автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теория, методы и средства определения теплофизических характеристик материалов холодильной и криогенной техники при комбинированных тепловых воздействиях

РГБ ОД

» О {¡.Сп «сл«4 На правах рукописи

1 УДК 536.24

Буравой Семен Ефимович

ТЕОРИЯ. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

ХОЛОДИЛЬНОЙ И КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ ПРИ КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.14.05- теоретические основы теплотехники 05.11.04- приборы и методы измерения тепловых величин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых Технологий

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Платунов Б. С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Пелецкий В. 3. доктор.технических наук, профессор Клецкий A.B. доктор технических наук, профессор Лискер И. С.

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И.Менделеева

Защита состоится " "..................... 1996 г. в 14 часов в

ауд. 2219 на заседании диссертационного совета Д. 063.02.01. при Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий по адресу:191002, г. СанктгПетербург.ул. Ломоносова 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направить в диссертационный совет академии.

Автореферат разослан " "..............1996г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, професга{Г^-.}--—7 л: С. Тимофеевский

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Обилие материалов, используемых в технике и физике низких температур, разнообразие решаемых задач и их специфичность привели к необходимости существенного расширения фронта исследований теплофизических характеристик (ТФХ) при низких и криогенных температурах.

Сведения о ТФХ веществ и материалов необходимы для развития тех областей науки и техники, которые связаны с получением и применением искусственного холода, в том числе переработкой и хранением пищевых продуктов, получением чистых газов, освоением космоса и различных по климатическим условиям регионов, созданием систем кондиционирования и жизнеобеспечения, термо- и баростатирования, средств транспортировки и хранения сжиженных газов и т.п..Низкие температуры широко применяются в таких энерго- и материалоемких областях, как химическое и нефтяное машиностроение, металлургия, криоэнергетика, криоэлектроника, управляемый термоядерный синтез,авиационный и космический транспорт с жидко-и углеводордным топливом,развитие которых также определяется полнотой информации о ТФХ используемых материалов. Открытие в 1986г. высокотемпературной сверхпроводимости еще более расширило сферу применения низких температур и активизировало связанное с этим изучение различных физико-механических свойств, в том числе и теплофизических характеристик.

Однако объем имеющейся и получаемой информации по ТФХ не отвечает возникшим потребностям. Такое положение в первую очередь определяется спецификой теплофизических исследований при низких температурах, сложностью и низкой производительностью применяемых методов и средств измерений. Поэтому к числу актуальных проблем, подлежащих решению в области холодильной и криогенной техники, бесспорно относится расширение низкотемпературных исследований по изучению ТФХ веществ и создание высокопроизводительных методов и средств для их измерения. К указанной проблеме по своей физической сути тесно примыкает проблема определения характеристик датчиков теплового потока ( тепломеров), потребность в которых оценивается десятками тысяч штук и которые требуют индивидуальной градуировки в процессе производства.

Цель работы заключается в развитии теории нестационарных динамических измерений ТФХ материалов и тепломеров, разработке методов и высокопроизводительных рабочих автоматизированных средств для их измерения в области криогенных, низких и умеренных температур.

Работа обобщает многолетние исследования и разработки, проведенные автором и под его руководством в Санкт-Петербургской Государственной Академии холода и пищевых технологий (ранее ЛТИХП). Исследования

проведены в рамках реализации координационных планов и программ АН СССР по направлению 'Теплофизика и теплоэнергетика" за 1975-1990 г.. ГК СМ СССР по науке и' технике по проблеме "Массо- и теплоперенос в технологических процессах" за 1975-1985 г.. выполнения задания ГК СМ СССР по науке и технике "Создать и освоить промышленное производство теплофизической аппаратуры" за 1975-1980 г. и плана НИР ГК по науке и технике по созданию и освоению в отраслях народного хозяйства технологий и оборудования для процессов массо- и теплопереноса по разделу 03.08.11 "Разработать методы и создать экспериментальные стенды" на 1987-1990 г.,а также Комплексной программой метрологического обеспечения теппофизических измерений на 1983-1987 г.

Научная новизна. 1. Установлены границы применения линейной теории теплопроводности при обосновании методов изучения теп-лофизических характеристик; на основе анализа нелинейного уравнения теплопроводности получены критерии, определяющие возможность использования решений линейных задач.

2. Проведена классификация методов измерения теплофизических характеристик по виду теплового воздействия на испытуемый образец, выделена новая перспективная группа методов, основанная на комбинации нескольких воздействий. Впервые создана общая теория измерений ТФХ при комбинированных тепловых воздействиях на испытуемый образец, позволяющая обобщить на случай переменной фоновой температуры методы начальной иррегулярной стадии опыта, гармонических воздействий и квазистационарного режима.

На основе решения линейных задач теплопроводности установлены закономерности нестационарных температурных полей простых тел (пластина, цилиндр, цилиндр конечной длины) при монотонном изменении соответствующих внешних воздействий с граничными условиями первого и второго рода. Установлены границы применения закономерностей квазистационарного режима при теплофизических исследованиях, а также при анализе температурных полей тел.

3. Разработан комплекс новых, защищенных авторскими свидетельствами высокопроизводительных методов (более 10). ориентированных в основном на область низких температур и позволяющих проводить измерения ТФХ материалов и тепломеров в режимах, близких к режимам их эксплуатации.

Автоматизированные приборы и установки, созданные на основе этих методов и новых принципов построения аппаратуры для измерения ТФХ при низких температурах, охватывают основные группы технически важных материалов и тепломеров, существенно упрощают процесс измерений и повы-

тают производительность исследований (иногда в десятки раз).

4. Получены новые экспериментальные данные о теплофизических характеристиках ряда материалов, в том числе высокотемпературных сверхпроводников, медноникелевых сплавов и сталей стабильной структуры, полимеров, эффективных теплоизоляционных материалов.

На защиту выносятся:

- общая теория измерения ТФХ при комбинированных тепловых воздействиях на испытуемый образец;

- разработанные методы измерения ТФХ веществ и материалов, а также характеристик тепломеров в широком диапазоне температур;

- принципы построения аппаратуры широкого применения для определения ТФХ в области криогенных, низких и умеренных температур;

- комплекс автоматизированных средств для измерения ТФХ в диапазоне 4.2 - 1200 К;

- результаты исследований эксплуатационных и метрологических возможностей созданной аппаратуры;

- экспериментальные данные о ТФХ ряда новых материалов (высокотемпературных сверхпроводников, сплавов, полимеров, теплоизоляторов).

Практическая ценность исследований, обобщенных в диссертации, состоит в создании и внедрении в практику комплекса автоматизированных высокопроизводительных рабочих средств широкого применения для измерения ТФХ материалов и тепломеров, в том числе:

- установка для измерения теплопроводности веществ в области температур 80-400 К в управляемом режиме охлаждения-нагрева;

- установка для измерения теплопроводности при криогенных температурах 4,2-50 К;

- установка для измерения теплоемкости в управляемом режиме охлаждения - нагрева в области температур б - 350 К;.

- установка для измерения теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов в области температур 80 - 400 К;

- комплекс приборов для измерения ТФХ электропроводных материалов;

- комплекс приборов для градуировки тепломеров при нормальных условиях и в диапазоне•температур от 170 до. 370 К;

- промышленные измерители ТФХ второго поколения ИТ-.А-400М, ИТ-С-400М для области температур 120 - 700 К;

- прибор для изучения теплопроводности эффективных теплоизоляционных материалов при нормальных условиях на образцах стандартных размеров;

- прибор для комплексных измерений ТФХ материалов при нормальных условиях.в том числе печатных плат без их разрушения;

. - 6 -

- прибор для измерения теплопроводности и теплоемкости в диапазоне температур 230 - 320 К;

- прибор для измерения теплоемкости в области 300 - 1200 К.

Опытные образцы перечисленных приборов и установок были использованы на ряде предприятий и организаций, в частности , в ЦНИИ конструкционных материалов "Прометей". Всесоюзном институте авиационных материалов (ВИАМ, г. Москва). СКВ "Биофизприбор"-(г. Санкт-Петербург), НПО измерительной техники (г. Калининград. Московская область), заводе "Гидрометприбор" (г. Тбилиси, Грузия), опытном заводе "Селен" АН Азербайджана (г. Баку), Институте химии древесины АН Латвии (г. Рига), Фи-зикогтехническом институте АН Украины (г. Харьков).

По некоторым разделам диссертации работа проводились в тесном контакте с ГСКБ теплофизического приборостроения (ГСКБ ТФП, г. Санкт-Петербург). Теоретические исследования автора использованы в ряде разработок ГСКБ ТФП ("Контакт". "Крион", "Поток". "ИТП", УТТидр. ). На завод "Эталон" (г. Актюбинск, Казахстан) передана техническая документация для серийного производства промышленных теплофизических приборов второго поколения ИТ-400М.

