Радиационно-кондуктивный теплообмен при кратковременных измерениях теплофизических характеристик полупрозрачных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

0 г п.

» 1 ° ЮСКОВСКИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

1 5И93

На правах рукописи

СТРЕШОВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

РАДИАЦЮННО-КОНДШИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ПРИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ ТЕПЛО ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОЗРАЧНЫХ СРЕД

01.04«14 - Теплофизика и молекулярная физика.

АВТОРЕФЕРАТ

диосертации на соискание ученой отепени

кандидата технических наук _____

¿л^ /

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском авиационном институте.

Научный руководитель: доктор технических наук профессор СПИРИН Г.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Сергеев O.A.

кандидат физико-математических наук Благонравов Л.А.

Ведущая организация: Казанский химико-технолпгичоский институт

Защита диссертации состоится " 9 " яппвдя 1993 г. на заседании специализированного совета Н05Э. 16.02 в Московском энергетическом инотитуте по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, дом 17, корпус "Т"» каф. ИГ$, этаж 2, к.206.

Отзыв, заверенный печатью, просим присылать по адресу: 105835, ГСП, Е-250, ул. Красноказарменная, дом 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "_"_ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного оовета К053.16.02

В.И.МИКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Изучение переносных свойств различных сред имеет болыдое практическое значение. Диссертационная работа поовяцена дальнейшей разработке одного из перспективных методов измерения теплофизичеоких характеристик (теплопроводности', температуропроводности и тепловой активности) - метода кратковременных измерения в стадии иррегулярного теплового режима.

Важной причиной, осложнявщей идентификацию эксперментальных данных и оравнение результатов, получаемых разними авторами, является наличие в исследуемой среде радиационного механизма переноса тепла', наряду с теплопроводность!). Вмеоте о тем, литература,1 посвяденная теоретическому обосновании метода, рассматривает, в основном, кондуктивный перенос тепла.

Аналитическое решение задачи сложного, радиационно-кондук-тивного теплообмена в условиях эксперимента позволяет выявить закон зависимости радиационного вклада от параметров опита и ио-оледуемой среды. На основании знания общих закономерностей можно определить', молекулярными или эффективными являптся полученные о использованием метода кратковременных измерений данные. Молекулярные теплофизические характеристики полупрозрачных материалов (в частнооти, фторуглеродов и кварцевых стекол) имеет важное практическое и чисто научное значение.

Цель работы оостоит в анализе всего комплекоа проблем, связанных со оложным, радиационно-кондуктивным механизмом теплообмена в исследуемой среде в ходе эксперимента, проводимого о использованием метода кратковременных измерений. Необходимо:

- поставить и решить модельнув задачу сложного теплообмена для случаев плоского и линейного источника тепла; получить расчетные соотношения для определения радиационного вклада в экспериментальные данные,

- провести измерения теплофизических свойств ряда полупрозрачных материалов (фторуглеродов, кварца КВ), рассчитать степень их искаженности радиационным переносом тепла и сделать вывод о характере получаемых методом кратковременных измерений данных (молекулярные или эффективные).

В рамках чисто кондуктивного теплопереноса рассмотреть влияние на погрешность эксперимента ряда {илторов, отлич-чгг.их идеа-

лизированнуп математическую модель опита от реальных физических условий.

Научная новизна работы. Впервые проведен анализ радиационно-коцдуктивного теплообмена в исследуемой среде применительно к методу кратковременных измерений в стадии иррегулярного теплового режима. На основании полученных соотношений сделан вывод о том, что малая величина измерительного жпульса обеспечивает получение теплофизических характеристик, практически не искаженных радиационным влиянием.

С использованием метода кратковременных измерений впервые получены данные по тепловой активности ряда фторуглеродов, являющихся технически важными веществами; показано, что эти результаты являются чисто молекулярными.

В рамках кондуктивного теплообмена решена модельная задача, обеспечивающая измерение твердых материалов зондом в виде нити (линейный источник на границе раздела двух оред).

