Теория рассматриваемого вопроса. Для определения теплофизических величин твёрдых тел используется частный случай нестационарной теплопроводности – теория регулярного режима
Для определения теплофизических величин твёрдых тел используется частный случай нестационарной теплопроводности – теория регулярного режима. Если температурное поле в теле меняется во времени, то тепловые процессы, протекающие в таких условиях, называются нестационарными. Эти процессы часто встречаются в технике (охлаждение металлических заготовок, прокаливание твёрдых тел, при обжиге кирпича, при нагревании дерева и т.п.). Передачу теплоты при нестационарном режиме можно определить, если известен закон изменения температурного поля и теплового потока во времени и пространстве: t = f (x, y, z, где x, y, z – координаты точки,
Указанные зависимости могут быть найдены из решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье:
с использованием граничных и временных условий. Величину а называют коэффициентом температуропроводности. Коэффициент температуропроводности является основным тепловым параметром процессов нестационарной теплопроводности. При неустановившемся во времени режиме теплообмена наряду с коэффициентом теплопроводности
a = Зависимость (7.2) показывает, что коэффициент температуропроводности характеризует соотношение между двумя тепловыми свойствами тела: способностью проводить тепло ( Для оценки теплоизоляционных свойств материалов, работающих в нестационарном тепловом режиме, не достаточно знания только коэффициента теплопроводности, как при стационарном режиме. Лучшие свойства теплоизоляционного материала характеризуются минимальным значением коэффициента температуропроводности и максимальной теплоёмкостью. Коэффициенты a, Зависимость теплофизических свойств веществ от большого количества связанных друг с другом факторов делают эксперимент практически единственным источником получения данных для определения этих свойств. Для экспериментального определения коэффициента температуропровод-ности теплоизоляционных и строительных материалов используется регулярный режим нестационарного процесса их охлаждения. Если рассмотреть охлаждение однородного, изотропного тела произвольной формы в среде с постоянной температурой и постоянным коэффициентом теплоотдачи, а также с высокой теплопроводностью окружающей среды, то весь процесс можно разделить на два периода. Начальный период охлаждения является неупорядоченным (основную роль играют начальные условия охлаждения). В последующей основной стадии процесса теплопроводности изменение температуры во времени приобретает упорядоченный характер, и этот период называют регулярным режимом. Основное влияние на процесс здесь оказывают физические свойства тела, его формы, размеры и условия охлаждения на поверхности тела. Таким образом, регулярным тепловым режимом является такой нестационарный режим, при котором относительная скорость изменения избыточной температуры m = – где m – темп охлаждения;
t – температура в какой-либо точке; t Если в процессе охлаждения внутри тела взять какую-либо точку, замерить в этой точке температуру и графически представить в координатах ln (рис. 7.1). Прямой участок 1-2 на этой линии соответствует регулярному режиму, а тангенс угла его наклона к оси m =
ln
ln
Рис. 7.1
В теории регулярного режима [6] доказано, что для сыпучих и теплоизоляционных материалов с малой величиной коэффициента теплопроводности a = K Здесь K – коэффициент формы тела, который рассчитывается для исследуемого образца по известным его геометрической форме и размерам. Например, для цилиндра: K = где R – радиус цилиндра, м; l – длина цилиндра, м. Уравнение (7.6) используется как расчётное при опытном исследовании коэффициентов температуропроводности. Описанный способ определения коэффициента температуропроводности получил название метода регулярного режима. Таким образом, используя регулярный режим для тел с известным коэффициентом формы K, можно экспериментально определять темп охлаждения m и по формуле (7.6) вычислять коэффициент температуропроводности a.
|