SU495594A1 - Способ выравнивани температурного пол в блоке калориметра высокого давлени - Google Patents

Description

1 V

Изобретение относитс  к области теплофизического ириборостроени  и примен етс  при исследовании теплофизических характеристик материалов в режиме монотонного разогрева, в частности, при измерении тенлопроводности, температуропроводности, плотности, коэффиииеита объемного расширени , в зкости.

Подобный способ может быть применен в калориметрах с внешним разогревом при температурах 50-500°С и давлени х от 1 до 2000 бар. Изобретение св зано с реализацией метода изгу1ерени  температуропроводности а, плотности о и коэффициента объемного расширени  р полимеров в указанном диапазоне параметров состо ни .

Известен способ выравнивани  температурного пол  в калориметрическом устройстве дл  измерени  температуропроводности и плотности полимеров в диапазоне температур 80-250 С и давлени  1-680 бар, который заключаетс  в удержании нулевой разности между торцами блока и его центром. Однако наличие больших оттоков тепла по металлическому поршню неминуемо приводит к большой осевой неравномерности температурного пол  в образце.

Стационарна  составл юша  оттока ст зависит от тепловой проводимости поршн  сгп и разности температур между блоком и средой

П J п

(1)

- п б.ч-ср)

п

где л„ - теплопроводность поршн  (Вт/м°К); Sn - плошадь поперечного сечени  поршн  (м2): /п - длина поршн  (м).

Сравнительно небольшой диапазон рабочи.х температур устройства св зан с резким увеличеппем стац 1онарного оттока гт с ростом температуры блока.

Кроме того, в нестационарном режиме существует поток, который разогревает сам поршень . Его величина онредел етс 

Снест - bv-Cn ,(2)

где Ьг - среднеобъемна  скорость разогрева

поршн  (°К/с); С|, - полна  теплоемкость поршн 

(Дж/Д).

При этом в зависимости от скорости разогрева нестационарный поток может значительно нревышать стационарную составл юИ .ЛЮ.

