УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ Советский патент 1972 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к области теплофизичеокого приборостроения и применяется для исследования температурной зависимости те1плопроводности твердых материалов в зоне фазовых переходов и неметаллических жидкостей в диапазоне температур от -150 до 400°С.

Известны устройства для измерения коэффициента теплошраводности материалов, выполненные в виде разъемной теплоизоляционной оболочки и металлического ядра, содержащего основание с нагревателем, металлический малоинерционный тепломер с охранным колпаком и температурные датчики.

Одна,ко в таких устройствах измеряется коэффициент теплопроводности только твердых, механически обрабатываемых материалов, сложен монтаж температурных датчиков, при охлаждении хладагентом возникает неравномерное темперагурное поле в деталях металлического ядра, что увеличивает длительность охлаждения .и расход хладагента, при этом первые измерения удается начинать с .

Предлагаемое устройство отличается от известных тем, что в нем на основании с нагревателем установлена съемная кювета, выполненная в виде цилиндрического диска с плоской, чисто обработанной нижней контактной поверхностью и углублением для исследуемой

жидкости, внутри которого закреплены по радиусу три калиброванных изоляционных стержня, на которых установлен энтальнийный тепломер в виде сплошного металлического стержня, который механически связан с адиабатической оболочкой, представляющей собой тонкостенный колпак с намотанным на него малои-нерционным нагревателем, а адиабатическая оболочка закреплена в охранном колпаке, а также тем, что оно снабжено внрыскивателем хладагента в его рабочую зону.

Такая конструкция устройства позволяет исследовать теплопроводность жидкостей и твердых тел в зоне плавления, повысить точность и надел насть и расширить диапазон температур в отрицательной области.

На фиг. 1 представлено описываемое устройство; на фиг. 2 - металлическая кювета для исследования жидкостей.

Устройство содержит нагревательный блок 1, основание 2, охранный колпак 3, стержень 4, адиабатическую оболочку 5, стойки 6 w. 7, каналы 8 для охлаждения ядра водой, каналы для охлаждения ядра жидки-м азотом 9, отверстия 10 для выхода азота в охранном колпаке, переходную втулку 11, съемную кювету (или образец) 12, штыри 13, стержень (шток) 14, стерл ень 15, «олодку 16, верхний колпак 17, нижний колпа к /8, змеевик верхнего колиака 19, змеевик нижнего колпака 20, олору 21.

Устройство включает разъемную теплоизоляционную оболочку и металлическое ядро. Металличвское ядро А-калориметра состоит из нагревательного блока /, основания 2 с охранным колпаком 5, стержня 4 и адиабатической оболочки 5. Внутри «ожуха калориметра ядро крепится на шести металлических стойках 6 а 7. Е нагревательном блоке размещены спирали электрического нагревателя и системы охлаждения ядра водой 8 (замкнутая) и жидким азотом 9 (открытая).

Жидкий азот сначала прогоняется по замкнутой системе каналов в блоке, а затем пары и неиспарившиеся капли азота выбрасыв1аются непосредственно внутрь охранного колпака, значительно ускоряя процесс охлаждения и выравнивая температурное поле ядра. Пары азота выходят из ядра через отверстие 10 в охранном колпаке те,плоизоляционной оболочки.

Нагревательный блок и основание стянуты винтами. Для улучшения те1ПЛО)Вого контакта -их соприкасаюш,иеся поверхности тщательно притерты. С делью уменьшения утечек жидкого азота на стыке блока и основания запрессоваиы 1втулки 11.

Испытуемый образец 12 (или кювета с исследуемой ж.идкостью) устанавливается между поверхностями ооноваиия 2 и стержня 4. Стержень -полужестко фиксируется внутри адиабатической оболочки 5 тремя радиальными штырями 13. Усилие от Багрузочного устройства передается на образец через стержни 14 и 15, причем точка приложения усилия смещена в часть стержня. Такой способ крепления значительно ограничивает подвижность стержня, предохраняя термопары от обрыва, и в то же время стержень может сам устанавливаться по поверхности образца. Последнее нео:бходимо для плотного прилегания образца к контактным поверх1ностям калориметра.

Адиабатическая оболочка 5 представляет тонкостенный металлический колпак, на наружной поверхности которого, поверх слоя стеклоткани, намотан нагреватель из нихрома. Адиабатическая оболочка центрируется внутри охранного колпака 3 радиальными выступами. Оболочка и связанный с ней стержень могут вертикально перемещаться в пределах 4-5 мм внутри охранного колпака в соответствии с толщиной образца. Термопары от стержня и оболочки выводятся через дно охранного колпака во втулках. Одновреме)нно втулки используются для крепления оболочки внутри охранного колпака. Детали 1, 2 и 3 калориметрического устройства (изготовлены из дюралюминия, детали 4 и 5 - из красной меди и хромированы.

TeiMnepaType стержня на протяжении всего опыта.

Во время разогрева металлического Я-калориметра тепловой поток от ооно1вания проходит через испытуемый образец и целиком поглощается стержнем. Благодаря наличию адиабатической оболочки теплообмен стержня с окружающими деталями отсутствует.

