Способ определения коэффициента теплопроводности твердых материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к теплофтиче скому приборостроению и может быть ис пользовано для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение диапазона исследований с одним эталоном Сущьность изо бретения заключается в создании нагревателями равных тепловых потоков в эталонном и исследуемом теле, поддержании равных температур в зоне контакта нагревателей с материалами с помощью дополнительного подстроечного нагрепателя, размещенного в эталоне, до установления стационарного режима теплопередачи и определении коэффициента теплопроводности 2 с.п. ф-лы, 2 ил И Г

СОЮЗ COf3F ГСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3st3s G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕ3%3ЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, 3 (1 (7) ф.

О} фь. ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4711408/25 (22) 29.06.89 (46) 15.10,91, Бюл, М 38 (71) Государствен н ый научно-исследовательский и проектный институт нефтяной и газовой промышленности им. В.И.Муравленко (72) Ю.С.Даниэлян, S.Ñ.Çàéöåâ, Л.В.Гамаюнова и И.Ю.Воеводин (53) 536.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 305397, кл. G 01 N 25/18, 1969, Авторское свидетельство СССР

М 972359, кл. G 01 N 25/18, 1981, Авторское свидетельство СССР

М 542945, кл. G 01 N 25/18, 1973, Авторское свидетельство СССР

М 989419, кл. G 01 N 25/18, 1981. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРИзобретение относится к теплофиэическому приборостроению и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов.

Цель изобретения — повышение точности и расширение диапазона измерений с одним эталоном.

На фиг.1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа определения коэффициента теплопроводности твердых тел неограниченных размеров; на фиг,2 — измерительная ячейка для исследования образцов конечных размеров.

Устройство содержит нагреватель 1 исследуемого материала, датчик 2 нулевого перепада температур, нагреватель 3 этало„„5Ц„„1684644 А1

ДЫХ МАТЕРИАЛОВ И УС I Р011СТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) ИЗОбрЕтЕниЕ ОтнОСитея к теплофизичР скому приборостроению и може1 быгь ис пользованодля определения коэффициен3а теплопроводности твердых материалов.

Цель иэобр:тения — повышение то <нос1и измерений и расширение диапазона исследований с одним эталоном. Суьцьность изобретения заключается в создании нагревателями равных тепловых потоков в эталонном и исследуемом теле, поддержании равных температур в лоне контакта нагревателей с материалами с помощьlo дополнительного подстроечного нагревателя, размещенного в эталоне, до установления стационарного режима теплопередачи и определении коэффициента теплопрооодности. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. на, эталон 4 и установленный в нем дополнительный подстроечный нагреватель 5.

Теплопроводность определяют следую щим образом.

Устройство устанавливаюг на исследуемом теле 6, которое, как и эталон, должно моделировать полубесконечное в тепловом отношении тело. Создают равные тепловые потоки основными нагревателями 1 и 3. Равенство температур в зоне контактов нагр»вателей с материалами поддерживаю3 дополнительным подстроечным нагревазелем 5. После установления стационарного режима теплопередачи определяют коэ фициент теплопроводности по измереннью мощностям нагревателей и известной теплопроводности эталона. (Ipl1 исследовании

1684644

Т- T>+Тг (4) Т= Ц" ° (5

Цэ = T > 4йэ Ле, (2) К э Цд

1+ э «д

2 Raцэ

В случае, когда основными нагрева- телями задаются равные тепловые потоки

Ц» = q>, коэффициент теплопроводности будет определяться по формуле (8).

qg - — „8йд 3е, (3) 2 образцов ограниченных размеров измерения проводят в ячейке 7 (фиг.2), выполненной из материала с высокой теплопроводностью.

Согласно изобретению дополнитель- 5 ный подстроечный нагреватель диаметром

4н устанавливают от поверхности эталона, контактирующей с основным нагревателем, на расстоянии &0,1 4<.Это необходимо для сведения к минимуму краевых эффектов на 10 внешней окружности нагревателей. В качестве эталона выбирают материал, коэффи- . циент которого находится в диапазоне

Айзакс — Л + 1,2 Лмакс где Айзакс — верхний предел измеряемой теплопроводпости, Это 15 обусловлено необходимостью перекрытия исследуемого диапазона коэффициента теплоп роводности.

