Устройство для измерения коэффициента теплопроводности электропроводных материалов Советский патент 1980 года по МПК G01N25/18 

I

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению и предназначено преимущественно для использования в материаловедении при изучении свойств электропроводных материалов.

Известны экспериментальные установки, предназначенные для измерения коэффициента теплопроводности методом Кольраушец состоящие из нагревателя с помешенным в него образцом, по которому пропускается электрический ток l.

Известна установка Г. Е. Иванчихина, предназначенная для измерения коэффициента теплопроводности электропроводных материалов 2. Устройство реализует метод Кольрауша, заключающийся в том, что используемый образец нагревается проход5ппим через него электрическим током в среде, температура которой задается нагревателем. Температурное поле среды (нагревателя) может быть либо равномерным, либо параболическим, но температура среды и образца не совпадают, и имеющийся боковой теплообмен учитывается в расчетной форме системой поправок Егера и Диссельхорста. Расчетная формула для коэффициента теплопроводности имеет вид

lUt

(1)

TV|

8S9

где 7

-коэффициент теплопроводности стержня,

«

- сила проходшпего по стержню тока,

U

-падение напряжения на рабочем участке стержня между двумя крайними термопарами,

е

-длина рабочего участка стержня,

S

- плошадь поперечного сечения стержня,

б

-температурный перепад на стержне между его средним и крайним сечениями, который мог бы сформироваться в условиях адиабатической ИЗО7ШЦИИ стержня. температурный перепад на образце, который мог бы сформироваться в усл виях адиабатической изоляции, связан с температурным перепадом на обраэце в условиях опыта следующей зависи мостью: ©-A-LN,.,, где t - температурный перепад на образце между его средним крайним сечениями в услови опыта, 6.N - введенные обозначения комп -4n e -liin -b

где си - эффект1тный коэффихшент теплопередачи в зазоре между стержнем и нагревателем; Г - радиус стержня.

(4)

N -tc-4 A,

где tc, - температура окружающей среды (нагревателя),

to - температура стержня в его среднем сечении.

Величина . определяется из опыта, что более целесообразно, путем измерения стационарного распределения темпертур на образце при включенном токе.

Таким образом, расчет поправок требует исследования температурного поля вдоль образца, усложняет процесс измерения и снижает его точность.

Целью изобретения является повышение точности и упрощение процесса измерения коэффициента теплопроводности электропроводных материалов.

Зго достигается тем, что в устройстве для измерения коэффициента теплопроводности электропроводных материалов, имеющем нагреватель с помещенным в него образцом в виде стержня и с тремя термопарами, закрепленными в среднем и крайних сечениях рабочего участка стержня, регулирования мощности нагревателя, между стержнем и нагревателем установлен охранный нагреватель с термопарой, закрепленной на его внутренней трубе, выполненной из высокотеплопроводного материала, например меди, а на стержне, в сечениц находящемся на расстоянии 1/5 дтшны его рабочего участка от середины.независимо от направления, установлена доVoтемпературный перепад между

где средой и стержнем в его среднем сечении.

При соблюдении условия (5) поправка на боковой теплообмен в первом приближении равна нулю, и расчетная формула для коэффициента теплопроводности имеет вид:

1U2

6)

Аазл

На фиг. 1 показано качественное распределение температур по длине образца (кривая а) и окружающей его среды (кривая б). Выбор сечения Х. д2 для закрепления четвертой термопары определяется точкой пересечения кривых а и б, для которой справедливо равенство:

f

(7)

8х. 6

по

плотность проход5Ш1его

где стержню тока,

удельное сопротивление стержjня,

X - текущая координата, отсчитываемая от среднего сечения стержня.

На фиг. 2 схематически изображено предлагаемое устройство для измерения коэффициента теплопроводности электропроводных материалов.

Оно включает образец 1, выполненны в виде стержня с утоятеннык- и концами 2, помещенный во внутреннюю трубу 3 охранного нагревателя 4, выполненную из вьгсокотеплопроводного материала, например меди, основной нагреватель 5, 124 полнителъная термопара, причем термопара охранного нагревателя и дополнительная термопара образца включены дифференциально, и введена система автоматического регулирования, которая управляет работой охранного нагревате;.я, поддерживая нулевую разность температур между соответствующими точками охранного нагревателя и стержня. Поддержание нулевой разности температур между охранным нагревателем и стержна г в сечении, нахошпцемся на расстоянии 1/5 длины его рабочего участка от середины, обеспечивает выполнение условия .

теплозащитную обопочку 6, термопары 7 и 8, закрепленные в крайних сечениях рабочего участка стержня, термопару 9, закрепленную в его среднем сечении, систему автоматического регулирования 10 и дифференциально включенные термопары 11 и 12, одна из которых закреплена на внутренней трубе 3 охранного нагревателя 4, а вторая - на стержне, в сечении, находящемся на расстоянии

1/5 длины его рабочего участка от середины.

Температурный уровень опыта задается основным нагревателем 5.

Центральная зона стержня под дейс- вием проходящего электрического тока оказывается перегретой относительно концов 2, играющих роль холодильников благодаря большому сечению и развитой наружной поверхности. Температурный

перепад на стержне определяется по показаниям термопар 7-9.

Система автоматического регулирования 10 управляет работой охранного нагревателя 4 и обеспечивает выпоянение условия (5), поддерживая нулевую разность температур между внутренней трубой охраннога нагревателя и стержнем в сечении, находящемся на расстоянии 1/5 длины его рабочего участка от середины стержня.

Также измеряются падение напряжения на концах рабочего участка стержня и проходящий через него ток.

Использование новых элементов охранного нагревателя, двух дифференциально включенных термопар и системы автоматического регулирования - выгодн отличает предлагаемое устройство для измерения коэффициента теплопроводноети электропроводных материалов, так как упрощается процесс измерения, устраняется необходимость ..определения

величин , и N

что повышает точноСМ измерения.

Предлагаемое устройство может КСпояьзоватся при изучении впи$шия химического состава, структуры и режима термообработки на свойства материалов, а также при создании промышленных образцов теплофизических приборов.

Формула изобретения

Устройство для измерения коэффициента теплопроводности электропроводных материалов, содержащее нагреватель с помещенным в него образцом в виде стержня и с тремя термопарами, закрепленными в средни и крайних сечениях рабочего участка стержня, схему регулирования мощности нагревателя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса измерения, между стержнем и нагревателем установлен охранный нагреватель с термопарой, закрепленной на его внутренней трубе, выполменной из высокотепгаэпроводного материала, а на стержне, в сечении, находящемся на расстояни 1/5 длины его рабочего участка от середины независимо от направления, установлена дополнительная термопара, причем термопара охранного нагревателя и дополнительная термопара включены ди(} ференштльно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1.Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена. М., Энергия, 1969, с. 195-2О5.

2.Пепецкий В. Э. и др. Высокотемпературные исследования тепло- и электропроводности твердых тел. - М., Энергия, 1971, с. 66-67. t

Vz 4s 0 г