Способ определения коэффициента температуропроводности частично прозрачных материалов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11)

ug 4 С 01 N 25/18. ф -,, Л р; >/

3@ggg=,.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3751054/24-25 (22) 12.06.84 (46) 07;04.86. Бюл. N- 13 (71) Гусевский филиал Государственного научно-исследовательского института стекла (72) В.Е.Тютюнник и О.А.Сергеев (53) 536.6(088 ° 8) (56) Битюков В.К., Петров В.А. Установка для измерения коэффициента теплопроводности твердых частично прозрачных для теплового излучения материалов. -Промьппленная теплотехника, 1982, т. 4, ¹ 1, с. 72-77.

Сергеев О.А., Шашков А.Г. ТеплоФизика оптических сред. — Минск: Наука и техника, 1983, с. 93 °

Елисеев В.Н. и др. Погрешности измерения температур термопарами в полупрозрачных материалах. -Гелиотехника, 1983, № 6, с ° 45-49.

Дигилина Г.А., Тарасов Б.В. Исследование влияния на поглощение в ближней ИК-области спектра сортовых стекол, окрашенных оксидами кобальта и хрома. — Физика и химия стекла, 1982, т. 8, № 6, с. 704-706.

Дигилина Г.А., Тарасов Б.В., Варшал Б.Г. Исследование влияния оксидов свинца на поглощение в ближней

ИК-области спектра сортовых стекол.—

Физика и химия стекла, 1985.

Rolling R.Е. Effect of Surface

rougness in the spectual and total

emittance of platinum. -Progress in

Aегоnantics and Astronantics, 1967, v. 20, № 7, р. 91-114.

Битюков В.К., Петров В.А., Степанов С.В. Теоретические основы бесконтактного метода определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов. — Теплофизика высоких температур, 1981, т. 19, № 4, с. 849-856.

Ф (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИ- Е

ЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ЧАСТИЧНО ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий линейный во времени нагрев одной из непрозрачных границ плоского слоя образца исследуемого материала и измерение температуры поверхностей образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, одновременно с линейным во времени нагревом одной из непрозрачных границ плоского слоя образца адиабатизируют другую непрозрачную границу образца, после чего опреде-, ляют искомую величину.

1 223108

10

20

Изобретение относится к теплофизическим измерениям частично прозрачных материалов, например стеклообразующих и кристаллизующихся расплавов, в частности к способу определения коэффициента температуропроводности частично прозрачных материалов, и может быть использовано в лазерной и космической технике, в различных устройствах преобразования энергии, в химической технологии при выращивании монокристаллов в стекольной промышленности

И Тед»

Цель изобретения — повышение точности определения коэффициента температуропроводности частично прозрачных для теплового излучения материалов.

Предлагаемый способ по сравнению с известным обладает тем преимуществом, что исключает необходимость измерения температурного перепада между непрозрачной границей и центром частично прозрачного материала, т.е. исключает систематическую погрешность измерения температуры внутри частично прозрачного материала, позволяя определить коэффициент температуропроводности по результатам измерения температуры лишь двух его непрозрачных границ, когда датчики температуры располагаются внутри непрозрачных граничных пластин, чем достигается повышенная по сравнению с известным точность определения температурного перепада на слое исследуемого материала, и следовательно, точность определения искомой величины.

На фиг. 1 показана схема рабочего участка установки для определения коэффициента температуропроводности

-предлагаемым способом; на фиг. 2— график зависимости перепада температуры на толщине образца в зависимости от времени, показывающей закономерность установления регулярного режима второго рода радиационно"кондуктивного переноса энергии (РКПЭ) в частично прозрачном образце в расматриваемых условиях.

На фиг. 1 обозначены образец 1 исследуемого материала (расплав в контейнере), корпус нагревателя 2; адиабатный нагреватель 3, адиабатная оболочка 4, термопары 5 и 6, размещенные в дне контейнера с расплавом.

55 термопары 7 и 8, размещенные в крышке контейнера с расплавом в адиабатной оболочке, нагреватель 9, задающий линейныйво временинагрев од.ной поверхности образца .

Пример. Определяют коэффициент температуропроводности расплава оптического стекла марки ТФ-5.