В случае использования для исследований устройства с измерительной ячейкой 20 эффективная теплопроводность эталона определяется по градуировочной зависимости аф= f(U), где U — сигнал измерительного устройства, пропорциональный мощности нагревателей эталона. 25

Тепловой поток цх в полуограниченное тело от плоского нагревателя при установившемся режиме определяют из известного выражения

Цх = 4R Лх (Тн — Т ), (1) 30 где Л» — коэффициент теплопроводности, Вт/мК;

T> — температура нагревателя, С;

Т- температура тела в бесконечно удаленной точке принимается равной О, С;

R — характерный размер нагревателя, м.

В полубесконечном эталоне устанавливается два тепловых поля: одно — q>, образованное дисковым нагревателем датчика с радиусом R3 на адиабатической поверхно- 40 сти полупространства, другое — цд, образованное дисковым дополнительным нагревателем с радиусом Яд, помещенным на глуби. е S: где q> — тепловой поток от основного нагревателя эталона, расположенного на его поверхности, Вт/м; 50

Т1 — температура нагревателя, С; е — теплопроводность материала эталона;

Rs — радиус нагревателя, м где Tz — температура дополнительного нагревтеля, С;

Йд — радиус дополнительного нагревателя, м;

К=(2 — З ) — коэффициент, характе4 S риэующий положение нагревателя.

Если дополнительный нагреватель находится на небольшом расстоянии от поверхности, т.е. — - О, то в этом случае

S йд температуры нагревателей равны (T> = Т ), Суммарное температурное поле будет характеризоваться суммой температур нагревателей — эталона и дополнительного и будет равно температуре на поверхности исследуемого материала Тх, Из уравнения (1) Подставляя в формулу (5) уравнения (2), (3), (4), получим аэ K цд q»

414 4 8йд 2в 4R4R„

После незначительных преобразований получим

- — (1 + — — — ) =- — ° (6)

q, К R> Чд q»

2 Вд цэ х

Уравнение (6) можно преобразовать к виду

„+ э д Ц

Йд Цэ

Таким образом, можно считать, что эталон с дополнительным подстроечным нагревателем, установленным в нем на расстоянии S от поверхности, эквивалентны эталону с коэффициентом теплопровоаности, равным

1684644 (1 + — + —.

К Rg Рл

2 Я сакэ

Фиг. 1

Пример. Измерения проводят на полубесконечных в тепловом отношении образцах. В эталоне с более высокой теплопроводностью, чем исследуемое тело, устанавливают дополнительный подстроечный 5 электрический нагреватель. Создают равные тепловые потоки в исследуемый и эталонный материалы. Равенство температур обеспечивают регулированием мощности дополнительного подстроечного нагревате- 10 ля, размещенного в эталоне.

После установления стационарного режима теплопередачи по известному коэффициенту теплопроводности эталона и измеренным тепловым потокам основных и 15 дополнительного нагревателей по предлагаемой формуле рассчитывают искомый параметр.

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента 20 теплопроводности твердых материалов, заключающийся в создании нагревателями тепловых потоков в исследуемый и эталонный полубесконечные в тепловом отношении образцы и поддержании равных 25 температур в зоне контакта нагревателей с материалами до установления стационарного режима теплопередачи, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измере- 30 ний с одним эталоном, нагревателями задают равные тепловые потоки в исследуемый материал и эталон, а равенство температур поддерживают дополнительным подстроечным нагревателем, размещенным в эталоне, и определяют коэффициент теплопроводности по формуле где,4 — коэффициент теплопроводности эталонного материала;

К вЂ” коэффициент, характеризующий положение дополнительного нагревателя;

R> — радиус основного нагревателя эталона;

Йд — радиус дополнительного нагревателя; р, цл — тепловые потоки от основного и дополнительного нагревателей эталона.

2, Устройство для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов, содержащее нагреватель образца. датчик нулевого перепада температур, нагреватель эталона, эталон, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений с одним эталоном, в эталоне установлен соосно с основным дополнительный подстроечный нагреватель на расстоянии не более 0,1 d>< от поверхности, контактирующей с основным нагревателем, где d< — диаметр подстроечного нагревателя.

1684644

4иг. 2

Составитель Н. Грищенко

Редактор А. Маковская Техред М.Моргентал Корректор О, Ципле

Заказ 3501 Тираж 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