Методы и средства комплексного измерения теплофизических характеристик композиционных и влагосодержащих материалов

Никитин, Андрей Алексеевич

Методы и средства комплексного измерения теплофизических характеристик композиционных и влагосодержащих материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Никитин, Андрей Алексеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Методы и средства комплексного измерения теплофизических характеристик композиционных и влагосодержащих материалов»

Автореферат диссертации на тему "Методы и средства комплексного измерения теплофизических характеристик композиционных и влагосодержащих материалов"

На правах рукописи УДК 536.1

оозоБбтаз

НИКИТИН АНДРЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННЫХ И ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007

003056793

Работа выполнена на кафедре физики ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Баранов Игорь Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шарков Александр Васильевич кандидат технических наук, доцент Сосунов Сергей Алексеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева", Санкт-Петербург.

Защита состоится "¿?_Г" /у^^л!» 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.234.01 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, тел./ факс 8 (812) 315-30-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 22" оу1 ¿-ч 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор

Л. С. Тимофеевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для удовлетворения возрастающих потребностей техники в настоящее время создаётся большое количество новых материалов. Среди их физических свойств большое значение имеют теплофизические характеристики (ТФХ). Без их знания невозможно проектировать современные технологические процессы. Например, в тщательном изучении ТФХ, причём в широком диапазоне температур, нуждаются создаваемые композиционные, фрикционные, полимерные и другие конструкционные материалы.

Более того, во многих современных технологических процессах пищевой и химической промышленностей ТФХ (теплопроводность Л, теплоёмкость с и температуропроводность а) используемых материалов существенно изменяются в ходе этих процессов. Поэтому возникает необходимость изучения температурных зависимостей тепловых свойств различных материалов в широком диапазоне температур. Теплофизические характеристики являются сложной функцией микро- и макрофизической структуры реальных тел, поэтому основным источником достоверной информации о них остаётся эксперимент.

В настоящее время известно большое количество установок и приборов для определения ТФХ, однако среди них практически нет таких, которые позволяют проводить комплексные измерения в одном опыте на одном образце в условиях максимально приближенных к реальным технологическим процессам. Все созданные ранее приборы лабораторного типа не отвечают современным требованиям науки и техники, в первую очередь, по комплексности и точности измерений. Поэтому создание новых автоматизированных установок, позволяющих измерять все три ТФХ в одном опыте и на одном образце, остаётся актуальной проблемой.

Целыо настоящей работы является разработка методов и средств комплексного измерения ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в условиях регулярного и монотонного режимов.

Для достижения поставленной цели пришлось решить ряд задач:

1) разработать и теоретически обосновать регулярный метод, позволяющий комплексно измерять ТФХ при фиксированных значениях температур;

2) разработать и теоретически обосновать метод монотонного разогрева образца для комплексного определения температурных зависимостей ТФХ в диапазоне температур (-30...50) °С;

3) создать две теплоизмерительные ячейки, обеспечивающие определение ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов, в том числе и пищевых продуктов в условиях вышеуказанных режимов;

4) снабдить теплоизмерительные ячейки современными системами автоматизации измерительного процесса, позволяющими автономно определять комплекс ТФХ исследуемых материалов;

5) исследовать эксплуатационные и метрологические возможности лабораторных установок на примере ряда композиционных материалов и пищевых продуктов.

На защиту выносятся: регулярный метод комплексного определения тегглофизических характеристик композиционных материалов в области комнатной температуры; динамический метод монотонного режима для исследования температурных зависимостей ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в области температур (- 30...50 °С).

Достоверность, полученных результатов, достигалась: калибровкой созданных автоматизированных установок по образцовым материалам; сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены ранее; проверкой полученных экспериментальных данных на воспроизводимость.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) разработан и теоретически обоснован экспрессный метод независимого определения в одном опыте и на одном образце теплофизических характеристик композиционных материалов в области комнатной температурь!;

2) разработан и теоретически обоснован динамический экспресс-метод комплексного исследования температурных зависимостей ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в области температур (-30.. .50) °С.

