Устройство для измерения коэффициента теплопроводности материалов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

332374

Союв Советскив

Социалистически в

Реслтблин

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 11.Ч.1970 (М 1437171/18-10) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 14.111.1972. Бюллетень Л» 10

Дата опубликования описания 24.IV.1972

М. Кл. G 01п 25/18

Комитет оо делам иаобретений и открытий ори Совете Министров

СССР

УДК 536 2 08(088 8) Авторы изобретения

Г. Н. Дульнев, Е. С. Платунов, В. В. Курепин, И. Ф. Шубин, Г. P. Гольберг и Ю. В. Алешкевич

Ленинградский институт точной механики и оптики

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области теплофизического приборостроения и применяется для исследования температурной зависимости теплапроводности твердых материалов в зоне фазовых;переходов и неметаллических жидкостей в диапазоне температур от — 150 до

400 С.

Известны устройства для измерения коэффициента тепло праводности материалов, выполненные в виде разъемной теплоизоляционной оболочки и металлического ядра, содержащего основание с нагревателем, металлический малоинерционный тепломер с охранным колпаком и температурные датчики.

Однако в таких устройствах измеряется коэффициент теплоправодности только твердых, механически обрабатываемых материалов, сложен монтаж тем1пературных датчиков, при охлаждении хладагентом возникает неравномер|ное температурное поле в деталях металлического ядра, что увеличивает длительность охлаждения и расход хладагента, при этом первые измерения удается начинать с — 80 С.

Предлагаемое устройство отличается от известных тем, что в нем на основании с нагревателем установлена съемная кювета, выполненная в виде цилиндрического диска с нлоской, чисто обработанной нижней контактной поверхностью и углублением для исследуемой жидкости, внутри которого закреплены по радиусу три калиброванных изоляционных стержня, на которых установлен энтальпийный тепломер в виде сплошного металлического

5 стержня, который механически связан с адиабатической оболочкой, представляющей собой тонкостенный колпак с намотанным на него малоинерционным нагревателем, а адиабатическая оболочка закреплена в охранном кол10 паке, а также тем, что оно снабжепо,впрыскпвателем хладагента в его рабочую зону.

Такая конструкция устройства позволяет исследовать теплопроводность жидкостей и твердых тел в зоне плавления, повысить точность

15 и надежность и расширить диапазон температур в отрицательной области.

На фиг. 1 представлено описываемое устройство; на фиг. 2 — металлическая кювета

20 для исследования жидкостей.

Устройство содержит нагревательный блок

1, основание 2, охранный колпак 8, стержень

4, адиабат ическую оболочку 5, стойки б и 7, каналы 8 для охлаждения ядра водой, кана25 лы для охлаждения ядра жидким азотом 9, отверстия 10 для выхода азота в охранном колпаке, переходную втулку 11, съемную кювету (или образец) 12, штыри 18, стержень (шток) 14, стержень 15, колодку 16, верхний

30 колпак 17, нижний колпак 18, змеевик верхне332374

55

65 го кол пака 19, змеевик нижнего колпака 20, опору 21.

Устройство включает разъемную таплоизоляционную оболочку и металлическое ядро.

Металлическое ядро Х-калориметра состоит из нагревательного блока 1, основания 2 с охранным колпачком 8, стерженя 4 и адиабатической оболочки 5. Внутри кожуха калориметра ядро крепится на шести металлических стойках б и 7. В нагревательном блоке размещены спирали электрического нагревателя и системы охлаждения ядра водой 8 (замкнутая) и жидким азотом 9 (открытая). жидкий азот сначала прогоняется по замкнутой системе каналов в блоке, а затем пары и неиспарившиеся капли азота выбрасываются непосредственно внутрь охранного колпака, значительно ускоряя процесс охлаждения и выравнивая температурное поле ядра. Пары азота выходят из ядра через отверстие 1О в охранном колпаке теплоизоляционной оболочки.

Нагревательный блок и основание стянуты винтами. Для улучшения теплового контакта их соприкасающиеся поверхности тщательно притерты. С целью уменьшения утечек жидкого азота на стычке блока и основания запрессованы втулки 11.

Испытуемый образец 12 (или кювета с исследуемой жидкостью) устанавливается между поверхностями основания 2 и стержня 4.

Стержень полужестко фиксируется внутри адиабатической оболочки 5 тремя радиальными штырями 18. Усилие от нагрузочного устройства передается на образец через стержни 14 и 15, причем точка приложения усилия смещена в нижнюю ча сть стержня. Такой способ крепления значительно ограничивает подвиж ность стерженя,,предохраняя термопары от обрыва, и в то же время стержень может сам устанавливаться по поверхности образца.

Последнее необходимо для плотного прилегания образца к контактным поверхностям кало р иметр а.

Адиабатическая оболочка 5 представляет тонкостенный металлический колпак, на наружной поверхности которого, поверх слоя стеклотка ни, намотан напре ватель из нихрома. Адиабатичес кая оболочка це нтрируется внутри охранного колпака 8 радиальными выступами. Оболочка и связанный с ней стержень могут вертикально перемещаться в пределах 4 — 5 мм внутри охранного колпака в соответствии с толщиной образца. Термопары от стержня и оболочки выводятся через дно охранного колпака во втулках. Одновременно втулки используются для крепления оболочки внутри охранного колпака. Детали 1, 2 и

8 калориметрического устройства изготовлены из дюралюминия, детали 4 и 5 — из красной меди и хромированы.

Температура оболочки с помощью автоматического регулятора поддерживается равной

45 температуре стержня на протяжении всего опыта, Во время разогрева металлического ядра

Х-калориметра тепловой поток от основания проходит через испытуемый образец и целиком поглощается стерженем. Благодаря наличию адиабатической оболочки теплообмен стержня с окружающими деталями отсутствует.