Образец диаметром 78 мм и толщиной

5,6 мм предварительно наплавляется в платиновом контейнере, имеющем дно в виде диска диаметром 77,9 и толщиной 1,9 мм, к образующей которого приварена цилиндрическая стенка из платиновой фольги толщиной 0,05 и высотой 8,6 мм. В дне контейнера имеются три радиальные отверстия диаметром 1,2 мм, предназначенные для размещения двух измерительных и одной регулировочной платинородий †платинородиевых ПП 30/6 термопар. Дно контейнера является горячей границей образца. Верхняя (холодная) граница образца образуется приводимой с ним в тепловой контакт платиновой крышкой контейнера диаметром 76 и толщиной

0,5 мм, по образующей которой приварена цилиндрическая платиновая стенка толщиной 0,05 и высотой 1,8 мм.

Толщина образца определяется погруженными в расплав тремя алундовыми опорами, выполненными в виде трубок с осевыми прорезями внутренним диаметром 4, толщиной стенки 0,2 и высотой 5,6 мм, оси которых расположены перпендикулярно плоскости дна контейнера, на удалении от оси контейнера с. радиусом 30 мм. К крышке контейнера со стороны, противоположной от образца, приварены контактной сваркой королек измерительной термопары и королек дифференциальной термопары. Второй спай этой дифференциальной термопары приварен к поверхности плоской части адиабатической оболочки, обращенной к образцу, представляющей собой платиновый диск диаметром 86 и толщиной

0,5 мм, к образующей которого приварена цилиндрическая боковая стенка из платиновой жести высотой 15 и толщиной 0,2 мм. Нагрев адиабатной оболочки выполняется адиабатным нагревателем, установленным над адиабатной оболочкой на трех алундовых опорах, Образец в платиновом контейнере помещается в водоохлаждаемую тепловую камеру с обеспечением непосредственного теплового контакта с нагре1223108

40 вателем, создающим линейный во времени нагрев горячей границы образца, над образцом на расстоянии 3,5 мм устанавливается адиабатическая оболочка, а над ней на расстоянии 2-3мм 5 адиабатизирующий холодную границу образца нагреватель.

Опыт проводят следующим образом.

Нагревают систему до температуры стеклования стекла ТФ-5 (которая для этого стекла равна 715 К) в режиме установления стадии регулярного режима второго рода РКТ; достижение которой с погрешностью не более 2Х определяют равенством нулю временной производной перепада температуры на полной толщине образца. Для этой цели, начиная с температуры стеклования стекла ТФ-5 (Т= 715 К),через равные интервалы времени измеряются 20 значения температуры горячей и холодной границ образца, когда на первой границе выполняется условие постоянства во времени скорости нагрева, а на второй условие адиабатизации. Из 25 приведенной временной зависимости перепада температуры на полной толщине образца V(H,Т), получен— ной экспериментально, видно, что через 10 мин после включения систем автоматики заканчивается иррегулярная стадия процесса РКПЭ.

Автоматика включается после того как образец с большой скоростью (больше 0,13 К/с) нагт>евается до

506 К. По окончании иррегулярной стадии на интервале 584-705 К в течение

15 мин устанавливается с незначительным отклонением регулярная стадия второго рода РКПЭ, которая прерывается на 6 мин вследствие резкого изменения теплофизических свойств в интервале стеклования и затем продолжается в интервале 750-1573 К. Эти экспериментальные данные доказывают, что в интервале 750-1573 К устанавливается регулярный режим РКПЭ вто-. рого рода, в котором V(H, ) уменьшается всего на 2,4X.. В процессе эксперимента измеряют скорость нагрева

Ъ(ь), температуры горячей (-Н, ) и холодной Т(Н, ) температур образца, толщина которого равна 2Н. Затем, учитывая оптические свойства исследуемого материала и ограничивающих

его поверхностей для полученных. экспериментальных данных, численно реша ется обратная задача РКПЭ.

Обратная задача теплопроводности

/ может быть сформулирована следующим образом.

Рассмотрим плоский слой нерассеивающего частично прозрачного материала толщиной 2 Н, заполняющего пространство между двумя оптически гладкими плоскопаралельными непрозрачными пластинами, имеющими идеальный тепловой контакт с расплавом.

