SU1163232A1

SU1163232A1 - Способ определени коэффициента температуропроводности материалов

Info

Publication number: SU1163232A1
Application number: SU823475592A
Authority: SU
Inventors: Василий Алексеевич Балакин; Наталья Антоновна Балакина
Original assignee: Гомельский Государственный Университет
Priority date: 1982-07-28
Filing date: 1982-07-28
Publication date: 1985-06-23

Abstract

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФЙЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ путем кратковременного интен сивного теплового воздействи на од ну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воздействию , о тличающийс тем, что, с целью повьппени точност определени коэффициента температур л 253 проводности непрогнозируемых кратковременных тепловых воздействий, изменени температуры во времени измер ют в процессе нагрева на поверхности , подвергаемой тепловому воздействию , и в дополнительных фиксированных точках внутри образца, разноотсто щих от нагреваемой поверхности , после чего искомую величину определ ют по формуле где i врем с момента-начала теплового воздействи , 01 - коэффициент. температуропроводности материала за врем t j RCt) - площадь под кривой приращени температуры по длине образца в момент времени -t ; V(i)- площадь под кривой среднего температурного градиента по длине образца в момент времени i.

Description

Изобретение относитс к области определени теплофизических свойств материалов в услови х кратковременного интенсивного нагрева (охлаждени ) и может быть использовано в ма шиностроении, приборостроении, на транспорте и в р де других отраслей промышленности. Известны нестационарные способы определени коэффициента температур проводности, при которых измер ют температуры в одной или нескольких характерных точках внутри образца или на его поверхности, после чего искомую величину наход т вычисление по соответствующим формулам ClJНапример , если услови ми экспери мента предусмотрено, что образец мо но рассматривать как полуограниче ное тело и на его поверхности поддерживаетс посто нна температура, тогда распределение температуры в образце определ етс из выражени (z,(, 0) где-гЯ - температура-, - начальна температура, п температура поверхности; Z - текуща координата-, сх - коэффициент температуропроводности; i - врем . Если образец рассматривать как полуограниченное тело, и его поверх ность нагреваетс посто нным тепловым потоком интенсивностью cj,, тогда распределение температуры в образце определ етс из выражени IcvVciT U,i)o. где - коэффициент теплопроводност tj, - плотность теплового потока а если как неограниченную теплоизол рованную с одной стороны пластину, друга поверхность которой нагреватепловым потоком ( етс посто нным t Фурье FO 0,3 растогда при числах гр пределение температурьГ в образце оп редел етс из выражени c.(it-|- i). W где Ь - толщина пластины. Недостатком известных способов определени коэффициента температуропроводности вл етс трудность в услови х кратковременного нагрева воспроизведени граничных условий (1 ьоп5-1 ; q, . Кроме того, формулы (2 ) и (3 ) помимо искомой величины С5| содержат неизвестную А . Наиболее близким к изобретению . по технической сущности и достигаемому результату вл етс способ определени коэффициента температуропроводности материалов путем кратковременного интенсивного теплового воздействи на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности , противолежащей подвергаемой теплово{4у воздействию 21. Однако при реализации известного способа необходимо точно определ ть величину теплового потока, вводимого в образец. Кроме того, расчетна формула содержит в качестве неизвестных удельные теплоемкость и пло1:ность исследуемого материала, которые в свою очередь завис т от распределени температуры. Все это приводит к низкой точности определени коэффициента температуропроводности материала в услови х кратковременного интенсивного нагрева образца . При кратковременном интенсивном тепловом воздействии на материал его коэффициент температуропроводности существенно зависит от условий нагрева поверхности образца, которые на практике могут быть любыми и в том числе