Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы комплексных исследований теплофизических характеристик материалов 12
1.1. Введение 12
1.2. Методы начальной стадии 15
1.3. Методы температурных волн 22
1.4. Методы квазистационарного и монотонного режимов 23
1.5. Методы комплексного определения ТФХ влагосодержащих материалов 31
1.6. Выводы по главе 35
Глава 2. Теория регулярных методов комплексного измерения теплофизических характеристик неметаллических материалов 36
2.1. Физическая и тепловая модели метода 36
2.2. Теоретическое обоснование метода 38
2.3. Расчётные соотношения 43
2.4. Выводы по главе 47
Глава 3. Теоретические основы метода комплексного измерения нелинейных ТФХ в условиях монотонного нагрева образца 48
3.1. Физическая и тепловая модели метода 48
3.2. Математическая модель метода 51
3.3. Расчётные соотношения 54
3.4. Расчётные соотношения для измерения ТФХ влагосодержащих материалов 63
3.6. Выводы по главе 67
Глава 4. Симметричный регулярный калориметр с нагревателем 68
4.1. Требования к тепловой ячейке и измерительному оборудованию.. 68
4.2. Описание лабораторной установки 71
4.3. Градуировка регулярного симметричного калориметра 77
4.4. Методика проведения эксперимента и обработки данных 82
4.5. Результаты измерений и анализ погрешностей 88
4.6. Выводы по главе 92
Глава 5 Калориметрическая ячейка для комплексного определения ТФХ в условиях монотонного разогрева 93
5.1. Требования к тепловой ячейке и контрольно-измерительному оборудованию 93
5.2. Лабораторная установка 95
5.3. Градуировка калориметрической ячейки 102
5.4. Методика проведения эксперимента и обработки данных 109
5.4.1. Методика проведения эксперимента и обработка экспериментальных данных с образцами из твёрдых материалов 109
5.4.2. Методика проведения эксперимента и обработки данных с пищевыми продуктами и влагосодержащими материалами 111
5.5. Результаты измерений и анализ погрешностей 119
5.5.1. Результаты измерений ТФХ твёрдых образцов 119
5.5.2. Результаты измерений ТФХ пищевых продуктов и влагосодер-жащих материалов 123
5.5.3. Анализ погрешности измерений 133
5.6 Выводы по главе 140
Основные положения и результаты 141
Список использованной литературы 142
Приложения 153
- Методы комплексного определения ТФХ влагосодержащих материалов
- Расчётные соотношения для измерения ТФХ влагосодержащих материалов
- Методика проведения эксперимента и обработки данных
- Методика проведения эксперимента и обработки данных с пищевыми продуктами и влагосодержащими материалами
Введение к работе
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 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.
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.
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:
разработать и теоретически обосновать регулярный метод, позволяющий комплексно измерять ТФХ при фиксированных значениях температур;
разработать и теоретически обосновать метод монотонного разогрева образца для комплексного определения температурных зависимостей ТФХ в диапазоне температур (-30...50) С;
создать две теплоизмерительные ячейки, обеспечивающие определение ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов, в том числе и пищевых продуктов в условиях вышеуказанных режимов;
снабдить теплоизмерительные ячейки современными системами автоматизации измерительного процесса, позволяющими автономно определять комплекс ТФХ исследуемых материалов;
исследовать эксплуатационные и метрологические возможности лабораторных установок на примере ряда композиционных материалов и пищевых продуктов.
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).
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 температуры;
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 теп-лофизических характеристик материалов на базе математических моделей рассматриваемых методов; анализ температурных полей в основных элементах теплоизмерительных 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) XXVIIII-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, 106 наименований библиографического указателя, 2 стр. приложений.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.
В первой главе диссертационной работы проведён сравнительный анализ методов, при разработке которых предполагалась возможность комплексного измерения ТФХ различных материалов. Сравнительный анализ методов показал необходимость разработки новых средств измерения ТФХ различных материалов на базе методов регулярного режима и монотонного разогрева образца.
Во второй главе рассмотрена физическая сущность и дано теоретическое обоснование метода исследования ТФХ полимерных материалов при комнатной температуре в условиях регулярного режима.
