![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Импульсный метод плоского нагревателя
В импульсных методах определения теплофизических характеристик использованы закономерности выравнивания температурного поля в неограниченной среде после прекращения действия источника тепла. Рисунок – 3. Установка для измерения теплофизических коэффициентов импульсным методом Установка обычно состоит из исследуемого образца, нагревательного элемента и датчика температуры. Часть образца, находящаяся между нагревательным элементом и датчиком температуры, является исследуемым участком, при этом, необходимо обеспечивать хороший тепловой контакт нагревателя и датчика с исследуемыми образцами почвы. Характерной особенностью любого импульсного метода является наличие максимума температуры tm исследуемой точки среды после прекращения действия источника тепла. Время tm наступления максимума и его величина зависят от теплофизических параметров среды и определяются на основе решения уравнения Фурье с известными граничными условиями. В общем случае (при
где: tн – время действия нагревателя, с н – теплоемкость нагревателя, х – расстояние от нагревателя до датчика температуры. Однако, при использовании формулы (4) для расчета коэффициента температуропроводности, невозможно выполнить условие, при котором время действия источника тепла стремится к нулю. Данную зависимость можно применить только тогда, когда время действия нагревателя τ н много меньше интервала времени τ m от начала процесса до появления максимума температуры в исследуемой точке образца. В этом случае, импульс тепла от нагревателя принимают " мгновенным". Уменьшение τ н и увеличение расстояния от нагревателя до исследуемой точки также является необходимым условием для того, чтобы считать время действия источника тепла равным нулю. Уменьшить τ н можно при одновременном повышении мощности нагревателя. Однако это приведет к значительному увеличению температуры почвы в прилегающих к нагревателю слоях и заметному изменению ее термических свойств. Для преодоления этих трудностей предложены зависимости, учитывающие время действия нагревателя. На основе решения уравнения теплопроводности получены зависимости для расчета коэффициента температуропроводности капиллярно-пористых сред. Эти зависимости дают хорошую сходимость результатов только для больших расстояний от нагревателя. При расстояниях меньше 9, 5 мм разница между полученными значениями температуропроводности достигает 50%. На основе решения системы дифференциальных уравнений:
получена формула для определения температуропроводности с учетом времени действия нагревателя:
где: Сн, С – удельные теплоемкости нагревателя и исследуемой среды, r н, r – плотности материала нагревателя и среды, lн, l – теплопроводности нагревателя и среды, t н, t – температуры нагревателя и среды, W – удельная мощность нагревателя.
Но использование зависимости (7) возможно только для условий, когда теплоемкость нагревателя равна нулю и все тепло передается в исследуемый образец. Реальный же нагреватель всегда имеет некоторую теплоемкость, поэтому часть энергии расходуется на повышение температуры самого источника тепла. Определены условия, когда с определенной погрешностью можно пренебречь теплоемкостью нагревателя. Для выполнения этих условий нужно уменьшать до минимума теплоемкость источника тепла Сн. Однако, снижение теплоемкости приводит к тому, что количество энергии, выделяемой нагревателем, будет мало, а температура исследуемой точки образца изменится незначительно. В результате, возрастает ошибка в измерении τ m, а, следовательно, и объемной теплоемкости Сr. Для увеличения температуры опять же необходимо повысить мощность нагревателя, что приведет к изменению теплофизических характеристик слоев испытуемого образца, прилегающих к нагревателю. Особенно заметен этот эффект во влажных образцах. Уменьшить проявление указанных воздействий можно путем увеличения собственной теплоемкости источника тепла Сн. Но в этом случае необходимо иметь расчетные формулы, учитывающие ее. Зависимость для определения объемной теплоемкости капиллярно-пористых тел с учетом собственной теплоемкости нагревателя была получена А.И. Луниным (1972):
Для нахождения коэффициента температуропроводности была предложена следующая формула:
где: Q – количество теплоты, выделенное нагревателем, Si – интегральный функционал, S – площадь нагревателя, х – расстояние между датчиком температуры и нагревателем, ∆ tm – разность температур между максимальной и начальной, Сн – теплоемкость нагревателя, τ m – время наступления максимума, τ н – время действия нагревателя. Эти закономерности и лежат в основе импульсных методов определения теплофизических коэффициентов различных материалов. Для нахождения температуропроводности и объемной теплоемкости образца измеряется время действия нагревателя τ н, максимальное изменение температуры ∆ tm=tm-t0, время τ m появления этого максимума на расстоянии х от источника тепла и количество энергии Q, выделенное нагревателем.
|