По заказу ряда предприятий ( НПО "Позитрон", ЦНИИКМ "Прометей", "Гиредмет" (г. Москва). Л0М0 (г. Санкт-Петербург), АО "Ижорские заводы" и "Государственный Обуховский завод"(г. Санкт-Петербург). ВИАМ (г. Москва) и др.) проведены измерения теплофизических характеристик некоторых материалов.

Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались на заседаниях секции "Тепловые и температурные измерения, теплофизические свойства веществ" Научного Совета "Массо- и теплоперенос в технологических процессах" ГК СМ СССР по наук^ и технике (апрель 1990 г.), Комиссии по тепловым и температурным измерениям НТС Госстандарта (Тбилиси, 1986-г., Новосибирск 1987 г., Хабаровск 1988 г.), а также на: Всесоюзной конференции по тепломассообмену, • Минск 1980 г., конференциях и совещаниях "Современное состояние тепло-физического приборостроения (1981, 1982 г. Киев, 1987, 1989 г. Севастополь, 1990 г. Москва), Всесоюзных совещаниях по низкотемпературным теплофизическим измерениям (1976, 1979, 1985, 1988 г. Хабаровск). Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства теплофизических измерений" (1987 г. Севастополь), Всесоюзных конференциях по теплофизическим свойствам веществ (Минск 1978 г., Новосибирск 1988 г. ), Всесоюзном совещании "Механические свойства й разрушение сталей при низких температурах" (Ленинград 1988 г.). Всесоюзной научно-технической конференции по криогенной технике ("Криогеника-87",Москва 1987

г.), 25 Всесоюзном совещании по Физике низких температур (Ленинград 1988 г.). Всесоюзной научно-практической конференции "Интенсификация производства и применение искусственного холода" (Ленинград 1986 г.). в лекциях и докладах на Всесоюзных теплофизических школах (Тамбов 1986, 1988, 1990 г.).

По теме диссертации опубликовано более 70 статей, докладов, авторских свидетельств, в том числе две монографии в соавторстве.

Вклад автора. Научная постановка задач экспериментальных и теоретических исследований, решение основных теоретических, методических и практических вопросов, в том числе анализ температурных полей , выбор и расчет режимов испытаний, формулировка принципов проектирования приборов и установок, проектирование измерительных ячеек, разработка алгоритмов программ проведения экспериментов и обработки опытных данных выполнены лично автором диссертации.

Структура диссертации. Работа содержит 264 машинописных стр., 78 рисунков и 6 таблиц (введение, четыре главы и заключение), 455 наименований библиографического указателя. 96 стр. приложения и 18 документов об использовании результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние проблемы. Теплофизические измерения в области низких и криогенных температур (2 - 400 К) интенсивно стали развиваться лишь в 70-е и особенно в 80-е годы под влиянием существенного расширения областей применения искусственного холода в различных отраслях науки и техники. Если в 50-е и 60-е годы измерения ТФХ при низких температурах проводились в основном в организациях, обладавших соответствующей базой , то в 70-е годы география этих измерений существенно расширилась. Повышение требований к объему получаемой информации, расширение фронта теплофизических исследований при низких температурах поставили перед экспериментальной теплофизикой новые задачи по созданию высокопроизводительных методов и установок, учитывающих особенности низких температур и соответствующих современному уровню развития приборостроения.

В 80-е года в отечественной низкотемпературной теплофизике произошли существенные сдвиги. Усилия НПО "ВНЙИФТРИ" ( В.А.Медведев и др.) и НПО "ДАЛЬСТАНДАРТ" ( Ю.Р. Чашкин и др.) увенчались созданием метрологической базы для теплофизических измерений в области температур 2-300К. В ряде организаций (ИТМ0 АН БССР, ГСКБ ТФП, ВНИИФТРИ. ДАЛЬ-СТАНДАРТ, ИТТФ'АН Украины. ЛТИХП, ТИХМ и др.) , были разработаны, изготовлены и переданы для практического использования в различные организации конструктивно законченные установки. Например, установки УУНТ,

УНТО, АИСТ и др. НПО. "ДАЛЬСТАНДАРТ" для области температур 60-400 К, установки ТАУ-1. ТАУ-2. ТАУ-5 НПО "ВНИЖГРИ", комплекс автоматизированных приборов и установок ГСКБ ТФП и ЛТИХП. Во ВНИИФТРИ (В.А.Медведев. В.М.Малышев и др.) была создана универсальная компыотеоно-измери-тельная система "АКСАМИТ" и налажено ее производство. Аналогичные системы на базе модулей "КАМАК" и микроэвм были созданы и в других организациях. В эти ке годы в ЛТИХП и ГСКБ ТФП выполнен комплекс работ по созданию методов и средств для определения ТФХ в области температур от 4,2 до 1200 К. Диссертационная работа обобщает эти исследования.

Выбор режимов и методов измерения. При анализе и классификации теплофизических методов в качестве определяющего признака чгще всего используют рабочую стадию теплового процесса (начальную, регулярную, стационарную) и в соответствии с этим все методы делят на три группы : методы начальной стадии теплового процесса; методы регулярного теплового режима (I рода, II рода или квазистационарного режима, III рода или методы температурных волн); методы стационарного теплового режима. Так как пространственно-временной характер температурного возмущения £ (xt tfii> V) зависит от вида теплового воздействия на образец , его геометрии и теплофизических свойств, то более предпочтительным представляется иной способ классификации методов измерения ТФХ, а именно, по виду теплового воздействия- на испытуемый образец.

Все методы теплофизических измерений в работе разделены на следующие группы: а) метода импульсного теплового воздействия; б) методы, основанные на изотермическом тепловом воздействии; в) методы, основанные на воздействии источником постоянной или переменной во времени мощности; г) методы с гармоническим тепловым воздействием. Выделена особая группа методов измерения, основанная на комбинации двух или более воздействий на испытуемый образец. Совокупность нескольких воздействий расширяет информативность и эксплуатационные возможности установок, например, повышает производительность и точность, упрощает аппаратуру, обеспечивает комплексность измерений, позволяет использовать различные стадии опыта, оптимальные для исследования того или иного параметра.

С точки зрения практической целесообразности выделены две группы воздействий. Для воздействий первой группы характерна комбинация постоянной температуры на одной грани образца it(x)aconst с постоянной или монотонно меняющейся температурой ti (г) либо'потоком на

другой. Поток может быть постоянным, монотонно изменяющимся,

содержать различные составляющие ( гармоническую, импульсную и т.п. Методы этой группы позволяют проводить измерения в основном при фикси-

рованной температуре. Для воздействий второй группы характерно сочетание монотонно изменяющейся температуры Цх) либо потока <£,(%) на одной грани с соответственно изменяющимся во времени потоком на

другой. Общим признаком второй группы воздействий является монотонное изменение температуры исследуемого образца, на которое накладывается то или иное воздействие. Такой подход позволил обобщить известные методы начальной стадии теплового процесса, а также регулярных режимов I и III рода на случай непрерывного изменения температуры образца.Методы этой группы позволяют изучать температурную зависимость ТФХ.

В диссертации рассмотрен общий подход к обоснованию этих групп методов на основе решений некоторых задач теплопроводности для температурных полей простых тел при наличии нескольких воздействий.

Условия линеаризации уравнения теплопроводности. Подавляющее большинство методов измерения ТФХ базируется на частных решениях линейного уравнения теплопроводности, справедливого при не зависящих от температуры теплопроводности А , температуропроводности а и теплоемкости С . Однако, как показывает опыт, все свойства, в том числе и теплофизические, существенно зависят от температуры, особенно, в области криогенных температур и зонах фазовых переходов. В связи с этим, необходимо либо оценить допустимость применения соответствующих решений линейного уравнения теплопроводности и ввести соответствующие ограничения, либо изначально строить теорию на решении нелинейного уравнения теплопроводности. Ситуация становится особенно актуальной для группы методов квазистационарного и монотонного режима, позволяющих проводить исследования теплофизических свойств как функции температуры. Задача дополнительно усложняется еще и тем, что при широкотемпературных испытаниях нелинейными оказываются также и граничные условия, например, тепловой поток на поверхности образца или значения коэффициентов теплообмена являются всегда функциями температуры или времени.

Для приближенного анализа нелинейного уравнения теплопроводности в работе введены определенные ограничения, учитывающие особенности рассматриваемой конкретной задачи, а именно то важное обстоятельство, что экспериментатор ■ во время опыта осуществляет контроль температуры испытуемого образца в нескольких точках, • довольно жестко задает граничные условия и режим опыта и. самое главное, может оптимизировать этот режим по какому-нибудь параметру. Такая оптимизация может осуществляться. в частности. по значению разности температуры Z) в сечении образца, что позволяет снизить роль нелинейных факторов до уровня поправок.