В третьей главе рассмотрена физическая сущность и дано теоретическое обоснование метода исследования температурных зависимостей ТФХ полимерных материалов, а также грунтов и пищевых продуктов в области температур (- 30...50) С. Для разработки данного метода использовались закономерности теории монотонного разогрева образца.
В четвёртой главе дано описание конструкции экспериментального регулярного калориметра, снабжённого электронным измерительно-вычислительным устройством. Приведены методики градуировки установки, проведения эксперимента и обработки полученных данных. Результаты измерения комплекса ТФХ полимерных материалов на образцах различной высоты при различных мощностях нагревателя. Проведён анализ метрологических погрешностей измерения и сравнение полученных в ходе эксперимента характеристик с табличными данными.
В пятой главе дано описание конструкции экспериментальной установки для комплексного измерения температурных зависимостей ТФХ в условиях монотонного разогрева образца, снабжённого электронным измерительно-вычислительным устройством. Приведены методики градуировки установки,
проведения эксперимента и обработки полученных данных. Результаты измерения комплекса ТФХ полимерных материалов, грунтов с различной степенью влажности и пищевых продуктов. Проведён анализ метрологических погрешностей измерения и сравнение полученных в ходе эксперимента характеристик с табличными данными.
В приложении представлены температурные зависимости ТФХ образцового материала (полиметилметакрилат) и акт внедрения.
Методы комплексного определения ТФХ влагосодержащих материалов
Теплофизические свойства веществ определяются, как известно, тремя самостоятельными характеристиками: теплоемкостью (с), теплопроводностью (к) и температуропроводностью (а). Они входят в качестве коэффициентов в исходные феноменологические аналитические дифференциальные уравнения теплопроводности, отражая индивидуальные особенности поведения вещества в различных тепловых процессах. Так, теплоемкость характеризует индивидуальную способность веществ изменять свою температуру при поглощении теплоты. Теплопроводность характеризует способность тел переносить пространственно теплоту при наличии в них градиента температуры, а температуропроводность отражает способность тел к быстрому устранению любого возникающего в них нестационарного температурного возмущения.
Каждый из этих коэффициентов является сложной функцией микро- и макрофизической структуры реальных тел, поэтому основным источником достоверной информации о них является эксперимент, опирающийся на соответствующие аналитические уравнения современной теории теплопроводности. Методы экспериментального определения теплофизических характеристик (ТФХ) создавались и совершенствовались параллельно с развитием математических методов решения аналитических дифференциальных уравнений теплопроводности. Многие из них были предложены непосредственно создателями термодинамики и теории теплопроводности и давно стали классическими [51, 54].
Выбор методов измерения ТФХ во многом диктуется метрологическими соображениями. Исходя из них, теплоемкость стремятся определять, разогревая или охлаждая образец исследуемого вещества в практически изотермических условиях. Для определения коэффициента теплопроводности, наоборот, стремятся создавать в образце стационарное неравномерное температурное поле.
А коэффициент температуропроводности удается определять только в тех случаях, когда внутри образца возникает сугубо нестационарное и неравномерное температурное поле. По этой причине в подавляющем большинстве случаев ТФХ материалов изучаются пока раздельно, с помощью самостоятельных и существенно различающихся по режиму опыта методов [37]. Количество таких методов исчисляется в настоящее время десятками, а число конкретных экспериментальных установок - многими сотнями различных по конструкции калориметров.
В широкой области состояния ТФХ материалов остаются стабильными и слабо зависящими от внешних условий (прежде всего, от температуры, давления и влажности). Поэтому их раздельное определение вполне приемлемо. Однако во многих современных технологических процессах встречаются ситуации, когда ТФХ обрабатываемого продукта начинают ощутимо зависеть от особенностей теплового процесса. Примером могут служить многочисленные технологические процессы в пищевой и химической промышленностях. В этих случаях возникает прямая необходимость изучать ТФХ материалов комплексно, на одном образце и даже часто в таких условиях, которые оставались бы максимально приближенными к условиям соответствующего технологического процесса.
