Способ определения коэффициента теплопроводности твердых тел

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ целью по и расшир ия круга а счет а иссле уемых мапных, тем -е поперечосях сим иалов о ературу ого сеч змеряю нт ния обра ого сече ах, отя в метрии э Ч ХоУ, Т(0,0)-Т(О, ,) еления мощностьна изотер гд плов еск в осевоке образ направлении учаца длиной 7,0,0) - температура в цния образца,) ках, удаленныхна расстояния Хветственнои Уо - полутолщины обнаправлениях. итре сеч(Х О (О,У о центра К соота в двух ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) 1. Харламов А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел. М., Атом- издат, 1973, 67-70.2, Пелецкий В.Э Тимрот.Д.Л. Воскресенский В.10, Высокотемператур. ные исследования термо- и электропро11 )1 водности твердых тел. М., Энергия 1971, 88-93 (прототип).(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, состоящий в том, что образец в форме прямоугольного параллелепипеда нагревают пропусканием черезнего электрического тока, измеряютмощность, выделяемую в стационарном тепловом режиме на изотермическом в осевом направлении участке образца, и температуры в ряде точек образца на этом участке, по которым судят об искомом коэффициенте, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с ышения точности определения стоящих от центра на расстоянии0,5-0,7 полутолцины образца, а коэффициенты теплопроводности %ирассчитывают в двух ортогональныхнаправлениях по соотношениям11 Х8 Р ХоУо ЕТ(0, 0) Т(Х,О1172 кИзобретение относится к теплофизическим испытаниям и может быть использовано для измерения коэффициента теплопроводности итирокого круга материалов, в том числе анизотропных,при высоких температурах.Известен способ измерения коэффициента теплопроводности, по которому образец в форме прямоугольного параллелепипеда нагревают прямым пропус- О канием электрического тока при этом отношение ширины образца к его толщине может варьироваться в пределах 1:1-1:2Температуру измеряют в центрах поверхностей большой и малой 15 граней в стационарном режиме. Расчет коэффициента теплопроводности материала производят при известной интегральной полусферической степени черноты его поверхности 11 . 20Однако способ имеет два существенных недостатка: он не применим к измерению коэффициента теплопроводности анизотропных материалов, а также не применим к материалам с неизвест- р 5 ной интегральной полусферической степенью черноты. Наиболее близким к изобретениюявляется способ определения коэффициента теплопроводности твердых тел,состоящий в том, что образец по форме прямоугольного параллелепипеданагревают пропусканием через негоэлектрического тока, измеряют мощность, выделяемую в стационарном тепловом режиме на изотермическом восевом направлении участке образцаи температуры в ряде точек образцана этом участке, по которым судятоб искомом коэффициенте. Температурные измерения дают информацию о распределении температуры на поверхности образца по его широкой грани 23 .Недостатком известного способаявляется ограниченная точность иневозможность учета при исследованииспецифики анизотропных материалов.Целью изобретения является повышение точности определения и растяирения круга исследуемых материалов засчет анизотропных,Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения коэффициента теплопроводности, состояще му в том, что образец в форме прямоугольного параттлелепипеда нагреттактт, пропусканием через него .т т т, ттнт т ского тока, измеряют мощность, выделяемую в стационарном тепловом режиме на изотермическом в осевом направлении участке образца и температуры в ряде точек образца на этом участке, по которым судят об искомом коэффициенте, температуру измеряют в центре поперечного сечения образца и на осях симметрии этого сечения в точках, отстоящих от центра на расстояния 0,5-0,7 полутолщины образца, а коэффициенты теплопроводности 9 и Ъ рассчитывают в двух ортогональных направлениях по соотношениям1 Х 28 Е Х,.Т(О,О) - Т(ХО)8Х т Т(0,0) - Ы(О,кДтгде И - мощность тепловыделенияна изотеттмическом в осевом направлении участкеобразца длиной 1,Т(О,О) - температура в центресечения образца,Т (Х , 0), - температуры в, Т(О,Т) точках, удаленных отцентра, на расстоянияХи У, соответственно;Х,У, - полутолщины образца вдвух направлениях.