Практическая ценность работы. Диссертационная работа вносит вклад в развитие перспективного экспериментального метода измерения теплофизических характеристик. Полученные расчетные соотношения, дающие зависимость относительного радиационного вклада от времени измерения, коэффициента поглощения и других параметров, позволяют идентифицировать экспериментальные данные, получаемые с использованием метода кратковременных измерений.

Проведены измерения тепловой активности ряда фторуглеродов, теплопроводности и тепловой активности кварцевого стекла и показано, что все эти данные являются чисто молекулярными.

Решение ряда модельных задач в рамках кондуктивного теплообмена позволяет провести более полный и точный анализ составляющих погрешности эксперимента.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании "Теплофизика метастабильных жидкостей в связи с явлениями кипения и кристаллизации" (Свердловск, 1985 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Теплофизические измерения в решении задач научно-технического прогресса" (Севастополь, 1587 г.), конференции молодых учених и специалистов кафедры физики МАИ (1585 и 15^0 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 отатей.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на стра— ницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, эаклвчения, описка литературы (75 наименований), приложения, 7 таблиц; 24 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается необходимость проведения исследований по данной теме.

Аппаратурная часть погрешности эксперимента в связи с совер-венотвовакием техники имеет тенденции к снгасенио, поэтому необходимо в рамках ковдуктивного теплообмена более полно и точно оценивать составлявшие погрешности, связанные о неадекватноетьп математической модели физическим условиям. Это требует реаония ряда модельных задач, недостаточно исследованных в литературе, по-овященной методу кратковременных измерений.

При измерении теплофизических характеристик полупрозрачных сред, которыми является больвинство иеоледуемых теплоносителей, возникает проблема оценки радиационного вклада в- экспериментальные данные. Это приводит к необход ю<ости поотановки и решения модельной задачи радиационно-кокдуктивного теплообмена в ходе эксперимента.

В первой главе дано описание экспердаента, проводимого методом кратковременных измерений в отадии иррегулярного теплового режима. Рассматриваемая экспериментальная методика применяется для измерения теплопроводности ( температуропроводности ( О. ) и тепловой активности (£ - ^Л^рС ) диэлектрических жидких и твердых материалов. На рио.1 приведена схема экспериментальной установки относительного варианта метода. В ходе эксперимента на реэистивннй элемент (РЭ), являющийся часты) измерительного зонда, подается серия прямоугольных импульсов электрического тока. К концу каядого из импульсов (,&£=• темпера-

Рис.1. Схема экспериментальной уотановки.

тура РЭ получает прирацение д7~ , которое зависит от Л (РЭ в ввде нити) а

<п

или <5 (плоская форма РЗ)

<я

( ^ г; ^ « тепловые потоки от источника тепла).

РЭ, введенный в контакт с исследуемой средой, включен в одно из плеч компенсационной мостовой схемы; в другое плечо включен компенсационный зонд, контактирующий с эталонным веществом. Изменением сопротивлений плеч моста о помоеью осциллографа проводят баланс схемы. Для расчета Л. служит соотнонение:

3 ъ(т)

\1+2£<т-т.)\

где индекс мэтм означает, что измерение соответствующего параметра проводилось при контакте РЗ с эталонной средой, ^ - сопротивление РЗ, , ^ - температурные коэффициенты сопротивления I и П порядка. Соотношение для расчета <Г имеет аналогичный вид«

Преимущества метода кратковременных измерений определяются малой величиной измерительного импульса. Последняя определяется ввдом используемого РЭ и исследуемой среды. Так, при измерениях теплопроводности жидкостей 5" 10""^с; при измерениях теплопроводности твердых материалов возникает контактное сопротивление, и время измерения больше: л^~0,1с. к основным преимуществам рассматриваемой экспериментальной методики можно отнести: быстродействие, малые количества исследуемого вепестна, миниатюрность измерительной ячейки, комплексность результатов. Как показано в гл. 3 и 4 диссертационной работы, в большинстве практически важных случаев получаемые экспериментальные данные не содержат радиационной составляющей, т.е. являются чисто молекулярными.

