RU154027U1

RU154027U1 - DEVICE FOR FASTENING SOFT HEAT-INSULATING MATERIALS FOR MEASURING HEAT CONDUCTIVITY AT HIGH TEMPERATURES

Info

Publication number: RU154027U1
Application number: RU2015101931/28U
Authority: RU
Inventors: Павел Сергеевич Вервикишко; Михаил Александрович Шейндлин; Виктор Павлович Петровский; Владимир Владимирович Гужков; Андрей Анатольевич Тихонов; Алексей Владимирович Чаплыгин
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2015-08-10

Abstract

Устройство крепления мягких теплоизоляционных материалов, применяемое в экспериментах по измерению теплопроводности при высоких температурах, содержащее корпус фиксатора образца, отличающееся тем, что включает жаропрочный теплоизолятор, расположенный в зазоре между боковой стенкой держателя и образцом, способствующий обеспечению фиксации образца без непосредственного контакта с материалом держателя, теплоизоляционную прокладку с отверстием для термопары, установленную в области задней стенки и фиксируемую прижимной гайкой, вкладыш, позволяющий использовать образцы различной толщины, расположенный между гайкой и теплоизоляционной прокладкой, причем корпус держателя адаптирован для экспериментов с лазерным нагревом и температурной диагностики методами пирометрии и контактным методом.A device for fastening soft heat-insulating materials used in experiments on measuring thermal conductivity at high temperatures, containing a sample holder body, characterized in that it includes a heat-resistant heat insulator located in the gap between the side wall of the holder and the sample, which helps to ensure sample fixation without direct contact with the holder material, a heat-insulating gasket with a hole for a thermocouple, installed in the region of the rear wall and fixed with a clamping nut, an insert that allows using samples of various thicknesses, located between the nut and the heat-insulating gasket, and the holder body is adapted for experiments with laser heating and temperature diagnostics by pyrometry and contact methods.

Description

Описание Полезной модели.Description of utility model.

Предлагаемая полезная модель относится к области приборостроения, применяется в экспериментальных исследованиях для фиксации мягких теплоизоляционных материалов. Полезная модель позволяет моделировать однородный тепловой поток на фронтальной стороне исследуемого материала методом лазерного нагрева. Лазерный нагрев получил широкую популярность благодаря возможности создавать на поверхности материала высокую температуру в отсутствии физического контакта с нагревателем. Применение лазеров с волоконным выводом излучения позволило формировать на поверхности исследуемого материала однородный тепловой поток. Создание на поверхности однородного теплового потока необходимо, в частности, для проведения экспериментов по измерению теплопроводности теплоизоляционного материала. На поверхность образца фокусируется лазерное излучение, температуру фронтальной поверхности измеряют пирометром, температуру тыловой поверхности измеряют с помощью термопары. В случае нагрева поверхности до высоких температур или наличии процессов горения, однородность теплового потока нарушается вследствие теплопереноса конвективными потоками и тепловыми потерями в точках соприкосновения с держателем. Теплоизоляция боковой поверхности образца позволяет уменьшить радиальный теплоотвод в держатель и снизить ошибку измерения теплопроводности.The proposed utility model relates to the field of instrumentation and is used in experimental studies for fixing soft heat-insulating materials. The utility model makes it possible to simulate a uniform heat flux on the front side of the test material by laser heating. Laser heating has gained wide popularity due to the ability to create high temperature on the surface of the material in the absence of physical contact with the heater. The use of lasers with fiber radiation output allowed the formation of a uniform heat flux on the surface of the material under study. The creation of a uniform heat flux on the surface is necessary, in particular, for conducting experiments on measuring the thermal conductivity of a heat-insulating material. Laser radiation is focused on the surface of the sample, the front surface temperature is measured with a pyrometer, the rear surface temperature is measured using a thermocouple. In the case of heating the surface to high temperatures or the presence of combustion processes, the uniformity of the heat flux is violated due to heat transfer by convective fluxes and heat losses at the points of contact with the holder. Thermal insulation of the side surface of the sample allows to reduce the radial heat sink to the holder and to reduce the error of measuring thermal conductivity.

Аналогом предлагаемой полезной модели является устройство, описанное в статье «Экспериментальное определение температурных полей в образцах материалов с органической матрицей» К.Б. Исаев, Авиационно-космическая техника и технология, 2007, №10 (46). В данном устройстве подразумевается наличие каналов в образце для укладки термопар, а сам образец представляет собой ступенчатый цилиндр. Недостатком данной модели является узкий временной диапазон воздействия на образец. Увеличение времени теплового воздействия или теплового потока могут привести к существенному увеличению уноса массы с поверхности образца, в результате чего возможно непосредственное воздействие теплового потока на термопары. Предлагаемая полезная модель является универсальной для экспериментов с различными тепловым потоком и временем воздействия. Также преимуществами предлагаемой модели являются возможность быстрой установки образца в держатель и его сохранность после проведения эксперимента, что позволяет использовать держатель повторно.An analogue of the proposed utility model is the device described in the article "Experimental determination of temperature fields in samples of materials with an organic matrix" Isaev, Aerospace Engineering and Technology, 2007, No. 10 (46). This device implies the presence of channels in the sample for laying thermocouples, and the sample itself is a stepped cylinder. The disadvantage of this model is the narrow time range of exposure to the sample. An increase in the time of heat exposure or heat flux can lead to a significant increase in the entrainment of mass from the surface of the sample, as a result of which the direct influence of heat flux on thermocouples is possible. The proposed utility model is universal for experiments with different heat flux and exposure time. Also, the advantages of the proposed model are the ability to quickly install the sample in the holder and its safety after the experiment, which allows you to use the holder again.

