Установка для определения теплопроводности материалов под давлением

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для определения теплофизических характеристик, а именно: коэффициента теплопроводности деформируемых материалов (в частности, были изучены контактные сопротивления в многослойном металлическом пакете в зависимости от давления) под высоким давлением. Устройство включает корпус с расположенными внутри него нагревателем и охладителем, которые установлены на свободные концы верхнего и нижнего поршней. Поршни имеют одинаковый диаметр, между которыми в специальном керамическом контейнере расположен исследуемый образец материала. На боковых поверхностях верхнего и нижнего поршней выполнены специальные глухие сверления (углубления) глубиной 1-2 мм, в которых осуществляется контроль температурных значений с использованием термопары контактного поверхностного контроля. На верхнем поршне размещен нагреватель в виде нихромовой проволоки, на которую одеты теплопроводящие диэлектрические кольца. На свободной части нижнего поршня размещен холодильник, который представляет собой замкнутую камеру, а поршень имеет сквозные сверления – гидравлические каналы для улучшения его охлаждения. Через камеру холодильника непрерывно протекает охлаждающая жидкость. В собранном (рабочем) виде конструкция имеет внутренний металлический экран и наружный изоляционный кожух из асбоцемента для исключения радиальных тепловых потерь и достижения стационарного состояния теплового потока, протекающего через исследуемый материал. Собранная установка базируется между траверсами сжимающего пресса для обеспечения сжатия поршней установки в их осевом направлении и поддержания необходимого давления на исследуемый материал. Технический результат - повышение достоверности результатов измерений эффективной теплопроводности порошковой теплоизоляции. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для определения теплофизических характеристик.

Известна установка для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов при высоких температурах (температура на горячей стороне образца от 400 до 1350 °С) с теплопроводностью менее 0,1 Вт/(мК) [Пеньков М.М., Ведерников М.В., Наумчик И.В., Жиганов Е.Б., Шатов С.В. Установка для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов. Патент на изобретение RU 2289126 C1, 10.12.2006. Заявка № 2005111442/28 от 18.04.2005].

Известна установка для определения теплопроводности теплоизоляционных материалов в которой предложена конструкция корпуса из материала с отрицательным коэффициентом линейного термического расширения, позволяющая в процессе нагрева образца уменьшить воздушные зазоры на поверхности исследуемого образца [Климова Т.И., Марченко Т.П., Овчинникова О.Н. Устройство для определения теплопроводности теплоизоляционных материалов. Патент на полезную модель RU 94712 U1, 27.05.2010. Заявка № 2010108209/22 от 09.03.2010].

Известна установка для исследования эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций, в которой источник тепла, средства для замера температуры на горячей и холодной сторонах образца, насосы различного типа для достижения необходимого вакуума [Плотников В.В., Гришин Р.В., Вощило О.Г., Плотникова С.В., Кузнецов А.С. Установка для исследования теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций. Патент на изобретение 2750289 C1, 25.06.2021. Заявка № 2020110792 от 14.03.2020]. Исследование проводится путем определения перепада температуры на стенках образцов в режиме стационарного теплообмена с окружающей средой при известной мощности теплового потока.

Известно устройство для измерения теплопроводности флюидонасыщенных под давлением пористых тел при температурах до 227 °С, созданное для оценки глубинных тепловых полей в геофизике и процессов мембранного разделения в химической промышленности [Кузнецов М.А., Григорьев Е.Б., Богданов А.В., Лазарев А.С. Устройство для измерения теплопроводности флюидонасыщенных под давлением пористых тел. Патент на изобретение RU 2492455 C1, 10.09.2013. Заявка № 2012105859/28 от 17.02.2012]. Однако конструкция этого устройства весьма сложна и имеет недостатки, основным из которых являются конструктивно заложенные неконтролируемые тепловые потери от нагревателя и обечайки. Главным образом, она направлена на достижение результата в исследовании именно флюидонасыщенных пористых тел, что сильно ограничивает широту спектра ее применения.

Также известны два однотипных устройства для определения теплопроводности деформируемых материалов, в которых датчики измерения температуры и теплового потока, установлены на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, контактирующих с исследуемым образцом [Никитина Т.Е., Казакова В.Е., Гришнина Н.Н. Устройство для определения теплопроводности деформируемых материалов. Патент на полезную модель RU 141298 U1, 27.05.2014. Заявка № 2014104673/28 от 11.02.2014; Алоян Э.Л., Колодий Б.М., Колодий Н.В., Ретюнская Т.М. Устройство для определения теплопроводности деформируемых теплоизоляционных материалов. Патент на полезную модель RU 147966 U1, 20.11.2014. Заявка № 2014130145/28 от 22.07.2014]. Они также имеет установленный на нагревателе ограничитель, в виде жесткого контейнера с размещенным внутри него исследуемым деформируемым материалом, установленным на периферии вокруг исследуемого образца.

