Устройство для измерения коэффициента теплопроводности материалов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 332374 Союв Советокил Социалистическив Реслтблинависимое от авт, свидетельстваМ. Кл. б 01 п 25/18 7171/ Заявлено 11.Ч.1970 ( с присоединением за вкиКомитет оо делам иаобретений и открытий ори Совете Министров СССР. Н. Дульнев, Е. С. Платунов, В. В. Курепин, И, Г. Р. Гольберг и 1 О. В. Алешкевич бин,нинградский институт точи пти ехани явитель УСТРОЙТЕ Т О ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к области теплофизического приборостроения и применяется для исследования температурной зависимости теплопроводности твердых материалов в зоне фазовых, переходов и неметаллических жидкостей в диапазоне температур от - 150 до 400 С,Известны устройства для измерения коэффициента теплоправодности материалов, выполненные в виде разъемной теплоизоляционной оболочки и металлического ядра, содержащего основание с нагревателем, металлический малоинерционный тепломер с охранным колпаком и температурные датчики.Однако в таких устройствах измеряется коэффициент теплопроводности только твердых, механически обрабатываемых материалов, сложен монтаж тем 1 пературных датчиков, ври охлаждении хладагентом возникает неравномерное температурное поле в деталях металлического ядра, что увеличивает длительность охлаждения и расход хладагента, при этом первые измерения удается начинать с - 80 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 энтальпийный тепломер в виде сплошного металлического 5 стержня, который механически связан с адиабатической оболочкой, представляющей собой тонкостенный колпак с намотанным на него малоинерционным нагревателем, а адиабатическая оболочка закреплена в охранном кол паке, а также тем, что оно снабжено,впрыскпвателем хладагента в его рабочую зону.Такая конструкция устройства позволяет исследовать теплопроводность жидкостей и твердых тел в зоне плавления, повысить точность 15 и надежность и расширить диапазон температур в отрицательной области. На фиг. 1 представлено описываемое устройство; на фиг, 2 - металлическая кювета 20 для исследования жидкостей.Устройство содержит нагревательный блок1, основание 2, охранный колпак 8, стержень 4, адиабатическую оболочку б, стойки б и 7, каналы 8 для охлаждения ядра водой, кана лы для охлаждения ядра жидким азотом 9,отверстия 10 для выхода азота в охранном колпаке, переходную втулку 11, съемную кювету (или образец) 12, штыри 18, стержень (шток) 14, стержень 15, колодку 16, верхний 30 колпак 17, нижний колпак 18, змеевнк верхнетемпературе стержня на протяжении всего опыта,Во время разогрева металлического ядра Х-калориметра тепловой поток от основания проходит через испытуемый образец и целиком поглощается стерженем. 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 - 1 Э 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 1 б, расположенным в верхней и нижней частях кожуха, после которых они ведутся в хлорвиниловых трубках. К электроизмерительной схеме прибора термопары подключаются через блок хо. лодных спаев, Последний представляет массивный металлический брусок, внутри которого размещены электрически изолированные клеммы. Он служит для выравнивания температуры холодных спаев термопар. За блоком холодных спаев монтаж ведется медным многожильным проводом.В опыте измеряются перепад температуры на образце Л 1 огр и скорости разогрева стерж. ня Мс/Лт.Расчет коэффициента теплопроводности проводится по формулам;р ВКн обрЬтЛЕ Сс Р) 50 55 60 65 го колпака 19, змеевик нижнего колпака 20, опору 21.Устройство включает разъемную таплоизоляционную оболочку и металлическое ядро. Металлическое ядро Х-,калориметра состоит из нагревательного блока 1, основания 2 с охранным колпачком 3, стерженя 4 и адиабатической оболочки б. Внутри кожуха калориметра ядро крепится на шести металлических стойках б и 7, В 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 выбрасываются непосредственно внутрь охранного колпака, значительно ускоряя процесс охлаждения и выравнивая температурное поле ядра. Пары азота выходят из ядра через отверстие 1 О в охранном колпаке теплоизоляционной оболочки.