Способ определения теплофизических характеристик материала под давлением

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!9) ((() (s()s 6 01 и 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ мйю-йиюм

5 и%4ВЭтейА

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3314930/25 (22) 10.07.81 (46) 07.10,91. Бюл. М 37 (71) Институт физики высоких давлений АН

СССР (72) Л.Н.Джавадов и Ю.А.Сорокин (53) 536.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 667829, кл. 01 К 17/00, 1976.

LN.Ozhovadov "Measurement of thermo physical

propertus underpressure" HighTemperatures High

Pressures. 1975. v7,,49-54. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧ ЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКМАТЕРИАЛА ПОД ДАВЛЕНИЕМ, состоящий в том, что собирают пакет из нескольких пластин, поддерживаю температуру наружных поверхностей пакета постоянной, импульсно подводят тепговой поток к поверхности исИзобретение относится к области тепловых импытаний, а именно к области исследования теплофизических характеристик материалов под давлением.

Известен способ определения теплофизических характеристик материала, состоящий в том, что две пластины исследуемого материала заключают между двумя пластинами с заведомо отличающимися от исследуемого материала теплофизическими характеристиками, подводят постоянный во времени тепловой поток к плоскости контакта исследуемых образцов и регистрируют изменение во времени температуры в этой плоскости. следуемой пластины и регистрируют изменение во времени температуры противоположной поверхности той же пластины, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширенйя температурного интервала исследования, пакет собирают симметричным из двух исследуемых пластин и двух прилегающих к ним снаружи вспомогательных пластин, подводят постоянные во времени и равные между собой тепловые потоки к поверхностям контакта исследуемых и вспомогательных пластин, измеряют установившиеся значения тепловых потоков и температур, затем импульсно подводят тепловой поток к одной из поверхностей контакта исследуемых и вспомогательных пластин, измеряют изменение тепловых потоков и температур и по измеренным параметрам определяют теплофизические характеристики, Недостатком способа является непра- 0 вомочность использования его при наложении внешнего сжимающего усилия, (Л поскольку при наложении давленйя изменяются значения теплофизических свойств (в первую очередь коэффициента теплопроводности) внешних пластин, в теории же способа зти свойства полагаются известными.

aessah

Ближайшим техническим решением является способ определения теплофизических характеристик материала под давлением, состоящий в том, что собирают пакет из нескольких пластин, поддерживают температуру наружных поверхностей пакета постоянной, импульсно подводят тепловой поток к поверхности исследуемой пластины и регистрируют изменение во Времени температуры противоположной поверхности той же пластины.

НедОстзтком спосОба ЯвлЯется ОГрзни ченность температурного интервала исследования, связанная с необходимостью предВарительнОГО термостатирования Всбго пакета при температуре стенок испытательной KSM8pbl высОкОГО даВления.

Целью предложения является расширение температурноГО интердалз исследова

НИЯ.

Цель достигается тем., что в способе оАределения теппофизических характеристик материала под давлением, состоящем в том, что собирают пакет из нескольких пластин, поддерживают температуру на нару»кных поверхностях пакета постоянной, импульсно подводят тепловой поток к поверхности исследуемой пластины и регистрируют изменение во времени температуры противоположной поверхности той же пластины, пакет собирают симметричным из двух исследуемых пластин и двух прилегающих. к ним снаружи вспомогательных пластин подводят постоянные во времени и равные между собой тепловые потоки к поверхностям контакта исследуемых и вспомогательных пластин, регистриру,от

УСТЗНОВИВШИЕСЯ ЗНЗЧЕНИЯ Т8ПЛОВЫХ ПОТОков и температур, затем импульсно подводят тепловой пото". к одной из поверхностей контакта исследуемых и вспомогательных пластин.

Способ Осущес Гвлпется посредством устройства, схематически показанного на чертеже.

YcTpoAcTÂo содержит камеру ВысОкОГО давления 1, пакет пластин:. ., плоские нагреватели 3, измеритель те.:!. )8p8òä. 4, (lTocoo Осуш„ -;ствпяю следующим разом.

В камеру высокоГО Давления 1 пОмещз"

loT пакет 2 из двух исследуемых пластин (в центре пакета) и дву:: вспомогательных пластин (снару.;-:и пакета). Сжимают пакет в камере высокого давления; а затем на нагреватели 3 подают постоянное напряжение, После установления в системе стационарного теплового режим регистрируют стационарные значения мощности наГОевателей и стационарные значения перепадов температур по толщине вспомогательных пластин, Следующий шзГ экспериментальнОй процедуры — импульсное подведение дополнительной мощности к Одному из нагревателей. Соответствующее температурное возмущение регистрируется в плоскости стыка исследуемых Образцов.