Зависимости теплофизических характеристик o(t) , с(Ь) и

мощности внутренних источников ^ в широкой области температур вне зон структурных и фазовых переходов могут быть аппроксимированы степенными полиномами. Если ограничиться линейной аппроксимацией, то нелинейное уравнение теплопроводности преобразуется к виду

где я =0.1■2-соответственно для плоского,цилиндрического и сферического полей, К} - Т'и±~' / "х>'

Из уравнения (1) следует, что если режим опыта будет удовлетворять условиям

Кх

В

Н1 г

то, с погрешностью, не превышающей некоторой наперед заданной величины $>дал УР2^0™5 теплопроводности принимает вид

За* ш ±Ж, ...

дг* г дг а« а„ Ьг

где ^ , Хо • а0 отнесены к температуре базовой точки Ь(о,г).

Предполагается, что все три слагаемых в квадратных скобках уравнения (1)имеют один знак, т.е. неравенства (2) есть ограничение (условие линеаризации) "сверху".

Методы теплофизических измерений, базирующиеся на использовании в качестве рабочей начальной и регулярной стадий опыта, в классическом, обычном представлении не приспособлены для измерений темперг-урных зависимостей. В соответствии с ограничениями (2) их целесообразно применять при небольших температурных возмущениях У'Ст^г) относительно исходного равновесного температурного состояния и относить определяемую характеристику к начальной температуре Ьа . В уравнении теплопроводности (3) в этом случае А.0 , й0, константы.

Для методов, использующих в качестве рабочей установившуюся стадию опыта и применяемых для получения в одном опыте температурной зависимости ТФХ, использование уравнения (3) требует введения дополнительных условии. Во-первых, в этих методах необходимо регистрировать непосредственно температуру базовой точки Ь (о, г) . В качестве базовой можно выбирать точку в среднем слое, на гранях образца, либо со сред-необъемной температурой. Во-вторых, при разогреве (или охлаждении) образца заметно изменяющего свои свойства в рабочем диапазоне температур

условия (2) по существу связаны с ограничением на изменение скорости по сечению образца. И если к неравенствам (2) добавить ограничение на изменение скорости по сечению

1о <И

(4)

то уравнение (3) становится линейным

г Лъ а, А„ . (с)

Решения этого уравнения, по существу, и явились теоретической основой большой группы методов монотонного режима , которые с точки зрения основных закономерностей при наличии ограничений (2) и (4) можно рассматривать как обобщение методов квазистационарного режима на случай переменных коэффициентов и монотонно изменяющихся скорости разогрева (охлаждения) или граничных условий.

Для полной конкретизации границ применения закономерностей квазистационарного режима в диссертации рассмотрены решения ряда задач теплопроводности при переменных граничных условиях и переменной мощности внутренних источников с учетом начальных условий. Условия линеаризации (2) и (4) позволяют при этом ограничиться решениями только линейного уравнения теплопроводности.

Температурные поля тел при комбинированных воздействиях. Испытуемые образцы при теплофизических измерениях обычно подвергаются воздействиям, которые либо остаются постоянными, либо являются той или иной функцией времени: температура граничной среды или поверхности является монотонной функцией времени, тепловой поток может быть монотонно меняющимся, содержать гармоническую составляющую, либо изменяться скачком, по закону $ - функции и т. п. Рассмотрено решение комплекса задач, при которых комбинация всех воздействий на каждой грани образца заленяется либо некоторым эффективным тепловым потоком , либо некоторой эффективной температурой поверхности Ь(г) . Такой подход является наиболее оправданным, так как в теплофизическом эксперименте всегда измеряются реальные значения тепловых потоков на гранях образца и значения температур в одном или нескольких сечениях.

Для пластины решение соответствующей системы уравнений в изображениях по Лапласу имеет вид

Т(^) - г,&-о,К) *Уг (в)-ад; + Уз (з)03

(6;

Отметим несколько важных особенностей этого выражения. Оно представляет собой сушу трех слагаемых, каждое из которых является произведением изображений соответствующего воздействия и некоторой функции

У (в) , называемой передаточной и характерной для каждого воздействия в отдельности. Такое представление решений широко используется в теории автоматического регулирования , а также при анализе задач теплопроводности в работах Н.А.Ярышева и А. Г. Шашкова . Выражение (6) по физическому смыслу представляет собой математическую запись принципа суперпозиции для температурного поля испытуемого образца при наличии нескольких тепловых воздействий. Структура уравнения (6) позволяет анализировать влияние каждого воздействия в отдельности, задавать различные виды воздействий, в частности монотонное, импульсное, гармоническое -и т.п., 'а также рассматривать решения отдельно для малых, начальных моментов времени и для установившегося состояния и т.п.В диссертации приведены передаточные.функции для пластины.сплошного и полого цилиндров при различных граничных условиях.

Регуляризация температурных полей тел при монотонно изменяющихся тепловых воздействиях. При измерениях в широком диапазоне температур представляет практический интерес анализ частных случаев, которые предусматривают различные варианты воздействий на испытуемый образец на фоне общего монотонного изменения его температуры. Методы, основанные на выводах этого анализа , являются дальнейшим развитием методов монотонного теплового режима. В диссертации показано, что при выполнении ограничений (2) и (4), для решения соответствующих линейных задач можно не задавать в явном виде фоновых граничных воздействий. Представление монотонных зависимостей , ^ (г) и Их) в виде конечных степенных рядов р п

шг)-2ьлга (?)

позволило дать строгое обоснование методов монотонного режима с учетом начальных условий.

В случае симметричного разогрева (охлаждения) пластины для разности температур 1?" относительно центра получено , г

* 4 ¿Jtg м!" у ск(ЧщЗ)-1 / ff*t -К (8)

Fo* ¿rt ( ÍJ е J

где 2R - толщина пластины, $ -корни функции sin .

При достаточно больших Fo суша членов экспоненциального ряда, как и при разогреве постоянным тепловым потоком, становится весьма ма-

лой по сравнен™ с первыми, регулярными членами функции (8) и ими можно пренебречь. Для оценки значения РаР . при котором с погрешностью $двл можно пренебречь экспоненциальными слагаемыми в (8), справедливо выражение

РоР >

я*

9 о.

Си-

^до

Кф~± /9)

Первые слагаемые в (8) при Го > Рор дают весьма важное для прак тики выражение для температурного поля пластины в регулярной, установившейся стадии опыта. При ограничении только двумя членами в квадрат ных скобках соотношения (8), следует, что температурное поле пластины в установившейся стадии подчиняется зависимости

м.

га

(10)

с погрешностью

7

7 * 7 г А —у/-* ' г (и)

Зависимость (10) отличается от известной для квазистационарного режима только текущим значением у (г) и наличием поправки на его изменение.

Параметр ^ в первом приближении представляет собой разность температур между центром и поверхностью пластины и, следовательно, неравенство (11) и второе слагаемое в квадратных скобках (10) накладывают ограничение на допустимое соотношение между ^ и относительным изменением теплового потока К? . Если выполняется жесткое ограничение

(12)

то с погрешностью, не превышающей значения температурное поле

пластины при монотонком симметричном разогреве подчиняется известным закономерностям квазистационарного режима. Условие (12) дополняет ограничения (2) и (4) и связано с ними.

Аналогичный анализ проведен в диссертации для сплошного цилиндра (неограниченного и конечной длины),а также для пластины при несимметричных граничных условиях с внутренним источником.

Границы применимости закономерностей квазистационарного режима. Ограничения (2) и (4) определяют границы применения линейного уравнения теплопроводности, а неравенства (12) в сочетании с условиями регуляризации (9) полностью определяют границы применимости закономерностей квазистационарного режима (регулярного режима II реда). Все огра-

ничения по существу увязывают перепад температуры (перегрев относительно начальной температуры) в образце с относительным изменением ТФХ Л.. а , с . внутреннего источника , скорости разогрева ¿(г,г) и теплового воздействия у (г).

Более широкие ограничения

М<0-' ' (13)

установленные ранее Е.С. Платуновым, приводят к необходимости учета соответствующих поправок на температурную зависимость ТФХ исследуемого образца. Однако, погрешность оценки таких поправок, как показано в диссертации, оказывается значительной(от 50 до 600 % самой поправки) и их введение,' как правило, представляется оправданным только на этапе выбора режима опыта и размеров испытуемого образца.

Значение Рцan определит погрешность, с которой справедливы соответствующие линеаризованные соотношения. При температурах 4,2-30 К, где параметры kj могут достигать 0,-2-0,3, нелинейные члены требуют специальной оценки. По крайней мере ограничения (2) при Sjotl » 1-2 Ж и таких значениях к/ допускают перепады температуры- в образце 0,05-0,1 К.