Погрешность метода имеет, в целом, два источника: несовершенство (идеализация) используемой математической модели и аппаратурные искажения измеряв*.-!* величин. Оценки погрешности, приведенные в литературе; д.чгт величину для жидких сред и для твер-

дых материалов.

В диссертации рассмотрен ряд модельных задач, описывающих отклонение идеализированной модельной задачи, на основании которой получены соотношения (I) и (2), от реальных физичеоких условий.

1. Ограниченность длины линейного источника. Изходя из того, что реально измеряемой является средняя температура зонда, получено следующее соотношение для относительной величины соответствующей доли погрешности:

т " £,((&) '

Здесь , (безразмерные параметры), - ра-

диуо и длина источника; £ - время измерения, £г(х) - экспоненциальный интеграл.

**[ (гг-ггу*

Так, при измерениях в жидкостях имеем ¿> ~10~\ и

2. При использовании метода кратковременных измерений для исследования теплопроводности твердых материалов РЭ помещается между исследуемым образцом и мягким материалом с известными свойствами. Решение соответствующей модельной задачи ("линейный иоточник на границе раздела двух сред") имеет вид:

г- (Г

1 ЧЛг у и (и ^уи (/+ 4* '

2б2\П1Х / П -г2

-е^ф *

Хгб*

Отличие последнего выражения от прибликенного ((1) с заменой на 2 (JLf+JL^)» которое используется для расчета Я- по экспериментальным данным, дает величину соответствующей доли погрешности.

Вторая глава посвящена теоретическим вопросам радиационно-кокдуктивного теплообмена (РКТ) в полупрозрачной среде. Модельная задача РКТ в общем виде представляет собой оистему интегро-диффе» ренциальных уравнений переноса энергии: и излучения со спектральной зависимостью коэффициентов. Как правило, при решении задач оложного теплообмена делавт ряд упрощающих предположений. Аналитический обзор литературы по теме работы позволил сформулировать наиболее часто используемые упрощения иоходной модельной задачи: стационарность уравнения переноса энергии; одномерность уравнения переноса энергии; нерассеиваюдая среда; серая среда (усреднение по спектру коэффициента поглощения); зеркальное (диффузное) отражение на границе; оптически тонкий (толстый) слой исследуемого вещества; малость радиационного вклада в температуру по сравнению с кондуктивним вкладом.

Модельная задача РКТ, учитывающая спектральную зависимость оптических свойств, в частности, коэффициента поглощения, мажет быть решена только численно. Численное решение (являющееся само по себе сложной проблемой) не дает исчерпывающей информации о влиянии радиационного переноса тепла на измеряемые характеристики, на его основе невозможно делать обобщающие выводы о характере получаемых данных;:

Сделан вывод о том, что для получения аналитического решения задачи РКТ применительно к методу кратковременных измерений в стадии иррегулярного теплового режима необходимо рассмотреть нерас-оеивавщув серую ореду с зеркальным отражением на границе; уравнение переноса энергии должно быть нестационарным одномерным (в декартовых или цилиндрических координатах). Итерационный метод решения, применяемый при ттегрировании уравнения, требует также предположения о малооти радиационного вклада (гл. 3). При рассмотрении источника в виде нити взято дополнительно приближение оптически тонкого слоя (гл. >\).

Третья глава посвящена анализу радкационно-кондуктивного теплообмена при измерениях с использованием плоских зовдов. Поставлена модельная задача РКТ в виде:

дгт ЭТ

(-*о<Х< оо)

~2Я р (3)

Т(х,0)=ТОг

где 9ЩХ) *8П76Т,> ^^^^-^^Гт^/г^^)-

Т=Т(х¿Г_ постоянная Стефана-Больцмана, ЗЕ. - средний коэффициент поглощения, £¿ (2) - экспоненциальный интеграл С -го порядка, коэффициент зеркального отражения, ~ тепловой

поток от источника.

