SU935765A1 - Устройство дл определени теплофизических свойств твердых тел - Google Patents

Description

Изобретение относится к определению теплофизических характеристик материалов в широкой области температур и может быть использовано для определения теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости твердых ⁵ тел, используемых в различных.отраслях науки и техники.

Известно устройство для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов в широком интерва- ¹⁰ ле температур, содержащее'в охлаждаемом проточной водой корпусе нагреватели, теплоизоляторы и тепломер, выполненный из материала с известным коэффициентом теплопроводности. На- ¹⁵ греватели и теплоизоляторы выполнены из графита. Пространство между графитовыми теплоизоляторами и корпусом для улучшения теплоизоляций заполнено засыпкой из двуокиси циркония. Устройство позволяет определить теплопроводность и температуропроводность огнеупорных материалов при температурах-v 500-2000 К в вакуумной либо инертной среде С1].

Недостатком известного устройства является то, что оно работоспособно только в вакуумной либо инертной сре де и непригодно для измерений в атмосфере воздуха.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения теплофизических свойств твердых тел, содержащее цилиндрический неэлектропроводный корпус с нагревателем внутри него. В этом устройстве тепло изоляторы, представляющие собой набор из 50“70 плоских или рифленых пластин из ниобиевой фольги с.нанесенным покрытием из сажеграфитовой суспензии, защищают боковые поверхности исследуемого образца и нагревателя от потерь теплоты в окружающую среду, особенно'при высоких температурах. В полом цилиндрическом танталовом нагревателе, выполненном из фольги и окруженном одним из тепло3 935765 изоляторов, размещен теплосъемный электропроводный элемент в форме сердечника, электрически изолированного от нагревателя. Исследуемый плоский образец размещают на поверхности теп- $ лосъемного элемента и поджимают винтами для улучшения теплового контакта. На исследуемом образце размещен тепломер с известной теплопроводностью, а на нем - холодильник для 10 создания температурного перепада по толщине исследуемого образца. При этом тепловое поле, формируемое в образце исследуемого материала, является одномерным £2J. »3

Однако известное устройство работает только в вакуумной или инертной среде, и непригодно для работы в атмосфере воздуха, так как в нем использован танталовый нагреватель, поз-20 воляющий проводить нагрев до температуры 2000 К только в инертной или вакуумной средах. Вакуумирование устройства сильно усложняет его конструкцию и повышает его стоимость. 25

Целью изобретения является обеспечение возможности измерения в атмосфере воздуха при высоких температурах.

Указанная цель достигается тем, зс что в устройстве, содержащем цилиндрический неэлектропроводный корпус с нагревателем внутри него, дополнительно установлены неэлектропроводный теплоизолятор, сквозное централь- ₃< ное отверстие которого закрыто соосно ему размещенным теплосъемным элементом, и другой неэлектропроводный теплоизолятор, а нагреватель выполнен из электропроводного гранулиро- « ванного материала и помещен между корпусом, теплоизоляторами и теплосъемным элементом..

Выполнение нагревателя из электропроводного гранулированного материала * позволяет создать высокий уровень температур в атмосфере воздуха, который определяется свойствами самого нагревателя. К тому же, электропро водный гранулированный материал об- ⁵¹ ладает хорошими теплоизоляционными свойствами и тем самым предохраняет стенки корпуса и электроды от перегрева. Выбор такого материала для нагревателя позволяет самым простым 5 способом осуществить токоподвод, т.е. переход от нагревателя к холодным электродам.

Выполнение одного их теплоизоляторов в виде перегородки со сквозным центральным отверстием в средней части корпуса позволяет из всего электропроводного гранулированного материала выделить необходимый объем материала, являющийся нагревателем, в котором выделяется нужная, тепловая энергия, так как электрическое сопротивление этого объема материала значительно больше, чем в остальной части, т.е. в корпусе.

Размещение электропроводного теплосъемного элемента на указанном теплоизоляторе обеспечивает одномерность теплового потока.

Размещение второго неэлектропроводного теплоизолятора на электропроводном теплосъемном элементе позволяет обеспечить токоподвод к тепловыделяющей части нагревателя, выполненного в виде гранулированного электропроводного материала и размещенного в отверстии первого теплоизолятора. К тому же этот теплоизолятор формирует одновременно и рабочий объем устройства, доступ в который удобен и прост.

Такое размещение указанных обоих теплоизоляторов и теплосъемного электропроводного элемента разделяет электропроводный гранулированный материал на последовательно соединенные электрические проводники, выполненные из одного материала, но с разным сечением, а следовательно, и с различным электросопротивлением. Этим обеспечи-. вается малое тепловыделение в участках с большим сечением (т.е. в верхней и нижней частях корпуса) и большое - в полости первого теплоизолятора, в которой сечение электропроводного гранулированного материала значительно меньше.