Практические результаты: создана экспериментальная установка, снабжённая современной электронно-измерительной аппаратурой, обеспечивающая комплексное измерение ТФХ материалов при фиксированной температуре (например, при комнатной); создана лабораторная установка, снабжённая современной электронно-измерительной аппаратурой, обеспечивающая исследование комплекса температурных зависимостей ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в широком диапазоне температур; получены температурные зависимости ТФХ ряда композиционных и влагосодержащих материалов, в том числе и пищевых продуктов в диапазоне температур ( - 30...50) °С.

Вклад автора: получение расчётных соотношений для определения теплофизических характеристик материалов на базе математических моделей рассматриваемых методов; анализ температурных полей в основных элементах теплоизмерительных ячеек; проектирование и изготовление теплоизмеритель-ных ячеек; градуировка созданных лабораторных установок; разработка методик проведения экспериментов; разработка алгоритмов и программ обработки экспериментальных данных.

Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертации доложено на следующих конференциях: 1) ХХУШ! - XXXI научно-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, СПбГУНиПТ, СПб; 2) V международная теплофизическая школа "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством", 20 - 24 сентября 2004 г., г. Тамбов; 3) XI Российская

конференция по теплофизическим свойствам веществ, 4-7 октября 2005 г., г. СПб.

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ. В том числе 1 печатная работа опубликована в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Объем работы. Работа содержит 108 стр. машинописного текста (введение, 5 глав и заключение), 72 рисунка, 6 таблиц, 104 наименований библиографического указателя, 2 стр. приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертационной работы проведён сравнительный анализ методов, при разработке которых предполагалась возможность комплексного измерения ТФХ. Комплексные измерения можно осуществить только при помощи нестационарных методов, к которым относятся следующие методы: 1) начальной стадии; 2) температурных волн; 3) квазистационарного режима; 4) монотонного разогрева образца.

Методы начальной стадии были предложены А. Ф. Чудновским и

A. В. Лыковым, а в дальнейшем были развиты в работах М. В. Кулакова

B. С. Волькенштейн и др. В 70 - 80 г. г. двадцатого века методами начальной стадии теплового процесса занимался Г. Г. Спирин. Под его руководством были созданы экспериментальные установки, позволяющие измерять ТФХ как твёрдых материалов, так и жидкостей. Для проведения эксперимента при помощи установок, предложенных Г. Г. Спириным, достаточно иметь образцы объёмом 10"3см3. Такие лабораторные установки удобны при изучении ТФХ редких или дорогостоящих материалов.

В последние годы работы по созданию лабораторных установок, основывающихся на методах начальной стадии, активно проводятся в Тамбовском государственном техническом университете большой группой теплофизиков (С. В. Мищенко, С. В. Понамарёв, В. Н. Чернышов и др.). Данные работы выполняются на высоком техническом уровне с использованием современной электронно-измерительной аппаратурой.

Методы температурных волн разрабатывались Л. П. Филипповым, В. Е. Зиновьевым, А. Д. Ивлевым, В. И. Крыловичем, О. А. Краевым, В. А. Груздевым и др. Эти методы нашли широкое применение при изучении ТФХ материалов в области высоких температур.

Методы квазистационарного и монотонного режимов, успешно используются в настоящее время для изучения тепловых свойств различных веществ и материалов в широком диапазоне температур. В основе данных методов лежат закономерности теории линейного разогрева, изученные А. В. Лыковым. Позднее работами Е. С. Платунова эти методы были обобщены на случай проявления температурной зависимости свойств и нелинейности разогрева испытуемых образцов. Методы монотонного режима были развиты С. Е. Буравым, В. А. Самолётовым, В. В. Курепиным, О. Б. Цветковым, Ю. А. Лаптевым,

В. М. Козиным и др.

Сравнительный анализ методов определения ТФХ материалов показал, что наибольшей информативностью обладают методы регулярной стадии теплового процесса и монотонного разогрева образца. Они отвечают требованиям комплексности измерений, а также позволяют определять температурные зависимости ТФХ исследуемых материалов. Поэтому целесообразно создавать новые установки, отвечающие современным требованиям науки и техники, именно на базе методов регулярной стадии теплового Процесса и монотонного разогрева исследуемого образца.

