Устройство для определения теплофизических свойств твердых тел Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

( УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Изобретение относится к определению теплофизических характеристик ма териалов в широкой области температу и может быть использовано для опреде ления теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости твердых тел, используемых в различных.отраслях науки и техники. Известно устройство для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов в широком интерва ле температур, содержащеев охлаждаемом проточной водой корпусе нагреватели, .теплоизоляторы и тепломер, выполненный из материала с известным коэффициентом теплопроводности. Нагреватели и теплоизоляторы выполнены из графита. Пространство между графитовыми теплоизоляторами и корпусом для улучшения теплоизоляции заполнено засыпкой из двуокиси циркония. Устройство позволяет определить теплопроводность и температуропроводность огнеупорных материалов при температурах-v 500-2000 К в вакуумной либо инертной среде ГО Недостатком известного устройства является то, что оно работоспособно только в вакуумной либо инертной среде 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 теплоизоляторы, 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, особеннопри высоких температурах. В полом цилиндрическом танталовом нагревателе, выполненном из фольги и окруженном одним из тепло39изоляторов, размещен теплосъемный электропроводный элемент в форме сер дечника, 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 создания температурного перепада по толщине исследуемого образца. При этом тепловое поле, формируемое в образце исследуемого материала, является одномерным 2. Однако известное устройство работает только в вакуумной или инертной среде, и непригодно для работы в атмосфере воздуха, так как в нем использован танталовый нагреватель, по воляющии проводить нагрев до температуры 2000 К только в инертной или вакуумной средах. Вакуумирование устройства сильно усложняет его конс рукцию и повышает его стоимость. Целью изобретения является обеспечение возможности измерения в атмосфере воздуха при высоких гемпера-турах. Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем цилиндрический неэлектропроводный корпус с нагревателем внутри него, дополнительно установлены неэлектропроводный теплоизолятор, сквозное централь ное отверстие которого закрыто соосно ему размещенным теплосъемным элементом, и другой неэлектропроводный теплоизолятор, а нагреватель выполнен из электропроводного гранулированного материала и помещен между корпусом, теплоизоляторами и теплосъемным элементом., Выполнение нагревателя из электр проводного гранулированного материа позво;1яет создать высокий уровень температур в атмосфере воздуха, который определяется свойствами самог нагревателя. К тому же, электропроводный |;ранулированный материал обладает хорошими теплоизоляционными свойствами и тем самым предохраняет стенки корпуса и электроды от перегрева. Выбор такого материала для н гревателя позволяет самым простым способом осуществи ть токоподвод, т. 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 тепловыделяющеи 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 сечеа 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 k, два цилиндрических теплоизолятора 5 и 6. Нагреватель 2 представляет собой электропроводный гранулированный материал (например, криптол, толченный графит измельченные селиты), которым заполнен корпус 1 и теплоизолятор 5. Теплоизолятор 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 теплоизоляторе 5 соосно отверстию, выполненному в нем. Теплоизолятор 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 теплоизоляторами 5 и 6, теплосъемным электропроводным элементом 3 и корпусом 1 разделен на три части, одна из которых (А) , заключена между теплоизолятором 6, теплосъемным 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. Сквозное отверстие в теплоизоляторе 5 выполняется 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 отверстия 7 в перегородке 5; /f 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 масти (Л + 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 тбплоизоляторе 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 (прафита), 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. Формула изоЬретения Устройство для определения теплофизических свойств твердых тел, со