заранее не прогнозируемы- . ми и отличающимис от граничных условий , заложенных в теорию известных способов. Между тем в первые моменты нагрева (сотые и дес тые доли секунды ) происходит существенное (в несколько раз) изменение коэффициента температуропроводности, числовые значени которого завис т от характера изменени нестационарного температурного пол , а следовательно , и от характера теплового воздействи на поверхность образца. Целью изобретени вл етс повышение точности определени коэффициента температуропроводности в услови х непрогнозируемых кратковременных длительностью 0,03-10 с тепловых воздействий. Цель достигаетс тем, что при способе определени коэффициента тем пературопроводности материалов путем кратковременного теплового воздействи на одну из сторон плоского образца , регистрации его начальной тем пературы и изменений температуры во времени в фиксированной точке образца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воздействию , изменени температуры вовремени измер ют в процессе нагрева на поверхности, подвергаемой тепловому воздействию, и в дополнительных фиксированных точках внутри образца , разноотсто щих от нагреваемой поверхности, после чего искомую вели чину определ ют по формуле где t - врем с момента начала теплового воздействи -, ч - коэффициент температуропроводности материала за врем { ; R(-t) - площадь под кривой приращени температуры по длине образца -в момент времени -t-, (ji - площадь под кривой среднего температурного градиента по длине образца в момент време ни t Таким образом, при предлагаемом способе, как и при известном, образец подвергают кратковременному тепловому воздействию, регистрируют его начальную температуру и изменени температуры во времени в процессе Сеплового воздействи в фиксированной точке внутри образца и на поверхности, противоположной на- греваемой. Но в отличие от известно го, при предлагаемом способе в образ це устанавливают на два термопреобразовател , а несколько - в том числе на нагреваемой поверхности, на поверхности, противоположной нагреваемой , и в дополнительных фиксированных точках в различных по толщине сечени х образца, регистриру тем самым нестационарное температурное поле и температурный градиент по дли не образца. При длительности тепловых воздействий в сотые и дес тые доли секунды можно пренебречь тепло24 отдачей в окружающую среду и рассматривать распространение тепла в образце как одномерное, а при более длительном нагреве образец теплоизолируют с боковых сторон (т.е. вдоль его длины ) и ненагреваемого торца. Изменение температурного пол по толщине образца имеет информацию об аккумулированном образцом к заданному моменту времени i количестве тепла ft ), которое определ етс из выражени a«,Ct)c((,t). , (5) где cCt) , pU) средние з.начени теплоемкости и плотности образца за врем нагрева i i площадь поперечного сечени образца-, 5(г,1) йлощадь под экспериментальной кривой приращени температур по длине образ-; ца, которую обозначаем как Sl(t) . Поделив левую и правую части уравени (.5) на Si и учитыва . Wti«-i. олучаем выражение дл среднего уделього теплового потока в образце за рем t. ,4-1) Если экспериментальные распредеени температур 9(2,t), при фиксиро анных -t продифференцировать (это ожно делать, например, графически), олучаем зависимости (2,t)« Площадь dZ ОД этими кривыми г; фиксированные оменты времени равна j||-(Z.i)cIZ Среднее значение температурного градиента в образце в фиксированный момент времени -t определ етс отношением ( эл Ч а ЧЭ Z /ср Ъ Среднее значение температурного градиента в образце за врем опред л етс из выражени . Urn/ 1 где V it) площадь под соответству щей экспериментальной к / Эг)- да момент в мени t . Если известен/5гас1г -(ср ,fo велич ну ((t) можно также найти из выраж ни 4Ct) Ht))- (т) Приравн в правые части уравнений (6) и (7 ), получаем . .iUil Теким образом формула (8 ) содер жит лишь экспериментальные данные Ж)-и VC-t). Раскроем ее физический смысл. Дл этого, умножа и де числитель и знаменатель правой час ти уравнени (8 ) на bt , получаем „bfclilbye rrtJiAJ H«)-. ср - среднее прира цение температуры по всему об

му образца.