Известна также установка для определения теплопроводности веществ и материалов (грубодисперсных, сыпучих, резин в виде пластин и пакетов) стационарным методом плоского слоя, позволяющая определять теплопроводность материала при стационарном режиме теплового воздействия на него [Рогов И.В., Полунина Н.Ю., Рожков А.В., Жуков Н.П. Измерительная система на базе прибора ИТ-3 для исследования теплопроводности материалов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 8. С. 31-34].

Известен прибор для определения и передачи значений теплопроводности в диапазоне 100-500 Вт/(мК) [Cherepanov V.Y. et al. Measuring equipment and a comparator for measuring high values of thermal conductivity // Measurement techniques. 2009. Vol. 52, № 10. P. 1107–1111] с погрешностью измерения до 5% и температурой исследуемых образцов до 70 °C. Возможный размер исследуемых образцов 60×34×8 мм и время эксперимента измерения не более 30 мин.

Установка для измерения теплопроводности материалов, уже в более низком диапазоне от 0,04 до 2,0 Вт/(мК) показана в [Bol’shev K.N., Zarichnyak Y.P., Ivanov V.A. Determination of Thermal Conductivity by the Method of the Initial Stage of Warming up a Sample by a Constant Heat Flux // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2018. Vol. 91, № 5. P. 1342–1346.]. Ее погрешность измерения составляет не более 7 %. Существенным недостатком является ограничение в продолжительности эксперимента варьируется от 1 до 30 мин. Это зависит от толщины и теплофизических свойств исследуемых образцов материала.

Недостатками приборов является невозможность определения теплофизических свойств материалов под действием какого-либо давления. Также все они требуют физического монтажа измерительных средств на измеряемом объекте. Таким образом измерительные средства (термопары) становятся фиксированными в своем положении (становятся частью установки) и в последствии, погрешность их работы уже не учитывается, а их демонтаж и замены требует существенных воздействий.

Задачей изобретения является создание установки для исследования в частности эффективной теплопроводности порошковой теплоизоляции под высоким давленым до 75 МПа.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в определении и повышении достоверности результатов измерений эффективной теплопроводности порошковой теплоизоляций.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для определения теплопроводности деформируемого материала, включающее корпус с расположенными внутри него нагревателем и охладителем, между которыми расположен исследуемый материал, отличающееся тем, что нагреватель и охладитель смонтированы непосредственно на свободные концы верхнего (горячего) и нижнего (холодного) поршней, между которыми размещен исследуемый образец; контрольные точки (глухие сверления) измерения температуры для определения теплового потока, выполнены на боковых поверхностях поршней, сжимающих исследуемый образец деформируемого материала, размещенный внутри жесткого контейнера; при этом охладитель, выполнен неразъемным в виде замкнутой камеры воедино с нижним поршнем, который имеет гидравлические каналы для лучшего охлаждения.

Предлагаемое устройство относится к области испытательной техники, а именно к созданию установок для экспериментального определения тепловых характеристик сыпучего или порошкообразного материала (преимущественно теплоизоляционного), используемых для создания и тестирования тепловой защиты несущей части корпуса сосуда или аппарата, работающего под высоким давлением, и имеющего внутренний обогрев технологического (реакционного) пространства.

На фигуре 1 схематично представлено предлагаемое устройство со следующими обозначениями:

1 - нижний поршень;

2 - верхний поршень;

3 - основание;

4 - образующая камеры охладителя;

5 - верхняя образующая камеры охладителя – опора внутреннего металлического кожуха;

6 - внутренний металлический кожух;

7 - наружный теплоизоляционный кожух;

8 - керамический контейнер;

9 - разделительная перегородка;

10 - дистанционное кольцо;

11 - штуцеры входа и выхода охлаждающей жидкости;

12 - защитный асбестовый диск;

13 - асбестовая перегородка;

14 - спиральный нагревательный элемент;

15 - отверстия ввода термопары для контроля температурных значений;

16 - элемент механического затвора отверстий для ввода термопары.

