Способ определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных для теплового излучения материалов Советский патент 1986 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к тепл:офизи ческим измерениям свойств частично прозрачных для теплового излучения материалов (стекло, кристаллы, расп лавы солей и т.д.), в частности к способу определения коэффициента теп лопроводности материала, и межет быт использовано в химической, электротехнической и других отраслях промьшшенности для определения физических свойств материалов. Цель изобретения - уменьшение по решности определения коэффициента теплопроводности при высоких температурах, т.е. температурах, при которых перенос энергии в частично прозрачных материалах происходит одновременно теплопроводностью и излучением. На фиг.1 изображена схема экспери ментальной установки, реализующей предлагаемьй способ; на фиг.2 - влияние времени отжига материала нагревателя на пропускание образца частич но прозрачного материала. Способ осуществляют следующим образом. В рабочую камеру плоскопараллельн нагревателю помещают образец. Роль холодильника выполняет внутренняя поверхность камеры. После вакуумиро.вания камеры вводят образец из зоны нагрева и вводят экран, выполненный из того же материала, что и образец Устанавливают температуру нагревателя на 200-300 К вьппе заданной, отжигают нагреватель 9 - 11 ч. После отк лючения нагрева образец и экран возвращают в исходное положение. После включения нагрева в стационарном сое тоянии измеряют температуру нагревателя, холодильника г и разность температур на образце. Определение искомой величины проводят численным решением на ЭВМ (типа БЭСМ-6) обратной задачи стационарного радиационно-кондуктивного переноса энергии в плоском слое, отделенном диатермическими зазорами от нагревателя и холодильника. -,- --я1Н,). где X - координата точки в слое (,1); ) /cosy/; Ч- угол, отсчитываемый от положительного направления оси X; А - коэффициент теплопроводности;1 - частота; Т - температура; IP - интенсивность излучения вперед (назад); h - полутолщина образца. Экспериментальная установка, реализующая предлагаемый способ, содержит вакуумную водоохлаждаемую камеру 1, съемный токоподвод 2, охранный нагреватель 3, охранную плиту 4, центральньй нагреватель 5, образец 6, молибденовую подвеску 7, манометрические преобразователи 8, верхнюю диафрагму 9, верхнее флюоритовое окно 10, верхнее смещаемое зеркало 11, инфракрасный пирометр частичного излучения 12, задвижку 13, плоское зеркало 14, сферическое зеркало 15, поглотитель энергии 16, инфракрасный приемник излучения 17, инфракрасный фильтр 18, диафрагму 19, модулятор 20, зеркалозадвижку 21, уплотнение для ввода термопар 22, диафрагму для ФЭУ 23, (интерференциальный фильтр для види|мой части спектра 24, фотоэлектронньй умножитель 25, нижний поглотитель энергии 26, эталонный оптический пирометр 27, нижнее смещаемое зеркало 28, нижнюю диафрагму 29, нижнее флюоритовое окно 30, дно камеры 31, неподвижный токоподвод 32. В вакуумной водоохлаждаемой камере 1 на съемных токоподводах 2 укреплены вольфрамовые нагреватели 3 и 5, над которыми с зазором 2 - 4 мм установлена охранная плита 4 из кварцевого стекла, укрепленная с помощью молибденовых подвесок 7 к поглотителю энергии 16. В охранной плите 4 крепится образец 6 кварцевого стекла, вывод излучения с обеих поверхностей которого осуществляется через флюоритовые окна 10 и 30, перед которыми установлены апертурные диафрагмы 9 и 29. Оптическая система собрана на зеркалах 11,14,15,21 и 28 с внешним алюминированием Перед экспериментом устанавливают охранную плиту 4 с образцом 6, поглотитель энергии 16 и нижний поглотитель энергии 26 так, как показано на фиг,1. При этом экран, вьтолненный из того же материала, что и исследуемый образец (не показан), установлен в одной горизонтальной плоскости с образцом, на

