CC BY
94
УДК 536
Динамический калориметр для комплексных теплофизических измерений
Д.т.н. Платунов Е.С., д.т.н Баранов И.В., аспирант Михеева Е.Ю.
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНИПТ)
В настоящее время появляется большое количество современных конструкционных материалов, тепловые характеристики которых необходимо измерять. В данной работе представлен новый автоматизированный прибор ДК-сХ-400, предназначенный для определения удельной теплоемкости и теплопроводности твердых неметаллических материалов в режиме монотонного нагрева.
Ключевые слова: теплопроводность, теплоемкость, тепловая ячейка, температурный датчик, комплексные измерения, динамический метод.
Практический интерес к комплексным динамическим методам возник после появления современной высокочувствительной аналого-цифровой измерительной техники и, в частности, электронных автоматизированных контроллеров. Возникли предпосылки для создания новых методов измерений, рассчитанных на автоматизированный сбор и компьютерную обработку экспериментальной информации. Новые эксплуатационные возможности контроллеров оказались особенно полезными при разработке комплексных динамических методов, которые рассчитаны на изучение тепловых свойств веществ и материалов в широкой области температур, и предполагают компьютерную обработку большого объема первичных результатов каждого опыта.
В настоящей работе рассматривается динамический калориметр ДК-сХ-400, предназначенный для измерения удельной теплоемкости и теплопроводности однородных твердых неметаллических материалов в режиме нагрева от комнатной температуры до 400°С (рис. 1). Данный прибор разработан в межфакультетской учебной лаборатории «Инновационные технологии» СПбГУНИПТ. Прибор состоит из тепловой ячейки и контроллера.
Принципиальная схема тепловой ячейки показана на рис. 2. Основными элементами тепловой ячейки являются: массивный металлический блок 1; ниж-
М Ч» Л V V Л V
нии градиентным тепломер 2; верхним градиентным тепломер 3; металлическим колпак 4 с электрическим нагревателем 5; образец 6; теплозащитная оболочка 7. Блок 1 служит основанием ячеИки и в опытах всегда сохраняет комнатную температуру. Каждый тепломер состоит из металлического основания и лицевом металлическом пластинки, которые жестко соединены друг с другом через тонкую теплоизоляционную просломку.
'о.в(т)
'о.н(т)
3
'в (т) •0 -0
'н(т)
Рис. 1. Внешним вид прибора.
Рис.2. Схема тепловом ячемки.
Нижним тепломер 2 жестко связан с блоком 1 через стомки, а верхним тепломер 3 имеет возможность перемещаться вдоль вертикальном оси ячемки, что обеспечивает удобную установку образца между тепломерами. Оболочка 7 обеспечивает стабильное прижимное давление и надежным тепловом контакт между тепломерами и образцом.
Для разогрева образцов используется электрическим нагреватель 5, размещенным на наружном поверхности колпака 4. Он обеспечивает плавным разогрев колпака, которым через контакт с верхним тепломером разогревает образец и тепломеры. Следовательно, ячемка обеспечивает изменение температуры образца односторонним тепловым потоком, проникающим через него сверху вниз. Для пассивном тепловом защиты боковых поверхностем образца и тепломеров используется воздушная кольцевая оболочка, образующаяся между ними и колпаком.
Для температурных измереним используются четыре термопары: 'ов (т), 'о н (т), 'н (т), 'в (т). Зоны размещения их рабочих спаев в ячемке показаны
1
точками как на рис. 2, так и на рис. 3, иллюстрирующем тепловую модель метода. Рабочие спаи термопар постоянно вмонтированы в основания и лицевые пластинки тепломеров, а "холодные" спаи размещаются в блоке 1 ячейки (на рисунке не показаны).
Рис. 3. Тепловая модель метода.
Измеряемые градиентными тепломерами тепловые потоки вычисляются с помощью соотношений
бт.н (т)=к т.н к )Ат.н (т), бт.в (т)=К тв к) Ат.в (т), (1)
где - К тн ), К тв ^) - тепловые проводимости нижнего и верхнего тепломеров, Вт/К; Ф тн (т), Фтв (т) - показания тепломеров, равные температурным перепадам в их теплоизоляционных прослойках (рис. 3), т. е. между термопарами, которые вмонтированы в их основания и лицевые пластинки
Фт.в (т)= *о.в (т)- (т), Фт.н (т) = *о.н (т) - (т). (2)
Учтем влияние контактных тепловых сопротивлений между образцом и лицевыми пластиками тепломеров. Скачок температуры на контактах определяется выражениями
АФв.к (т) = бт.в. (т)Рк/5, ЛФн.к (т)=бт.н. (т)Рк /5, (3)
где Рк - удельное тепловое сопротивление одного контакта, 5 - площадь поперечного сечения образца, м2.
Следовательно, температурный перепад на образце оказывается связанным с измеряемым в опыте температурным перепадом Фв н (т) = ¿в (т) - ?н (т) между пластинками тепломеров соотношением
Фо (т) = Фв,н (т)-[2в.н (т)-бт.н (т)]Рк/5 . (4)
Между потоками, которые регистрируются тепломерами, и потоками через грани образца имеются различия
бт.н (т)=к т.н ) ^т.н (т) - Ст (') ¿(т), 0Т.В (т)=ктв (') Ат.в (т)- Ст (') ¿(т), (5) где Ст (') - теплоемкость лицевой пластинки тепломера (с учетом теплоемкости половинки теплоизоляционной прослойки), ¿(т) - скорость изменения температуры на тепломере, К/с.