Уравнение (3) решается аналитически методом итераций с использованием преобразования Лапласа. Получено распределение температурного поля Т(хI)' Температура источника тепла ( X »0):

* ел* Я*"1 ™

Здесь ц

^ _ \fcii _ чиодо Кнудсена. График функции £(Кп.) приведен на рис.2. Из (4) оледует, что измеряемую теплопроводность можно представить в виде суммы двух слагаемых:

( у - росседавдовская теплопроводность, УТЛ*)-

измерении плоским источником).

Рис.З. Тепловая активность органических жидкостей.

= - 3 \ПС $ (Кп) )• Поэтому значение функции £(Кл)является показателем, отепени "эффективности" измеряемой величины, что определяет физический омыол функции ^(Кп,) •

На ооновании С**) получено расчетное соотношение для определения относительного радиационного вклада в ходе эксперимента с использованием: плоского источника тепла:

&Траа

= с10

Еоли фиксация определенного значения среднего коэффициента поглощения ЭС, по каким-либо причинам неприемлема, то на основании (5) можно определить максимально возможное значение ¿"^/7-, задавая 5К интервалом. Максимум б'Т^ад/Г воегда существует, что следует из проведенного анализа функции ')=/(Кп) .

Малая величина измерительного импульса в методе кратковременных измерений определяет малые значения функции /(Нп.) . Это обеопечивает; в большинстве случаев,• получение в ходе эксперимента не искаженных радиационным вкладом величин. Этот вывод подтверждается рядом конкретных примеров.

Г. Измерение тепловой активности (и соответствующей ей теплопроводности: Л=-£г/£С ) органических жидкостей = 5*10"^с). При характерных величинах параметров кидкоотей <2 е [5*10"®; 1,5* •Ю-7] м2/с, А6 [ 1,0 } 1,5] , ^ ^ [0,06 ; О.з] Вт/(м'К). не фикоируя ( ¿Ке ( О, оо )) находим; что при температурах Т0 390 К относительный радиационный вклад не превосходит погрешности измерения' ( ~ I?), следовательно, для всех таких жидкостей получаемые характеристики является чисто кондуктивными.

2. Методом кратковременных измерений получены температурные зависимости тепловой активности четыреххлористого углерода С, толуола и четырех фторуглеродов С^ > Л/ С^Рщ и

(рис.3). Для толуола и Сдля сравнения приведены литературные данные (Кравчун С.Н., 1983 г.). В таблице I даны оглаженные значения £ и величины радиационного вклада (оценка по максимуму, <К но фиксировано). Величина радиационного вклада составляет десятые доли процента, поэтому приведенные экспериментальные данные являются молекулярными.

3. Определение теплопроводности кварца КВ. На рис.4 (прямая I) представлены данные по теплопроводности кварцевого стекла КБ,

Я)ж мгсК*

ПгТд

ЛЩ.

(5)

2,1 2,0

2 ¿1-

1 •

2 *

3 »

4 -

к»

боо

800

гооо

Т,н

Рис.'». Теплопроводность кварца КВ.

4 Ш

Рис.5. Радиационный вклад при измерении линпйннм источником.

полученные методом кратковременных измерений. В эксперименте ( -6 ~НГ3 с) использовался плоский РЭ. По получаемой в опыте тепловой активности с использованием литературных данных о JC • рассчитывалась JL . Для сравнения приведены данные других ав- ' торов ((2)- Сергеев O.A., Шашков А.Г., 1983г., (3)- Битюков В.К., 1981 г.).Аппроксимирующая экспериментальные точки прямая I задается уравнением

Л - 1,35 + 6,46*IO"J>,T [ВтДм'ю] (6)

Расчет радиационного вклада дает максимальную величжу ^fyf •0,12? при TQ-ICD0 К. Следовательно, уравнение (6) представляет молекулярную теплопроводность кварца КВ во всем рассматриваемом температурном диапазоне.