Выполнение электродов кольцевыми дает возможность изготовить их с большой поверхностью контакта с электропроводным гранулированным материалом, что исключает тепловыделение и нагрев электродов.

На чертеже приведено предлагаемое устройство, общий вид.

Устройство содержит корпус 1, в котором расположены нагреватель 2, теплосъемный электропроводный элемент 3, электроды 4, два цилиндрических теплоизолятора 5 и 6. Нагреватель 2 представляет собой электропроводный гранулированный материал

935765 6 (например, криптол, толченный графит, измельченные селиты), которым заполнен корпус 1 и теплоизолятор 5. Теплоизолятор 5, изготовленный из неэлектропроводного материала, выпол- 5 нен в средней части корпуса 1 в виде горизонтальной перегородки со сквозным центральным отверстием 7· Теплосъемный электропроводный элемент 3, выполненный, Например, из прессован- ю ного графита, расположен на теплоизоляторе 5 соосно отверстию, выполненному в нем. Теплоизолятор 6 выполнен в виде полого цилиндра из неэлектропроводного материала и распо- 15 ложен на электропроводном теплосъемном элементе 3·

Кольцевые электроды 4 размещены в корпусе 1 по его боковой поверхности. Электропроводный гранулиро- 20 ванный материал теплоизоляторами 5 И 6, теплосъемным электропроводным элементом 3 и корпусом 1 разделен на три части, одна из которых (А) , заключена между теплоизолятором 6, 25 теплосъе'мным элементом 3 и верхней частью корпуса 4. Другая часть (В) заключена внутри теплоизолятора 5, третья часть (С) - между теплоизолятором 5 и нижней частью корпуса 1. зо Сквозное отверстие в теплоизоляторе 5 выполняется таких размеров, что электрическое сопротивление части В гранулированного материала значительно превосходит электрическое сопротивление всего гранулированного материала, которым заполнен корпус 1. Так, если = 140 мм, = 35 мм, сЦ = 160 мм, d^= 25 мм, где d^ диаметр корпуса 1; d^ “ диаметр отверстия 7 в перегородке 5; If Длина корпуса 1; 12. Длина перегородки 5, то электросопротивление части В нагревателя 2, выполненного из криптола, значительно (более чем в 20 раз) превышает электросопротивление остальной части (Λ + С) гранулированного материала.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед измерением в теплоизоляторе 6 на теплосъемном электропроводном элементе 3 размещают исследуемый’ образец 8 и измеритель 9 тепловых потоков или температур.

К электродам 4 подводят напряжение от источника питания постоянного тока с регулируемым выходом, например, с током до 25А и напряжением до 80 В (на чертеже не показан).Цепь электрического тока замыкается через часть А нагревателя, теплосъемный элемент 3,. часть В, заключенную в теплоизоляторе 5, и часть С нагревателя 2. Так как сопротивление части В гранулированного материала значительно больше, чем частей А + С, то в части В происходит выделение тепла, значительно превосходящее тепловыделение в остальной его части, что является достаточным для нагрева образца из огнеупорной керамики в атмосфере воздуха до 2000 К.

Благодаря тому, что теплосъемный элемент 3 выполнен из электропроводного материала (графита), тепло, выделенное в части В нагревателя 2, передается через плоскую поверхность теплосъемного элемента 3 в осевом направлении в виде одновременного теплового потока.

Учитывая, что боковые поверхности теплосъемного элемента 3 примыкают к теплоизоляционному нагревателю в части А, тепло с боковых поверхностей не рассеивается. Температуру образца 8 регистрируют во времени по показаниям измерителей 9·

Полученные данные служат для определения теплофизических свойств образца (его теплопроводности, или температуропроводности) по известным методам решения обратных коэффициентных задач теплопроводности.

Термиче.ское сопротивление гранулированного материала, например криптола, велико, поэтому токоподводящие электроды 4 и корпус 1 находятся при комнатных температурах.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить измерения в атмосфере воздуха при высоких температурах до 2000· К. При этом токоподводящие электроды не перегреваются и в процессе работы находятся практически при комнатной температуре, что значительно увеличивает их срок' годности. Отсутствие вакуумированной системы, использование в качестве нагревателя дешевых материалов и простая замена его делают предлагаемое устройство дешевым и удобным в эксплуатации.