Следует учесть влияние прямого теплообмена колпака с образцом через разделяющее их воздушное кольцо. В оптимальных условиях боковой тепловой поток Qa должен оставаться малым и не выходить за рамки поправки к потокам через тепломеры. Для определения теплоемкости можно ограничиваться его упрощенной аналитической оценкой в общем тепловом балансе и вычислять по формуле
Qa(т)@a И0 П$(т), (6)
где а - эффективный коэффициент теплоотдачи в воздушном зазоре между колпаком и образцом, Вт/(м •К); П - периметр образца, м; Ио - суммарная толщина образца и боковых поверхностей тепломеров, м; ф(т) - средний перепад температуры между колпаком и образцом, К. При этом можно упрощенно принимать, что температура колпака близка к температуре основания верхнего тепломера, так как они имеют хороший тепловой контакт между собой.
Учитывать влияние бокового теплообмена на теплопроводность несколько сложнее. Однако оно проявляется гораздо слабее, чем у теплоемкости, поэтому им чаще всего удается пренебрегать или же учитывать его экспериментально, при калибровке тепломеров ячейки.
После учета всех перечисленных факторов расчетные формулы для теплопроводности и удельной теплоемкости образца приобретают вид
И
1 (') =
ю
^ ^в.н__2 р' (7)
Кт.в (')Ат.в - Кт.н ('К
С (') =
М
т. в т. в т. н т. н К т.н (' )^т.н + К т.в (' )^.в + Qc
-2 С т (')
(8)
¿оу (т)
где ¿0У (т) - средняя объемная скорость разогрева образца, К/с; 2 С т (') - суммарная теплоемкость лицевых пластинок тепломеров, Дж/К; 2 Рк - суммарное удельное контактное тепловое сопротивление. В формулах потоки считаются положительными, если проникают в образец.
Параметры Ктн (г), Ктв (г) и 2 Рк являются постоянными прибора и определяются в градуировочных опытах на материалах с хорошо изученными те-плофизическими свойствами (медь, кварцевое стекло). Диаметр образцов исследуемого материала составляет 20 мм, а их высота - от 1 до 20 мм. Образцы требуют контроля на плоскостность и шлифовки плоских граней с применением притирочной пасты. Чтобы определить контактное сопротивление, ставят опыт с образцом из меди. Для определения коэффициента тепловых потерь проводят серию опытов с плавленым кварцем различной высоты. Для данной ячейки были получены следующие значения этих параметров:
Кт.н )=0,0574 +1,25 • 10-4 гн, Ктв (г)=0,0839 +1,06 • 10-4 гв,
\-4 (9)
2Рк = 13,2 40"
где гв и гн - температуры верхней и нижней лицевых пластинок, °С.
На рис. 4 отражен общий характер изменения температур основных элементов тепловой ячейки при работе в режиме динамического разогрева.
Кварцевое стекло Нагрев Т_Т=60,0В
1
1
1 ■ дискгав • ядро НТВ а ядро вдж
А
/ У (
* 1 ■
А £ -19, -о 1" 31мм
V ь
( г2 У 111=й г
л г
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 т"е
Рис.4. Изменение температур основных элементов тепловой ячейки в ходе
опыта от времени.
Экспериментальные данные для различных материалов, полученные с помощью данного прибора, и их значения из справочных данных [1] представлены на рис. 5 и 6.
Рис.5. Зависимость теплопроводности Рис. 6. Зависимость удельной теплоем-от температуры. кости от температуры.
Метрологический анализ показал, что относительная погрешность измерения теплопроводности составляет (3.. .5) %, удельной теплоемкости - (5.. .8) %. Теплопроводность исследуемых образцов может составлять (0,15.7,0) Вт/(м-К), а удельная теплоемкость - (500.4200) Дж/(кгК).
Список литературы
1. Теплофизические измерения и приборы/ Е.С. Платунов, С.Е. Буравой, В.В. Курепин, Г.С. Петров; Под общ. Ред. Е.С Платунова. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986, 256 с.
2. Баранов И.В. Теория, методы и средства комплексного исследования тепло-физических свойств в режиме разогрева-охлаждения. Дис. докт. тенх. наук. СПбГУНИПТ, СПб, 2007.
3. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения М. - Л.: Машгиз, 1957. 244 с.
Dynamic calorimeter for complex thermalphysic measuring
Platunov E.C., Baranov I.V., Miheeva E.Y. [email protected]
Saint-Petersburg state university of refrigeration and food engineering
Today a lot of new modern construction materials appear which thermal characteristics should be measured. New automatic instrument ffK-cX-400 to measure thermal capacity and thermal conductivity of homogeneous solid nonmetallic materials at monotonous heating mode have been considered at this research.
Key words: thermal conductivity, thermal capacity, thermal cell, temperature sensor, complex measuring, dynamic method.