Симметричный регулярный калориметр

Физические основы метода. Принципиальная схема симметричного регулярного калориметра, предназначенного для комплексного исследования линейных (независящих от температуры) ТФХ композиционных материалов, изображена на рис. 1. Основными элементами теплоизмерительной ячейки являются два массивных металлических блока 3, между которыми размешаются два одинаковых образца 2 и электрический нагреватель 1. Площадь поперечного сечения образцов совпадает с площадью электрического нагревателя. Для симметричности тепловых потоков, проходящих через верхний и нижний образец, толщины пластин 2 выбирают одинаковыми. Нагреватель 1 содержит внутри себя греющий провод 4 и микротерморезистор 5 для регистрации температуры. Перед опытом исследуемые образцы и нагреватель устанавливают между металлическими блоками и дожидаются, пока в системе установится равномерное температурное поле. Только после этого на нагреватель подаётся электрическое питание, а изменение температуры регистрируется температурным датчиком 5 с помощью соответствующей электронной аппаратуры. Для проведения экспериментов были изготовлены образцы сечением (30*30) мм и высотой 5... 15 мм

Рис. 1

Исходные ограничения. При создании теплоизмерительной ячейки были Использованы следующие ограничения:

I) соотношение теплоёмкостей нагревателя С'1 и образцов 2С: С] <2 С;

t(x, x)

2) соотношение теплоёмкостей блоков С5 и образцов с нагревателем: Сб » (С, + 1С).

Тепловая модель метода представлена на рис. 2. Для удобства постоянную температуру окружающей среды (термостати-рующих блоков) принимаем Г3 = 0. Толщина образца обозначена /г, нагревателя - Так как теплопроводность исследуемого материала удобно определять из стационарной стадии, а теплоёмкость и температуропроводность из нестационарной, то температурное поле калориметрической ячейки удобно условно поделить на стационарную ®(х) и рис 2 нестационарную 8(х) составляющие.

?3 = О

Математическая модель ячейки. При её выборе использованы следующие допущения: 1) нагреватель и металлические блоки сохраняют в опыте равномерные температурные поля; 2) температурное поле образцов в ходе опыта является одномерным; 3) мощность нагревателя W остаётся постоянной в ходе всего эксперимента; 4) температура термостатирующих блоков остаётся постоянной /3 = const; 5) контактные термические сопротивления (КТС) в местах контакта "нагреватель - образец -среда" отсутствуют.

Температурное поле образца подчиняется дифференциальному уравнению теплопроводности

дх2

\_dt_ а Эх'

(1)

которое решено с учётом принятых допущении и со следующими краевыми условиями:

i(x,x)jx=o = 0,

dt(x,x)

дх

x=h

V lC.dtl(M) ~ 2 2 дт '

(2)

где X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К), С] - теплоёмкость нагревателя, Дж/К.

Расчётные соотношения. Из математической модели были получены следующие расчётные соотношения для теплопроводности X, температуропроводности а и удельной теплоёмкости с:

(VL.rtu Ol

X = 7Г " 1,(3)« =-" M' , , (4) с ~ТГ C\PtgP> (5)

cp P J , Псп/гсп Мобщ

где /zcp - средняя высота образцов, м; Scp - средняя площадь поперечного сечения образцов, м2; 0] - стационарный перепад температуры нагревателя относительно среды, К; р) - тепловой поток с боковой поверхности образцов и нагревателя, Вт/К; /яср - темп, средний между темпами на стадии нагрева и

охлаждения, 1/с; a - коэффициент теплоотдачи с боковой поверхности образцов и нагревателя, Вт/(м2-К); Пср - средний периметр верхнего и нижнего образцов, м; М05Щ - масса верхнего и нижнего образцов, кг; р - безразмерный параметр, определяемый по следующему выражению:

р = 1,570 - 0,60784* - 0,49724'2 + 0,5270Ч/3 + 0,6734Ч'4, (6)

где Ч* - функция, характеризующая роль нестационарной составляющей температурного поля образца, которая вычисляется с помощью выражения:

¿ср

Sep,

Y^cp- (7)

Тепловая ячейка может работать в двух режимах - градуировочном и рабочем. В градуировочном режиме определяются "постоянные" калориметрической ячейки: С\, р) и а. В рабочем режиме определяются параметры 0[,

тср, р и ТФХ исследуемого материала.

