Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Приборы и методы контроля и определения состава веществ

Диссертационная работа:

Ковалева Ирина Владиславовна. Метод измерения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов на основе интегральной формы уравнения Фурье : Дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13 Москва, 2005 227 с. РГБ ОД, 61:05-5/4206

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

1. Современное состояние измерений теплопроводности твердых материалов и постановка задачи исследований 10

1.1. Классификация методов измерения теплофизических свойств твердых материалов 12

1.1.1. Стационарные методы 13

1.1.2. Методы определения ТФС, основанные на принципах регулярного теплового режима 17

1.1.3.Квазистационарные методы определения теплофизических характеристик материалов 20

1.1.4. Методы монотонного нагрева 24

1.1.5. Нестационарные методы определения теплофизических свойств 26

1.1.5.1. Интерполяционные методы определения теплофизических характеристик 29

1.1.5.2. Метод плоского источника постоянной мощности 31

1.1.5.3. Импульсные методы определения теплофизических свойств 33

1.2. Промышленные теплофизические приборы 3 6

1.3. Постановка задачи исследований 40

2. Разработка математической модели неразрушающего метода измерения теплопроводности твердых материалов на базе интегрального уравнения Фурье 42

2.1. Математическая постановка задачи измерений 42

2.2. Получение расчетной формулы метода 45

2.3.Проверка адекватности расчетной формулы на модели полуограниченного тела при действии распределенного источника тепла 51

2.4. Получение приближенной формулы для определения интегрального параметра 54

2.5. Выбор режима нагрева образца 55

Выводы 61

3. Разработка и исследование метода измерения теплопроводности 62

3.1. Разработка теплоизмерительной ячейки для измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов 62

3.1.1. Разработка принципиальной схемы теплоизмерительной ячейки 63

3.1.2. Датчик теплового потока 66

3.1.3. Тепл©измерительный блок ячейки 6 8

3.1.4. Конструкция теплоизмерительной ячейки 70

3.2. Определение значений теплопроводности образцов для экспериментальных исследований 74

3.3. Исследование метода измерения теплопроводности низкотеплопроводных материалов 81

3.3.1. Исследование влияния контактных термических сопротивлений на точность измерения теплопроводности 81

3.3.1.1. Экспериментальные исследования влияния КТС 83

3.3.2. Исследование влияния теплооттока по термоэлектродам термопар на точность измерения температуры поверхности образца 86

3.3.3. Выбор оптимальной величины первого нагрева при двукратном режиме нагрева образца 90

3.4. Разработка экспериментальной установки для исследования метода измерения теплопроводности 98

Выводы 102

4. Разработка устройства для обработки первичной информации при неразрушающем контроле теплопроводности 103

4.1. Программируемое вычислительное устройство для определения теплопроводности на базе микропроцессорного прибора «Протар-100» 105

4.2. Разработка усилителя на базе операционного усилителя AD8551 108

Выводы 111

5. Исследование точностных характеристик метода и метрологических характеристик разработанных устройств 112

5.1. Определение методической погрешности измерения теплопроводности на тепловой модели 112

5.1.1. Исследование возможности снижения методической погрешности при высоких температурных порогах остывания образца 118

5.2. Анализ погрешностей устройства для измерения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов 124

5.2.1. Исследование влияния динамической погрешности термопары на точность измерения теплопроводности 125

5.2.2. Оценка погрешности определения количества теплоты, поступившего в объект исследования 136

5.2.2.1. Оценка погрешности определения количества теплоты, выделяемого нагревателем 137

5.2.2.2. Оценка погрешности измерения количества теплоты, поступившего в ДТП 139

5.2.3. Оценивание погрешности из-за влияния контактных термических сопротивлений 143

5.2.3.1. Исследование возможности уменьшения погрешности из-за влияния КТС 147

Выводы 152

Заключение 154

Литература 156

Приложения 167 

Введение к работе:

В настоящее время в теплоэнергетике, строительстве, авиакосмической технике и других областях широкое применение находят различные теплоизоляционные материалы. Так, например, в строительстве и теплоэнергетике наряду с традиционными теплоизоляторами используются такие материалы, как бетоны с различными наполнителями, пенополимеры, пенокерамики, многослойные плиты, минеральные ваты и т.д. Причем, создаются новые материалы данного класса, и число их неуклонно растет [73]. Не менее интенсивно ведутся работы по созданию теплоизоляционных материалов на основе полимерных связующих, содержащих феноло-формальдегидные микросферы, для изделий ракетно-космической техники [75], которые, в частности, используются для наружной тепловой защиты ракетоносителей и т.д. Все эти материалы отличаются очень низкими значениями теплопроводности (до 0,03 ).

В связи с активной разработкой и применением теплоизоляторов актуальной становится проблема определения их теплофизических свойств (ТФС). При этом наиболее востребованными являются измерения теплопроводности, проводимые при производстве, продаже и сертификации низкотеплопроводных материалов, для которых теплопроводность является одним из показателей качества. Кроме того, знание теплопроводности необходимо также для решения задач экономии энергии [87], расчета тепловых режимов сложных конструкций и многих других.

Особенностью теплофизических измерений является большое разнообразие методов. Однако в основу работы большинства существующих промышленных приборов для измерения теплопроводности положены стационарные и квазистационарные методы [52], это связано с тем, что они имеют достаточно простую теорию, которая не требует сложного аппаратурного оформления. Ста ционарные методы при относительно высокой точности требуют значительного времени на проведение измерительного эксперимента, составляющего в среднем 1,5-2 часа.

Нестационарные методы имеют большее быстродействие, но точность их ниже, чем у стационарных методов. Низкая точность обусловлена следующим: в нестационарных методах для определения теплопроводности применяют аналитические выражения, описывающие закономерно изменяющиеся во времени температурные поля. Это приводит к громоздким расчетным формулам, полученным из решения краевой задачи теплопроводности, а при их упрощении неизбежно возрастает отклонение модели от реального объекта, что приводит к увеличению методической погрешности. Кроме того, возникают трудности при технической реализации граничных условий, обусловленных теорией метода.

Еще одним существенным недостатком многих существующих методов определения теплопроводности является использование разрушающего контроля материалов и изделий, что значительно усложняет процесс измерений.

Видимо, поэтому номенклатура выпускаемых промышленностью теплофи-зических приборов крайне ограничена. Следует отметить, что даже в большинстве существующих ГОСТов [29, 30] для измерения теплопроводности строительных теплоизоляционных материалов применяются лабораторные измерительные установки индивидуального изготовления, а не промышленные приборы.

Поэтому в настоящее время достаточно актуальной является разработка более совершенных методов и средств неразрушающего контроля теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов.

Исходя из вышеизложенного, целью данной работы является Создание и исследование метода измерения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов, имеющего простую расчетную формулу, достаточную точность и высокое быстродействие;

Разработка на базе данного метода автоматического устройства, позволяющего осуществить неразрушающий контроль теплопроводности. В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Исследование возможности применения существующих методов и устройств для неразрушающего контроля теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов.

2. Оптимизация режима нагрева исследуемого объекта с целью минимизации длительности измерительного цикла и методической погрешности.

3. Разработка математической модели нестационарного метода измерения теплопроводности.

4. Экспериментальное исследование разработанного метода неразрушающего контроля теплопроводности твердых низкотеплопроводных материалов.

5. Разработка на основе результатов исследования устройства для измерения теплопроводности.

6. Исследование метрологических характеристик данного устройства.

В работе получены следующие результаты, представляющие научную новизну и практическую ценность, которые выносятся на защиту.

