Методы и средства комплексного измерения теплофизических характеристик композиционных и влагосодержащих материалов

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 микрои 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:

1) разработать и теоретически обосновать регулярный метод, позволяющий комплексно измерять ТФХ при фиксированных значениях температур;

2) разработать и теоретически обосновать метод монотонного разогрева образца для комплексного определения температурных зависимостей ТФХ в диапазоне температур (-30.50) °С;

3) создать две теплоизмерительные ячейки, обеспечивающие определение ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов, в том числе и пищевых продуктов в условиях вышеуказанных режимов;

4) снабдить теплоизмерительные ячейки современными системами автоматизации измерительного процесса, позволяющими автономно определять комплекс ТФХ исследуемых материалов;

5) 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 температурыдинамический 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 материаламсравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены ранеепроверкой 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 температурполучены 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 методованализ температурных полей в основных элементах те-плоизмерительных ячеекпроектирование и изготовление теплоизмерительных ячеекградуировка созданных лабораторных установокразработка методик проведения экспериментовразработка алгоритмов и программ обработки экспериментальных данных.

Апробация работы и публикации. Основное содержание диссертации доложено на следующих конференциях: 1) ХХУНН-ХХХ1 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.