Требование к равномерности температурного нол  в образце становитс  особенно жестким при высоки.ч температурах, когда в зкость расплава резко уменьшаетс  и с целью исключенн  конвекции приходитс  работать с малыми перепадами температуры. Целью насто щего изобретени   вл етс  уменьшение осевой неравномерности температурного пол  в калориметре, что непосредственно св зано с noBbimeHiiejM точности измерений и расширением рабочего диапазона температур и давлений. Это достигаетс  тем, что по предлагаемому способу в устройстве между блоком и шайбами поддерживаетс  нулева  раз 1ость температур с пелью устранени  етапиопарного оттока тепла ст. Нестационарный отток иест компенсируетс  нагревател ми шеек, па которые подаетс  мошность, измен юща с  в зависимости от скорости разогрева блока /нест - о и р о / о где Q - плотность материала трубы (кг/м); С - удельна  теплоемкость трубы ( Дж/кг.°К); 8и1 - площадь поперечного сечени  (м) и длина шейки трубы (м); b - скорость разогрева шейки трубы Дл  уменьшени  стационарного оттока при заданной точности поддержани  нулевой разности температур (определ етс  точностью регул тора) желательно увеличивать длину участка трубы между блоком и шайбой (шейки), так как Уст - - -iVr С другой стороны, дл  уменьшени  нестапионарного оттока, рассто ние между блоком и шайбами необходимо уменьшать в соответствии с формулой (3). Таким образом, обе составл ющие оттока принципиально сушествуют одновременно. Поэтому в нестационарном режиме (в пашем случае при монотонном разогреве) устранить отток тепла можно только одновременно устран   обе составл юшие: ст - охранными нагревател ми при поддержании нулевой разности температуры между блоком и шайбами и нагревател ми шейки, в которые иодаетс  мощность, измен юща с  в зависимости от скорости разогрева блока в соответствии с формулой (3). Описанный способ реализовап при измерепии температуропроводности, илотпости и коэффициента объемного расширени  расплавов полимеров. На чертеже, где показано з-стройство, реализующее предлагаемый способ, обозначено: I- труба, 2 - металлический блок, 3 и 4 - шайбы, 5 - образец, 6 - неподвижный норшеиь , 7 - подвижный поршепь, 8 - основной нагреватель, 9 и 10 - нагреватели шайбы, IIи 12 - нагреватели шейки, 13 - теплоизол ционна  оболочка, 14 - водоохлаждаемый кожух, 15 и 16 - термопары, 17 и 18 - - термостолбики. Устройство состоит из металлического  дра и разъемной теплоизол ционной оболочки. Металлическое  дро вк,пючает трубу 1, выравнпваюшлй блок 2, шайбы 3 и 4, неподвижный 6 и подвижпый 7 поршни. При измерении а, 5, U образец 5 выполн ют в виде сплошного цилиндра с осевым отверстием и размсп1ают внутри трубы между ненодвижпым и подвижным поршн ми. Труба изготовлена из нержавеюшей жаропрочной стали аустенитного класса Х15Н35ВЗТ (Э1Т-612), в)1разпива опи1Й б.ток и из 1чрас11ой меди. 7Дл  температурных измерений используютс  термопары из нихрома и ковстаптапа диаметром 0,2 мм. . 1оптаж термопар посто нный. Места задел1Си термопар 15 и 16 и термостолбиков 17 и 8 показаны на чертеже крестиками . Термопару 15 монтируют в игле, котора  входит по оси в образец. Термопара 16 армировапа фарфором и размеи ена па границе трубы и блока. В пазах, расположеппых по пери.метру 6,ioка 2 размещены в керамических трубках пихромовые спирали осповпого нагревател  8. lia нагреватель подаетс  линейно возрастающее напр жение от автотрансформатора, токосъемник которого перемещаетс  с посто пной скорост|ло синхронным двигателем с редуктором . Скорость разогрева устройства задаетс  основным нагревателем. Дл  компенсации утечек тепла (стационарна  составл юща  оттока) через концы трубы и с торцов блока па трубе установлены щайбы с охранными нагревател ми 9 и 10. Перепад температуры между шайбами и блоком регистрируетс  многоспайными термостолбикалчи 17 и 18. Промежуточный регул тор типа ВРТ-3 поддерживает нулевую разность температур с точностью до 0,2°К. Нагреватели шеек 11 и 12 изготовлены из пнхрома в кварцевой оплетке и питаютс  мощпостью, определ емой соотношением . -; C(f)-:.(f) {5} Мощноеть нагревател  онредел етс  по текущему зпачепию скорости b (t), измер емому в опыте. Этуоперацию провод т вручную или автоматически. В описываемом случае при разогреве калориметра со скоростью, близкой к посто пной, ЛЮщность нагревател  шейки выбирают посто пиой . Теплоизол ционна  оболочка 13 выполнена в виде разъемного по диаметральпой плоскости цилиндра с водоохлаждаемым кожухом 14. Дл  определени  нлотиости и коэффициента объемного расширени  материала в опыте фиксируетс  изменение объема образца и} дикатором (с погрешностью 0,01 мм) по перемещению подвижного поршн  7. Плотность рассчптывают гю формуле &(f) -&l°{t,P) Средний коэффициент объемного расширени  в интервале температур /-/о определ етс  по формуле I Д/ (г;) - ДГ (t,P} где QO - плотность материала образца при нормальных услови х (кг/м); /о - первоначальна  длина образца (м); Al(t) - изменение длины образца при нагревании до температуры t (м); Al°(t,p) - экспериментальна  поправка на изменение длины поршней при температуре / н давлении Р (м). При исследовании температуропроводности в опыте измер етс  запаздывание термопары 15 относительно термопары 16, иначе временный перепад на образце TQ. Расчсг провод т но формуле: «(0 :-.(8) ( - -о) где R - радиус образца (м); TO - поправка на пеидентичность показани  термопар и на перепад по толщине трубы  вл етс  «посто нной прибора и определ етс  из градуировочного опыта па медпом образце. iVCTpoHCTBO работает следующим образом. 1-1со.чсдуе.мый образец загружаетс  в трубу, сверху став т поршень, и на пего тем или ипым способом передают сжимаюндее усилие. На основной нагреватель подаетс  питание, включаетс  система автоматического регулировашш , а блок вместе с образцом начннает монотонно разогреватьс . При этом по термоплре 15 след т за уровнем температуры образца и замер ют запаздывание термопары 15 отиосптельно 16. По индикатору фиксируют изменение длины образца, соответствующее ирпращенню температуры. По формулам (6) - (8) рассчитывают искомые коэффициенты. Формула и 3 о о р е т е )П   Способ выравнивани  температурного нол  в блоке калориметра высокого давлени , содержащего образен, шайбы с нагревател ми. щейки с нагревател ми, заключающийс  в держанип нулевой разности температур между блоком и щайбами, от л и ч а ю HI и и с  тем, что. с целью устранени  тепловых потерь, пзмеп ют мощность нагревателей щеек в соответствии с изменением скорости нагрева образца .

J

3

А-А 6