Калориметрическое устройство для определения теплофизических молекулярных и радиационных свойств поверхностей материалов

 

с. цв

P ® "о теиахческал

О П

Союз Советских

Социалистических

Республик ((((708 2 09 (61) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 01.08.77 (2 t ) 2514665/18-25 (5! ) М. Кл. (л 01 N 25/22. с присоединение(и заявки .%

Гещдарстаанный комитат (23) Приоритет ав лалак изабратаний и втхритий

Опубликовано 05.01,80. Ь(оллетень .%

Дата опубликования описания 0Я.01 80 (53) УДК 536. .6(088.8) (72) Авторы изоб рета чия

Б. А. Хрусталев и Ю. И. Кузпчкин

Государственный научно-исследовательский энергетический институт его. Г. M. Кржижановского (7l) Заявитель (54) КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ

МОЛЕКУЛЯРНО.1ЫХ И РАДИАЦИОННЫХ

ЗЕРКАЛЬНО-ДИФФУЗНЫХ СВОЙСТВ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к технике измерения теплофизических и радиационных свойств материалов, а именно коэффициентов аккомодации энергии и тангенциального импульса и зеркальной и диффузион5 ной составляющих интегральной отражательной способности, необходимых для расчетов радиащеонеео-молекулярного теплообмена с учетом характера отражения молекул или излучения от поверхности материала. Область использования изобретеееия-криогенно — вакуумная техника.

Известно устройство для измерения зеркальной отражательной способности. камера ПЗО-1, являющаяся приставкой !

5 к спектрофотометрам СФ-5, СДФ-2. Камера состоит из неподвижной части, в которой имеются источник излучения (щель монохроматора спектрофотометра) и фоку сируюшая линза, и подвижной части с зеркалом, фокусируюшей леензой, фотоэлементом и приемпиком излучения (фотоэлементом) . Ось вращения подвижной части проходит через поверхность образца, помещенного на самостоятельно вращающийся столик 11 .

Работает камера ПЗΠ— 1 следующим образом. Луч от источника, проходя через фокусируюшую линзу, попадает на поверхность образца. Первое измерение сигнала фотоэлемента проводят, установив подвижную часть так, что луч, отраженный от образца в направлении зеркального отражения, попадает через фокусируюшую линзу па фотоэлемент. Второе измерение проводят, установив подвижную часть так, что луч, мепеуя образец, отражается от зеркала и поступает через фокусируюшую ттзу HQ фотоэлемен1. Отношение сигналов первого и второго измерений дает велнчшеу зеркалыеой отражательной способности.

Известно также устройство для измерения диффузной составляющей отражательной способе(ости ка. (ера ПДО-1, яв— ляющаяся приставкой к спектре(1ото(етрам СФ-5, СФД-2. Она состоит нз псточ(еика излучения (шелл моцохроматорл

708209 цилиндров. Коэффициент аккомодации энергии рассчитывают по формуле:

А =!авъ то- @ (Т "T 1

2 1

3 спектрофотометра), фокусирующей линзы плоского зеркала, эллипсоида, в одном из фокусов которого помещен образец, а в другом — приемник излучения — фо элемент L 2Д .

Работает камера HQO -1 следующим . образом. Луч от источника с помощью линзы и зеркала направляют на образец по нормали к его поверхности. Диффузно отраженная от образца часть излучения 1О направляется элпипсоидом на фотоэлемент. Сравнивая сигналы фотоэлемента при отражении излучения от образца и от эталона, в .качестве которого служит стекло NC2. 4, получают относитель- 15 ную величину диффузной составляющей от.ражательной способности.

Известные устройства не позволяют ,определять одновременно зеркальную и 2О диффузную составляющие отражательной способности, необходимые для расчета теплообмена излучением тел с учетом зеркальной и диффузной составляющих отраженного излучения реальных материалов..Раздельные измерения на разных приборах зеркальной и диффузной отражательных способностей не дают надежного разделения составляющих отражательной способности, соответствующего зеркально-диффузной модели радиационных свойств используемых в расчете теплообмена излучением.

Ближайшим техническим решением к предложенному является калориметрическое устройство для определения теплофизических свойств материалов, состоящее из двух коаксиальных цилиндров, иэ которых внутренний выполнен в виде тонкой натянутой нити, являющейся одновременно электронагревателем-капориметром(31, Поверхность внутреннего цилиндра (нити) является испытуемой, внутренняя поверхность внешнего цилиндра зачернена, а пространство между цилиндрами заполнено раэреженйым газом.

Устройство работает следующим образом.

B пространстве между цилиндрами пу- о тем поддержания определенного давления создают условия свободно-молекулярного режима движения молекул. Внутренний цилиндр, вь1полненный в виде нити, обогревают электрическим током, калориметрируют его тепловыделение и определяют результирующий молекулярный теплообмен, и температуру внутреннего и внешнего в которой О, -тепловой поток, переъ редаваемый с единицы поверхности нити, определяемый по мощности электрона- гревателя;

T,7 -температуры нити и внешнего цилиндра;

Y++

К1 т-1 Иаткт у =, — отношение теплоемкостей; < — постоянная Бопьцмана; щ - молекулярный вес; — давление и температура газа.

Это устройство не позволяет одновременно измерять коэффициенты аккомодации энергии и танген,иального импульса, необходимые для расчета молекулярного теплообмена с учетом зеркально-диффузного характера отражения молекул. С помощью описанного устройства определяют только коэффициенты аккомодации энергии, определять коэффициенты аккомодации тангенциального импульса они не позволяют.