Для измерения и регулирования температуры в калориметре применяются термопары из нихрома и константана диаметром 0,2 мм. Монтаж всех термопар в -приборе постоянный. Места их заделки показаны на фиг. 1 крестиками.

Термопара А заделывается в центральной части контактной поверхности основания, термопара В-в центральной части контактной поверхности стержня. Термопарой В измеряется температура стержня, а при соединении термопар А и В в дифференциальную измеряется перепад температуры на образце. Дифференциальная термопара С-D служит для регулирования температуры оболочки. Ее

спаи расположены соответственно в стержне и в стенке адиабатической оболочки.

Термопары изолируются внутри теплозащитной оболочки фарфоровыми бусами и подводятся к выводным колодкам 16, расположенны М в верхней и нижней частях кожуха, после которых они ведутся в хлорвиниловых трубках. К электроизмерительной схеме прибора термопары подключаются через блок холодных спаев. Последний предста-вляет массивный металлический брусок, внутри которого размещены электрически изолированные клеммы. Он служит для выравнивания температуры холодных спаев термопар. За блоком холодных спаев монтаж ведется медным многожильньш проводом.

В опыте измеряются перепад температуры на образце и скорости разогрева стержня Д/с/Дт. Расчет коэффициента теплопро-водности проводится по формулам:

р B-S-K,i Ярбр-Д

(1) Д СГСО

р 9 Р

(2)

сум - )

21

-,-,

5 с+0,5/С,- «-«обр; (3)

Сгс + и,Э Ообр

малое конечное приращение э.д.с.

термопары, мв;

время, за которое происходит изменение сигнала на величину Д мв, сек; Собр - теплоемкость образца, дж/град; S - площадь контакта образца, Побр - перепад на образце, дел; 2Рк - контактное тепловое сопротивление, определяемое из градуировочного опыта, м -град/вт; 2Ь -высота образца, м; Cc(t) -те,плоемкость стержня, дж/град; t - температура отнесения коэффициента теплап1ровод«ости. Для исследования Жидкостей применяется металлическая кювета (см. фиг. 2). Вяутри корпуса кюветы 12, в углублении под углом 120°, за1креплены три изоляционные (стеклянные) опоры одинаковой толщины. На концы изоляционных опор устанавливается стержень калориметра. Таким образом, толщи1на слоя строго фиксируется. Естественно, количество жидкости в кювете должно быть таким, чтобы опоры были покрыты слоем 0,1 мм. В этом случае расчетная формула примет вид: Р РСУМ(1 + ) (4) Аорасс J где Реум - тепловое сопротивление, рассчитанное по формуле (1); Абрасс-поправка, учитывающая те1пловой поток, который проникает в стержень через слой жидкости, лежащий за пределами диаметра стержня;РК - контактное тепловое сопротивление, м град1вт DC - диаметр стержня, м; Sc - площадь контакта стержня, SK - площадь контакта кюветы, м. При исследовании теплопроводности пластических образцов ((При плавлении твердых) в исследуемом образце вырезают три радиальных паза под стержни глубиной и шириной 1 мм и помещают его в кювету. Толщина стержней должна быть равна или несколько меньше (на 0,1-0,05 мм) толщины образца. В расчетную формулу (3) подставляют высоту образца до момента размягчения, если известна температура его размягчения, и после начала раз1мягчения - толщину трубочек. ТеплоизсляциоННая оболочка выполнена в ви|де двух разъемных колпаков 17, 18, охлаждаемых водой по змеевикам 19, 20, припаянным изнутри колпаков. Описанное устройство работает следующим образом. Исследуемый образец (или кювету с жидкостью) ставят на основание 2, предварительно подняв колпак 17, далее закрывают калориметр. Включают нагреватель, и ядро калориметра вместе с образцом монотонно нагревается. При этом по термопаре В следят за тем1пературой, на требуемом уровне измеряют скорость разогрева, а, соединив термопары Л и В в дифференциальную, замеряют перепад на образце. Расчет коэффициента теплопроводности проводят по формулам (1-5). Предмет изобретения 1.Устройство для измерения коэффициента теплопроводности материалов, содержащее основание с нагревателем, охранный колпак с металлическим тепломером, разъемную теплоизоляционную оболочку и металлическое яд ро, отличающееся тем, что, с целью исследования теплопроводности жидкостей и твердых тел в зоне плавления, повышения точности и надежности, в нем на основание с нагревателем установлена съемная кювета, выполненная в виде цилиндрического диска с плоской, чисто обработанной нижней контактной поверхностью и углублением для исследуемой жидкости, внутри которого закреплены по радиусу три калиброванных изоляционных стержня, на которых установлен энтальпийский тепломер в виде сплошного металлического стержня, который механически связан с адиабатической оболочкой, выполненной в виде тонкостенного с на1мота«пым на него малоинерционным нагревателем, а адиабатическая оболочка закреплена в охранном колпаке. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона температур в отрицательной области, оно снабжено впрыскивателем хладагента в его рабочую зону.

IB

Фиг.1

20

Фиг.2