Остановимся на ограничениях (2) и (12) в отношении Kg, и KSz . Эти ограничения связаны с режимом опыта, характеризуют процесс и могут изменяться по желанию экспериментатора. При условии (frdonfo)-* const из выражений (2) и (12) следует, что с точностью до постоянного множителя 32 , принимающего значения от 1 до 0,2 в зависимости от вида воздействия и формы тела>

где - тепловой поток на поверхности образца в момент X, при

i-to ^ А

Из (14) при V- 10 К. X = 1, й3дг1 . 0.01 и =2 получаем Ь~Ьо ■ 690 К. Это означает, что в рамках закономерностей квазистационарного режима допускается двойное изменение действующего на поверхности образца потока на каждые 690 К изменения его температуры. В свою очередь, для tf« 5 К и $ ■ 0,02 двукратное изменение потока допустимо при изменении температуры на каждые 345 К. Аналогичное соотношение можно получить и для скорости разогрева. При других значениях возможность изменения потока ^ (г) и скорости t(z) гораздо шире.

Эти оценки позволяют сделать два очень важных вывода. Во-первых.

при выполнении ограничений (4) для обоснования широкотемпературных методов измерения ТФХ достаточно решать соответствующую задачу теплопроводности при постоянных воздействиях: постоянном тепловом потоке на поверхности образца <ls(X) . либо постоянной скорости разогрева среды или поверхности образца 6s(Z) . Различие соответствующих решений определяется только длительностью переходной стадии в соответствии с (9), а также погрешностью S . связанной с перепадом температуры в образце. Во-вторых, режим разогрева (охлаждения) при значительном h3L"> нений скорости можно осуществить без привлечения устройств автоматического поддержания условия Ь s const или const. Такие устройства сами по себе не могут быть универсальным средством обеспечения закономерностей квазистационарного режима, так как условия (2) связаны еще и с относительным изменением теплофиз'ических свойств в пределах тУ. Постоянство граничных условий или скорости изменения температуры образца целесообразно обеспечивать только с точки зрения стабильности работы теплоизмерительной ячейки, в частности повышения точности учета роли контактных сопротивлений, динамических погрешностей датчиков, теплообмена на боковой поверхности и ряда других факторов.

Если опыт проводится в условиях -5-10 К, то при Kj. -(1-2М0"3 К"1 ограничения (12) в отношении Л, а , с и выполняются достаточно хорошо. Однако может быть в этом случае осуществлен режим, при котором í/r¿r| 2-10"2 К"1 и будут выполнены более свободные условия (13). В соответствии с (14) допускается в таком режиме двойное изменение потока или скорости изменения температуры на каждые 35-70 К изменения температуры образца. Частным проявлением такого случая является режим нагрева или охлаждения в среде с постоянной температурой. Такой режим рассмотрен при обосновании метода измерения теплоемкости.

Методы измерения ТФХ при комбинированных воздействиях. Из всего многообразия возможных методов измерения ТФХ при комбинированных воздействиях в диссертации дано обоснование двух групп методов, рассчитанных на реализацию, главным образом, в области низких температур и позволивших решить поставленную задачу для широкой гаммы материалов в диапазоне значений теплопроводности от 0,01 до 100 Вт/(м'К). Первая группа позволяет проводить измерения в основном при фиксированной температуре и предполагает одновременно или последовательно два воздействия на образец. Вторая группа основана на использовании одновременно двух воздействий, одно из которых (фоновое) обеспечивает монотонный режим охлаждения или нагрева, а второе (рабочее) создает основное температурное поле в испытуемом образце. Независимость фонового и основного воздействий позволяет, в рамках сформулированных во второй главе

ограничений, использовать принцип тепловой суперпозиции.

Для всех разработанных методов в диссертации приводятся физическая схема,описывающая ее математическая модель, решение уравнения теплопроводности при соответствующих краевых условиях, дается вывод расчетных соотношений, исследуются особенности реализации для различных групп материалов и температур, а также отклоненияя от идеализированной модели при осуществлении метода, анализируется структура поправочных комплексов, учитывающих эти отклонения.

1. Измерение ТФХ при фиксированной температуре. Метод позволяет проводить измерения теплопроводности и температуропроводности различных веществ в твердом, жидком и пастообразном состоянии. Может использоваться также для определения тепловых сопротивлений изделий, например, печатных плат, и для определения параметров тепломеров, в том числе теплового сопротивления и теплоемкости. Наиболее удобно его использование при нормальной температуре. Значения измеряемых параметров А. и а находятся независимо из двух стадий опыта - регулярной и стационарной, что позволяет повысить достоверность результатов измерений. Метод может быть реализован как в абсолютном, так и сравнительном вариантах. Образец в виде пластины подвергается 'двум воздействиям: со стороны одной грани при Т-к действует постоянный тепловой поток вторая грань принудительно поддерживается при начальной температуре Ио.х) =0 . Для определения ТФХ возможны две схемы измерений. По первой схеме регистрируется температура КК?) на поверхности при г» А. как функция времени Г , а также в стационарном состоянии ¿л . Определяется тепловой поток д,$ , рассчитывается темп нагрева в регулярной стадии т и по измеренным в опыте значениям (¡,$ , ¿л . т вычисляются а и А.

л.

Критерием стационарного состояния может служить условие

По второй схеме регистрируются температура НЬ,*) и поток СС) на термостатированной грани образца. Используется только регулярная стадия опыта, на которой поток изменяется по экспоненциальному закону. Расчетные соотношения имеют вид

Дес пары расчетных соотношений для А. и а исследуемого образца позволяют взаимно контролировать результаты испытаний .В диссертации рассмотрены особенности реализации метода с учетом зависимости измерения и других факторов.

2.Измерение теплопроводности на плоских образцах при сочетании

изотермического__воздействия и монотонно изменяющегося теплового пото-

ка._ Метод предназначен для определения температурной зависимости теплопроводности различных веществ в широком диапазоне температур. Особенно эффективным он оказался в области температур 77-700 К, нашел широкое применение как для измерения Л. , так и для градуировки датчиков теплового потока (тепломеров). Отличительной особенностью метода является возможность проведения измерений как при нагреве, так и при охлаждении, что позволяет обнаружить и изучить гистерезисные явления в температурной зависимости ХШ . Испытуемый образец в виде пластины изменяет свою температуру под влиянием двух воздействий- на одной грани образца задается монотонно изменяющийся тепловой поток (т) , на другой - монотонно изменяющаяся температура. Рабочей является установившаяся стадия опыта. Расчетное соотношение для теплопроводности исследуемого образца имеет вид

где ^ л <1

«»-¿«»■Й--

■^"-разность температур по толщине образца.

Для упрощения установки и смены испытуемых образцов датчики температуры целесообразно размещать в контактных пластинах. В связи с этим в рабочих расчетных соотношениях учтено контактное тепловое сопротивление Рк и неидентичность градуировки термопар ( различие градуировочных характеристик) "Л/ . Оба параметра зависят от температуры и являются при постоянном монтаже датчиков своего рода "константами" теплоизмерительней ячейки.

Численные значения Рк и & находятся в опытах с медным образцом при двух существенно отличающихся потоках ^ • Особо следует отметить появление в расчетных соотношениях параметра 'О'н .В средствах измерения теплопроводности, разработанных ранее различными исследователями, этот параметр либо не учитывался вовсе, либо со ссылкой на градуировку датчиков температуры в учреждении Госстандарта делался неправильный вывод о высокой степени точности измерения разности температур на испытуемом образце. Достаточно точная градуировка не

спасает от существенных, непредсказуемых систематических погрешностей в измерении , так как при монтаже датчиков в конкретном теплоизме-рительном устройстве соответствующие погрешности появляются за счет механических деформаций электродов первичных преобразователей и неоднородности температурных полей, отличающихся от условий градуировки Поэтому градуировку датчиков, а точнее оценку их идентичности, особенно при измерении малых разностей температур, следует проводить в полностью собранной теплоизмерительной ячейке. При разработке метода и установки, предназначенных для изучения веществ в широком диапазоне значений теплопроводности, целесообразно скорость разогрева фиксировать, а для повышения точности обеспечивать оптимальные значения на образце путем изменения значения теплового потока £ . В этом случае в расчетных формулах обгединить неидентичность термопар и контактные сопротивления в один эффективный параметр невозможно. Выделение Рк и позволяет существенно повысить точность измерений. Такой под-

ход оказался весьма эффективным и использован во всех конкретных разработках.

3. Измерение теплопроводности при последовательном тепловом воздействии. Метод является разновидностью стационарного метода плоского слоя, разрабатывался специально для области криогенных температур. 4,2-50 К, но мокет эффективно использоваться и при других температурах. Измерения проводятся с использованием комбинации двух тепловых воздействий на испытуемый образец, что позволяет определять искомое значение X по показаниям только одного датчика температуры. Это обстоятельство особенно важно в области гелиевых и водородных температур, где каждый датчик имеет свою индивидуальную градуировку. Физическая сущность метода весьма' проста. Испытуемый образец в виде стержня или таблетки подвергается последовательно двум тепловым воздействиям с плотностью потоков у,' и Причем значения тепловых потоков и общий уровень температуры подбираются таким образом, чтобы температура в какой-либо точке образца, например, с координатой X/ была в стационарном состоянии одинаковой при обоих воздействиях. Коэффициент теплопроводности определяется по разности тепловых потоков при этих воздействиях и соответствующей разности температур Э в сечении Хц

где поправка на температурную зависимость теплопроводности. В области гелиевых и водородных температур численные значения /гл могут составлять 0,2-0.3 К"1 и поправка оказывается значительной. Рассмотрен вариант метода при размещении датчиков температур в контактирующих по-

верхностях. В этом случае вывод расчетной формулы для X проведен с учетом контактного теплового сопротивления.