Градуировка теплоизмерительной ячейки. При определении теплоемкости нагревателя проводились опыты без образцов с воздушными прослойками фиксированной высоты. Из этих опытов была получена теплоёмкость нагревателя: С\ = 5,4 Дж/К.

Для определения К^р) и а(/?ср) были поставлены опыты с образцовыми материалами. ВНИИМ им. Менделеева рекомендует полиметилметакрилат в качестве образцового материала для диапазона теплопроводности 0,01.. Л Вт/(м-К). Из проведённых экспериментов с образцами различной высоты с помощью соотношения (3), была получена зависимость теплового потока с боковой поверхности образцов и нагревателя от высоты образцов К(Иср) = 0,00332 + 0,937/гср Вт/К. А из соотношения (4) было найдено значение

коэффициента теплоотдачи с боковой поверхности образцов и нагревателя, которое оказалось равным а = 11,3 Вт/(м2-К).

Методика проведения эксперимента и обработки данных заключается в следующем: 1) предварительно взвешенные образцы устанавливают в тепло-измерительную ячейку, как показано на рис. 1; 2) оператор при помощи кон-

троллера вводит исходные параметры (мощность нагревателя, длительность стадии нагрева, число измерений и др.); 3) записывают начальную температуру системы i0 и запускают эксперимент. После завершения эксперимента в памяти контроллера сохраняется массив данных, состоящий из исходных параметров (/¡(.р, ¿о, ^ср' Пср, М05Щ и W) и экспериментальных данных: t(т).

Обработка экспериментальных данных, полученных в ходе опыта, может осуществляться при помощи контроллера по заранее запрограммированному алгоритму, либо при помощи персонального компьютера.

Методика обработки экспериментальных данных при помощи ПК состоит из следующих этапов: 1) при помощи программы Microsoft Excel рассчитывают перепад температуры нагревателя от начальной температуры 8(т) = /(т) - îq ; 2) в программной оболочке Origin 6.1 строят график изменения перепада температуры во времени на рабочей стадии эксперимента, рис. 3; 3) посредством программы Origin 6.1 определяют темп на стадии нагрева, кривая 1, рис. 3 и стационарный перепад температуры 0], а также темп на стадии охлаждения - кривая 2; 4) рассчитывают средний темп тср ; 5) по выражению

(3) определяют теплопроводность X ; 6) рассчитывают безразмерный параметр р по соотношениям (6) и (7); 7) по соотношениям (4) и (5) рассчитывают температуропроводность и удельную теплоёмкость исследуемых образцов.

/ \ •

-----• • • L Y

>=«„+ Аехр ( -тт)

• •

•

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 т, с

Рис. 3

При помощи предложенной лабораторной установки были исследованы ТФХ в области комнатной температуры таких материалов как кварцевое стекло марки КВ, линолеум, оконное стекло, а также полупроводники п-чр- типов. В табл. №1 приведены результаты измерения ТФХ этих материалов.

Таблица Л? 1

Материал X, Вт/(м-К) с, кДж/(кг-К) а, 10 7 мг/с

Стекло КВ 1,39 0.758 8.88

линолеум 0,355 1,28 Ш

стекло оконное 0.85 1,03 4.13

полупроводник п - типа 1.26 0.275 5.К4

полупроводник р- типа 1,22 0,309 5.95

Анализ погрешности измерений, выполненных при помо[ди регулярного симметричного калориметра, показал, что относительные погрешности измерения комплекса ТФХ составили: < 4 %. га <1 %, £с < 5 %.

Монотонный калориметр с наг ревателями Физические основы метода. Принципиальная схема теплоизмеритель-ной ячейки, предназначенной для комплексного измерения температурных зависимостей ГФХ композиционных и в л а го с одер жа I ц и х материалов в области фазовых превращений, представлена на рис. 4.