Claims (2)

1. ( УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Изобретение относитс  к определению теплофизических характеристик ма териалов в широкой области температу и может быть использовано дл  опреде лени  теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости твердых тел, используемых в различных.отрасл х науки и техники. Известно устройство дл  определени  коэффициента теплопроводности твердых материалов в широком интерва ле температур, содержащеев охлаждаемом проточной водой корпусе нагреватели , .теплоизол торы и тепломер, выполненный из материала с известным коэффициентом теплопроводности. Нагреватели и теплоизол торы выполнены из графита. Пространство между графитовыми теплоизол торами и корпусом дл  улучшени  теплоизол ции заполнено засыпкой из двуокиси циркони . Устройство позвол ет определить теплопроводность и температуропроводность огнеупорных материалов при температурах-v 500-2000 К в вакуумной либо инертной среде ГО Недостатком известного устройства  вл етс  то, что оно работоспособно только в вакуумной либо инертной среде и непригодно дл  измерений в атмосфере воздуха. Наиболее близким к изобретению  вл етс  устройство дл  определени  теплофизических свойств твердых тел, содержащее цилиндрический неэлектропроводный корпус с нагревателем внутри него, В этом устройстве теплоизол торы , представл ющие собой набор из 50-70 плоских или рифленых пластин из ниобиевой фольги с,нанесенным покрытием из сажеграфитовой суспензии, защищают боковые поверхности исследуемого образца и нагревател  от потерь теплоты в окружающую среду, особеннопри высоких температурах . В полом цилиндрическом танталовом нагревателе, выполненном из фольги и окруженном одним из тепло39 изол торов, размещен теплосъемный электропроводный элемент в форме сер дечника, электрически изолированного от нагревател . Исследуемый плоский образец размещают на поверхности теп лосъемного элемента и поджимают винтами дл  улучшени  теплового контакта . На исследуемом образце размещен тепломер с известной теплопроводностью , а на нем - холодильник дл  создани  температурного перепада по толщине исследуемого образца. При этом тепловое поле, формируемое в образце исследуемого материала,  вл етс  одномерным 2. Однако известное устройство работает только в вакуумной или инертной среде, и непригодно дл  работы в атмосфере воздуха, так как в нем использован танталовый нагреватель, по вол ющии проводить нагрев до температуры 2000 К только в инертной или вакуумной средах. Вакуумирование устройства сильно усложн ет его конс рукцию и повышает его стоимость. Целью изобретени   вл етс  обеспечение возможности измерени  в атмосфере воздуха при высоких гемпера-турах . Указанна  цель достигаетс  тем, что в устройстве, содержащем цилиндрический неэлектропроводный корпус с нагревателем внутри него, дополнительно установлены неэлектропроводный теплоизол тор, сквозное централь ное отверстие которого закрыто соосно ему размещенным теплосъемным элементом , и другой неэлектропроводный теплоизол тор, а нагреватель выполнен из электропроводного гранулированного материала и помещен между корпусом, теплоизол торами и теплосъемным элементом., Выполнение нагревател  из электр проводного гранулированного материа позво;1 ет создать высокий уровень температур в атмосфере воздуха, который определ етс  свойствами самог нагревател . К тому же, электропроводный |;ранулированный материал обладает хорошими теплоизол ционными свойствами и тем самым предохран ет стенки корпуса и электроды от перегрева . Выбор такого материала дл  н гревател  позвол ет самым простым способом осуществи ть токоподвод, т. переход от нагревател  к холодным электродам. Выполнение одного их теплоизол торов в виде перегородки со сквозным центральным отверстием в средней части корпуса позвол ет из всего электропроводного гранулированного материала выделить необходимый объем материала,  вл ющийс  нагревателем, в котором выдел етс  нужна , теплова  энерги , так как электрическое сопротивление этого объема материала значительно больше, чем в остальной части, т.е. в корпусе. Размещение электропроводного теплосъемного элемента на указанном теплоизол торе обеспечивает одномерность теплового потока. Размещение второго неэлектропроводного теплоизол тора на электропроводном теплосъемном элементе позвол ет обеспечить токоподвод к тепловыдел ющеи части нагревател , выполненного в виде гранулированного электропроводного материала и размещенного в отверстии первого теплоизол тора. К тому же этот теплоизол тор формирует одновременно и рабочий объем устройства , доступ в который удобен и прост. Такое размещение указанных обоих тепЛоизол торов и теплосъемного электропроводного элемента раздел ет электропроводный гранулированный материал на последовательно соединенные электрические проводники, выполненные из одного материала, но с разным сечеа следовательно, и с различным электросопротивлением. Этим обеспечи-. ваетс  малое тепловыделение в участках с большим сечением (т.