23.1. Метод определения удельной теплоёмкости и коэффициента температуропроводности
Метод основан на использовании линейных участков временного изменения температуры в одномерной пластине, реализующихся при периодически вводимой в исследуемый образец мощности и регламентируется ГОСТ 25493-82 «Породы горные.
Метод определения удельной теплоёмкости и коэффициента температуропроводности». Измерения проводят в интервале температур 20-30°С при нормальных внешних условиях: относительная влажность воздуха 65%, температура окружающей среды 20°С, атмосферное давление 1013 гПа.В соответствии с ГОСТ 25493-82 удельную теплоёмкость и коэффициент температуропроводности определяют измерением скорости нагрева и временного запаздывания максимума (минимума) температуры на свободной поверхности образца относительно момента включения (выключения) вводимой в образец мощности.
Исследуемый образец должен быть выполнен в виде двух идентичных плоскопараллельных дисков диаметром от 40 до 50 мм и толщиной от 5 до 10 мм каждый. Подготовка образцов к исследованию состоит в их высушивании в термостате до постоянной массе при 100-110°С, охлаждении в эксикаторе, выдерживанию в воздушной среде влажностью 60% в течение 24 часов.
Блок-схема используемой установки приведена на рис. 23.1.
 |
Рисунок 23.1. Блок-схема установки для определения теплоёмкости и температуропроводности:
1 - исследуемый образец; 2 - нагреватель; 3 - прижимной винт; 4 -термопары;
5 - игольчатые держатели; 6 - миллиамперметр; 7 - вольтметр;
8 - электромагнитное реле; 9 - генератор; 10 - выпрямитель; 11 - реле;
12 - самописец электронный; 13 - усилитель; 14 - магазин сопротивлений;
15 - потенциометр; 16 - переключатель
Нагреватель должен быть изготовлен в виде плоской спирали из нихромовой проволоки диаметром 0,05 мм.
Диаметр нагревателя выбирают равным диаметру образца. Для этого в деревянное плато с диаметром, равным диаметру образца, на расстоянии 1 мм по окружности друг от друга вбивают тонкие иглы. Между ними по спирали протягивают нихромовый провод, скрепленный затем тонкой нитью. Когда данную конструкцию снимают с плато и помещают между образцами, вся система зажимается. При включении напряжения нить сгорает. Обеспечение надежного контакта термопары осуществляют по следующей технологической схеме: спай термопары расплющивают и плотно прижимают к поверхности образца, на место контакта наносят смазку из смеси мелкозернистого порошка окиси алюминия и силикатного клея и высушивают в сушильном шкафу в течение 2 часов.Плоский нагреватель помещают между двумя идентичными плоскопараллельными образцами. Для улучшения теплового контакта двух идентичных плоскопараллельных образцов и помещенного между ними нагревателя используют графитовый порошок. Измерительный комплект с нагревателем помещают в держатели, представляющие собой игольчатую треногу с зажимным винтовым устройством, что обеспечивает надежный тепловой контакт внутри системы "образец-нагреватель-образец".
Определение коэффициента температуропроводности и удельной теплоёмкости начинается с того, что в измерительную цепь подключается термопара, закрепленную на свободной поверхности верхнего образца. На нагреватель через выпрямитель подают определенную величину напряжения прямоугольной формы, которая задается коммутирующей цепью из генератора Г6-26 и электромагнитного реле РС-10. Сигнал термопары, закрепленной на верхнем образце, подается на потенциометр для компенсации ЭДС, соответствующей средней температуре образца. Периодический процесс колебания температуры вокруг среднего значения температуры образца считают установившимся, если средняя температура образца стала постоянной. После достижения установившегося процесса переменный сигнал от термопары через усилитель подаётся на электронный самописец.
Моменты включения и выключения мощности на нагревателе регистрируются на электронном самописце с помощью дополнительного электромагнитного реле, питание которого осуществляется коммутирующей цепью. Такое дополнение необходимо для нахождения временного запаздывания максимума (минимума) температуры свободной поверхности образца относительно моментов включения (выключения) вводимой в образец мощности. По показаниям вольтметра и миллиамперметра, включенных в цепь питания нагревателя, определяют величину мощности, выделяемой нагревателем. По величине мощности, выделяемой нагревателем, определяют величину мощности, вводимой в каждый из образцов: при условии идентичности исследуемых образцов она равна половине мощности, выделяемой нагревателем. Затем переключателем в измерительную цепь подключают нижнюю термопару и операции повторяют. В результате получают удвоенную информацию об амплитудах и фазах колебаний температур, что позволяет уменьшить случайную ошибку измерения за счёт возможной разной зернистости образцов путем усреднения результатов.Пример записи колебания температуры на противоположной от нагрева поверхности образца изображен на рис. 23.2.
Рисунок 23.2. Пример записи колебания температуры на противоположной от нагрева поверхности образца:
1, 2 - кривые изменения мощности, вводимой в образец; 3 - кривая колебания температуры на поверхности образца; 4 - средняя установившаяся температура образца
Коэффициент температуропроводности образцов (а) в м2/с вычисляют по формуле:
а = L2/6 ? (∆t – k), (23.3)
где L – толщина исследуемого образца, м;
∆t – время, прошедшее между выключениями (включениями) мощности нагревателя и достижения максимума (минимума) температуры на поверхности образца, с;
k – постоянная времени измерительной схемы, определяемая дополнительным экспериментом на эталоне; для предлагаемой установки k = 1,5 с.
Удельную теплоёмкость (Cр) в Дж/(кг ? К) вычисляют по формуле:
Cр = U ? I/4m ? b, (23.4)
где U – показания вольтметра, В;
I – показания миллиамперметра, А;
m – масса образца, кг;
b – скорость изменения температуры поверхности образца, определяемая как тангенс угла наклона a прямой темпа нагрева поверхности образца, К/с.
Среднюю температуру образца Тср, к которой относятся вычисленные значения коэффициента температуропроводности и удельной теплоёмкости Ср, определяют на шкале потенциометра по величине компенсационной ЭДС.
Погрешность определения коэффициента температуропроводности не превышает 6-7%, а удельной теплоёмкости – 4-6%.