4. Измерение теплоемкости в режиме управляемого нагрева - охлаждения. Метод является динамическим и позволяет за один опыт длительностью от 3 до 30 мин получить температурную зависимость теплоемкости в диапазоне температур от 4,2 до 350 К. Метод основан на комбинации двух последовательных воздействий на испытуемый образец, который размещается в тонкостенной ампуле, снабженной нагревателем и датчиком температуры. Ампула с образцом помещается внутри сосуда, температура стенок которого во время опыта остается постоянной. В частности, стенки сосуда могут омываться криогенной жидкостью (гелий, азот). После охлаждения ампулы с образцом до температуры сосуда, эксперимент проводится в две стадии. На первой стадии, при включенном нагревателе температура образца повышается от исходной "гелиевой" (4,2 К) или "азотной" (77 К) до конечной температуры испытаний. Вторая стадия начинается в момент отключения нагревателя либо снижения его мощности. В процессе нагрева и охлаждения регистрируются температура ампулы Та и мощность нагревателя IV как Функции времени. Возможна и обратная схема -сначала образец управляемо охлаждается, а затем нагревается. Расчетное соотношение для теплоемкости испытуемого образца можно получить из уравнений теплового баланса ампулы с окружающей средой на участках нагрева и охлаждения

сМя£ -Сл(т)\. Г(т>.

т I \Ьлн\ * \6ло\ .1

(15)

Индексы "н" и "о" относятся соответственно к участкам нагрева и охлаждения. Параметр Ч'(т) в выражении (15) учитывает различие текущих значений скоростей изменения температуры ампулы 6аМ и образца ёу (х) . По физическому смыслу это критерий неравномерности скорости изменения температурного поля системы ампула-образец. Если в опыте измеряются непосредственно ТА (г) и Ту(т) , то оценка параметра V каких-либо трудностей не вызывает. Однако установка датчика температуры в образце не всегда возможна и усложняет как измерительное устройство, , так и процесс измерений в целом. В связи с этим рассмотрены условия, при которых необходимая точность измерения может быть достигнута при использовании датчика температуры, установленного на ампуле. Показано, что при определенных условиях критерий неравномерности отличается от единицы на некоторую величину $дт .Последняя может войти как составляющая в погрешность измерения, например, при 8"дап < 5-10"3. ' Однако в ряде случаев обеспечить такое условие представляется весьма

сложным и для оценки f необходимо провести достаточно простые вычисления. Температурную зависимость с С г) получают путем совместной .обработки кривых T„(z) , IVH (v) , Т„ (г) и W0(Z) . При этом значения Тн и W„ , а также Т0 и IV«,. входящие в расчетные формулы, необходимо относить к одному моменту времени Г , а значения И^ и к одной температуре Т .

5. Измерение теплопроводности эффективных_теплоизоляторов при

фиксированной температуре. Теплопроводность эффективных теплоизоляторов с Л = о.02 - 0,2 Вт/(м-К) определяют чаще всего стационарным методом пластины. При этом, учитывая дисперсность материала, в соответствии с существующими стандартами образцы выполняют в форме пластины диаметром до 200 мм (либо квадратного сечения со стороной до 200 км) и толщиной от 10 до 50 мм. Большие размеры образцов и соответствующих им измерительных устройств приводят к весьма большой длительности опыта: на измерение одного значения А. при фиксированной температуре иногда необходимо 5-6 часов. Предложен метод, позволяющий проводить измерения теплопроводности эффективных теплоизоляторов на образцах стандартизованных размеров за время, не превышающее 90 минут. Физическая идея метода заключается в следующем. Образец в форме пластины подвергается двум изотермическим воздействиям со стороны граней. Если температуры граней í¡ и Ьл постоянны, то через некоторое время наступает стационарное распределение температуры, которое и приводит к классическому методу. Представляет практический интерес случай, когда температура одной грани монотонно растет, а другой падает, например, для простоты с постоянными скоростями Hi и $t • Такая схема соответствует случаю, когда испытуемый образец помещается между двумя массивными металлическими блоками, один из' которых является нагревателем, а другой теплоп-риемником. В пассивном режиме при начальной разности температур í^-t,. отличной от нуля, один из них будет охлаждаться от ¿^ , а другой нагреваться от ti , причем скорости изменения их температур в общем случае будут различны. Для расчета коэффициента теплопроводности справедливо выражение

где %, с - толщина и теплоемкость образца.

Теплоизмёрительные ячейки, реализующие рассматриваемую схему, могут состоять из двух массивных блоков с теплоемкостью, значительно большей теплоемкости образца. Для измерения тепловых потоков целесообразнее использовать контактный, постоянно смонтированный тепломер, либо электротермический способ. Во всех случаях размеры образца и режим

(16)

опита выбираются таким образом, чтобы второе слагаемое в числителе выражения (16) носило поправочный характер, т.е. выполнялось условие

6. Измерение теплопроводности динамическим методом нагретой нити. Метод нагретой нити в классическом варианте был предложен еще в 1888г. Е.А. Миттенбюллером, непрерывно совершенствовался, а в последние годы вошел в стандарты США. Японии, почти всех стран Европы, в стандарт СЭВ.

Фирма "^гэсП-Се^еЬаи" (ФРГ) разработала и предлагает на мировом рынке прибор модели 426, основанный на методе нагретой нити.

Прибор учитывает особенности стандарта ФРГ ДИН 51046 и рекомендации международной системы стандартов ИСО/ТС 33, позволяет проводить исследования материалов с теплопроводностью до 25 Вт/(м-К) и допускает полную автоматизацию измерений с системой 414/1 той же фирмы. Аналогичные приборные разработки имеются в Японии, в том числе и для нераз-рушающего контроля. Метод нагретой нити по существу является импуль-сно-стационарным, так как на каждом уровне температуры требует установления в образце стационарного равномерного температурного поля. В этом смысле он обладает низкой производительностью при изучении температурной зависимости теплопроводности.

Предложен динамический вариант метода нагретой нити, в котором измерения проводятся при комбинации двух воздействий: на фоне монотонно изменяющейся температуры образца производится периодическое включение линейного источника постоянной мощности. Аналогичные сочетания могут иметь место и для методов с другой формой источника. Температурное поле образца при таком воздействии формируется как суперпозиция двух полей

где

- перегревы в точке с координатой % в моменты времени Ъ относительно базового сечения за счет соответственно монотонного изменения температуры С$м) и действия линейного источника постоянной мощности (1?'), отсчитываемые от момента его включения. Соответствующие решения при условии, что теплоемкость источника пренебрежимо мала, а для температурного поля, определяемого действием этого источника, выполняются условия неограниченного пространства, приводят к расчетному соотношении

__

Чя [ Ц - Шг-и]

Таким образом, для определения X необходимо в опыте измерить линейную плотность мощности источника , изменение температуры в два момента времени % и Т, в какой-либо точке и скорость изменения температуры невозмущенного "слоя образца. Отметим, что между и ¿я Г должна выполняться линейная связь. В реальном устройстве зависимость отличается от линейной: на начальном участке вследствие влияния теплоемкости источника, а на заключительной стадии за счет ограниченности размеров образца. Рассмотрена зависимость длительности рабочей стадии опыта от свойств и размеров испытуемого образца и теплоемкости источника, а также способы ее выявления в процессе эксперимента.

7. Измерение теплофизических характеристик электропроводных материалов. При изучении свойств электропроводных материалов успешно применяются методы с нагревом образца электрическим током. Эти методы впервые были обоснованы еще в конце XIX века в ранних работах Ф.Коль-рауша , а также В. Егера и X. Диссельхорста и непрерывно совершенствовались как отечественными, так и зарубежными исследователями. Измерения проводят в стационарном режиме, переход от одного стационарного состояния к другому занимает 2 - 3 ч. Поэтому исследования температурных зависимостей теплофизических свойств оказываются весьма длительными и трудоемкими.