2 I К

Рис. 4

Основными элементами ячейки являются два массивных металлических блока 1 и 4. В блоки вмонтированы электрические нагреейтели с температурными датчиками 5 и 9, Верхний и нижний электрические нагреватели теплоизолированы от металлических блоков при помощи теплоизоляции 2, 3, 6 и 8. Между нагревателями устанавливается образец 7, площадь поперечного сечения которого совпадает с площадью нагревателей. В центральное сечение об-

разца устанавливается температурный датчик. В качестве температурных датчиков были выбраны дифференциальные термопары. К калориметрической ячейке подключают соответствующее электронно-вычислительное устройство (контроллер). Контроллер позволяет задавать мощности на верхнем и нижнем нагревателях и регистрировать показания трёх термопар.

Калориметрическая ячейка с образцом устанавливается в холодильную камеру, где и охлаждается до тех пор, пока в системе образец - нагреватели не установится равномерное температурное поле. Затем на верхний и нижний нагреватель подаётся электрическое питание и образец монотонно разогревается.

Для определения ТФХ пищевых продуктов и влагосодержащих материалов использовалась специальная кювета. Кювета состоит из кольца и двух металлических крышек (верхней и нижней), поперечное сечение кюветы совпадает с площадью нагревателей.

Тепловая модель метода представлена на рис. 5. Исследуемый образец 7, предварительно приведённый в тепловое равновесие с верхним и нижним блоками ячейки, монотонно разогревается через верхнюю и нижнюю грани потоками £)в(т) и (2„{1) (рис. 6). Для создания температурного перепада на образце обеспечивается условие £>н(т) > (?и(т). В металлических пластинах температурные поля остаются равномерными, а внутри образца возникает не-

Из общих соображений ясно, что для определения теплоёмкости с(() образца достаточно иметь сведения о тепловом потоке, который поглощается непосредственно образцом, и о среднеобъёмной скорости его разогрева

Ьу{т) = . Для определения теплопроводности достаточно знать тепловой поток 0(х, т) и градиент температуры ^^ в каком-либо одном сечении образца. Если же нам известен аналитический вид температурного поля внутри образца /(х, т), то в этом случае задачу определения теплопроводности удаётся свести к более простой задаче регистрации перепада температуры в образце

и проходящих через его грани тепловых потоков Q¡¡{x) и <2и(т). Для определения температуропроводности достаточно знать среднеобъёмную скорость разогрева Ьу{т) и температурный перепад внутри образца.

Математическая модель ячейки. При её выборе использованы следующие упрощения: 1) температуры верхнего и нижнего нагревателей и блоков сохраняют в опыте равномерные температурные поля; 2) мощности нагревателей 1¥в и остаются постоянными в ходе всего эксперимента; 3) температура термостатирующих блоков остаётся постоянной; 4) термические сопротивления в местах контакта образец — нагреватели отсутствуют.

Температурное поле образца подчиняется дифференциальному уравнению теплопроводности

которое решено с учётом принятых допущений и со следующими краевыми условиями:

= ) = (8) где где qa - удельный тепловой поток с боковой поверхности образца, Вт/м2; ?с - температура среды, С,С; Св(7), Сп(?) - теплоёмкости верхнего и нижнего нагревателей, соответственно, Дж/К.

Расчётные соотношения. Из математической модели были получены следующие расчётные соотношения для удельной теплоёмкости с, теплопроводности X и температуропроводности а:

~(1Уп+щ,) - св(01н(х) - с„ (?)&„ (т) - /гв(Э)&„ (I) - (9)а„ (т) - да р)

с(/)=-

ад-®

((»;. - ) - (о\ (т)+сн т, (т)-кп (&)&н (т)+кн (&)&„ (т)) 9в(т)-эп(т)

(9) ,(Ю)

Щ(0,5И?

Эв(т) + 9н(т)' {И>

где Ки( 9) и К„( 9) - тепловая проводимость изоляции верхнего и нижнего нагревателей, соответственно, Вт/К; 0а(Э) - тепловой поток, уходящий с боковой поверхности образца в окружающую среду, Вт; Ьв(г), Ь[{(т) - скорости разогрева верхнего и нижнего нагревателей, К/с; Ь1, (г) - среднеобъёмная скорость разогрева образца, К/с.