Нагревательный блок и основание стянуты винтами. Для улучшения теплового контакта их соприкасающиеся поверхности тщательно притерты, С целью уменьшения утечек жидкого азота на стьрке блока и основания запрессованы втулки 11. Испытуемый образец 12 (или кювета с исследуемой жидкостью) устанавливается между поверхностями основания 2 и стержня 4. Стержень полужестко фиксируется внутри адиабатической оболочки б тремя радиальными штырями И. Усилие от нагрузочного устройства передается на образец через стержни 14 и 1 б, причем точка приложения усилия смещена в нижнюю часть стержня. Такой способ крепления значительно ограничивает подвижность стерженяпредохраняя термопары от обрыва, и в то же время стержень может сам устанавливаться по поверхности образца. Последнее необходимо для плотного прилегания образца к контактным поверхностям кало р иметр а.Адиабатическая оболочка 5 представляет тонкостенный металлический колпак, на наружной поверхности которого, поверх слоя стеклоткани, намотан напреватель 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. Одновременно втулки используются для крепления оболочки внутри охранного колпака, Детали 1, 2 и д калориметрического устройства изготовлены из дюралюминия, детали 4 и б - из красной меди и хромированы.Температура оболочки с помощью автоматического регулятора поддерживается равной 5 10 15 20 25 30 35 40 45 р - рсум 2 к211РСсгде В - 1- с+ОДККи"обр (3)Сс + 05 СобрЛЕ - малое конечное приращение э,д.с.термопары, мв;Лт - время, за которое происходит изменение сигнала на величину ЛЕ мв,сек;К - чувствительность гальванометра,мв/дел;К - чувствительность термопары, градов;В - поправка, учитывающая теплоемкостьобразца;5Собр - теплоемкость образца, дж/град;5 - площадь контакта образца, м; побр - перепад на образце, дел;2 Р - контактное тепловое сопротивление,определяемое из градуировочногоопыта, м град 1 вт;20 - высота образца, м;С,(1) - теплоемкость стержня, дж/град;8 - температура отнесения коэффициента теплопроводности.Для исследования жидкостей применяется металлическая кювета (см. фиг. 2). Внутри корпуса кюветы 12, в углублении под углом 120, закреплены три изоляционные (стеклянные) опоры одинаковой толщины.На концы изоляционных опор устанавливается стержень калориметра. Таким образом, толщина 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 = Рсм (1+ 1 расс) - Рк - 1 (4)8 а4 21расс -3 Ос(5) где Рс - тепловое сопротивление, рассчитанное по формуле (1);Юрасе - поправка, учитывающая тепловойпоток, который проникает в стержень через слой жидкости, лежащий за пределами диаметра стержня;Р - контактное тепловое сопротивление,ьдград 1 вт;йс - диаметр стержня, м;5 с - площадь контакта стержня, м;5 - площадь контакта кюветы, ма,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) толщиы образца.В расчетную формулу (3),подставляют высоту образца до момента размягчения, если5 10 15 20 25 30 35 4045 50 известна температура его размягчения, и после начала размягчения - толщину трубочек.Теплоизоляционная оболочка выполнена в виде 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 температурой, на требуемом уровне измеряют скорость разогрева, а, соединив термопары А 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 телломером, разъемную теллоизоляционную оболочку и металлическое ядро, отличающееся тем, что, с целью исследования теплопроводности жидкостей и твердых тел в зоне плавления, повьппения точности и надежности, в нем на основание с нагревателем установлена съемная кювета, выполненная в вниде 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 колпака с намотанным на него малоинерционным нагревателем, а адиабатическая оболочка закреплена в охранном колпаке.2. Устройство по и. 1, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона температур в отрицательной области, оно снабжено впрыскивателем хладагента в его рабочую зону.апунова, 2 нпографи Заказ 939/16ЦНИИПИ Комитета Изд. М. 382 Тираж 448 делам изобретений и открыгий при Сове Москва, Ж, Раушская наб., д. 4,5 Подписное Министров СССР