Обшая схема метода становится принципиально иной, если испытуемый образец помещается в среду с монотонно изменяющейся температурой. Проходящим через образец электрическим током в нем создается аксиальный перепад температуры. От рассматриваемых в литературе описываемая схема метода отличается тем, что испытуемый образец подвергается тепловому воздействию внутренним источником на фоне монотонного изменения температуры всей системы. Такой подход позволяет обеспечить комплексное измерение в одном эксперименте температурной зависимости изучаемых параметров. При постоянном или слабо изменяющемся источнике определяются Л и а , в переходной стадии а , при определенном соотношении между плотностью тока и скоростью разогрева системы - теплоемкость с

В работе предложено шесть методов измерения ТФХ электропроводных материалов, отличающихся режимами реализации, эксплуатационными и метрологическими возможностями. Для учета теплообмена с боковой поверхности . образца проведен анализ нестационарного температурного поля в системе образец - защитная оболочка. Рассмотрено несколько практически важных случаев: изотермическая оболочка, оболочка с параболическим распределением ( в обоих случаях на поверхности образца теплообмен с граничными условиями третьего рода ), диэлектрическая теплоизоляцион-

ная оболочка с равномерным и параболическим распределением на внешней поверхности. Задачи решались численно с помощью ЭВМ ЕС-1022 в критериальной форме для широкого диапазона значений скорости разогрева, коэффициентов теплообмена, тепло-и температуропроводности испытуемых образцов и оболочек.Проведенный анализ позволил дать конструктивные рекомендации по снижению роли теплообмена на боковой поверхности образца.

Автоматизированные приборы и установки. На основе рассмотренных методических разработок создано 14 приборов и установок, охватывающих в совокупности диапазон температур от 4.2 до 1200 К. Специфика поставленной задачи потребовала и принципиально новых технических решений при проектировании теплоизмерительных ячеек, систем охлаждения, управления экспериментом, регистрации и обработки опытных данных и т.п. Аппаратура рассчитывалась на возможность проведения испытаний в режиме понижения температуры. Соответственно выбирались средства охлаждения и способы управления режимом опыта.

Для области климатических температур 230 - 320 К использовались термоэлектрические полупроводниковые двухкаскадные термобатареи, позволяющие за счет изменения силы тока и его направления через батарею обеспечивать охлаждение и нагрев с заданной скоростью, а также выдержку при любой заданной температуре.

Для проведения измерений при более низких температурах в качестве хладагентов использовались жидкий азот и жидкий гелий. При этом в качестве естественных криостатов использовались транспортные сосуды Дью-ара, какие-либо специальные системы криостатирования не применялись. Теплоизмерительные ячейки охлаждались либо путем погружения их в хладагент непосредственно через горловину сосуда, либо путем дозированной подачи смеси жидкого и газообразного хладагента из сосуда, либо заливки определенного расчетного количества жидкого хладагента непосредственно в измерительную ячейку. В первом случае теплоизмерительные ячейки имели достаточно малые габариты, особенно для исследований в области температур 4.2 - 80 К. Такой подход обеспечил создаваемым установкам ряд преимуществ по отношению к существующим. Во-первых, существенно упростилась конструкция тепловых блоков установок, уменьшились их масса, габариты и размеры испытуемых образцов. Во-вторых, значительно сократился расход жидких хладагентов, что особенно важно при измерениях с использованием жидкого гелия. В-третьих, существенно упростилась процедура установки и замены испытуемого образца. Использование специальных нагревательных устройств и электронной регулирующей аппаратуры позволило обеспечить различные требуемые режимы охлаждения и разогрева испытуемого образца и теплоизмерительной ячейки в целом. Преимущества

использования погружных теплоизмерительных устройств можно иллюстрировать следующим. При проведении, например, измерений температурной зависимости теплоемкости в режиме охлаждения - нагрева в области 4,2 -80 К расход жидкого гелия не превышает 0,2 л, время измерения, включая установку образца, герметизацию ячейки, заполнение теплообменным газом, охлаждение ее и последующий отогрев, составляет 1,5-2 часа. При измерении теплопроводности в интервале 4,2 - 50 К расход гелия не превышает 1,5 л, время измерения температурной зависимости в 10 точках 3 - 3,5 ч.

Второй способ с дозированной подачей смеси жидкого и газообразного хладагентов использован при управляемом охлаждении-нагреве массивных теплоизмерительных устройств. Устройство для подачи парожидкостной смеси располагается непосредственно в сосуде Дьюара. При включении нагревателя в сосуде создается избыточное давление и пары азота через форсунку засасывают жидкость. Парожидкостная смесь подается в теплоиз-мерительное устройство. Расход смеси регулируется давлением пара либо специальным электромагнитным клапаном в нижней части устройства. Использование парожидкостной смеси оказалось весьма эффективным в установках» где требовалось обеспечивать охлаждение измерительной ячейки достаточно длительное время.

Наконец, в ряде приборов и установок был применен и третий способ охлаждения путем заливки хладагента непосредственно в измерительную ячейку. Этот способ применялся в тех устройствах, где не требовалось управляемого охлаждения, но зато было необходимо обеспечить нагрев с малой скоростью ( от 0.01 К/с) с низких температур. Такие системы применены, в частности, в промышленныхх приборах ИТ-400М и "Контакт".

Реализация рассмотренных методов измерения ТФХ с помощью классических аналоговых средств измерения электрических сигналов и регулирования тепловых режимов затруднительна. В то же время использование достижений электроники и вычислительной техники позволяет существенно расширить арсенал средств экспериментальной теплофизики, в частности, при помощи измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). В 1983-1992г. такие комплексы по техническому заданию автора были разработаны в ЛТИХП и ГСКБ ТФП на основе управляющих персональных микроэвм .

Созданные ИВК обеспечили решение следующих задач: измерение и регистрацию аналоговых сигналов с частотой до 10 Гц по десяти каналам на уровне 50 мВ с погрешностью не более 1 - 3 мкВ; обработку сигналов и расчет определяемых величин по требуемому алгоритму как в реальном масштабе времени, так и после опыта; управление экспериментом по заданному закону в соответствии с программой; хранение в памяти прибора

градуировочных характеристик датчиков температуры, тепломеров и других "постоянных" измерительных ячеек; статистическую обработку информации как в процессе измерений, так и по результатам нескольких экспериментов; вывод необходимой информации на внешние устройства.

Применение ЭВМ в автоматизированной измерительной системе позволило создать универсальные комплексы. - которые могут использоваться с различными теплоизмерительныш ячейками и реализовывать различные методы измерений, обрабатывать большой объем информации в процессе опыта и оперативно вмешиваться в ход эксперимента.

Созданные средства позволяют проводить измерения ТФХ практически всех важных веществ от эффективных теплоизоляторов с теплопроводностью 0,01 Вт/(м'К) до металлов и сплавов с теплопроводностью 100 Вт/(м'К) в области температур 4,2-1200 К. Метрологические возможности приборов и установок определялись как расчетным путем, так и с помощью образцовых мер, аттестованных в учреждениях Госстандарта. Погрешности измерений не выходили за пределы 1,5 -8 %. что, во-первых, подтверждает адекватность реальных процессов и теплоизмерительных ячеек сооветствующим физическим и математическим моделям и. во-вторых, в сооветствии с существующими поверочными схемами позволяет отнести все разработки к разряду рабочих средств измерения. Из разработанной гашы измерительных средств отмети.! приборы для градуировки тепломеров и приборы серии ИТ-400М. которые, по существу, являются промышленными теплофизическими приборами II поколения.

Приборы ИТ-400М. - автоматизированные принципиально новые приборы, которые могут работать как с использованием персональных ЭВМ, так и по автономной схеме с встроенным микропроцессором. От известных серийных приборов ИТ-400 в новой разработке сохранен только режим опыта - непрерывный разогрев. Пересмотрены методы, способы задания и измерения тепловых потоков, .способы охлаждения, средства регистрации температур и обработки опытных данных, система теплоизоляции, общая конструкция и пр. Методическое обоснование приборов, проектирование теплоизмерительных устройств, разработка алгоритма программы и требований к средствам автоматики и электроники было осуществлено автором диссертации.

Прибор ИТ-X -4С0М предназначен для измерения теплопроводности твердых, механически обрабатываемых материалов в области температур от минус 150 до 400 К с шагом от 1 до 25 К. Прибор позволяет исследовать наполненные и ненаполненные полимеры, стекла, керамику, минералы, полупроводники и пр. Для материалов с теплопроводностью от 0,1 до 5 Вт/(м' К) предел допускаемой погрешности составляет 5 %.

Прибор ИТ-С-400М предназначен для измерения теплоемкости веществ

как в твердом, сыпучем, так и в пастообразном или жидком состоянии (если вещество не испаряется). Образец заполняет ампулу диаметром 10 мм и высотой 15 мм., погрешность измерений 3 %. Температурный диапазон тот же. Приборы обеспечивают измерение температурной зависимости Л(Ь) или сШ за один опыт; в первом измерения проводятся со скоростью 0,05 К/с, во втором .0,1 или 0,2 К/с.

Приборы и установки для градуировки преобразователей теплового потока (тепломеров). Несмотря на имеющиеся достижения, технология изготовления не позволяет получать тепломеры с воспроизводимыми характеристиками, каждый тепломер требует индивидуальной градуировки. При потребности в десятки тысяч штук в год особую актуальность приобретали работы по созданию высокопроизводительных методов и установок для градуировки тепломеров в широком диапазоне температур.