Градуировка теплоизмерительной ячейки. В расчётные формулы (8) и (9) входят "постоянные" калориметрической ячейки. К ним относятся теплоёмкости верхнего и нижнего нагревателей С„(0 и С„(1), тепловые проводимости

изоляции верхнего и нижнего нагревателей А"в(8) и К„(3) и коэффициент теплоотдачи с поверхности образца а.

В ходе градуирования лабораторной установки с применением образцовых мер (оргстекло) получены следующие зависимости для констант:

CB(f) = 15,24 + 0,05898/B, CH(i) = 12,38 + 0,06569rH, (12)

Кв(8) = 0,0223 + 7,63• 10-5Эв, tfH(S) = 0,0211 + 2,53-10-5Эн. (13)

Коэффициент теплоотдачи с боковой поверхности образца оказался равным а = 20,5 Вт/(м2-К).

Методика проведения эксперимента и обработки данных состоит из следующих этапов: 1) образец взвешивают, измеряют его геометрические параметры; 2) образец устанавливают между блоками как, показано на рис. 4, и ячейку помещают в холодильную камеру, где она охлаждается до заданной температуры; 2) с помощью контроллера задаётся мощность нагревателей, длительность опыта и интервал между измерениями температуры; 3) после того как в ячейке установится равновесное тепловое состояние, оператор фиксирует температуру блоков tc и запускает эксперимент; 4) записанный контроллером массив данных передаётся на ПК.

Методика обработки полученных экспериментальных данных состоит из следующих этапов: 1) в программной оболочке Origin 6.1 строят зависимости температур верхнего нагревателя ZB, нижнего нагревателя tu и центрального сечения образца (ц от температуры среды рис. 6; 2) посредством программы Origin 6.1 из исходных температурных зависимостей получают скорости be{т), bn(x), blf(x); 3) рассчитывают среднеобъёмную скорость разогрева образца по

соотношению йу(т) = £ц(т) + ^[^(т) + Ьи(г)-26ц(т)]; 4) определяют перепады

температур верхнего и нижнего нагревателей относительно среды Эв(т) и $н(т); 5) рассчитывают поток с боковой поверхности образца по формуле Qa = aSfj0K(tv — tc); 6) по соотношениям (9), (10), (11) определяют температурные зависимости теплоёмкости, теплопроводности и температуропроводности исследуемого материала.

60 40 20

-20

------- 1 4 А 1

• • ■ • ■ 9 я • ■ 41 ■ 4 П 4 4 4 л

■ • ▲ 4 4 V

* • 4 л А 4

100

400

т, с

200 300

Рис. 6

Результаты измерений. При помощи лабораторной установки для комплексного измерения температурных зависимостей ТФХ материалов были измерены характеристики ряда полимерных материалов, пищевых продуктов и грунтов. Их температурные зависимости в диапазоне температур (-30...50) °С представлены в табл. №2.

Таблица № 2

Винипласт Эбонит Клееная фанера

X, Вт/(м-К) 0,136 + 6,8'М О-4 г„ 0,154 + 5,53-10-4/„ 0,122 + 1,42-10-3/„

а, 10"7м2/с 1,22-3,53-10~\ 1,10 -2,84-10" 3<у 1,48 -5,16-10" 3/у

с, Дж/(кг-К) 0,981 -103 +0,0184/1, 1,30-103 + 0,44гу 1,50 • 103 + 2,13/у

Для измерения ТФХ твёрдых материалов были изготовлены образцы диаметром 60 мм и высотой 5... 15 мм, для влагосодержащих материалов была изготовлена кювета диаметром 60 мм и высотой 15 мм.

В качестве влагосодержащих материалов были выбраны картофель сорта "Невский", говяжий фарш, творог, речной песок при различной степени влажности. Измерения ТФХ этих материалов проводились в диапазоне температур (-30...50) °С. Температурные зависимости температуропроводности, удельной теплоёмкости и теплопроводности картофеля (сорт "Невский") представлены на рис. 7-9, соответственно.