Глава 4 диссертационной работы посвящена анализу РКТ при использовании зондов в виде нити. Показано, что в случае измерений в оптически тонком слое исследуемого вещества модельная задача имеет вид:

Задача (7) решена аналитически методом итераций. Бе реюение:

гдв \ - du

$ и* Щи) eui'

Щ*, v-{*+ Jz7)Z* JJ&~*F*>

f» ' -UJCJO

Графики функции PDLC— f /Фц для разных значений Z0 и <3? ( J>s Ч),9<|) приведены на рис. 5.

По соотношении (8) рассчитан радиационный вклад в экспери-мотальную теплопроводность кварца KB, измеренную с использованием линейного зонда ( ~t ~1с). Сглаженные данные представлены на рис.Ч (прямая 4, уравнение прямой: JL » Г,190 + 8,67*10'"''* Т [Вт/(и'К)] ). Результаты расчета приведены в таблице 2. Экстраполируя рост радиационного вклада, найдем, что до температуры ~1500 К метод кратковременных измерений дает молекулярную теплопроводность кварцевого стекла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы:

1. Проведен анализ процессов сложного, радиационно-кондук-тивного теплообмена при реализации метода кратковременных измерений . теплофизических характеристик для случаев плоокой И цилиндрической симметрии температурного поля; впервые получены аналитические выражения распределения температурного поля. На основании этих выражений определена в аналитическом виде зависимость радиационного вклада (в измеряемую тепловую активнооть и теплопроводность соответственно) от времени измерения, среднего коэффициента поглощения и других параметров, характеризующих условия эксперимента и исследуемую среду.

2. Методом кратковременных измерений получена экспериментальная температурная зависимость тепловой активности ряда органических жидкостей (фторуглеродов и других). Оценки радиационного вклада, проведенные с использованием полученных аналитических зависимостей, позволили сделать вывод о том, что полученные экспериментальные результаты в пределах погрешности измерений (IX) являются молекулярными во всем диапазоне температур (от температуры плавления до температуры кипения).

3. Показано, что при температурах до '100 К в результате исследования всех органических и близких к ним по свойствам жидкостей получаемые с использованием плоских зондов теплофизичоскио характеристики являются чисто молекулярными.

4. Проведена оценка радиационного вклада в результаты изме-

рения теплопроводности кварца КВ, полученные методом кратковременных измерений (температура до 1000 К). Показано; что эти данные практически не содержат радиационной составляющей; определен ■ температурный диапазон (до ~ 1500 К) , в котором данные по тепло« проводности кварца не искажены радиационным переносом тепла при измерениях длительность!) до 1о.

5'. Получен ряд новых теоретических результатов для кондук-тивного переноса тепла при кратковременных измерениях теплофизи-ческих характеристик. Определено о использованием нового подхода влияние ограниченности длины источника тепла, изменения фазового оостояния наследуемой среды. Разработаны теоретические предпосылки измерения теплопроводности твердых материалов (линейный источник на границе раздела двух оред).

Таблица I.

Тепловая активность органичоокнх жидкостей (с оценками радиационного вклада)

I. (толуол) 2.

¿тут,?

20 436 0,17

30 юз 0,2

ад 431 0,22

50 429 0,25

60 126 0,28

70 423 0,31

во <»20 0,35

90 «6 0,39

100 Ш 0,43

3.

£. * ¿Тр/Т,*

-50 339,5 о.ю

-ад 339 0,11

-20 338.5 0,15

0 338 0,19

20 337,5 0,24

ад 336,5 0,31

60 336 0,38

00 335,5 0,47

100 334,5 0,57

120 334 0,68

£,* ¿Тр/Т,?

-20 378 0,12

0 373 0,15

10 370 0,17

20 367 0,19

40 360 0,23

60 355 0,28

70 352 0,30

4.

