Устройство для теплофизических измерений

 

Изобретение относится к тепловым испытаниям . Цель изобретения - расширение диапазона измерений в область низких температур и повышение точности измерений. Устройство реализует режим динамического нагрева образца, размещенного между источником теплоты, и тепломером. Оно оснащено разъемной в горизонтальной плоскости оболочкой для заливки криогенной жидкости. Верхняя часть оболочки имеет отверстие для пролива криогенной жидкости в нижнюю часть, а нижняя часть снабжена двумя сливными трубками, дозирующими обьем криогенной жидкости. Расширение диапазона измерений в область низких температур обеспечивается за счет ограничения теплопритоков к образцу в начальной стадии испытания, а повышение точности - за счет возможности ограничения скорости отогрева образца.1 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

c—

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Е (21) 4446450/25 (22) 18.05.88 (46) 15.02.91. Бюл, М 6 (71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности (72) В.В,Курепин, Е.С.Платунов, С.Е.Буравой и В.М.Козин (53) 536,022(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 168500, кл. G 01 N 25/18, 1963, Платунов Е,С, и др. Теплофиэические измерения и приборы. — Л.; Машиностроение, 1986, с.197. (С4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ (57) Изобретение относится к тепловым испытаниям. Цель изобретения — расширение

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к измерениям теплофизических свойств веществ.

Цель изобретения — расширение диапазона измерений в область низких температур и повышение точности измерений.

На чертеже представлено схематическое изображение устройства.

Устройство состоит из разъемного корпуса 1, теплоизоляционной оболочки 2 и теплоизмерительной ячейки, состоящей из пластин 3 и 4, контактирующих с поверхностями образца 5 в виде диска. Пластина 3 снабжена нагревателем — источником теплоты, а пластина 4 является теплоприемником. Контактные пластины окружены системой адиабатических обЬлочек 6 — 9, снабженных нагревателями и термоприемни»!Ы 1627948 А1 диапазона измерений в область низких температур и повышение точности измерений.

Устройство реализует режим динамического нагрева образца, размещенного между источником теплоты, и тепломером. Оно оснащено Гязъемной в горизонтальной плоскости оболочкой для заливки криогенной жидкости. Верхняя часть оболочки имеет отверстие для пролива криогенной жидкости в нижнюю часть, а нижняя часть снабжена двумя сливными трубками, дозирующими объем криогенной жидкости, Расширение диапазона измерений в область низких температур обеспечивается за счет ограничения теплопритоков к образцу в начальной стадии испытания, а повышение точности— за счет воэможности ограничения скорости отогрева образца. 1 ил. ками. Между ячейкой и теплоизоляционной 0 оболочкой размещена разъемная в горизонтальной плоскости оболочка для заливки криогенной жидкости. Верхняя часть этой О оболочки 10 выполнена в виде колпака с ф двойной боковой стенкой, открыта сверху, а ОО нижняя часть — в виде с1акана 11, отделяющего теплоизмерительную ячейку о; теплоизоляционной оболочки 2. Сливная трубка

12, верхний уровень которой совпадаст с верхней кромкой стакана 11, ограничивает уровень криогенной жидкости в стакане, а трубка 13 определяет количество криогенной жидкости в стакане 11 перед началом опыта. Стержень 14 служит для передачи давления на верхнюю пластину 4, воронка

15 используется для заливки криогенной жидкости в устройство для охлаждения

1627948

Л=— ячейки. Устройство снабжено системами автоматического регулирования (CAP) 16-21, с помощью которых задают режим нагрева устройства и поддерживают равенство температур между отдельными деталями ячейки (регулируемые параметры указаны подробнее далее).

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 5 помещается на нижнюю контактную пластину 3 и прижимается контактной пластиной 4. Затем через воронку 15 внутрь устройства заливают криогенную жидкость, например жидкий азот.

Жидкость последовательно омывает все детали ячейки, проливаясь через отверстия в верхней части оболочки 10 и в донышках адиабатических оболочек 6-9, через которые выводится большое число проводов от теплоприемников и нагревателей и через которые криогенная жидкость после заполнения обьема двойной стенки оболочки 10, омывая детали теплоизмерительной ячейкой и образец, накапливается в стакане 11.