е. в верхней и нижней част х корпуса) и большое - в полости первого теплоизол тора , в которой сечение электропроводного гранулированного материала значительно меньше. Выполнение электродов кольцевыми дает возможность изготовить их с большой поверхностью контакта с электропроводным гранулированным материалом , что исключает тепловыделение и нагрев электродов. На чертеже приведено предлагаемое устройство, общий вид. Устройство содержит корпус 1, в котором расположены нагреватель 2, теплосъемный электропроводный элемент 3 электроды k, два цилиндрических теплоизол тора 5 и 6. Нагреватель 2 представл ет собой электропроводный гранулированный материал ( например, криптол, толченный графит измельченные селиты), которым заполнен корпус 1 и теплоизол тор 5. Теплоизол тор 5, изготовленный из неэлектропроводного материала, выполнен в средней части корпуса 1 в виде горизонтальной перегородки со сквозным центральным отверстием 7. Теплосъемный электропроводный элемент 3, выполненный, например, из прессованного графита, расположен на теплоизол торе 5 соосно отверстию, выполненному в нем. Теплоизол тор 6 выполнен в виде полого цилиндра из не электропроводного материала и распо ложен на электропроводном теплосъем ном элементе 3Кольцевые электроды k размещены в корпусе 1 по его боковой поверхности . Электропроводный гранулированный материал теплоизол торами 5 и 6, теплосъемным электропроводным элементом 3 и корпусом 1 разделен на три части, одна из которых (А) , заключена между теплоизол тором 6, теплосъемным элементом 3 и верхней частью корпуса 4. Друга  часть (В) заключена внутри теплоизол тора 5 треть  часть (С) - между теплоизол тором 5 и нижней частью корпуса 1. Сквозное отверстие в теплоизол торе 5 выполн етс  таких размеров, что электрическое сопротивление части В гранулированного мат.ериала значитель но превосходит электрическое сопротивление всего гранулированного материала , которым заполнен корпус 1. Так, если Ц мм, U 5 мм, dj 160 мм, d 25 мм, где d диаметр корпуса 1 ; d, диаметр отверсти  7 в перегородке 5; /f Длина корпуса 1; 12. Длина перегородки 5, то электросопротивление части В нагревател  2, выполненного из криптола, значительно (более чем в 20:раз) превышает электросопротивление остальной масти (Л + С-) гранулированного материала. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Перед измерением в теплоизол торе 6 на теплосъемном электропроводном элементе 3 размещают исследуемый образец 8 и измеритель 9 тепловых потоков или температур. К электродам 4 подвод т напр жение от источника питани  посто нного тока с регулируемым выходом, например , с током до 25А и напр жением ДО 80 В (на чертеже не показан).Цепь электрического тока замыкаетс  через часть А нагревател , теплосъемный элемент 3. часть В, заключенную в тбплоизол торе 5, и часть С нагревател 
2. 2. Так как сопротивление части В гранулированного материала значительно больше, чем частей А + С, то в части В происходит выделение тепла, значительно превосход щее тепловыделение в остальной его части, что  вл етс  достаточным дл  нагрева образца из огнеупорной керамики в атмосфере воздуха до 2000 К. Благодар  тому, что теплосъемный элемент 3 выполнен из электропроводного материала (прафита), тепло, выделенное в части В нагревател  2, передаетс  через плоскую поверхность теплосъемного элемента 3 в осевом направлении в виде одновременного теплового потока. Учитыва , что боковые поверхности теплосъемного элемента 3 примыкают к теплоизол ционному нагревателю в части А, тепло с боковых поверхностей не рассеиваетс . Температуру образца 8 регистрируют во времени по показани м измерителей 9 Полученные данные служат дл  определени  теплофизических свойств образца (его теплопроводности, или температуропроводности) по известным методам решени  обратных коэффициентных задач теплопроводности, Термиче.ское сопротивление гранулированного материала, например криптола , велико, поэтому токоподвод щие электроды 4 и корпус 1 наход тс  при комнатных температурах. Таким образом, предлагаемое устройство позвол ет осуществить измерени  в атмосфере воздуха при высоких температурах до 2000 К. При этом токоподвод щие электроды не перегреваютс  и в процессе работы наход тс  практически при комнатной температуре , что значительно увеличивает их срок годности. Отсутствие вакуумированной системы, использование в качестве нагревател  дешевых материалов и проста  замена его делают предлагаемое устройство дешевым и удобным в эксплуатации. Формула изоЬретени  Устройство дл  определени  теплофизических свойств твердых тел, со