Заявляемое устройство для определения теплопроводности деформируемых материалов под высоким давлением включает верхний 1 и нижний 2 поршни, выполненные из стали 12Х18Н10Т, основания 3, образующей камеры охладителя 4, внутреннего металлического кожуха 6, и опоры внутреннего металлического кожуха 5. Наружный теплоизоляционный кожух установки 7 выполнен цельным из асбоцементной трубы. Между верхним и нижним силовыми поршнями в контейнере 8, который может быть выполнен из керамического или другого материала с малой теплопроводностью, находится исследуемый деформируемый материал под давлением. Разделительная перегородка 9 разделяет камеру нагревателя и функциональную камеру, в которой достигается стационарный тепловой поток. Дистанционное кольцо 10 призвано обеспечить соосность между наружным теплоизоляционным кожухом 7 и силовыми поршнями 1 и 2. В нижней части установки находится охладитель, через который непрерывно протекает холодная проточная вода через штуцеры входа и выхода 11, в течении всего экспериментального периода. Сверху камеру с нагревателем закрывает защитный асбестовый диск 12, а между двух технологических кожухов расположена асбестовая перегородка 13.

Верхняя часть верхнего поршня имеет радиальную проточку для монтажа в ней спирального нагревательного элемента 14 в теплопроводящей диэлектрической оболочке, которая исключает возможность замыкания электрического тока на стержни и корпус установки. Нижняя часть нижнего поршня имеет крестообразное сверление сквозными отверстиями (гидравлические каналы), оси которых расположены в одной плоскости и перпендикулярно друг к другу для повышения степени эффективности зоны охлаждения.

Функциональная камера, в которой достигается стационарный тепловой поток, текущий через поршни и исследуемый материал, расположенный между ними в керамическом контейнере 8, образована составным металлическим кожухом 6, который при монтаже обматывается специальной теплоизолирующей лентой из стеклоткани для полного исключения радиальных тепло потерь и поддержания эквивалентных температур поршней и этого кожуха. Металлический кожух 6 также отделен от внешней среды наружным теплоизоляционным кожухом 7 с целью исключения потерь тепла в окружающую среду.

Внутренняя поверхность составного металлического кожуха 6, выполняющего экранирующую функцию в радиальном направлении должна находиться на расстоянии меньше или равном 10 мм от поверхности соответствующего силового поршня с целью исключения явления конвективного теплообмена (конвекции) [Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. 2-е изд. Москва: Энергия, 1977. 344 с.]. Прокладка из изолятора 13 обеспечивает поток тепла между частями кожуха 6 в осевом направлении аналогичный потоку тепла по стержню.

Устройство работает следующим образом. Определение теплопроводности исследуемого материала реализуется путем создания и поддержания стационарного теплового потока в цилиндрических частях (поршнях) зоны наблюдения, между которыми в замкнутом объеме расположен исследуемый материал.

Контроль теплового поля в функциональной камере установки осуществляется посредствам контактного поверхностного измерения температурных значений через специальные отверстия ввода термопары, выполненные в обоих кожухах 6 и 7 (см. фиг. 1).

На фиг. 2 и 3 показано базирование установки на траверсе сжимающего пресса в лабораторных условиях. Базовыми элементами являются торцевые поверхности силовых поршней, для которых предусмотрен выход холодного поршня 1 за нижнюю плоскость основания 3, а также выступ горячего поршня 2 за пределы внешней стороны защитного диска 12. Также торцевая поверхность горячего поршня 2 имеет центрирующее углубление, в котором может размещаться металлический сферический упор, направляющий вектор приложения сжимающей силы строго к оси поршней для обеспечения максимально равномерного сжатия им исследуемого материала в контейнере в случае отсутствия шарового механизма изменения положения верхней траверсы пресса.

1. Устройство для определения теплопроводности деформируемого материала, включающее корпус с расположенными внутри него нагревателем и охладителем, отличающееся тем, что нагреватель и охладитель смонтированы непосредственно на свободные концы верхнего горячего и нижнего холодного поршней, выполненных с возможностью размещения между ними исследуемого образца, расположенного внутри жесткого контейнера, и его сжимания, причем контрольные точки измерения температуры для определения теплового потока, выполненные в виде глухих сверлений, сформированы на боковых поверхностях поршней, а охладитель выполнен неразъемным в виде замкнутой камеры воедино с нижним поршнем, который имеет гидравлические каналы для лучшего охлаждения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхний горячий и нижний холодный поршни одновременно являются силовыми воспринимающими и передающими сжимающую нагрузку элементами и приводятся в действие плоскими поверхностями траверс пресса со стороны их свободных торцевых концов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерение температуры в контрольных точках поршней осуществляется контактным способом с помощью термопары поверхностного контактного точечного метода измерения вручную без какого-либо постоянного технологического соединения термопары с объектом контроля.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что температура нагревательного элемента может точно регулироваться в любом диапазоне с помощью блока питания, управляющего напряжением переменного тока, которое подается на нагревательный элемент.