Охлаждение деталей измерительной ячейки идет эа счет испарения криогенной жидкости на всех деталях. Когда температура верхней части оболочки 10 достигает температуры кипения жидкости, заполняется оболочка 10 и стакан 11 до верхнего уровня сливной трубки 12, Когда все детали достигнут температуры т, кипения криогенной жидкости, открывают кран трубки 13 и в сосуде остается расчетное количество криогенной жидкости.

Включают системы регулирования и начинается рабочая стадия опыта. CAP 17 задает требуемую скорость нагрева bo контактной пластины 4, CAP 18 поддерживает на образце оптимальный перепад температуры О р5р, Системы автоматического регулирования 16, 19 — 21 поддерживают равенство температур между отдельными деталями ячейки, В процессе нагрева проводится измерение мощности, выделяющейся в контактной пластине 3, перепад температуры на образце 0 <ер, скорость нагрева верхней контактной пластины 4, Теплопроводность рассчитывается по формуле где W — мощность, выделяющаяся з пластине3, Вт;

S — площадь сечения образца, м;

2, толщина образца, м;

Cn — полная теплоемкость контактной пластины 3, Дж/К;

С,ер- полная теплоемкость образца, Дж/К, Размещение между теплоизмерительной ячейкой и теплоиэоляционной оболочкой дополнительной разъемной оболочки, заполняемой криогенной жидкостью, позволяет расширить рабочий диапазон измерений в область низких температур и повысить точность измерений. При наличии оболочки с температурой, равной температуре кипения криогенной жидкости, уменьшаются теплопритоки к теплоизмерительной ячейке от окружающей среды, При этом скорость естественного отогрева теплоизмерительной ячейки будет меньше или равна номинальной выбранной скорости нагрева, что позволяет проводить измерения с более низких температур.

В начальной стадии опыта в стакане 11 сохраняется определенное количество криогенной жидкости за счет выступающей части патрубка 13, которая выполняется с возможностью вертикального перемещения.

Уровень h верхней кромки трубки 13

1 относительно дна стакана определяется по формуле и — — (A{r„— ь)+ " ), (г) где то, tcp, tr — соответственно температуры кипения криогенной жидкости при нормальном давлении, температура окружающей среды, "граничная" температура измерительной ячейки, при которой скорость естественного отогрева измерительной ячейки становится равной заданной скорости; р,r — плотность и теплота испарения криогенной жидкости, кг/м, Дж/кг;

bo — заданная скорость нагрева измерительной ячейки;

˄— тепловая проводимость между измерительной ячейкой, с одной стороны, оболочкой 10 и стаканом 11 с другой, Вт/К;

Лк — тепловая проводимость между измерительной ячейкой и средой,(Вт/К);

SA — площадь дна стакана 11, м . г

Формула (2) получена иэ условия, что скорость естественного отогрева теплоиэмерительной ячейки не превышает заданной, а теплота, переносимая теплоизоляционной оболочкой, идет на испарение оставшейся криогенной жидкости, Первое измерение теплопроводности может быть выполнено практически выше температуры кипения криогенной жидкости на величину порядка половины перепада температуры на образце, Начальная температура испытаний может быть оценена по формуле

1627948 го," тнач = tp + 0,56обр + вО -, (3) а гдe Ообр- перепад температуры на образце, К;

Fpp — значение критерия Фурье. при котором наступает регуляризация температурного поля в образце; а — те;лпературопроводность образца, м /с.