Создание методов комплексного изучения всех ТФХ в одном опыте и на одном образце частично решает эту сложную теплофизическую задачу. По физическим соображениям для комплексных измерений пригодны лишь нестационарные тепловые режимы. В комплексных методах приходится создавать такие условия, чтобы в исследуемом образце возникало хорошо контролируемое нестационарное неравномерное температурное поле. По этой причине разработка методов комплексного измерения ТФХ заметно задержалась. Первые публикации, посвященные созданию комплексных методов, появились лишь в середине прошлого века [67, 69, 72, 73]. Однако предлагавшиеся в те годы методы базировались в основном на закономерностях начальной и регулярной стадии нестационарных процессов. Их практическое внедрение затруднялось тогда относительно слабыми возможностями имевшейся электроизмерительной техники и практически полным отсутствием электронно-вычислительных средств. Мешало и то, что основу этих методов составляли закономерности линейной теории теплопроводности, и они в действительности не предназначались для измерений в зонах структурных и фазовых изменений внутри исследуемого материала.
Первый промышленный прибор (рис. 1.1.1), обеспечивающий комплексное исследование теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности, фактически содержал в одном корпусе три самостоятельные теплоизмеритель-ные ячейки, объединенные общими вспомогательными блоками и одинаковым диапазоном рабочих температур [72].
Практический интерес к комплексным измерениям ТФХ в последнее время проявился, однако, не только по упомянутой выше причине. Благодаря впечатляющим успехам современной электронной измерительной и вычислительной техники появилась возможность создания теплофизических приборов, в которых процесс измерения ТФХ полностью автоматизируется. Процесс измерений в таком приборе может управляться специальным контроллером, который к тому же может работать в паре с персональным компьютером. При этом отпадает необходимость ограничиваться методами измерений, ориентированными на структурно простые расчетные формулы. Удается снимать ограничения на габариты образцов и режим опыта. А главное, появляется возможность объединять раздельные методы в один комплексный метод измерений, когда в одном опыте и на одном образце сразу определяются любые две, а иногда и все три теплофизические характеристики исследуемого материала в заданном, достаточно широком интервале температур. Появление автоматизированных приборов принципиальным образом меняет всю процедуру и технику измерений.
Комплексное определение ТФХ в одном опыте может быть обеспечено лишь с помощью нестационарных методов измерений. К ним относятся методы начальной стадии теплового процесса, методы температурных волн, методы квазистационарного режима и монотонного нагрева образца. В последующих разделах этой главы содержится краткий обзор тех, уже известных, тепловых режимов и методов, которые при своей разработке предусматривали возможность комплексного исследования ТФХ различных групп материалов. Такой обзор позволит нам сформулировать основные требования к современному методу комплексных измерений ТФХ материалов как функций температуры.
Расчётные соотношения для измерения ТФХ влагосодержащих материалов
Дальнейшее развитие метод начальной стадии получил в работах Кулакова М. В.,[21] Волькенштейн В. С.[22] и др. В настоящее время, широкое распространение получил импульсный метод (частный случай методов начальной стадии) определения ТФХ материалов. Импульсным называют такое воздействие, при котором выделившаяся за время действия источника конечная энергия не успевает заметно рассеяться за пределы зоны его локализации [27]. Иными словами, локализованный внутри образца тепловой источник можно считать импульсным или мгновенным, если время его действия выбрано пренебрежимо малым в сравнении с длительностью рабочей стадии теплового процесса, на которой регистрируется вызванное этим источником тепловое возмущение. В настоящее время импульсные методы успешно используются для исследования характеристик жидкостей, твёрдых и сыпучих материалов. Данный метод нашёл широкое применение в работах Спирина Г. Г., а также в работах группы исследователей тамбовской теплофизической школы (Власов В. В., Мищенко С. В., Понамарёв С. В., Чернышев В. Н. и др.) [55, 90, 91].
В импульсных методах важную роль играет начальное тепловое состояние образца. Пространственно-временное развитие импульсного теплового возмущения внутри образца прослеживается в опыте наиболее явно, если перед началом опыта образец имеет равномерное температурное поле. Во всех других случаях приходится существенно усложнять схему опыта, в частности, переходить на дифференциальный принцип регистрации температурных полей в двух идентичных по тепловому фону калориметрических ячейках.