Для определения теплофизических характеристик исследуемой пластины необхо5 димо измерить интервал времени ме ду началом импульса и моментом достижения максимальной температуры t, также максимальное значение избыточной температуры Ь Т, Кроме того, необходимо знать

10 толщину образца, длительность и мощность импульса, а также теплофизические харак" теристики вспомогательных пластин, расположенных с Внешних сторон нагревателей, Распространение тепла в каждой пластине

15 описывается нелинейным уравнением теплопроводности

2О

ГД6 t ВР8мЯ;

Т температура, А Щ- коэффициент теплопроводности;

С вЂ” удельная объемная теппоемкость

25 В предположении, что зависимость теппопроводности от температуры вспомогательных ппастйн имеет вид

А (Г)=- it) +kT, (2)

Где А» — постоянные коэффициента, из решения стационарного уравнения теплопроводности получено начальное распределение температуры во вспомогательных пластинах

x(x) =- — „+ ,4

+" — +- (-"(.т + " )+(1-")(т + "

r. z " 2 и выражение, связывающее мощность нагревателей и перепад температуры в стаци4О онарном режиме юг А», — — 1 с — T l ) +

2l

4б где W — мощность, выделяющаяся на каждом нагревателе в стационарном режиме;

To — температура внешней поверхности пакета;

Т1 — температура в центре пакета;

60 . 1- толщина вспомогательной пластины;

Ь вЂ” площадь нагревателя.

Значения коэффициентов Яо, k, используемые в формуле (3), определялись по экспериментальной зависимости перепада бб температур на пластинах от величины мощности на нагревателях в стационарном ре>киме из выражения (4), Решение уравнения теплопроводности

Щ Дпй РССЛОДУОМОЙ ЙЛЙСТИИН, ПОЛУЧВННО9

1069527 численным методом, при данном начальном распределении температуры (3) во вспомогательной пластине определяет зависимость от времени избыточной температуры, вызванной тепловым импульсом. Из сопо- 5 ставления экспериментальной зависимости и серии расчетных кривых выбирается расчетная кривая, наиболее близкая к экспериментальной. Теплофизические параметры этой расчетной кривой характеризуют свой- 10 ства исследуемой пластины.

В случае, если пакет собран из пластин с одинаковыми теплофизическими характеристиками со слабой зависимостью от температуры, для определения температу- 15 ропроводности можно воспользоваться формулами, полученными из аналитического решения уравнения теплопроворности где а — темпергтуропроводность;

d — расстояние между нагревателем и термопарой; л- 3,14;

Ь вЂ” коэффициент, определяемый из уравнения

3tm 1 е — 1

- In е "— 1 где t — интервал времени от начала импульса до момента достижения максимальной температуры в плоскости термопары; т — длительность импульса.

Сравнивание результатов, полученных из аналитического и численного решений, показывает, что при различии между вели-. 40 чинами теплопроводности внешних и центральной пластин, в 10 Д, погрешность определения температуропроводности по аналитическим формулам составляет 37.

Пример 1. Образец из двух пластин 45 парафина толщиной по 1 мм и диаметром по

12 мм и двух пластин катлинита толщиной по 1,5 мм и диаметром по 12 мм помещают в камерутак, что пластины парафина расположены между пластинами катлинита. Два 50 нагревателя в виде плоской спирали из ман-. ганина диаметром 0,07 мм располагают между пластинами катлинита и парафина.

Хромель-алюминиевую термопару диамЬтром 0,05 мм размещают между пластинами парафина. Репер давления из висмута помещают на поверхность пластины катлинита, соприкасающейся с внутренней поверхностью камеры, и изолируют пластинкой слюды толщиной 0,03 мм. Образец сжимают до давления 25 кбар, которое измеряют с помощью репера и по сопротивлению манганинового нагревателя между реперными точками, Зафиксировав давление, измеряют толщину образца по расстоянию между плоскостями камеры. Для нагрева парафина до 30 С подают на нагреватели постоянное напряжение и измеряют мощность, выделяющуюся на нагревателях, затем на один из нагревателей подают импульс тока длительностью 0,15 с и мощностью 40 вт, измеряют интервал времени t от начала импульса до момента достижения максимальной температуры и максимальное значение избыточной температуры b, Т в плоскости термопары. Увеличивают постоянное напряжение для нагрева до 40 С,. подают импульс тока и повторяют измерения. Таким образом, измерения проводят до температуры 310 С. При каждом значении температуры измеряют мощность постоянного тока на нагревателях W, интервал времени t и максимальное значение избыточной температуры ЛТ.

При 30 С W=3,6 вт, тпрр=0,58 сек; bT=0,60 С при 40 С ЧЧ=8,1 вт, оп =0,60 сек, AT=0,55 C нри310 СИ=112,0вт, t =1,71 сек, hT=0,10 С

При давлении 25 кбар толщина образца составляет 4,3 мм.

При каждом значении температуры, численно решая уравнение (1), находят теплопроводность и температуропроводность парафина.

Использование способа позволяет определять теплофизические характеристики материала под давлением в широком диапазоне температур как при высоком, так и при нормальном давлении.

Данный способ измерения теплофизических характеристик может быть использован в физических исследованиях, а также и ри определении температуропроводности и теплопроводности различных веществ при высоких давлениях и температурах, что необходимо для развития геофизики и создания новых технологических процессов.

1069527

Техред М.Моргентал Корректор Э, Лончакова

Редактор G. Юркова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 161

Заказ 4592 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская йаб., 4/5