Снижен е bp, как видно из(3), понижзет начальную температуру испытаний Одновременно это позволяет повысить точность измерения за счет уменьшения в соответствии с (1) вклзда в конечный результ;т погрешности определения полной теплоемкости Сп пластины 3 и исследуемого образца Совр. Обычно зна ение Сир из .сс-.— но лишь ориентировочно с r огрешно=т:;..с

10 — 30 )(», Снчгкение bp позволяе-. умен .ш.лть относительную роль второго слагаемого в числителе формулы (1), а соответственно, и неисключенную часть погрешности. Кроме того, это позволяет увеличить и толщину образца, что оказываетгя важным при исследовании композиционных несднородных материалов. При уровне поправки на теплоемкость образца 5 ь, что легко достигается при скорости разогрева 0,025 К/с, погрешности задания Собр 20;ь не искгпоченная часть погрешности в измеренииА составиг 1 g и менее. При скооости разогрева bp = 0,1 К/с эта погрешность возрастае-, до 4;ь. При исследовании материалов с низкой температуропроводностью, например, органического cl екла с а = 0,1 10 м /с, толщиной 2h = 4 мм с перепадом температуры на образце 20 К начальная температура испытаний при использовании жидкого азота в соответствии с (3) составит — 185 С, При отсутствии оболочки для размещения криогенной жидкости скорость естественного обогрева составляет 0,3 — 0,15 К/с V измерения удается проводить только с температуры (-80)+100) С, Проведгнные испытания макета предложенного устройства подтвердили его эффективность. Макет был создан для измерения теплопроводности материалов с

1=0,1-10 Вт/(м К) вобластитемператур-l70—

400 С. Диаметр стакана 11 и оболочки 10 был выбран 65 мм, полая оболочка 10 имела двойные стенки на расстоянии Р мм, высота теплоиэмерительной ячейки около 120 мм.

Ячейка охлаждалась жидким азотом, расход

15 3 Q

55 азота не превышал 1 л на одн,> .1спыт ч

Высоа трубки 13отнс.ительн днг;т к, 11 составляла 20 мгл. Пр темпеpатуë—

170 С скорость естественного о-.ог ев, составляла 0,025 К/c. Испытания маке л сбразцами иэ органического стекла,;,зарцевого стекла, стекла ТФ-1 -оказ- ло что p; ",—

x0)k Hé. c данным Гc pc i "H,,<2)Td не превыоило 5 ь.

Таким образом, по сравнению ", устрс (:ством-прототипом, изобретение сбеспе e:.ет расширечи.: диапазона из горений:. од..эсть низких тем ератур, Сно обесп н— вает также повышени * точное «;: мер ий зз счет уменьшения;ег:лоп итокоь к i:çê епительной ячейке в начальнои стадии ис: ыга . 1A за счет обеспечечия оптимальной ск .гости нагрева об зазца.

Ус ройство в соответс,вии с изобре1 .нигм ожет использаватьс при физических исследованиях и в теплофизичгском np .iioростр- знии.

Ф эрмула изобретения устройство для теплсфизин- pvv...измерений, содержащее разъемны в горизонтальной плоское .< корпус, расг оложенную внури него разъемную в тои же nc". acòè топ ло з о ля цио иную оболочку, ок ру.:.ающую -.еплоизмеритагп,«у.о ячей, p -. оящую из двух пла=тин, контактир>к,щих о поверхностями образца, одна из ксторы:. снабжена нагревателем — источн ком теплоты, а вторая является теплопри:мником, и адиабатических оболочек вокруг пластин, о т л и ч а ю щ е е с s тTеeм,, ч тTоo, с целью расширения диап=--зона измерений ь -.,бласть низких температур и повышени точности измерений, оно снабжено ра-. гмнпй в горизонтальной плоскости оболо .кой для криогенной жидкости, причем верхняя часть ее выполнена в виде кслпака с двойной боковой стенкой, открытой сверху, и размещена между теплоиэмерительной ячейкой и верхней частью теплэиэоляционной оболочки, а нижняя часть оболочки выполнена в виде стакана, размещена между теплоизмерительной ячейкой и нижн и частью теплоизоляцион :.ой оболочки и снабжена двумя сливными -.ðóáêàì.è, .ерхний уровень первой трубки совпадает с верхней кромкой стакана, а втора1 трубка вы о неча с возможностью вертикаль;юго перемещения, причем ее герхний уровень располагается выше дна стакана.

1627948

Редактор А. Долинич

Заказ 336 Тираж 386 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

2 д

1

Составитель В. Вертоградский

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор И, Муска