10" м/с 2,5

0,5

• • в*

••

• •

• ► т»»'"

• % •

• м

С(0,

Дж/(кгК) 30000

25000 20000 15000 10000 5000

• • -

•

• •

1 • « Май

•мм '«се

-20

и'С

-20 -15 -10

-5 ',„0 5

Рис. 8

10 15 °С

Рис.7

На рис. 8 видна чётко выраженная область фазового перехода, с криоско-пической температурой <кр =-1,9 °С.

Анализ погрешности измерения температурных зависимостей ТФХ показал, что относительные погрешности по теплопроводности не превышают 5 %, по

щ.

Вт/(мК) 2,0

1,5

1,0

0,5-

0,0

•

< • И • • •

• •

••••

температуропроводности

5 %, а по

■15 -ю

О 5

Рис. 9

10 15 СС

удельной теплоёмкости - 5 %.

Электронно - измерительная аппаратура. Для обеспечения автоматизации измерительного процесса коллективом ООО "ЛМТ" под руководством Пла-тунова А. Е. по техническому заданию кафедры физики СПбГУНиПТ был разработан электронный контроллер на базе 16 - ти разрядного АЦП. Контроллер позволяет задавать мощности нагревателей, длительность проведения эксперимента интервал между измерением температур, регистрировать показания различных электрических датчиков с пороговой чувствительностью не хуже 10 мкВ, записывать и сохранять массив экспериментальных данных. Соединение контроллера с ПК осуществляется по последовательному порту СОМ2.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложен экспрессный метод независимого комплексного определения теплофизических характеристик композиционных материалов в области комнатной температуры.

2. Показано, что введение в теплоизмерительную ячейку электрического нагревателя постоянной мощности как активного элемента системы, позволяет обеспечить независимое измерение теплоёмкости, теплопроводности и температуропроводности исследуемого материала в одном опыте и на одном образце.

3. Предложен метод комплексного исследования температурных зависи-

мостей ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов (в том числе пищевых продуктов) в области температур (-30... 50) °С.

4. Показано, что методы монотонного режима удается использовать для изучения комплекса температурных зависимостей теплофизических характеристик влагосодержащих материалов и пищевых продуктов в области фазовых и структурных превращений.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах автора:

1. Никитин А. А. Температурные поля в пространственно - неоднородной охлаждающей термобатарее. Термоэлектрики и их применения. Доклады VIII межгосударственного семинара, Санкт-Петербург 2002 г. С. 317 - 322.

2. Никитин А. А., Баранов И. В. Методы комплексного измерения тепло-физических свойств влагосодержащих материалов // Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством: Материалы пятой международной теплофизической школы: В 2 ч. Тамбов, 20 - 24 сент. 2004 г. / ТГТУ. Тамбов, 2004. ч. 1.-С. 284-289

3. Никитин А. А. Автоматизированная экспериментальная установка для комплексного измерения теплофизических свойств неметаллических материалов. В сб.: "Проблемы пищевой инженерии."/. С.-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий , 2006. - с.5: ил.З, библиогр. 4 назв.- Рус,- Деп. в ВНИТИ № 833 - В2006.

4. Никитин А. А., Баранов И. В. Комплексное измерение теплофизических свойств в условиях монотонного разогрева // Известия СПбГУ-НиПТ,2006,№1,с.62-63.5.

5. Никитин А. А.,Баранов И. В. Регулярный калориметр для комплексного измерения теплофизических свойств неметаллических материалов. В сб.: "Проблемы техники и технологии пищевых производств" // СПбГУНиПТ 2007. - С. 5: ил.7, библиогр. 5 назв. — Рус. - Деп. в ВИНИТИ

6. Никитин А. А., Баранов И. В. Комплексные измерения теплофизических характеристик материалов при замораживании и размораживании // Вестник Международной Академии Холода, 2007, № 1, с. 24 — 27.

Подписано к печати .15.03.Д5!.... Формат 60x80 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Неч.л.1,0. Тираж 80 экз. Заказ №.67.......

СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИП СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Никитин, Андрей Алексеевич

Перечень сокращений и условных обозначений, символов и единиц измерений.

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы комплексных исследований теплофизических характеристик материалов.

1.1. Введение.

1.2. Методы начальной стадии.

1.3. Методы температурных волн.