Имеются два существенно различных приема использования импульсных источников при теплофизических измерениях. В первом из них тепловой источник распределяется равномерно во всем объеме образца и, если образец адиабатизирован от окружающей среды, не создает в нем направленных тепловых потоков. Во втором случае импульсный тепловой источник действует на сравнительно небольшом участке образца (часто на локальном участке его поверхности), оставляя после себя направленный тепловой поток, а следовательно, и нестационарное неравномерное температурное возмущение в рабочей зоне образца.
Указанные выше приёмы по своему назначению совершенно различны. В первом случае мы имеем возможность определять только теплоёмкость, причём область применения его ограничена веществами, которые допускают равномерное распределение по объёму внутренних источников тепла (металлы, газы, и др.).
Импульсные методы, в которых используется второй прием, обладают более широкими техническими возможностями, позволяя определять независимо две, а иногда и все три теплофизические характеристики. Среди указанных методов можно выделить, прежде всего, группу методов, в которых используются образцы и изделия неограниченных размеров, с плоскими, линейными или точечными импульсными источниками.
Анализ температурных полей (в целях упрощения структуры решения) обычно проводят в предположении, что теплоемкость и область локализации теплового источника пренебрежимо малы в сравнении с теплоемкостью и размерами всего образца. Предполагают также, что открытые участки образца теплоизолированы от среды, а между источником и образцом имеет место идеальный тепловой контакт. Роль побочных возмущающих факторов существенно зависит от конструкции теплового источника и его размещения, от способа тепловой защиты открытых участков образца и условий температурных измерений. В 70 - 80 г. г. двадцатого века изучением проблем связанных с определением ТФХ методом начальной стадии или методом иррегулярного режима занимался Спирин Г. Г. В его работах предложены методы определения ТФХ твёрдых, жидких и газообразных тел. Принципиальная схема измерений в иррегулярном режиме выглядит следующим образом: малый по размерам проводник (или резистивный элемент РЭ) приводится в контакт с исследуемой средой и кратковременно нагревается импульсом тока. Одновременно, по изменению сопротивления РЭ измеряется его температура. В зависимости от условий из 18 мерений, в частности от геометрии нагревателя, исследуемыми характеристиками могут быть теплопроводность X, тепловая активность є и температуропроводность а. В работах Спирина Г. Г. были предложены два типа РЭ: плоский, создающий в исследуемом материале нестационарное температурное поле плоской симметрии, и линейный (в виде нити), создающий нестационарное температурное поле с цилиндрической симметрией. В первом случае появляется возможность измерять тепловую активность исследуемого материала, во втором - теплопроводность. Однако, при введение в расчётную модель размеров РЭ данному методу можно придать комплексность, то есть кроме измерения тепловой активности и теплопроводности появляется возможность определять температуропроводность. Для определения ТФХ материалов были предложены различные способы изготовления РЭ. В качестве основы для нагревательного элемента выбиралась подложка с известными ТФХ и на её поверхность, часто методом напыления, наносились резистивные дорожки. При этом ширина дорожек составляла 0,1 ...2 мм, а длина 2...20 мм. В качестве греющих элементов также использовались свободные (без подложек) платиновые нити радиусом 1,2...4 мкм и платиновая фольга толщиной 3 мкм и шириной 0,3...0,5 мм. При измерении характеристик жидких материалов при помощи РЭ с подложкой ограничение объёма жидкости осуществляется с помощью плоскопараллельной пластинки, например из стекла, размещённой на некотором фиксированном расстоянии от подложки. Пространство между подложкой и пластинкой заполняется исследуемой жидкостью. При измерении характеристик при помощи свободной нити и фольги, РЭ размещается в объёме жидкости. На нагреватель подаётся кратковременный электрический импульс. По оценкам автора, погрешность измерения тепловой активности составляет 1%, теплопроводности методом свободной нити 1%, а методом с использованием подложки - 2%.
