Способ измерения коэффициента теплопроводности

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, состоящий в создании перепада температур на плоском образце за счет его теплового контакта с двумя средами разной температуры , измерении в квазистационарной стадии опыта перепада температур на образце и скорости изменения температуры одной из поверхностей образца, отличающийс я тем, что, с целью повышения точ-. ности измерений, на верхней поверхности образца В1еделяют и измеряют мощность, обеспечивающую нулевую разность температур между ею и контактирующей с ней средой,, дополнительно измеряют скорость изменения температуры на нижней поверхности образца и рассчитывают искомый коэффициент по соотношению LQtChb,tai6c

СОЮЗ, СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(51) С 01 N 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ ТИЙ (2t) 3661943/24-25 (22) 21.11.83 (46) 07,07.85. Бюл. Ф 25 (.72) В.В. Курепин, Е.С. Платунов, Н.В. Нименский, Ю.А. Куфаев. и Ю.В. Леночкин (71) Ленинградский ордена Трудовогб

Красного Знамени технологический институт холодильной промышленности (53) 536.02(088.8) (56) 1. Геращенко О..А. Основы теплометрии. Киев: "Наукова думка", 1971, с. 154.

2. Курепин В.В. и др. Промышленные теплофизические приборы первого поколения. — ".Промышленная теплотехника", 1981 т.. 3, 9 11 с. 29-34 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, состоящий в создании перепада температур на плосI ком образце за счет его теплового контакта с двумя средами разной температуры, измерении в квазистационарной стадии опыта перепада темÄÄSUÄÄ 11 5958 А ператур на образце и.скорости изменения температуры одной из поверхностей образца, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, на верхней поверхности образца выделяют и измеряют мощность, обеспечивающую нулевую разность темйератур между ею и контактирующей с ней средой,, дополнительно измеряют скорость изменения температуры на нижней поверхности образца и рассчитывают искомый коэф. фициент % по соотношению (0 <),Ъ, Шбс(2Ъ,- Ъ )) h . 5 М т где Q — выделяемая .мощность;

С, С вЂ” теплоемкости нагревателя и образца;

Ь,1, Ь вЂ” скорости изменения температур нижней и верхней поверхностей образца;

$, h — площадь поверхности образца и его толщина;

v — перепад температур на образце.

1165958

Изобретение относится к области тепловых испытаний, а именно к области исследования теплофиэических свойств веществ.

Известен способ измерения тепло- 5 проводности, согласно которому образец помещают между основанием с теп,ломером и нагревательным блоком.

Включают нагреватель, и после уста1Î

1íîâëåíèÿ стационарного состояния измеряют перепады температуры на образце, тепломере и рассчитывают теплопроводность Щ .

Недостатком данного способа является большая длительность установления стационарного режима в упомянутой системе тел (-30-50 мин.), большая погрешность измерения теплового потока за счет того, что тепломер предварительно градуируется по образцовым мерам (с погрешностью ке менее 37), либо на специальной установке с погрешностью 1,5-2Х.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ измерения теплопроводности образца, состоящий в создании перепада температур на плоском образце за счет

- его теплового контакта с двумя средами разной температуры, измерении в квазистационарной стадии опыта перепада температур на образце и скорости изменения температуры одной из поверхностей образца. Измерение теплового потока осуществляется 55 тепломером, контактирующим с одной из поверхностей образца $2).

Недостатком известного способа является значительная погрешность измерений за счет погрешности rpa- 40 дуировки тепломера. Обычно он градуируется по образцовым мерам с погрешностью не менее ЗЖ. Кроме того, источником погрешности является несимметричность расположения 45 образца относительно сред, обеспечивающих протекание через него теплового потока. Эта несимметричность обусловлена наличием в тепловой схеме пластинки тепломера. 5О

Цель изобретения — повьппение точнбсти измерения.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения теплопроводности, состоящему в созда- 55 нии перепада температур на плоском образце за счет его теплового контакта с двумя средами разной температуры, измерении в квазистационарной стадии опыта перепада температур на образце и скорости изменения температуры одной иэ поверхностей образца, на верхней поверхности образца выделяют и измеряют мощность, обеспечивающую нулевую разность температур между ею н контактирующей с ней средой, дополнительно измеряют скорость изменения температуры на нижней поверхности образца и рассчитывают искомый коэффициент % по соотношению где (—

CN9 выделяемая мощность; теплоемкости нагревателя и образца; скорости изменения температур нижней и верхней по- . верхностей образца; площадь поперечного сечения и толщина образца; перепад температуры на образце.