Обычно при градуировке определяют зависимость коэффициента преобразования от температуры и от теплового потока. В диссертации показано, что для градиентных тепломеров, работающих по методу дополнительной стенки, даже при достаточно больших разностях температуры на них, составляющих иногда 80-100 К, построение второй зависимости (от потока) представляется нецелесообразным.

На основе методов и схем, предложенных автором, был создан ряд приборов для градуировки полупроводниковых тепломеров при нормальных условиях. Приборы обеспечивают получение одного значения коэффициента преобразования и проводимости тепломера за 3-5 минут. Приборы нашли широкое применение и работают в различных организациях России и стран СНГ. Для определения коэффициента преобразования и проводимости тепломеров с размерами от 20х20 до 35*35 мм в области температур от 170 до 370 К создана установка "Контакт". Измерения на установке проводятся в режиме разогрева со скоростью 0,03 К/с, время измерения указанных характеристик во всем температурном диапазоне составляет 2 часа. Поверка установки по образцовому преобразователю теплового потока, аттестованному на установке высшей точности в Сибирском НИИ метрологии показала, что погрешности градуировки на этой установке не превышают 5%.

На созданных установках проводились исследования различных веществ и материалов, используемых в холодильной и криогенной технике, в приборостроении, в строительстве и других областях. Некоторые результаты этих исследований приведены в Приложении к диссертации. Проведены комплексные исследования ТФХ медноникелевых сплавов для теплообменной аппаратуры. В 1987-1988 г. были изучены теплопроводность и электрическое сопротивление первых отечественных ВТСП керамик на основе иттрия и европия. Выявлена зависимость этих свойств от фазового состава и со-

держания кислорода. Исследованы теплопроводность и теплоемкость пеноп-ластов, полимеров и новых эффективных теплоизоляторов нетканной структуры, использованных в качестве тепловой изоляции криогенных хранилищ сжиженного топлива и в строительстве. При изучении теплопроводности высоколегированных сталей стабильной' аустенитной структуры выявлена слабая зависимость ее от количества легирующих элементов при их большом числе. Исследования оптических стекол и кристаллов позволили получить необходимые данные для расчета температурных полей в лазерной и инфракрасной технике.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Рассмотрена общая теория измерений теплофизических характеристик веществ и тепловых параметров тепломеров при комбинированных тепловых воздействиях на испытуемый образец или тепломер. На основе анализа нелинейного уравнения теплопроводности, применительно к теплофи-зическим измерениям введены критерии, определяющие возможность использования решений линейных задач. В линейном варианте решение соответствующей задачи при комбинации нескольких воздействий может рассматриваться как суперпозиция вкладов от каждого воздействия в отдельности, что позволяет представлять решение для любой стадии теплового процесса в наиболее удобной форме как при тепловых расчетах, так и обосновании методов.

2. Решены задачи теплопроводности для простых тел (пластина, неограниченный цилиндр, цилиндр конечной длины) при монотонно меняющихся граничных условиях первого и второго рода , что позволило установить условия регуляризации температурных полей таких тел. Получены соотношения для оценки начальной переходной стадии.при монотонном нагреве (охлаждении), в той числе при наличии внутренних источников. Установлены границы применения закономерностей квазистационарного режима в условиях монотонного нагрева. В частности, показано, что в зонах, далеких от фазовых превращений, в рамках этого режима допустимо двукратное изменение теплового потока на поверхности тела (плотности внутренних источников тепла или скорости разогрева-охлаждения) на каждые 300-700 К изменения температуры, при этом погрешности в использовании соотношений квазистационарного режима не превышают 1 % .

3.Разработан комплекс новых методов (более 10) для измерения ТФХ, позволяющих проводить исследования в режимах, близких к режимам эксплуатации материалов и обеспечивающих существенное повышение производительности и упрощение процесса измерений. При обосновании всех методов рассмотрены условия их реализации для различных групп материалов и

ч

диапазонов температур, принципиальные схемы теплоизмерительных устройств, требования к режиму испытаний и т.п.

4.Создан ряд автоматизированных высокопроизводительных приборв и установок для определения теплофизических характеристик практически всех технически важных материалов и тепломеров. Разработанные измерительные средства, ориентированные в основном на область низких температур, рассчитаны на использование ыикроЭВМ, обеспечивают проведение измерений с погрешностью 1,5-8 %, что, в соответствии с существующими поверочными схемами, позволяет отнести их к рабочим средствам. Приборы и установки используются на ряде предприятий России и стран СНГ, в значительной мере удовлетворяя потребность этих предприятий в информации о теплофизических свойствах веществ и при производстве тепломеров.

5.На основе методических разработок диссертационной работы при участии автора в ГСКБ теплофизического приборостроения созданы промышленные теплофизические приборы 2-го поколения ИТ-400М. Техническая документация на них передана на Актюбинский завод "Эталон" для организации промышленного производства.

6.Проведены исследования ТФХ ряда материалов, в том числе высокотемпературных сверхпроводников, медноникелевых сплавов, пластмасс, эффективных теплоизоляторов, стабильных сталей аустенитной структуры. Данные о теплофизических свойствах этих материалов переданы заинтересованным организациям и использованы при проектировании специальной теплообменной аппаратуры, криогенных электрических машин,' выборе вида тепловой изоляции хранилищ сжиженных газов и в строительстве.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Буравой С.Е., Кошаровский Г. Н., Платунов Е. С. Прибор для определения истинной теплоемкости веществ.//"Изв. вузов-Приборострое-ние".-1975.-Т.XVIII, Г 2.-С. 111-115.

2. Теплофизические свойства медно-никелевых сплавов в области температур 20-400 0С //С. Е. Буравой, Н.Ф. Зверяев, Г. Г. Лукина, В. Б. Ясюков. -Изв. АН СССР, "Металлы'-1977. -N 2.-С. 246-253.

3. A.C. N 609982' (СССР) Способ градуировки преобразователей теплового потока/С.Е. Буравой, Г.М. Миндлин, Б.Г. Начкебия.-Опубл. 5.06.78. - Бюл. Г 21.

4. Методы исследования теплопроводности и теплоемкости материалов холодильной техники/ Буравой С.Е., Карпов В. Г. .Соловьев В.И. и др.//"Исследование холодильных машин". Межв. сборник трудов. ЛТИ им.Ленсовета, -1978. -С. 99-115.

5. Принципы проектирования промышленных теплофизических приборов и обобщение импульсных методов измерения теплофизичесхих свойств / С.Е.Буравой, В.М.Козин, В.А. Рыков, и др.//Сб. Теплообмен VI". 6-я Всесоюзная конференция по тепломассообмену. "Методы экспериментальных исследований".-Киев, 1980. -С.132-140.

6. A.C. N 765712 (СССР) Устройство для измерения коэффициента теплопроводности электропроводных материалов /С.Е. Буравой, Н. В. Год-винская, В. Г. Карпов, Е.С. Платунов-0публ.23.09.80.-Бюл.г 35.

7. Буравой С.Е., Начкебия Б.Г., Платунов Е.С. Динамический метод градуировки тепломеров//Измерительная техника. -1980.-N 5.С.38-42.

8. Буравой С.Е.,Самолетов В. А. Экспрессный метод измерения теплой электропроводности металлов при низких температурах //Машины и аппараты холодильной, криогенной техники и кондиционирования воздуха. -Л.: ЛТИХП. 1981, - С. 129-134.

9. A.C. fr 873088 (СССР) Способ комплексного измерения теплофи-зических свойств веществ /С. Е. Буравой, Е.С. Платунов. В. А. Рыков, В. Г. Карпов. - Опубл.л 15.10.81.- Бш. fr 38.

10. A.C. Гг 911276 (СССР) Способ комплексного измерения теплофи-зических свойств твердых материалов /С.Е. Буравой. Е.С. Платунов. В.А. Рыков. - Опубл. 7.03.82.- Бил. N° 9.

11. A.C. Гг 913198 (СССР) Способ комплексного определения тепло-физических свойств электропроводных материалов /С.Е. Буравой, Н.В. Васькова. В. Г. Карпов. - Опубл. 15.03.82. - Вол. IГ 10.

12. Буравой С.Е.,• Самолетов В.А. Особенности учета теплообмена в динамическом методе Кольрауша //Исследование и интенсификация машин и аппаратов холодильной, криогенной техники и кондиционирования воздуха. - Л.: ЛТИХП, 1982.- С. 141-143.

13. A.C. 1Г 913199 (СССР) Способ определения тепло- и электропроводности электропроводных материалов /С. Б. Буравой, В.А., .Самолетов Н.В., Н.В. Васькова, Е.С.Платунов.- Опубл. 15.03.82.-Бюл. № 10.