Методика проведения эксперимента и обработки данных
Достоинством методов измерения тепловых величин в монотонном режиме, в основе которых лежат теоретические и экспериментальные работы Платунова Е. С. и его учеников (Буравой С. Е., Самолётов В. А., Курепин В. В., Цветков О. Б, Лаптев Ю. А., Козин В. М. и др.) [15, 17, 33, 40, 74, 75, 82], является то, что они разрабатывались в расчёте на промышленное внедрение. Это наложило отпечаток на отработку способов измерения тепловых потоков, температур, скорости нагрева, на конструкцию и электроизмерительную аппаратуру. Эти методы позволяют измерять X, с, а как раздельно, так и комплексно. На базе данных методов создан целый ряд экспериментальных установок [13, 16, 42, 43, 50]. Измерения температур и тепловых потоков в характерных точках образца осуществляются с помощью термоэлектрических преобразователей (термопар), которые жёстко закреплены в теплоизмерительной ячейке. Там же установлены и электрические нагреватели. Тепловые потоки, входящие в образец, измеряются с помощью металлических тепломеров [52], в которых рабочим слоем является тонкий воздушный или изоляционный слой малой теплоёмкости по сравнению с испытуемым образцом. В таком тепломере контактная пластинка 5 (рис. 1.4.3) выполнена из металла с высокой теплопроводностью и существенно выравнивает температурное поле в деталях тепломера и на плоских гранях образца. На рис. 1.5.3 приведена схема комплексного измерения си
Образец 1 в виде короткого стержня монотонно разогревается тепловым по током q(x). Боковая поверхность образца окружена адиабатической оболочкой б, за счёт чего в образце формируется одномерное плоское температурное поле. Для температурных измерений используются две армированные термопары 3 и 4, которые устанавливаются в отверстия образца вблизи его торцов. В опыте измеряют перепад температуры на рабочем слое тепломера, для регистрации которого вмонтирован термостолбик 2, а также скорость разогрева образца и запаздывание температуры, измеряемой верхней термопарой относительно нижней. Метод использован в приборе ИТС-400, предназначенном для измерения с и а материалов с X = 5 - 80 Вт/(м К). на образцах в виде короткого стержня. Образец 1 монотонно разогревается тепловым потоком q(%) через нижнюю грань. В опыте измеряются перепады температуры на образце с помощью термопар 4 и 6, тепловые потоки на гранях образца и скорость разогрева одной из граней. Поток на нижней грани измеряется с помощью тепломера 2, а поток через верхнюю грань образца определяется по скорости нагрева медной пластинки 3, играющей роль энтальпийного тепломера. Данный метод измерения положен в основу работы прибора ИТС-Л-400, предназначенного для измерения X(t) и c(t) материалов с А, = 0.2-5 Вт/(м К).
Нет, по-видимому, необходимости приводить здесь все разновидности реализованных схем измерения. Важно лишь отметить, что из линейной теории теплопроводности [53] известно, что если температура среды и поверхности образца изменяются с постоянной скоростью, то по истечении некоторого времени температурное поле образца регуляризуется и в нём устанавливается квазстацио-нарный тепловой режим. Основными элементами теплоизмерительной ячейки являются контактирующие с торцевыми гранями образца 7 пластинки 2 и 13, в которых вмонтированы нагреватели 4 и термопары ТЗ и Т4. Термопары предназначены для измерения текущих температур пластинок, температурного перепада на образце и скорости разогрева каждой из пластинок. Каждая из пластинок окружена с тыльной стороны адиабатическими стаканами 3 и 9. Стаканы предназначены для создания адиабатических режимов работы каждой из пластинок со средой. Тем самым обеспечиваются условия, при которых всё тепло, выделяемое нагревателями пластинок, расходуется только на разогрев образца и самих пластинок. С этой целью в стаканах вмонтированы электрические нагреватели 1, а между каждым стаканом и соответствующей пластинкой установлены дифференциальные термобатареи ТІ и Т2. С их помощью системы автоматического регулирования температуры поддерживают в течение всего опыта нулевые перепады температур между пластинками и стаканами. Система защитных колец, состоящая из верхнего 5, нижнего 10, и расположенного внутри них среднего кольца 8, предназначена для поддержания фоновой температуры, а также для уменьшения роли бокового теплообмена. В каждом из колец вмонтированы нагреватели 6 и термопары Т5, Т6, Т7. С их помощью системы автоматического регулирования температуры поддерживают температуры внешних колец равными температурам верхней и нижней пластинок.
