Методы и средства комплексного измерения теплофизических характеристик композиционных и влагосодержащих материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Никитин, Андрей Алексеевич

• Никитин, Андрей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никитин, Андрей Алексеевич

Перечень сокращений и условных обозначений, символов и единиц измерений.

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы комплексных исследований теплофизических характеристик материалов.

1.1. Введение.

1.2. Методы начальной стадии.

1.3. Методы температурных волн.

1.4 Методы квазистационарного и монотонного режимов.

1.5. Методы комплексного определения ТФХ влагосодержащих материалов.

1.6. Выводы по главе.

Глава 2. Теория регулярных методов комплексного измерения теплофизических характеристик неметаллических материалов.

2.1. Физическая и тепловая модели метода.

2.2. Теоретическое обоснование метода.

2.3. Расчётные соотношения.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. Теоретические основы метода комплексного измерения нелинейных ТФХ в условиях монотонного нагрева образца.

3.1. Физическая и тепловая модели метода.

3.2. Математическая модель метода.

3.3. Расчётные соотношения.

3.4. Расчётные соотношения для измерения ТФХ влагосодержащих материалов.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Симметричный регулярный калориметр с нагревателем.

4.1. Требования к тепловой ячейке и измерительному оборудованию.

4.2. Описание лабораторной установки.

4.3. Градуировка регулярного симметричного калориметра.

4.4. Методика проведения эксперимента и обработки данных.

4.5. Результаты измерений и анализ погрешностей.

4.6. Выводы по главе.

Глава 5 Калориметрическая ячейка для комплексного определения

ТФХ в условиях монотонного разогрева.

5.1. Требования к тепловой ячейке и контрольно-измерительному оборудованию.

5.2. Лабораторная установка.

5.3. Градуировка калориметрической ячейки.

5.4. Методика проведения эксперимента и обработки данных.

5.4.1. Методика проведения эксперимента и обработка экспериментальных данных с образцами из твёрдых материалов.

5.4.2. Методика проведения эксперимента и обработки данных с пищевыми продуктами и влагосодержащими материалами.

5.5. Результаты измерений и анализ погрешностей.

5.5.1. Результаты измерений ТФХ твёрдых образцов.

5.5.2. Результаты измерений ТФХ пищевых продуктов и влагосодер-жащих материалов.

5.5.3. Анализ погрешности измерений.

5.6 Выводы по главе.

Основные положения и результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 микро- и макрофизической структуры реальных тел, поэтому основным источником достоверной информации о них остаётся эксперимент.

В настоящее время известно большое количество установок и приборов для определения ТФХ, однако среди них практически нет таких, которые позволяют проводить комплексные измерения в одном опыте на одном образце в условиях максимально приближенных к реальным технологическим процессам. Все созданные ранее приборы лабораторного типа не отвечают современным требованиям науки и техники, в первую очередь, по комплексности и точности измерений. Поэтому создание новых автоматизированных установок, позволяющих измерять все три ТФХ в одном опыте и на одном образце, остаётся актуальной проблемой.

Целью настоящей работы является разработка методов и средств комплексного измерения ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в условиях регулярного и монотонного режимов.

Для достижения поставленной цели пришлось решить ряд задач:

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 температуры; динамический метод монотонного режима для исследования температурных зависимостей ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в области температур (- 30.50 °С).

Достоверность, полученных результатов, достигалась: калибровкой созданных автоматизированных установок по образцовым материалам; сравнением собственных опытных данных с известными данными, которые были получены ранее; проверкой полученных экспериментальных данных на воспроизводимость.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) разработан и теоретически обоснован экспрессный метод независимого определения в одном опыте и на одном образце теплофизических характеристик композиционных материалов в области комнатной температуры;

2) разработан и теоретически обоснован динамический экспресс-метод комплексного исследования температурных зависимостей ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в области температур (-30.50) °С.

Практические результаты: создана экспериментальная установка, снабжённая современной электронно-измерительной аппаратурой, обеспечивающая комплексное измерение ТФХ материалов при фиксированной температуре (например, при комнатной); создана лабораторная установка, снабжённая современной электронно-измерительной аппаратурой, обеспечивающая исследование комплекса температурных зависимостей ТФХ композиционных и влагосодержащих материалов в широком диапазоне температур; получены температурные зависимости ТФХ ряда композиционных и влагосодержащих материалов, в том числе и пищевых продуктов в диапазоне температур (-30.50) °С.

Вклад автора: получение расчётных соотношений для определения теп-лофизических характеристик материалов на базе математических моделей рассматриваемых методов; анализ температурных полей в основных элементах те-плоизмерительных ячеек; проектирование и изготовление теплоизмерительных ячеек; градуировка созданных лабораторных установок; разработка методик проведения экспериментов; разработка алгоритмов и программ обработки экспериментальных данных.

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