Нагреватель, расположенный на границе Х = -Н, увеличивает температуру этой границы по линейному закону

Т(-Н, Г) =Т(-Н, О)+Ь(ф с постоянной скоростью (b = const) вследствие воздействия выделяемого им теплового потока в направлении оси Х, начало которой находится в центре слоя. Граница Х = Н адиабатизируется с помощью потока тепла, направленного от адиабатной оболочки противоположно оси Х и равного по величине потоку, приходящему на эту границу через слой. Пред" полагается, что известными являются температуры границ Х= -8, Т< и

Х = Н, Т, скорость нагрева границы

Х = -Н, Ь. Перепад температуры на слое в каждый момент времени значительно меньше абсолютной температуры отнесения Т, т.е. что (Т -Т„) с Т1 .

Это позволяет отнести оптические и теплофизические свойства слоя среды к одной температуре. Температурный перепад в граничных непрозрачных пластинах предполагается настолько незначительным по сравнению с перепадом на слое исследуемой среды, что их собственная температура принимается в качестве температуры границ слоя исследуемой среды.

Для получения расчетного соотношения удобно использовать уравнение энергии в следующем виде, записанное для переменной

V(x ) Т(х ) Т(Н 6)

Зх дх су У (u3p38

ЭМ(хЯ1 g(„) д". где Ь(С) — скорость нагрева границы

Х = -Н; а — коэффициент температуропроводности.

Граничные условия для уравнения энергии (1) имеют вид

1223108

v(-н, ) (2)

5 (3) Ое

V (Н, ) ЬТ; дЧ(Н 4 ) Л (4) л (-) (21 =(11 »0(2" (.,Р)1 х» 2„(т„„)} (6) Уравнение РКПЭ в рассматриваемой системе имеет следующий вид:

04Р н (ЕН «2»«-x )t — ) 20»о f Ц °

Q(g) 2 q 211

4еО

-н

C (-Н,Л)(2«Щ-Я«е(Н1) С, (, Л)(2»Д)(1) г,(-н)2 (-н)-г „12 (х) (р, (-н}30

-Р, («1)д е(Н)+(Рте(н)-Р е(х))2 е(н))х

Н вЂ” —, . »(Яе)Р(,;.12Л

-н л где йе (хл) (Ярх — ((ееехр(pele-f})x. х

35 ((л.а ((,Я вЂ” коэффициент отражения, +R, ехр(р,(Е»хх«Я))«Я, ехр(04(1»-x-R))x

Индексы соответствуют нагревателю

«R, я (ехр(-)fe(4»xx е\)техр(т (4» х я}Я ее (хололнльннку) 1(2) н спектРальной зависимости 9

fO л. (-)

Для нахождения I должно быть использовано уравнение переноса излучения в слое с граничными условиями (-1(-(0 Р

2 щне) Яхlz«»«200(т(«1)(x»,»x2» (х-„не) 20

„г ,,eI«)ef R1«» (1.»,,е)(ехр(-ре(н««1)т ((R*O

Rxe«p(ее(хН-х)));

2 ех(«1,} 2(e» (4 (х нхе)(е*р(ре(н-х)е

24=О

Я„"р(-}f,(ен. ))); л е(«1 } x)1»» е {2(44.(41(ехр(-ре(н х))

f1 =Î

-е«P(jfe(».«1))хн,ехР(-Р(нхх))«Я ехр(ле(нх))х

«е(хе 110«p(be(e»xõ))«нх,lR .1)exp

"(ее(1» «1)-II, 4 Rõ å (ехр(ре (ен хх)) т е р (-Я (4»- )))3

-Н- ; — Н2) Ð (р (х,()= " 5 ) Ок аО ()(>О) j

О, )(Н

-Н-f(, -Н67с)(9(„() -H-y„X y«Pf (Х О);

01 *" "лд н 2y f- p(p (-4 ) H ), It = )(/ (л .

f(2 (соэ(! х =x н))(Я (-л(<) а — коэффициент температуропроводности;

") - интенсивность равновесного излучения в вакууме; и,К " показатель преломления, коэффициент поглощения среды соответственно;

1223108

Фиг. f

ЯО Г мии

Фиг. 2

Составитель В. Битюков

Редактор Н. Бобкова Техред В.Кадар Корректор М, Демчик

Заказ 1705/46 Тираж 778

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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