Ь,, Ь,—

На чертеже изображено устройство, иллюстрирующее предлагаемый способ.

Оно состоит иэ двух массивных ме-. таллических блоков 1 и 2. В верхнем блоке 1 установлена контактная пластинка 3 с нагревателем 4, которая крепится к блоку с помощью металлических трубочек 5. В пластинке 3 смонтирована первая термопара .6, в нижнем блоке вторая термопара 7, в пластинке и контактной поверхности нижнего блока монтируются спаи дифференциальной термопары 8, а между пластинкой и верхним блоком монтируются спаи термобатареи.9, которая подключается к системе 10 автоматического регулирования температуры (CAPT) выход которой подсоединен к нагревателю пластинки. На боковые. поверхности блоков навинчены охранные кольца 11 и 12, высота которых подбирается равной половине высоты образца.

Устройство работает. следующим образом.

Разогревают верхний блок относительно нижнего на 7-10 К и помещают образец между нижним блоком и контактной пластинкой верхнего блока.

CAPT поддерживают нулевой перепад между пластинкой и верхним блоком.

После установления кваэистационар1165958 ного режима в системе блоки-образец температура верхнего блока уменьшается, а нижнего — увеличивается со скоростями b2 и b1 соответственно.

Расчетная формула (1) получена из решения уравнения теплопроводности (г)

3 < а". = а

10 при следуюших граничных и начальных условиях

t(o," =1,ib,i;

4(n, 1=(,-ъ, 1(х.о) =t,. (3) 15

Тепловая проводимость между пластинкой и блоком при зазоре 1=5 мм, диаметрах трубочек d1=0,7 мм, d =

0,5 мм, общем количестве трубочек и 8 тенлопроводности трубочек и воздуха Э р =16. Вт/(м К), I

Выбор верхнего блока более горячим, чем нижний, а также установка нагревателя в верхнем блоке обеспечивают сведение к минимуму теплообмена за счет естественной конвекции.

Тепловой поток, поступающий в образец, измеряется по электрической мощности, выделяемой в пластинке, в то время как согласно известному способу поток измерялся тепломером.

Точность измерения теплового потока, проходящего через образец, в предла1 30 . гаемом способе определяется лишь инструментальными погрешностями измерения тока, сопротивления (или напряжейия), которые для цифровых прибо ров составляют. менее О, 1Х. Погрешность в измерении теплового потока 35 . эа счет возможной неадиабатичности между пластинкой и верхним блоком не превышает 0,05-0,1Х.

Например, для образца с Ж

В /(,K), 2 40 ,перепаде температуры v = 10 К чеоер рез образец проходит поток 6 ° 10 Вт.

= 0,03 Вт(м К), диаметре пластинки

d 20 мм — составляет 5 ° 10 Вт/К.

При восьмиспайной термобатарее и точности регулятора О, 1 К, между пластинкой и блоком можно поддерживать перепад температуры с погрешностью v 0,01 К. В этом случае.относительная погрешность измерения теплового потока составит О, 1Х т.е. гораздо меньше, чем согласно известному способу.

Кроме того, изобретение позволяет уменьшить погрешность за счет бокового теплообмена образца, поскольку разности температур блоков и среднеповерхностной температуры боковой поверхности образца равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому приток тепла к боковой поверхности образца от нагретого верхнего блока полностью компенсируется оттоком того же потока к нижнему холодному блоку. Численный расчет на ЭВМ показал, что при симметричных условиях бокового теплообмена погрешность измерения теплопровод- . ности может быть снижена до 0,5Х и менее, т.е. в 3-5 раз по сравнению со схемой, где вследствие применения тепломера условия симметричности не соблюдаются.

- Таким образом, погрешность измерения теплового потока в предложенном способе не будет превьппать 0,5-1Х. В базовом приборе ИТЭМ-1 (2) погрешность составляет 8-10Х. Кроме того, отпадает необходимость в проведении очень трудоемкой операции по градуировке тепломера по образцовым мерам, что особенно важно для промьппленных приборов, выпускаемых серийно, и непосредственно связано с экономическим эффектом в процессе изготовления и эксплуатации приборов.

Способ может найти применение при массовых испытаниях материалов, особенно при температурах, близких температурам окружающей среды.

1165958!

3aaas 4302/36 Тираж 897

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб;, д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Вертоградский

Редактор С. Патрушева Техред Т.Маточка Корректор А. Обручар