Иелью изобретения является одновременное определение коэффициентов аккомодации энергии и тангенциального импульса, а также зеркальной и диффузной составляющих отражательной способности.

Указанная цель достигается тем, что в калориметрируемой системе из двух коаксиальных цилиндров внутренний цилиндр выполнен с возможностью изменения его диаметра и с зачерненной внешней поверхностью. При этом испытуемой поверхностью является внутренняя поверх-. ность внешнего цилиндра.

На чертеже показано предлагаемое устройство, продольный и поперечный разрезы.

Устройство состоит иэ двух коаксиаль но расположенных цилиндров 1 и 2. Внутренний цилиндр 2 содержит электрический нагреватель-калориметр 3. Поверхность

4 внутреннего цилиндра выполнена гофрированной азиз фольги) и закреплена на каркасе из стержней 5, расположенных: по поверхности цилиндра параллельно его оси. Концы стержней соединены с подвиж ными втулками . 6 посредством стержней

Я 1 аР (aI 1 yI )

-(-с» -2)

;40

50 т+4 К ) - 1 2 /Явкт

5 7082

7 и шарнирных соединений 8. Внешняя гофрированная поверхность 4 зачернена, например, черной эмалью АК-512, имеющей поглошательную способность и коэффициенты аккомодации, близкие к единице.

Устройство работает следующим образом. Перемещение втулок 6 вдоль оси навстречу друг другу приводит к увеличению диаметра стержневого каркаса, и на оборот, при их удалении диаметр умень- <0 шается. Таким образом регулируется ведичина диаметра внутреннего цилиндра 2 калориметра. Поглошательная способность и коэффициенты аккомодации энергии гофрированной поверхности цилиндра 2 имеют более высокие (близкие к единице) значения, чем для ровной поверхности, и мало зависят от диаметра внутреннего цилиндра, что обеспечивает стабильность калориметра. 20

В пространстве между цилиндрами 3. и 2 создают условия свободно-молекулярного теплообмена (посредством выбора соответствующего вакуума и температуры) и определяют в стационарных условиях результирующий теплообмен на едим нице длины цилиндра Qpgg по мощности электронагревателя-калориметра, тем пературы поверхностей цилиндров Т Те > манометрические давление Рм и темпеЗ0 ратуру Тм остаточных газов. Указанные измерения проводят при различных значениях диаметра внутреннего цилиндра Й2 регулируемого указанным выше способом.

При этом искомые коэффициенты аккомодации энергии K р и тангенциального импульса К- определяют по формулам

2 (Ол -4) (a hA )+ /(цм- ) +сц м .

6(., в которых 2Ь м м 12 ц1 <2 м м м

К (т -т1)®а а

Пм= Ч„

1 реъ

55 где индексами Х и 9 обозначены значения параметров П л и g при различных величинах регулируемого диаметра д

Э внутреннего цилиндра.

09 6

Для измерения зеркальной и диффузной составляющих о.ражательной способности в пространстве между цилиндрами 1 и 2 создают условия, при которых перенос энергии осуществляется преимущественно излучением, что достигается выбором соответствующих температур и вакуума.

Лалее определяют в стационарных условиях результирующий теплообмен на единице длины цилиндра Qpz» температуры р поверхностей цилиндров Т, Те. Указанные измерения проводят при различных значениях диаметра внутреннего цилиндра, регулируемого указанным способом. При этол; искомые зеркальная %р и диффузная К составляющие отражательной способности определяют по формулам:

С

Ъ Ор в которых и п -и" р ир я "р

Ч -Ч" („-Ч " 12- 4а а (т -т )м, д

Р Р ю Й реъ

-постоянная Стефана-Больцмана .

Устройство позволяет проводить одновременное определение коэффициентов аккол одации энергии и тангенциального импульса, необходимых для расчета теплообмена прп свободномолекулярном переносе энергии, а также одновременное oIIpeделение зеркальной и диффузной составляю ших отражательпой способности, необхо дхмых для расчета теплообмена излуче пнем. Теплофизпческие данные по зеркальным и диффузным свойствам, измеряемые с помощью предлагаемого устройства, более строго соответствуют величинам, необходимым для расчета теплообмена на зеркально-диффузной модели молокулярных и радиационных свойств, так х6Х эти коэффициенты получают калориметрическим методом на экспериментальном устройстве, воспроизводящем элемент на- турного объекта, на основе расчетных формул, учитывающих реальный дплфузнозеркальный характер взаимодействия носителей энергии с поверхностью.

Формула изобpетения

Калорнметрическое устройство для определения теплофизических молекупяр1. "Камера ПЗО-1. Описание и руководство к пользованию", ЛОМО, 1963.

2. Камера ГЩО-1. Описание и руководство к пользованию",ЛОНО, 1963.

3. Ваксман Тепловой коэффициент ак-! О комодации. "Ракетная техника, 1962, № 1, с. 3-15.

gt,,ô Фа

7 е м.. - . фее ф

4 у, Д р дг4В»., „e f

;ных и радиационных свойств поверхнос- Источники информации Г 1 теи материалов, состоящее из двух коак- прицятые во внимание при экспертизе сиальных цилиндров, о т л и ч а ющ е с я тем, что, с целью одновременного определения коэффициентов аккомодации энергии и тангенциального импульса, а также зеркальной и диффузной составляющих отражательной способности, внутренний цилиндр имеет зечерненпую внешнюю поверхность и выполнен с возможностью изменения его диаметра.

ЦНИИ ПИ Заказ 8475/37 Тираж 10 19 Подписное

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