Все перечисленные элементы ячейки установлены в толстостенный металлический стакан, выполненный из металла с высокой теплопроводностью. В режиме охлаждения жидкий азот заливают непосредственно в стакан, который выполняет роль пассивного криостата, предотвращающий самопроизвольный разогрев теплоизмерительной ячейки внешними теплопритоками. С наружной стороны стакан защищен эффективной теплоизоляцией 12.
Методика проведения эксперимента и обработки данных с пищевыми продуктами и влагосодержащими материалами
Тепловые сопротивления, возникающие в местах контакта образцов с нагревателем и образцов с термостатированной средой, обусловлены микрошероховатостями поверхностей, а также температурными деформациями образцов. Детальный анализ влияния контактных сопротивлений будет приведён в главе 4.
Таким образом, получены расчётные соотношения для определения теплопроводности (2.3.1), температуропроводности (2.3.4) и удельной теплоёмкости (2,3.6). Данные выражения учитывают влияние тепловых потерь в процессе опыта.
Для определения температуропроводности выгодно, чтобы рассматриваемая ячейка работала в режиме, близком к режиму акалориметра. А это означает, что теплоемкость исследуемых пластин должна значительно превышать теплоемкость ядра. Причем, если удается выполнить наиболее выгодное условие 2С 5СЯ, что обеспечивается при/? 1,31, то в качестве второй независимой характеристики (первой считаем теплопроводность) целесообразно вычислять непосредственно температуропроводность исследуемого материала, пользуясь для этого формулой (2.3.4), Если же выполняется более мягкое условие (СЯ 2С 5СЯ), то можно вычислять непосредственно теплоемкость, пользуясь формулой (2.3.6),
Следует также отметить, что в калориметре с нагревателем, в отличие от плоского симметричного бикалориметра, теплопроводность определяется выражением (2.3.1) непосредственно по перегреву ядра в стационарной стадии опыта. Следовательно, появляется возможность не придерживаться жестких ограничений на допустимую теплоемкость теплоизоляционных пластин, а наоборот, подбирать условия, обеспечивающие наиболее точное определение двух других теплофизических характеристик (теплоемкость, температуропроводность) исследуемого материала.
Во-вторых, для определения теплопроводности в ячейке с нагревателем, как уже отмечалось, предлагается использовать параметры стационарного температурного поля. В расчетную формулу (2.2.8) непосредственно входят мощность W теплового источника и стационарный перегрев 0( ядра относительно внешней среды. Конечно, стационарный перегрев ядра можно определять непосредственно, дожидаясь установления в опыте стационарной стадии. Однако его можно определять и опосредованно, не выходя за рамки регулярной стадии. Это дает возможность устранить один из существенных недостатков стационарных методов - их чрезмерную длительность, и сохранить типичную для регулярных методов продолжительность опыта. Для этого достаточно воспользоваться тем, что современная электронно-вычислительная техника способна дискретно, с фиксированным мелким шагом регистрировать и обрабатывать экспериментальную температурную кривую (т,), выявлять в ней регулярную стадию опыта, а затем вычислять ожидаемую стационарную температуру t(h, оо) = 0, и непосредственно определять темп т регулярного разогрева ячейки.
Следовательно, вся необходимая экспериментальная информация в плоском калориметре с нагревателем может быть получена в рамках регулярной стадии опыта, поэтому такой калориметр можно считать полноправным представителем регулярных калориметров.
В-третъих, снятие ограничений на допустимую теплоемкость исследуемых пластин существенно расширяет область применения рассматриваемой ячейки, так как для измерений могут использоваться пластины большей толщины, следовательно, появляется возможность исследовать материалы с большей теплопроводностью, в частности, многие полупроводниковые материалы.
На основе анализа математической модели, рассмотренной на базе линейного уравнения теплопроводности, разработаны теоретические основы регулярного метода комплексного определения ТФХ (а, с, X) композиционных материалов. Полученные исходные уравнения позволяют сформулировать основные требования к тепловым ячейкам, реализующим тепловую модель разработанного метода.
