Устройство для измерения теплопроводности твердых материалов

 

Сеюз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 270381 (21) 326 5683/18-25

Р М К з

Gr 01 N 25/18 с присоединением заявки М— осударственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет—

tS3) УДК 536.6 (088 ° 8)Опубликовано 150183, Бюллетень М 2

Дата опубликования описания 150183

4 тдт Ф л -., 1д,.", "::— "4lg проектный- институт

Ю.С. Даниэлян, В.С. Зайцев и Е.A. Кудряв (72) Авторы изобретения

Государственный научно-исследовательский (7! ) Заявитель, нефтяной и газовой промыщленности им. В.И М равдаНко"

"Гипротюменьнефтегаз"

==.-"----=...) 1 (54У УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ ти $1), 20

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности твер« дых материалов.

Известны устройства, реализующие способ определения теплопроводности путем создания параллельных тепловых потоков в исследуемом и эталонном образцах с помощью регулируелых нагревателей, поддерживая равные перепады температур в образцах путем регулирования мощности нагревателей. После установления стационарного процесса по замеренным мощностям нагревателей и известному перепаду температур определяют коэффициент теплопроводносНедостатком таких устройств явля ется необходимость готовить образцы из исследуемого материала одинаковых размеров с эталоном..В устройстве должен быть кроме нагревателей холодильник, что усложняет устро-1ство.

Для измерений коэффициентов теплопроводности нужно определять перепад температур в образце. Все это затрудняет определение теплопроводности в полевых условиях.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения теплопроводности твердых образцов, содержащее эталон, нагреватели образ ца и эталона, теплоприемник, тепло меры. Работа устройсТва основана на следующем свойстве. Если на концах эталона и образца, имеющих одинаковую высоту, действует одна и та же разность температур, то плотность установившихся тепловых потоков через эталон и образец пропорциональна их коэффициентам теплопроводности (2) °

Недостатком известного устройства является необходимость готовить образцы материалов для измерений, .причем размеры образцов должны совпадать с размерами эталона. Это приводит к значительным затратам времени на подготовительные работы. Кроме того, теплофизические свойства грун-. тов при отборе. образцов изменяются.

Также необходимо иметь криостат дпя чоддержания отрицательной температуры ярн определении теплопроводности мерзлых грунтов. Поэтому устройство нельзя использовать для определения теплопроводности в полевых условиях.

989419

Цель изобретения — увеличение точности измерения в полевых условиях и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее нагреватель образца, измеритель электрической мощности и эталон, на котором размещены нагреватель и тепломер, включает эталон, выполненный в виде полусферы диаметром D, на плоской стороне которой коаксиально размеще- 10 ны нагреватель эталона, тепломер и нагреватель образца, имеющие Форму. дисков диаметром d, причем выполняется соотношение 0/д 5 10.

На чертеже схематически изображено35 предлагаемое устройство.

Устройство. состоит из плоских нагревателя эталона 1, нагревателя образца 2 и расположенного между ними ! тепломера 3. Нагреватели подключены зо к источнику постоянного тока 4. Мощность нагревателей регулируется с помощью реостатов 5 и амперметров б.

Для установки равенства температур нагревателей используется нуль-прибор25 (,гальванометр 7). Для того, чтобы избежать тепловых потерь по боковой поверхности тепломера применяется теплоиэоляция 8. Нагреватели 1 и 2, тепломер 3 имеют форму дисков диаметром З,, d, эталон 10 имеет форму сферы диаметром О. Прибор устанавливается на образец 9.

Теплопроводность материалов с по.мощью устройства определяется следу- 35 ющим образом.

