Способ измерения коэффициента теплопроводности твердых тел

О П И С А Н И Е п 1) 45002ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических.Ч, Кл, б 01 п 251 присоединением заявкиГосударственный комит 32) Приорите,11.74, Бюллетень43 Совета Министров СССРпо делам изобретений 3) а (О публиков и открытий Дата сания 01.07.7 ликовани 72) Авторы изобретеш В тров, В. Ю. Резник и С. В, Степано 71) Заявит нститут высоких температур АН СС(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛа стадии ространю поверхсти сильИзобретение относится к области теплофизических измерений частично прозрачных материалов (стекло, керамика, окислы, соли и т. д,), в которых при высоких температуоах поле температур внутри материала формируется двумя процессами переноса энергии: излучением и теплопроводностью.Схемы реализации известных способов экспериментального определения истинного коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов при высоких температурах, йспользующих как стационарные, так и нестационарные методы, включают обычно нагреватель и холодильник, между которыми помещают один или несколько образцов. При этом обычно измеряют абсолютную температуру и перепад температур с помощью термопар.Однако оптические характеристики граничных поверхностей неопределенны, а определение температуры с помощью термопар оказывается неточным. Первый из указанных факторов появляется вследствие того, что лучистый поток зависит как от оптических характеристик исследуемого материала, так и от температуры и оптических характеристик граничных непрозрачных поверхностей (нагреватель и холодильник). Это вызывает необходимость дополнительного определения указанных характеристик в широкой спектральной области и в широком интервале температур. Экспсримент осложняется влиянием микроструктуры,шероховатости на оптические свойства граничньх поверхностей. Кроме того, при высо 5 ких температурах возникают дополнительныепогрешности, связанные с изменением поверхностного слоя граничных поверхностей нз-завозможного химического взаимодействия.Погрешности определения абсолютной тем 10 пературы и разности температур с помощьютермопар обусловлены лучистым теплообменом термопары со всем неизотермично нагретым объев 1 ом образца, плохим контактом термопары с поверхностью образца и возмуще 15 нием температурного поля из-за введения термопары.Цель изобретения - обеспечить измерениеистинного коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов.20 Это достигается тем, что образец нохлаждения помещают в вакуумное пство и измеряют энергию, излучаемуностью образца в спектральной обланого поглощения,25 Способ осуществляют следующим образом.Предварительно нагретый до пзотермичногосостояния в печи (например, индукционной)лоский образец частично прозрачного материала выводят из печи, например, путемЗО сбрасывания печи и ее экранирования зачер(7) сов 6 = - 1 К+ а 1.К.,Составитель В. Вертоградский Техред О. Гуменюк Корректор Н. Стельмах Редактор О. Степина Заказ 1723/13 Изд,587 Тираж 902 Подписное ЦНИИПИ Государсгвешгого комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий Москва, Ж, Раушская наб., д, 475Типография, пр, Сапунова, 2 ненным водоохлаждаемым экраном и в процессе остывания образца измеряют временную зависимость температуры поверхности.Таким образом, создаются условия, при которых исключается влияние граничных поверхностей на процессы лучисто-кондуктивного теплообмена.Измерение температуры поверхности осуществляют бесконтактньгм методом с помощью пирометра частичного излучения, работающего в области сильного поглощения материала, например, для стекла в области от 4 до 8 мкм. Такие пирометры регистрируют непосредственно температуру поверхности образца частично прозрачного материала, причем этот способ измерения температуры лишен недостатков, присущих термопаре.Рассмотрим расчетную схему, которая может быть использована для вычисления истинного коэффициента теплопроводности. Уравнения лучисто-кондуктивного переноса в плоском слое поглощающей нерассеивающей среды толщиной 21 г с известными оптическими характеристиками при остывании плоского образца в вакуумной камере большого объема с зачерненными стенками следующие; дТ д / йТср + --- +1,.сов 0(1 нсК 2 =-.Одт, дхгх(2) где 1, - интенсивность излучения;О - угол, отсчитываемый от положительного направления оси х;К. - коэффициент поглощения;гг- коэффициент преломления;Х - истинный коэффициент теплопроводности,с - удельная теплоемкость;- плотность;Т - температура;т - время;О - телесный угол от О до 4 л,Индексы; г) - указывает на спектральную зависимость; р - относится к черному телу.Для однозначного решения задачи необходимо задание начальных и граничных условий. Если начало координат поместить в центр пластины толщиной 2 Ь, то начальные условия следующие: 4У(х) 1,:о = Т, (3)1 (. ) -=о = 1 о (1 о) (4)Граничные условия для левой границы= О. (5)1+( Ь, Е) =1(О)1-( - Ь,О, ), (6)где Я, - коэффициент отражения границ об разца (определяется по формулам Френеля).Индексы плюс и минус указывают нато, что интенсивность определяется для углов0(6( - и - (0(- 152 2соответственно. Граничные условия для правой границы 1- ( Ь, Ц, т) - 1(6) 1+ ( Ь, 9, т), (8)Решая уравнения (1 - 2) с начальнымии граничными условиями (3 - 8), находимТ(х, т) как функцию известных и измеряемых25 величин: Ь., К., Ь, с, р, То и определяемогопараметра Х.Для некоторого момента времени тг и длякоординаты поверхности х= - Ь (или х=Ь)строим график функции30 Т 1 Ьй (9)при заданных значениях и., К., с, р, То Измеряя температуру поверхности в момент тг,можно по графику (9) найти искомое значе 35 ние коэффициента теплопроводности,Следует отметить, что интервал временитг должен быть достаточно малым, чтобы общий уровень температуры существенно не изменился.40Предмет изобретенияСпособ измерения коэффициента теплопроводности твердых тел, включающий изотермическую выдержку образца, его охлаждение45 при постоянной температуре окружающейсреды и регистрацию изменения температуры, отличающийся тем, что, с целью измерения теплопроводности частично прозрачных материалов, образец на стадии охлажде 50 ния помещают в вакуумное пространство иизмеряют энергию, излучаемую поверхностьюобразца в спектральной области сильного поглощения.