Научная новизна. Разработан метод определения теплопроводности, в том числе:

впервые на базе интегральной формы уравнения Фурье получено выражение, связывающее интегральные по времени и координате параметры температурного поля объекта исследования в виде полуограниченного тела с количеством теплоты, поступившим в него от плоского источника тепла конечных размеров, и его теплопроводностью;

показана возможность использования данного уравнения для определения теплопроводности;

получена явная зависимость теплопроводности от измеряемых в эксперименте параметров (температуры и количества теплоты), не требующая отыскания функции температурного поля в объекте исследования и имеющая простое аналитическое выражение; предложен режим нагрева, позволяющий минимизировать время измерительного цикла при обеспечении достаточной точности измерения теплопроводности;

проведена оценка составляющих погрешностей определения теплопроводности, обусловленных, в частности: контактными термическими сопротивлениями (КТС), теплооттоком, инерционностью термопар, неточностью нахождения интегрального параметра с помощью приближенной формулы;

проведены экспериментальные исследования разработанного метода, которые подтверждают теоретические оценки. Практическая ценность. Разработан метод неразрушающего контроля теплопроводности объектов из твердых низкотеплопроводных материалов, размеры и форма которых по сравнению с размерами источника тепла и расстояниями до точек измерения температур позволяют считать исследуемый образец полуограниченным телом.

Создана теплоизмерительная ячейка, обеспечивающая возможность неразрушающего измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов.

Разработана установка для определения теплопроводности твердых теплоизоляционных материалов.

Спроектировано автоматическое устройство для измерения теплопроводности, обрабатывающее первичную информацию от теплоизмерительной ячейки и управляющее нагревателем.

Созданная на базе разработанного метода экспериментальная установка внедрена в Новомосковском институте РХТУ им. Д.И. Менделеева. Она используется в лабораторном практикуме по курсу "Информационно-измерительные системы" (приложение П.1).

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы проектно-конструкторскими организациями, занимающимися разработкой теплофизических приборов. На защиту выносятся:

1. Разработка математической модели нестационарного метода измерения теплопроводности на базе интегральной формы уравнения Фурье.

2. Теоретические и экспериментальные исследования неразрушающе-го метода измерения теплопроводности твердых низкотеплопроводных материалов.

3. Устройство для измерения теплопроводности твердых теплоизоля-торов.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались:

1. На научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Новомосковского института РХТУ 2002-2005 г.г.

2. На VIII Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов "Техника экологически чистых производств в XXI веке: проблемы и перспективы" (г. Москва, МГУИЭ, 2004 г.).

3. На пятой Международной теплофизической школе "Теплофизиче-ские измерения при контроле и управлении качеством" (г. Тамбов, ТГТУ, 2004 г.).

4. На 25 Международной конференции и выставке "Композиционные материалы в промышленности" (г. Ялта, 2005г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ.

Научным консультантом работы является Азима Ю.И., кандидат технических наук, доцент Новомосковского института Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.

Подобные работы
Бассам Тауфик Мохаммед Махмуд Двикат
Интегральный метод измерения теплопроводности и прибор контроля качества изделий сложной формы
Валиуллина Дилия Мансуровна
Спектроскопические методы измерения и контроля кислотного числа изоляционных масел в видимом и ультрафиолетовом диапазоне спектра
Налькин Максим Евгеньевич
Методы и средства измерений волновых параметров устройств на основе ненаправленных датчиков
Тугушев Камиль Равильевич
Методы и средства измерения малых расходов газа с применением тепловых меток
Тышкевич Андрей Александрович
Струйно-барботажный метод и устройство измерения вязкости жидкостей
Бахарев Михаил Самойлович
Разработка методов и средств измерения механических напряжений на основе необратимых и квазиобратимых магнитоупругих явлений
Горшенков Анатолий Анатольевич
Индукционный метод контроля и измерения механических характеристик вращательного движения двигателей
Беднов Антон Владимирович
Методы компьютерной обработки при измерении параметров резистивных СВЧ структур
Толстых Светлана Германовна
Разработка метода и устройства для измерения коэффициента диффузии влаги в капиллярно-пористых материалах
Балабанов Павел Владимирович
Разработка метода и автоматизированной установки для измерения теплофизических свойств регенеративных продуктов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net