Наиболее близким техническим решением к заявленной модели является Устройство для определения теплопроводности деформируемых теплоизоляционных материалов, включающее корпус с расположенным внутри него нагревателем и холодильником, между которыми размещен исследуемый плоский образец, датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, контактирующих с исследуемым образцом, а также установленный на нагревателе ограничитель, выполненный в виде жесткого контейнера с размещенным внутри него исследуемым деформируемым материалами. (Патент на полезную модель Россия №147966) Такое устройство позволяет проводить измерения только при низких температурах. Температурный диапазон ограничивают легкоплавкие материалы модели (медь) из которых выполнена модель и наличие контактного нагревателя.The closest technical solution to the claimed model is a device for determining the thermal conductivity of deformable heat-insulating materials, including a housing with a heater and a refrigerator located inside it, between which a test sample is placed, temperature and heat flow sensors installed on the end surfaces of the refrigerator and heater in contact with the studied sample, as well as a limiter mounted on the heater, made in the form of a rigid container with p the studied deformable materials placed inside it. (Patent for utility model Russia No. 147966). Such a device allows measurements only at low temperatures. The temperature range is limited by the fusible materials of the model (copper) of which the model is made and the presence of a contact heater.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства крепления мягких теплоизоляционных материалов для проведения измерений теплопроводности при высоких температурах поверхности образца (более 2000 К) с использованием лазерного нагрева.The technical task of the proposed utility model is the creation of a device for attaching soft heat-insulating materials for measuring thermal conductivity at high surface temperatures of a sample (more than 2000 K) using laser heating.

Технический результат полезной модели - повышение точности измерения теплопроводности за счет теплоизоляции боковой поверхности образца и обеспечения механического контакта термопары с тыловой поверхности образца.The technical result of the utility model is to increase the accuracy of measuring thermal conductivity due to thermal insulation of the side surface of the sample and ensuring mechanical contact of the thermocouple with the rear surface of the sample.

Технический результат достигается тем, что в зазор между боковой стенкой держателя и образцом помещается жаропрочный теплоизолятор, например, углевойлок. Упругие свойства теплоизолятора с одной стороны позволяют фиксировать образец внутри держателя, а его низкая теплопроводность препятствует потерям тепла с боковых поверхностей образца. Предлагаемая полезная модель состоит из корпуса фиксатора образца 1, Теплоизолятора 2, теплоизоляционной прокладки с отверстием для термопары 3, вкладыша, позволяющего использовать образцы различной толщины 4, прижимная гайка с отверстием для термопары 5, исследуемый образец 6. Образец 6 помещается в корпус 1, далее в зазор между корпусом и образцом устанавливается теплоизолятор 2. Материал теплоизолятора углевойлок или иной термостойкий упругий материал, толщина теплоизолятора подбирается таким образом, чтобы за счет упругой деформации образец фиксировался в держателе. Для ограничения тепловых потерь с задней стенки устанавливается теплоизоляционная прокладка с отверстием для термопары 3. Для фиксации теплоизоляционной прокладки используется прижимная гайка 5, а для возможности проведения экспериментов с образцами различной толщины между гайкой 5 и теплоизоляционной прокладкой 3 устанавливается вкладыш 4, толщина которого может варьироваться для разных образцов. В отверстие в элементах 3, 4 помещается термопара, окруженная внешней защитной трубкой из Al₂O₃. Диаметр отверстия в элементах 3, 4 подбирается таким образом, чтобы обеспечить скользящую посадку внешней защитной трубки термопары. Далее сборка 1-6 устанавливается на оптическом столе, с применением стандартных оптико-механических изделий.The technical result is achieved by the fact that in the gap between the side wall of the holder and the sample is placed a heat-resistant heat insulator, for example, a carbon felt. The elastic properties of the heat insulator on one side allow the sample to be fixed inside the holder, and its low thermal conductivity prevents heat loss from the side surfaces of the sample. The proposed utility model consists of a sample retainer body 1, a heat insulator 2, a heat-insulating gasket with an opening for thermocouple 3, an insert that allows the use of samples of various thicknesses 4, a clamping nut with an opening for thermocouple 5, the test sample 6. Sample 6 is placed in the housing 1, then a heat insulator 2 is installed in the gap between the body and the sample 2. The material of the heat insulator is carbon wool or other heat-resistant elastic material, the thickness of the heat insulator is selected so that due to the elastic deformation sample is fixed in the holder. To limit heat loss, a heat-insulating gasket with an opening for thermocouple 3 is installed from the back wall. A clamping nut 5 is used to fix the heat-insulating gasket, and an insert 4 is installed between the nut 5 and heat-insulating gasket 3 to make experiments with samples of different thicknesses, the thickness of which can vary for different samples. A thermocouple is placed in the hole in the elements 3, 4, surrounded by an external protective tube of Al ₂ O ₃ . The diameter of the hole in the elements 3, 4 is selected in such a way as to ensure a sliding fit of the outer thermocouple protective tube. Next, the assembly 1-6 is installed on the optical table, using standard optical-mechanical products.

Claims

A device for attaching soft heat-insulating materials used in experiments on measuring thermal conductivity at high temperatures, comprising a sample retainer body, characterized in that it includes a heat-resistant heat insulator located in the gap between the side wall of the holder and the sample, which helps to fix the sample without direct contact with the holder material, heat-insulating gasket with a hole for a thermocouple installed in the rear wall and fixed with a clamping nut, LUN enabling use of samples of different thickness disposed between the nut and the insulating gasket, wherein the holder body is adapted for experiments with laser heating and thermal diagnostic methods pyrometry and contact method.