Следовательно, коэффициент температуропроводности материалов в услови х кратковременного интенсивного нагрева вл етс функцией среднего приращени температуры по всему объему образца, среднего температурного градиента и времени нагрева -t . Чис- /

В остальных сечени х температура измер етс термопреобразовател ми, сваренными встык, диаметр гор чего спа 0,10-0,12 мм. Гор чие спаи устанавливаютс в пазы шириной 0,15мм и глубиной 0,5 мм, прорезанные на боковой поверхности образца, и зачеканиваютс отожженой медью. На ловые значени площадей K(tl и t(t) в каждый момент времени завис т от характера теплового воздействи на поверхность образца. Формулы (8 ) и (9 ) в теории теплотехнического эксперимента вл ютс новыми, они справедливы и дл случа кратковременного интенсивного охлаждени образца. Ценность информации о а заключаетс в том, что она позвол ет анализировать способность образца из .заданного материала в конкретных услови х: в услови х кратковременного нагрева - поглощать теплоту, кратковременного охлаждени - отдавать теплоту. Пример. Определ ют с( в услови х кратковременного фрикционного нагрева с торца цилиндрического образца диаметром 6 мм и высотой 9 мм из титана марки ВТ-1, .контактирующего с боковой поверхностью диска диаметром 300 мм из стали 1Х18Н10Т. Диск вращаетс с посто нной угловой скоростью, скорость скольжени V 25 м/с, удельна нагрузка на номинальную площадь контакта Рд 0,3 Па, полное врем процесса трени t 9 с, число Фурье измен етс в пределах F 0-1. Такие услови испытани поэвол ют рассматривать температурное поле в образце за врем нагрева как одномерное, теплоотдачей в окружающую среду можно пренебречь . Однако средний удельный тепловой поток, направленный в образец , на границе контакта q,(0,-t) неизвестен, теоретическое распределение температуры по высоте образца тоже неизвестно Измерение температурного пол проводитс п тью медьконстантановыми термоэлектрическими преобразовател ми в сечени х: Z О, 2 Д 0,15 мм; 2 й 0,5 мм; Z-Л 3 ММ) 2 Ъ 8,85 мм. Диаметр термоэлектродов 0,1 мм. Измерение температуры на поверхности трени (в сечении Z 0) производитс истирающимс термопреобразователем. ружна поверхность и противоположный орец образца теплоизолируютс стеклонитью, котора в дальнейшем пропитываетс эпоксидным клеем. Таб личное значение коэффициента температуропроводности теплоизол ции на два пор дка меньше коэффициента температуропроводности титана. Предварительные иЬследовани динамических характеристик термопреоб разователей показали, что в исследуемом температурном интервале достоверными вл ютс результаты измв рений температур, начина с момента времени i 0,03 с. При этом максимальна погрешность измерений в момент времени t 0,03 с не превыша328 ет 5%. С течением времени эта погрешность уменьшаетс (при i 0,05 с она уже менее 1%). Регистраци температуры осуществл етс светолучевым осциллографом. На фиг.1 представлены экспериментальные распределени температур в образце-, на фиг.2 - температурные пол по высоте образца в фиксированные моменты времени и изменение температурного градиента по высоте образца в фиксированный момент времени 4 1 С , на фиг.З - изменение среднего температурного градиента в образце за период времени t. Результаты обработки экспериментальных данных даны в таблице.

74,4 77,8

104

152

154

141

128

.800

2400

27,5

7

26,3

5100

15 17 44 75 91

8500

9000

17,2

16,6

П700

23500

14300

57300

М ,7

90100

15020

9,0

4800 112

7,5

14970

z,w

Claims

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИ- ЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ путем кратковременного интенсивного теплового воздействия на одну из сторон плоского образца, регистрации его начальной температуры и изменений температуры' во времени в фиксированной точке внутри образца и на его поверхности, противоположной подвергаемой тепловому воз- . действию, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности определения коэффициента температуро .проводности непрогнозируемых кратковременных тепловых воздействий, изменения температуры во времени измеряют в процессе нагрева на поверхности, подвергаемой тепловому воздействию, и в дополнительных фиксированных точках внутри образца, равноотстоящих от нагреваемой поверхности, после чего искомую величину определяют по формуле

9.(4)

I где i - время с момента начала теплового воздействия¹,

Ч - коэффициент. температуропроводности материала за время t ;

S?(t) - площадь под кривой приращения температуры по длине образца в момент времени 4; ψ(ί)- площадь под кривой среднего температурного градиента по длине образца в момент времени t .

Фиг.1

SU ,,,.1163232

1 163232