£,*- /ГрУтд

-40 363 0,084

-20 358 0,11

0 353,5 0,14

20 349 0,18

40 344,5 0,22

60 340 0,27

80 335 0,33

100 330,5 0,40

120 326 0,48

5. C6 Ff<,

£»*

-90 383 0,045

-80 377 0,051

-60 367 0,076

-ад 357 0,10

-20 347 0,14

0 337 0,19

20 326,5 0,24

ад 316,5 0,31

60 306,5 0,40

Таблица I. (продолжение)

6. CffN^

ZÍ,°C Лр/ТЛ

-10 338 0,14

0 337,5 0,15

20 335 0,19

40 332,5 0,24

60 330 0,30

80 327,5 0,37

100 325 0,44

120 322,5 0,53

140 320 0,63

160 317,5 0,75

размерность ¿ - Вт*с

Таблица 2.

Теплопроводность кварца КВ.

Т,К м'К -Z.M-1 Сортов O.A., Мень A.A. тс •кг3 рад^вклад.

300 1.45 20 18,6 6,6* ИГ3

400 1,54 25 21,9 0,017

500 1,62 50 38,2 0,056

600 I »VI 80 57,8 0,14

700 1,80 100 70,9 0,26

800 1,68 125 87,3 0,45

900 1.97 160 НО 0,78

1000 2,06 160 110 1,02

РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Спирин Г.Г., Катчан В.Я., Стрекалова Е.А. Прибор для не-разрушавщего контроля теплопроводности материалов диэлектрических изделий в широкой области температур Ц Теплофизические измерения в решении задач научно-тохнического прогресса: Тез. докл. Всесоюз. конф.- Севастополь, 1987.- С.87.

2. Стрекалова Е.А. Нестационарное температурное поле линейного источника, расположенного в плоскости раздела двух сред Ц Экспериментальные и теоретические вопросы прикладных физических исследований,- М. :МАИ,I9ffi.- С.50-52.

3. Методика кратковременных измерений теплопроводности анизотропных сред / Спирин Г.Г., Стрекалова Е.А., Иванов Г.А. и др. И ТВТ.- 1986.- Т.2Мб.- C.II6I-II65.

4. Стрекалова Е.А. Влияние ограниченности длины зонда на результаты кратковременных измерений теплопроводности П Исследования по прикладной математике и физике.- М. ,1990.-Деп. в ВИНИТИ 16.05.90 If 2665-В90.- C.D6-I40.

5. Спирин Г.Г., Стрекалова Е.А. Кратковременный нагрев вещества при реализации метастабильного состояния твердой фазы // Теплофизика метастабильных жидкостей: Тез докл. Всесовз. совещания.- Свердловск,1985.- С.34.

6. Спирин Г.Г., Накашвдзе Е.А., Кудрявцева JI.H. Кратковременные измерения тепловой активности в области плавления вещества Ц ИФ1.- 1985.- Т.49,* I.- С.77-82.

7. Спирин Г.Г., Стрекалова Е.А. Влияние теплового излучения на результаты кратковременных измерений тепловой активности органических жидкостей Ц ИФЖ.- 1989.- Т.57,*2.- С.327-328.

8. M2nia£uu$aiwri pj гттеаЗиггтел!? о/ ¿Aetmo-phu?iea£ p7ppezfi£S о/ dieteciuc substances/ S/>izin. $ MaicAan. V.Ya t Sireka&va BA cutd outtets II

/Oift gutt/vStum. о/г. Thetmoftysicaf Pzcpei&ef _ U$t - fffSS. - Ads£zac£ 385.

9. Спирин Г.Г., Стрекалова Е.А. Критерий оценки влияния излучения при нестационарных измерениях теплофизических характеристик П Теплофизические свойства рабочих тел и теплоносителей современной энергетики.- М,:МАИ,1591.- С.67-71.

10. Стрекалова Е.А. Радиационно-кондуктгазный теплообмен в

неограниченной ореде о линейным источником тепла // Исследования в области тза, плазмы и твердого тела,- М.т1989.- Деп. в ВИШИ 01.08.89 * 5100-В89.- С.56-60.

юо —МО

Тшюгрлфин МЗИ, К|»а. иоказармгннан, 13. •