Способ определения коэффициента теплопроводности твердых материалов и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизиче- скому приборостроению и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений с одним эталоном.

На фиг.1 представлена схема устройст- ва для осуществления предлагаемого способа определения коэффициента теплопроводности твердых тел неограниченных размеров; на фиг.2 - измерительная ячейка, для исследования образцов конечных размеров

Устройство содержит нагреватель 1 исследуемого материала, датчик 2 нулевого перепада температур, нагреватель 3 эталона, эталон 4 и установленный в нем дополнительный подстроечный нагреватель 5

Теплопроводность определяют следую щим образом

Устройство устанавливают на исследуемом теле 6, которое, как и эталон, должно моделировать полубесконечное в тепловом отношении тело Создают равные тепловые потоки основными нагревателями 1 и 3. Равенство температур в зоне контактов наг ре вателей с материалами поддерживают дополнительным подстроенным нагресате лем 5. После установления стационарного режима теплопередачи определяют коэФ фициент теплопроводности по измеренным мощностям нагревателей и известной теп лопроводности эталона При исследовании

О СО

Ј

4

ib

образцов ограниченных размеров измерения проводят в ячейке 7 (фиг.2), выполненной из материала с высокой теплопроводностью.

Согласно изобретению дополнительный подстроечный нагреватель диаметром JH устанавливают от поверхности эталона, контактирующей с основным нагревателем, на расстоянии ,1 бн.Это необходимо для сведения к минимуму краевых эффектов на внешней окружности нагревателей. В качестве эталона выбирают материал, коэффициент которого находится в диапазоне Амакс А 1,2Амакс , где Амакс - верхний предел измеряемой теплопроводности. Это обусловлено необходимостью перекрытия исследуемого диапазона коэффициента теплопроводности.

В случае использования для исследований устройства с измерительной ячейкой эффективная теплопроводность эталона определяется по грэдуировочной зависимости Аэф f(U), где U - сигнал измерительного устройства, пропорциональный мощности нагревателей эталона.

Тепловой поток qx в полуограниченное тело от плоского нагревателя при установившемся режиме определяют из известного выражения

qx 4R Ах - Т ), (1) где Ах - коэффициент теплопроводности, Вт/мК;

Тн - температура нагревателя, °С;

Тю- температура тела в бесконечно удаленной точке принимается равной О, °С;

R - характерный размер нагревателя, м.

В полубесконечном эталоне устанавливается два тепловых поля: одно - Цэ, образованное дисковым нагревателем датчика с радиусом Нэ на адиабатической поверхности полупространства, другое - рд, образованное дисковым дополнительным нагревателем с радиусом Рд, помещенным на глубине S:

Рэ Ti 4Р.э Аэ , (2)

где Qa - тепловой поток от основного нагревателя эталона, расположенного на его поверхности, Вт/м ;

Ti - температура нагревателя, °С;

Аэ - теплопроводность материала эталона;

Рэ - радиус нагревателя, м

Qg- 8RA Ј)

где Т2 - температура дополнительного на- гревтеля, °С;

RA радиус дополнительного нагревателя, м;

К ( 2 - з -п) - коэффициент, характеризующий положение нагревателя.

Если дополнительный нагреватель нэ- ходится на небольшом расстоянии от поверSхности, т.е. -- - 0, то в этом случае

Кд

температуры нагревателей равны (Ti 12). Суммарное температурное поле будет ха- рактеризоваться суммой температур нагревателей - эталона и дополнительного

Т ТЦ- Т2 (4)

и будет равно температуре на поверхности исследуемого материала Тх. Из уравнения (1)

25

Тх

qx

(5)

Подставляя в формулу (5) уравнения (2), (3), (4), получим

После незначительных преобразований получим

lo+fp t- ю

Уравнение (6) можно преобразовать к

виду

Ах Да

, , К R3 Рд

I -Г7Г fT Т

(7) Яэ v }

1 RA Рэ

Таким образом, можно считать, что эталон с дополнительным подстроечным нагре- вателем, установленным в нем на расстоянии S от поверхности, эквивалентны эталону с коэффициентом теплопроводности, равным

Аэ

+JS fi 9л

Rn Рэ

(8)

В случае, когда основными нагревателями задаются равные тепловые потоки С|х Рэ, коэффициент теплопроводности будет определяться по формуле (8).

- Пример. Измерения проводят на полубесконечных в тепловом отношении образцах. В эталоне с более высокой теплопроводностью, чем исследуемое тело, устанавливают дополнительный подстроенный электрический нагреватель. Создают равные тепловые потоки в исследуемый и эталонный материалы. Равенство температур обеспечивают регулированием мощности дополнительного подстроечного нагревате- ля, размещенного в эталоне.

После установления стационарного режима теплопередачи по известному коэффициенту теплопроводности эталона и измеренным тепловым потокам основных и дополнительного нагревателей по предлагаемой формуле рассчитывают искомый параметр.

Формула изобретения 1. Способ определения коэффициента теплопроводности твердых материалов, заключающийся в создании нагревателями тепловых потоков в исследуемый и эталонный полубесконечные в тепловом отношении образцы и поддержании равных температур в зоне контакта нагревателей с материалами до установления стационарного режима теплопередачи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измере- ний с одним эталоном, нагревателями задают равные тепловые потоки в исследуемый материал и эталон, а равенство температур поддерживают дополнительным подстроечным нагревателем, размещенным в эталоне, и определяют коэффициент теплопроводности по формуле

Я

Аэ

(И + Р..ЧД j V 2 RA Ь

где Де - коэффициент теплопроводности эталонного материала;

К- коэффициент, характеризующий положение дополнительного нагревателя;

Rb - радиус основного нагревателя эталона;

RA - радиус дополнительного нагревателя;

РЭ, Qfl - тепловые потоки от основного и дополнительного нагревателей эталона.

2. Устройство для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов, содержащее нагреватель образца, датчик нулевого перепада температур, нагреватель эталона, эталон, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений с одним эталоном, в эталоне установлен соосно с основным дополнительный подстроечный нагреватель на расстоянии не более 0,1 dM от поверхности, контактирующей с основным нагревателем, где dH - диаметр подстроечного нагревателя,

Изобретение относится к теплофтиче скому приборостроению и может быть ис пользовано для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение диапазона исследований с одним эталоном Сущьность изо бретения заключается в создании нагревателями равных тепловых потоков в эталонном и исследуемом теле, поддержании равных температур в зоне контакта нагревателей с материалами с помощью дополнительного подстроечного нагрепате- ля, размещенного в эталоне, до установления стационарного режима теплопередачи и определении коэффициента теплопроводности 2 с.п. ф-лы, 2 ил И Г

Фиг. I

Cur. 2