Устройство, состоящее из нагревателей 1 и 2 и тепломера нулевых сигналов 3, устанавливается на плоскую поверхность исследуемого материала 9, 40 который должен моделировать полубес-, конечное тело. Для этого его размеры выбираются такими, чтобы кратчайшее расстояние от нагревателя до поверхности, ограничивающей исследуе- 45 мый материал, превышало пятикратный собственный размер d нагревателя в плоскости контакта с исследуеьым материалом. Сверху на него ставится эталон 10. Эталонный образец; также 50 как и исследуежий материал выбирается такого размера и такой формы, чтобы его можно было считать полуограниченным телом. Оптимальным является эталон, имеющий полусферическую Форму диаметром 0,причем O/d ae)mT a np делах 5-10. После выравнивания температур нагревателей, о чем покажет. нуль-прибор 7, на нагреватель 2, расположенный у эталона 10, подается . постоянная мощность. Затем включает О ся нагреватель 1, расположенный у исследуемого материала 9. Изменяя мощность нагревателя 1 с помощью нуль-прибора 7, устанавливают равные температуры на нагревателях. После 65 установления стационарного процесса теплопередачн замеряют мощности нагревателей или величины сил тока, а затем по этим данным определяют теппопроводность материала по формулам, .вывод которых риведен ниже.

Тепловой поток в полуограниченное тело от плоского нагревателя при уста.новившемся режиме определяется из из".. вестного выражения

q - М (т„- Т ), где q - тепловой поток, ккал/ч

А.

- коэффициент теплопроводности материала, ккал/и ч К

Тн - температура нагревателя, К;

Т - температура тела в бесконечно удаленной точке, К;

R - характерный размер нагревателя, зависящий от его te=. ометрии (для круглого нагре-. вателя - радиус, для квадратного - сторона квадрата), м.

Если разместить устройство между двумя полуограниченными телами, одно из которых является эталоном .(т.е. с известным коэффициентом теплопроводности), и включить оба нагревателя на мощности, соответствующие нулевому сигналу нуль-прибора, то тепловые потоки, идущие в исследуемый материал и эталон определяются соответствен.но из выражений

q„- Аа (т„- 1;)„i,;

q 4 )i (Т в To, ) э где q,,q - -тепловые потоки, идущие в исследуемый материал и эталон; г.Х> 9- коэффициент теплопроводности исследуемого материала и эталона.

Поделив первое уравнение на второе, получаем

Величины тепловых потоков g> и д определяются из следующих выражений

Ф.

q5 - Х. Гх(т); (2)

4 . г,(Т) где > - токи в цепях нагревателей, А; (т), (т)- электрические сопротивления, Ом.

Причем, поскольку нагреватели идентичны и температуры их в момент измерения одинаковые, то

rX, (Т) гэ(Т)

Подставляя соотношения (2) и (1) ,и выполняя сокращение, возможное в

989419

Составитель Е.устюжанин

Редактор T. Веселова Техред A. Ач КорректорЕ. Рошко

Заказ 11114/61 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР г по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Улгород, ул. Проектная, 4 силу равенства (3}, получаем расчетную формулу х Ф.

Da hэ

Ч

Применение такого устройства для 5 определения, теплопроводности материалов методом сравненйя приводит к увеличению точиости. замеров. Предлагаемая конструкции устройства позволяет проводить измерения в полевых усло- 10 виях с испольэовайием простых измери, тельных приборов беэ отбора образцов.

Использование предпагаемого устрой ства для определения теплопроводности материалов особенно эффективно при 15 изыскательских работах на талых и мерзлых грунтах, так как увеличивается точность замеров и снижается себестоимость и время полевых работ.:

Формула изобретения

Устройство для измерения теплопро- 20 водности твердых материалов, содержа щее нагреватель образца, измеритель электрической мощности,и эталон, на котором размещены нагреватель и тепломер, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерения в полевых условиях и упрощения конструкции, эталон выполнен в виде ,полусферы диаметром З, на плоской стороне которой коаксиально размещены нагреватель эталона, тепломер и нагреватель образца имеющие форму дисков диаметром 4, причем выполняется соотношение Э/д = 5-10 °

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

В 359582, кл. G 01 и 25/18, 1971.

2 ° Авторское свндетельство СССР

9 542945, кл. G 01 и 25/18, 1973 (прототип) °