Для измерения и регулирования температуры в калориметре применяются термопары из нихрома и константана диаметром 0,2 мм.

Монтаж всех термопар в,приборе постоянный.

Места их заделки показаны на фиг. 1 крестиками.

Термопара А заделывается в центральной части контаKTHQH поверх ности основания, термопара  — в центральной части контактной поверхности стержня. Термопарой В измеряется температура стержня, а,при соединении термопар А и В в дифференциальную измеряется перепад температуры на образце. Дифференциальная термопара С вЂ” D служит для регулирования температуры оболочки. Ее спаи расположены соответственно в стержне и в стенке адиабатической оболочки.

Термопары изолируются внутри теплозащитной оболочки фарфоровыми бусами и подводятся к выводным колодкам 1б, расположенным в верхней и нижней частях кожуха, после которых они ведутся в хлорвиниловых трубках. К электроизмерительной схеме прибора термопары подключаются через блок холодных спаев. Последний представляет массивный металлический брусок, внутри которого размещены электрически изолирова|нные клеммы. Он служит для выравнивания температуры холодных спаев термопар. 3а блоком холодных спаев монтаж ведется медным многожильным проводом.

В опыте измеряются перепад температуры на образце Л4гр и скорости разогрева стержня Л4/Лт.

Расчет коэффициента теплопроводности проводится по формулам: р В S Êè поор Ëò лд c, () — рсум 2 к

2l

P

Сс где  — t= с+0,5К, К, побр> (3)

Сс + 0,5 Cprqp

ЛŠ— малое конечное приращение э.д.с. термопары, мв;

Лт — время, за которое происходит изменение сигнала на величину ЛЕ мв, сек;

К вЂ” чувствительность гальванометра, мв/дел;

К вЂ” чувствительность термопары, град/дв;

 — поправка, учитывающая теплоемкость образца;

332374

Cpgp — теплоемкость образца, дж/град;

S — площадь контакта образца, м ; псвр —.перепад на образце, дел;

2Є— контактное тепловое сопротивление, определяемое из градуировочного опыта, м град/вт;

26 — вьрсота образца, м;

С,(t) — теплое мкость стержня, дж/град;

t — температура отнесения коэффициента теплапроводности.

Для исследования жидкостей применяется металличеокая кювета (см. фиг. 2). Внутри корпуса кюветы 12, в углублении под углом

120, закреплены три изоляционные (стеклянные) опоры одинаковой толщины.

На концы изоляционных опор устанавливается стержень калориметра. Таким образом, толщина слоя строго фиксируется. Естественно, количество жидкости в кювете долж но быть таким, чтобы опоры были покрыты слоем 0,1 мм.

В этом случае расчетная формула примет вид:

Р = Рсуц (1 + расс) — /эк — 1 (4) расс к

4 21

1 расс—

3 D (5) где Р,»„— тепловое сопротивление, рассчитанное по формуле (1);

Мрасс — поправка, учитывающая тепловой поток, который проникает в стержень через слой жидкости, лежаший за пределами диаметра стержня;

Є— контактное тепловое сопротивление, лдград/вт;

D, — диаметр стержня, м;

Зс —.площадь контакта стержня, м ;

S, площадь контакта кюветы, ма.

При исследовании теплопроводности пластических образцов (при плавлении твердых) в исследуемом образце вырезают три радиальных паза под стержни глубиной и шириной

1 мм и помещают его ia кювету. Толщина стержней должна быть равна или несколько меньше (на 0,1 — 0,05 мм) толщины образца.

В расчетную формулу (3),подставляют высоту образца до момента размягчения, если

50 известна температура его размягчения, и после начала размягчения — толщину трубочек.

Теплоизоляционная оболочка выполнена в виде двух разъемных .колпаков 17, 18, охлаждаемых водой по змеевикам 19, 20, припаянным изнутри колпаков.

Описанное устройство работает следующим образом. Исследуемый образец (или кювету с жид костью) ставят на основание 2, предварительно подняв, колпак 17, далее закрывают калориметр. Включают нагреватель, и ядро калориметра вместе с образцом монотонно нагревается. При этом по термопаре В следят за температурой, на требуемом уровне измеряют скорость разогрвва, а, соединив термопары А и В в дифференциальную, замеряют перепад на образце.

Расчет коэффициента теплопроводности проводят по формулам (1 — 5).

Предмет изобретения

1. У стройство для измерения коэффициента теплопрсводности материалов, содержащее основание с нагревателем, охранный колпак с металлическим телломером, разъемную теллоизоляционную оболочку и металлическое ядро, отличающееся тем, что, с целью исследования теплопроводности жидкостей и твердых тел в зоне плавления, повьппения точности и надежности, в нем на основание с нагревателем установлена съемная кювета, выполненная в вниде цилиндрического диска с плоской, чисто обработанной нижней контактной поверхностью и углублением для исследуемой жидкости, внутри которого закреплены,по радиусу три калиброванных изоляционных стержня, на которых установлен энтальпийский тепломер в виде сплошного металлического стержня, который механически связан с адиабатической оболочкой, выполненной в виде тонкостенного колпака с намотанным на него малоинерционным нагревателем, а адиабатическая оболочка закреплена в охранном колпаке.

2. Устройство по и. 1, отличаюи1ееся тем, что, с целью расширения диапазона температур в отрицательной области, оно снабжено впрыскивателем хладагента в его рабочую зону.

332374 Фиг..!

Составитель И. Дубсон

Текред Е. Борисова

Корректор О. Волкова

Редактор Т. Ларина

Типографии, пр. Сапунова, 2

Заказ 939(16 Изд. М. 382 Тираж 448 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открыгий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4, 5