14. Буравой С.Е., Платунов Е. С., Самолетов В.А. Динамический метод измерения тепло- и электропроводности металлов и сплавов //Пром. теплотехника. - 1983. - Т. 5, (Г 5. - С. 102-105.

15. A.C. N 1073665 (СССР) Устройство для измерения коэффициентов теплопроводности и электропроводности электропроводных материалов /С.Е. Буравой, В.А.Самолетов, В.Б.Ясюков и др.-Опубл. 15.02.84.-Бюл.№ 6.

16. A.C. fr 1096548 (СССР) Способ определения тепло и электропроводности электропроводных материалов,,/В.А. Самолетов, С.Е. Буравой, Г.С.Петров. - Опубл. 7.06.84.- Бюл. № 21.

17. Буравой С.Е. Оценка влияния температурных зависимостей тепло-физических свойств на точность их измерения при криогенных температурах //"Метрологическое обеспечение теплофизических измерений пои низких температурах". ' Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции. - Хабаровск, ХЦНТИ - 1985. С. 3.

18. Буравой С.Е. Богомазов Е.А. Петров Г.С. Нестационарный метод измерения теплопроводности твердых тел при температурах 4,2-20 К. //"Процессы и аппараты криогенной технологии и кондиционирования" "Межвузовский сборник научных трудов".-Л.- ЛТИ им.Ленсовета,-1985. —С. 93—96.

19. Теплофизические измерения и приборы./ Е.С. Платунов, С.Е.Буравой, В.В. Курепин, Г.С. Петров - Л.: Машиностроение, 1986.- 256 с.

20. Буравой С.Е. Теплофизические измерения при комбинированных тепловых воздействиях //"Интенсификация производства и применение искусственного холода". - Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции - Ленинград, ЛТИХП, 1986. - С. 36-37.

21. Буравой С.Е. Теплофизические измерения в холодильной и криогенной технике //"Методы и средства теплофизических измерений" - Всесоюзная научно - практическая конференция. Тезисы докладов. Ч. 1. -Севастополь, 17-19 сентября, 1987. - С. 13.

22. Буравой С. Е.. Начкебия Б. Г.. Наумов М. В. Нестационарные методы и средства для градуировки тепломеров //"Методы и средства теплофизических измерений". Всес. научно-техническая конф. Тез.докл. - Севастополь. - 1987. - С. 219-220.

23. Буравой С.Е. Нефедов К.В. Самолетов В.А. Методы и средства измерения теплофизических свойств веществ при низких температурах в режиме управляемого охлаждения-нагрева 7/ IV Всес. научно-техническая конференция по криогенной технике - Москва, 1987г. с.14.

24. Буравой С. Е.. Олейник Б. Н. Современное состояние и проблемы метрологического обеспечения теплофизических измерений //Измерительная техника. - 1987. - № 5. - С. 28-30.

25. Измерение теплофизических свойств веществ в области низких и криогенных температур- при комбинированных тепловых воздействиях. /С. Е. Буравой, В. А. Самолетов, К. В. Нефедов, Е.О. Шабанова//1У Всес. научно-техническая конференция по криогенной технике (Криогени-ка-87)-Москва, 1987.

26. A.C. Г 1392475 (СССР) Способ определения теплопроводности материалов /С.Е. Буравой, Е.Я. Литовский, A.B. Климович, К.В. Нефедов, - Опубл. 30.04.88. - Бюл. Г 16.

27. Буравой С.Е. Методы и средства измерения теплофизических свойств твердых тел при низких температурах //"Новейшие исследования в области теплофизических свойств". Материалы 9-ой Всесоюзной теплофизи-ческой школы - Тамбов, 1988. - С. 33-40.

28. Буравой С.Е. Измерение теплофизических свойств при комбинированных тепловых воздействиях // "Метрологическое обеспечение теплофизических измерений при низких температурах". Тезисы докладов Всесоюзной конф. - Хабаровск, ХЦНТИ -1988. - С. 44.

29. Комплектная теплофизическая лаборатория для исследования свойств твердых тел при низких температурах/ С.Е. Буравой, Е. А. Богомазов, В. А. Самолетов, Е, 0, Шабанова //"Теплофизические свойства веществ". Восьмая всесоюзная конф. Тез. докл.- Новосибирск 1988. -С.208-209.

30. Буравой С.Е., Богомазов Е.А., Самолетов В.А. Измерение теплоемкости при криогенных температурах в режиме нагрева - охлаждения // "Изв. вузов - Приборостроение" 1988. - Т. 31, fr 12. - С. 74-78.

31. Буравой С.Е., Самолетов В.А. Установка для измерения теплофизических свойств электропроводных материалов при низких температурах //Пром. теплотехника, - 1988.- Т. 10. N 4.- С. 92-96.

32. A.C. Г 1485102 (СССР) Устройство для градуировки преобразователей теплового потока /С.Е. Буравой. М.в. Наумов, К.В. Нефедов, В. Б. Ясюков. - Опубл. 7.06.89. - Бюл. Г-21.

33. Буравой С. Е., Начкебия Б.Г., Наумов М.В. Нестационарный метод определения коэффициента преобразования и проводимости тепломеров //Пром. теплотехника. - 1989. - 1г 3. - С. 89-92.

34. Буравой С.Е., Нефедов К. В., Самолетов В.А. Метод и установка для измерения теплопроводности в режиме управляемого охлаждения-нагрева // "Изв. вузов - Приборостроение" - 1989. - Т.32. № 4. - С. 93-96.

35. Теплопроводность и электрическое сопротивление высокотемпературных сверхпроводников/ Буравой С.Е. Харитонов Е.В. Таллерчик Б.А. Самолетов В.А. Нефедов К.в.// "Сверхпроводимость:химия, физика,техника."- -1989.-т. 2, Г 5. С. 32-36.

36. A.C. N 1561052 (СССР) Способ измерения теплопррводности/С.Е. Буравой, К. В. Нефедов, В.М. Козин. -Опубл. 16.02.90. -Бюл. N16.

37. Буравой С.Е. Общие вопросы теплофизических измерений при комбинированных тепловых воздействиях // "Теплофизика релаксирующих систем". X Всесоюзная теплофизическая школа. Тезисы докладов.- Тамбов, 1990.-С. 15.

38. Автоматизированные теплофизические приборы серии ИТ-400М нового поколения// С.Е. Буравой, В.М.Козин. Ю.И.Яновский, В.Б. Ясюков -"Теплофизика релаксирующих систем". X Всесоюзная теплофизическая школа. Тез. докл. - Тамбов, 1990. ^С. 88-89.

39. Буравой С.Е.. Самолетов В. А., Федорова 0.А. Теплофизические свойства сталей аустенитной структуры при низких температурах -//Прочность и разрушение сталей при низких температурах.Тематический сборник трудов ЛТИХП - М.: Металлургия, -1990. - С.208-211.

40. A.C. fr 1627948 (СССР) Устройство для измерения теплопроводности /С.Е. Буравой,- В.М. Козин, Е.С. Платунов.и др. - Опубл. 15.02.91. - Бюл Г 6.

41. A.C. № 1635098 (СССР) Устройство для измерения теплофизичес-ких свойств /С.Е. Буравой, В. В. Курепин. К. В. Нефедов. В. А. Самолетов. - Опубл. 15.03.91. - Бюл. N 10.

42. Буравой С.Е. Богомазов Е.А. Самолетов В.А. Автоматизированная установка для измерения теплопроводности твердых тел при температурах (4,2-40) К//"Изв. вузов-Приборостроение".-1991.-Т.34, Г4.-С.93-97.

43. Установка для измерения теплопроводности теплоизоляторов // С.Е. Буравой, В. В.Курепин, К. В. Нефедов. В.А. Самолетов - "Изв. вузов-Приборостроение" - 1991. - Т. XXXIV, Г 6. - С. 100-105.

44. Буравой С.Е., Шабанова Е.0. Температурное поле и границы применения закономерностей квазистационарного режима при несимметричном монотонном разогреве пластины /Деп. в ВИНИТИ 14.06.91, N 2500-В91

45. Эксплуатация и восстановление теплоизоляционных конструкций холодильников /U.U. Голянд. В.П. Малышев, Б.Н.Малеванный, С.Е. Буравой и др. - М. Агропромиздат, 1991. - 240 с.

46.Автоматизированный цифровой измеритель теплопроводности листовых материалов./Буравой С.Е., Самолетов В.А., Платунов Е. С. и др. Сб. научных трудов "Теплофизические свойства холодильных агентов и процессы тепло-массопереноса". -1995г., СПбГАХПТ-с.32-37.

Подписано к печати 25.01.96, Формат 60x84 1/16. Бум. газетная. Печать офсетная. Печ.л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 29.

Малое предприятие "ТеплоКон" Санкт-Петербургской государственной академии холода и пищевых технологий. 191002, Санкт-Петербург, ул.Ломоносова, 9