1.4 Методы квазистационарного и монотонного режимов.

1.5. Методы комплексного определения ТФХ влагосодержащих материалов.

1.6. Выводы по главе.

Глава 2. Теория регулярных методов комплексного измерения теплофизических характеристик неметаллических материалов.

2.1. Физическая и тепловая модели метода.

2.2. Теоретическое обоснование метода.

2.3. Расчётные соотношения.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. Теоретические основы метода комплексного измерения нелинейных ТФХ в условиях монотонного нагрева образца.

3.1. Физическая и тепловая модели метода.

3.2. Математическая модель метода.

3.3. Расчётные соотношения.

3.4. Расчётные соотношения для измерения ТФХ влагосодержащих материалов.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Симметричный регулярный калориметр с нагревателем.

4.1. Требования к тепловой ячейке и измерительному оборудованию.

4.2. Описание лабораторной установки.

4.3. Градуировка регулярного симметричного калориметра.

4.4. Методика проведения эксперимента и обработки данных.

4.5. Результаты измерений и анализ погрешностей.

4.6. Выводы по главе.

Глава 5 Калориметрическая ячейка для комплексного определения

ТФХ в условиях монотонного разогрева.

5.1. Требования к тепловой ячейке и контрольно-измерительному оборудованию.

5.2. Лабораторная установка.

5.3. Градуировка калориметрической ячейки.

5.4. Методика проведения эксперимента и обработки данных.

5.4.1. Методика проведения эксперимента и обработка экспериментальных данных с образцами из твёрдых материалов.

5.4.2. Методика проведения эксперимента и обработки данных с пищевыми продуктами и влагосодержащими материалами.

5.5. Результаты измерений и анализ погрешностей.

5.5.1. Результаты измерений ТФХ твёрдых образцов.

5.5.2. Результаты измерений ТФХ пищевых продуктов и влагосодер-жащих материалов.

5.5.3. Анализ погрешности измерений.

5.6 Выводы по главе.

Основные положения и результаты.

Введение диссертация по физике, на тему "Методы и средства комплексного измерения теплофизических характеристик композиционных и влагосодержащих материалов"

Более того, во многих современных технологических процессах пищевой и химической промышленностей ТФХ (теплопроводность X, теплоёмкость с и температуропроводность а) используемых материалов существенно изменяются в ходе этих процессов. Поэтому возникает необходимость изучения температурных зависимостей тепловых свойств различных материалов в широком диапазоне температур. Теплофизические характеристики являются сложной функцией микро- и макрофизической структуры реальных тел, поэтому основным источником достоверной информации о них остаётся эксперимент.

Целью настоящей работы является разработка методов и средств комплексного измерения ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в условиях регулярного и монотонного режимов.

Для достижения поставленной цели пришлось решить ряд задач:

2) разработать и теоретически обосновать метод монотонного разогрева образца для комплексного определения температурных зависимостей ТФХ в диапазоне температур (-30.50) °С;

На защиту выносятся: регулярный метод комплексного определения теплофизических характеристик композиционных материалов в области комнатной температуры; динамический метод монотонного режима для исследования температурных зависимостей ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в области температур (- 30.50 °С).

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

Вклад автора: получение расчётных соотношений для определения теп-лофизических характеристик материалов на базе математических моделей рассматриваемых методов; анализ температурных полей в основных элементах те-плоизмерительных ячеек; проектирование и изготовление теплоизмерительных ячеек; градуировка созданных лабораторных установок; разработка методик проведения экспериментов; разработка алгоритмов и программ обработки экспериментальных данных.

Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертации доложено на следующих конференциях: 1) ХХУНН-ХХХ1 научно-техн. конф. профессорско-преподавательского состава, СПбГУНиПТ, СПб; 2) V международная теплофизическая школа "Теплофизические измерения при контроле и управлении качеством", 20 - 24 сентября 2004 г., г. Тамбов; 3) XI Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, 4-7 октября 2005 г., г. СПб.

Объем работы. Работа содержит 108 стр. машинописного текста (введение, 5 глав и заключение), 72 рисунка, 6 таблиц, 106 наименований библиографического указателя, 2 стр. приложений.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.