3

молибденовых подвесках закреплен к поглотителю энергии 16 и смещен на 80 - 100 град, относительно охранной плиты 4. Для вывода излучения с нижней поверхности образца 6 в центральном нагревателе сделано отверстие равное 1,2 - 1,5 мм. Проверяют юстировку оптической системы для измерения температуры нагревателя пирометром 27, образца - пирометром 12 и разности температур на образце инфракрасным приемником излучения 17 с фильтром 18, диафрагмой 19 и модулятором 20, а также плоскопараллельность охранной плиты 4 с образцом 6 и нагревателем 3 и 5, Затем поворачивая поглотитель энергии на угол примерно 90 град, выводят охранную плит

4из зоны нагрева, а экран, выполненный из того же материала, что и образец, вводят на его место. При этом поглотитель энергии 16 и нижний noi- лотитель 26 занимают место, отмеченное на фиг.1 пунктиром. Вакуумируют камеру (контроль осуществляют по преобразователям 8). Затем устанавливают температуру нагревателей 3 и

5на 200 - 300 К выше температуры стационарного изотермического радиационного нагрева. После этого отжигают нагреватели в течение заданного времени (9 - 11 ч). При этом условия формирования поверхностного слоя нагревателей, а значит и их оптические свойства идентичны как при отжиге, так и при эксперименте. Тот факт что отжиг проводят при более высокой температуре, способствует уменьшению запыпения парами нагревателя в процессе эксперимента образца. Затем отключают нагрев, возвращают экран и охранную плиту с образцом в исходное положение, включают нагрев, в стационарном режиме измеряют соответствую1ще параметры, после чего численно решают на ЭВМ обратную задачу теплопроводности в условиях радиационно-кондуктивного переноса энергии в плоском слое конденсированной среды с полупрозрачными границами и с селективными оптическими свойствами.

При использовании в качестве нагревателя вольфрама, образца и экрана кварцевого стекла (внутренняя поверхность камеры и всех остальных узлов в ней бьша покрыта графитовой сажей, степень черноты которой равно 0,97), для температуры нагрева 2500 К

672404

отжиг нагревателя проводят 10 ч при 2750 К.

На фиг.2 показана зависимость

, спектрального пропускания кварцевого стекла КБ, нагретого до температуры 1500 К и выдержанного в течение одного часа над вольфрамовым нагревателем, отожженным предварительно при

JQ температуре 2500 К в течение часа (кривая 33), 5 ч (кривая 34) и 10 ч (кривая 35), причем пропускание исходного стекла и стекла после нагрева над отожженным в течение 10 ч

5 нагревателем не изменяется (измерение пропускания материала вьтолнено на спектрофотометре S pecord 75 IR).

Аналогичный график иллюстрирует влияние превышения температуры наг2Q ревателя над заданной. Экспериментально установлено, что превьппение на 200 - 300 К температуры нагревателя, при которой проводится опыт, приводит к стабилизации эмиссионных

5 свойств материала нагревателя. Например, выдержка в течение часа образца кварцевого стекла над вольфрамовым нагревателем, имеющим температуру 1900 К и предварительно отожжен,. ным при температуре 2200 К в течение 10 ч, не привела к изменению оптических свойств частично прозрачного материала.

Резальтаты измерения коэффициента теплопроводности кварцевого стекла предлагаемым способом в интервале температур 600 - 1500 К аппроксимированы полиномом первой степени

,69+1,56-10--э т, (2) тде J измеряется в Вт/(м.К);

0 Т - в градусах К.

Использование предлагаемого способа определения теплопроводности частично прозрачных для теплового излучения материалов позволяет уменьшить погрешность определения теплопроводности указанных материалов при высоких температурах из-за неточности знания оптических свойств нагревателя.

ормула изобретения

Способ определения коэффициента 55 теплопроводности частично прозрачных для теплового излучения материалов, включающий стационарный изотермичес- кий радиационный нагрев плоского об