a in a vertical smooth tube
Lewandowski et al. Possibility of thermal imaging use in studies of natural convection heat transfer on the example of an isothermal vertical plate
Kim et al. An experimental study on the thermal and hydraulic characteristics of open-cell nickel and copper foams for compact heat exchangers
Hemadri et al. Experimental study of heat transfer in rarefied gas flow in a circular tube with constant wall temperature
Schubring et al. Critical friction factor modeling of horizontal annular base film thickness
Bertsche et al. Experimental investigation on heat transfer in laminar, transitional and turbulent circular pipe flow with respect to flow regime boundaries
Du et al. Tikhonov regularization stabilizes multi-parameter estimation of geothermal heat exchangers
RU2322662C2 (en) Thermal diffusivity measurement method and device (variants)
RU2344338C1 (en) Method for determination of deposits thickness on internal surface of pipelines
CN105466495B (en) Measuring method that is a kind of while obtaining pars intramuralis non-uniform temperature field and wall thickness
Kamsanam et al. Development of experimental techniques for measurement of heat transfer rates in heat exchangers in oscillatory flows
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
RU2568983C1 (en) Method to determine coefficient of heat conductivity of liquid heat insulation in laboratory conditions
RU2330270C2 (en) Device and calculation method of thermal resistivity
RU54193U1 (en) DEVICE FOR MEASURING THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS (OPTIONS)
Bağcı et al. Forced-convection measurements in the fully developed and exit regions of open-cell metal foam
RU60729U1 (en) DEVICE FOR MEASURING HEAT PARAMETERS
Hanby et al. Modeling the dynamic response of conduits
RU74712U1 (en) DEVICE FOR MEASURING SPECIFIC RESISTANCE OF HEAT TRANSFER THROUGH THE OBJECT
RU57464U1 (en) DEVICE FOR MEASURING SPECIFIC HEAT RESISTANCE
RU2326370C2 (en) Method of thermal characteristics measurement (variants) and device for its implementation (variants)
RU2631007C1 (en) Heat meter based on overhead sensors

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20110507