На чертеже изображено расположение точек измерения температуры посечению образца,Метод основан на том, что выделяемое в объеме изотермического восевом направлении участка образцаджоулево тепло в вакууме полностьюотводится с его поверхности излучением как с граней, перпендикулярныхоси ОХ, так и с граней, перпендикулярных оси От, При этом в образцевозникают тепловые потоки как внаправлении х, так и в направленииу, причем возникающие вследствиеналичия тепловых потоков перепадытемператур между центром образца икакой-либо точкой в сечении образцавдоль координатных осей однозначносвязаны с величиной теплового потока в данном направлении, расстоянием от центра образца до данной точки и коэффициентом теплопроводности материала в рассматриваемом направлении. Поэтому, например измерив непосредственно на образце глубину пирометрических от 1 терстийт и определив в проттесге тттт ттс ртлтецта с ттомощьюоптического пирометра температуры дна пирометрических отверстий., зная величины тепловых потоков в соответствующих направлениях, можно рассчитывать коэффициенты теплопроводности материала. В эксперименте непосредственно измеряется только суммарный тепловой поток с поверхности центральной, изотермической в осевом направлении части образца, 1 О Выбор расстояний от центра образца до точек измерения температуры в пределах 0,5-0,7 от полутолщины образца обусловлены тем, что уменьшение этих расстояний ниже заданных 5 пределов приводит к увеличению погрешностей измерения перепадов температур в сечении образца, а увеличение этого расстояния свыше 0,7 полутолщины образца приводит к неопределенности в определении степени черноты пирометрических отверстий,и как следствие этого,к погрешности определения истинных значений Т(Х,О) иТ(О, т).Предлагаемыйспособ отличается от известного тем, что температуры измеряют в центре образца, и в точках поперечного сечения образца, удаленных от центра на расстояния равные от 0,5 до 0,7 полутолщины образца в направлениях перпендикулярных боковым граням и из полученных значений рассчитывают коэффициенты теплопроводности материала в двух взаимно пер пендикулярных направлениях, на черте- . же показано расположение точек, в которых измеряется температура.П р и м е р, Образцы выбирают с 40 формой прямоугольного параллелепипеда с сечением 12 х 12 мм и длиной 120 мм.Нагрев образцов осуществляют пропусканием через них электрического тока. При этом мощность, излучаемую 45 изотермическим в осевом направлении участком образца, определяли по току, проходящему через образец и падению напряжения на изотермическом участке, Температуру измеряют эталонным оптическим пирометром ЭОП.В качестве измеряемых объектов были выбраны материалы: графит марки ГМЗ, изотропный в направлениях ОХ и ОУ, и расширенный пирографит с коэфЬици ентом анизотропии теплопроводности при комнатной температуре равным 100 в направлении ОХ и ОУ. Измерения проводили в диапазонетемператур 1200-2800 К. Определениекоэффициентов теплопроводности попредлагаемому способу и по известному проводили на одних и тех же образцах для материала ГМЗ и только попредлагаемому способу для расширенного пирографита. Средние значениякоэффциентов теплопроводности, а также их среднеквадратичные отклонения,полученные по результатам измеренийна образцах из графита марки ГМЗ ианизотропно-расширенного пирографитаЯ, ВТ/мк представлены в табл. 1.Из табл. 1 следует, что минимальные среднеквадра.тичные отклоненияизмеренных коэффициентов теплопроводности наблюдаются при измерении температур в центре образца и на расстояниях от центра, равных 0,5-0,7полутолщины образца в заданном направлении, Эти среднеквадратичные отклонения существенно меньше, чемпри измерениях по известному способу, особенно в области температурдо 2000 К,При измерениях температуры попредлагаемому способу на расстоянияхменее О, 5 Х, О, 5 У возрастает среднеквадратичное отклонение получаемых значений теплопроводности; особенно при температурах ниже 2000 К,за счет снижения абсолютного значения перепада температур. При увеличении расстояния от центра Х кО, 7 ХО, УО, 7 УО среднеквадратичное отклонение при прочих равных условиях возрастает за счет того, что при уменьшении глу- бин пирометрических отверстий их степень чертоны все более отличается от единицы.ФПредлагаемый способ измерения коэффициентов теплопроводности прост, не требует сложной аппаратуры и высокой квалификации оператора. По сравнению с известным предлагаемый способ измерения коэффициента теплопроводности анизотропных материалов, имеет меньшую относительную погрешность измерений, позволяет измерять коэффициенты теплопроводности на образцах в двух ортогональных плоскостях одновременно. Это повышает оперативность измерений .коэффициентов теплопроводности ма-териалов, время измерения при одном1168840 фиксированном значении температурыне превышает 10 мин. Способ можетнайти применение для массового контТемпература измерений К Материал, глубина пирометрического отверстия Способ измерений 2500 . 2800 2000 1300 35+4,7 42+5, 1 Графит ГМЗ Графит ГМЗ По предлагаемому Х = 0,4 Хр Х = 0,5 Ха Х = 0,7 Хо Х = 0,8 Хр Расширенныйпирографит 86+6 По предлагаемому 91+8 104+13 3,0+0,3 2,9+0,2 2,9+0,3 88+8 93+6 2,9+о,г 2,9+о,г95+18 90+163,0+0,6 2,9+0,4 Х = 0,5 Хр У = 0,5 Уо 0 эХ 0 К=0 р Х = 0,9 Хо у= 0,9, 44+5,0 43+3,8 44+2,6 43+4,2 120+ 113,2+0,2125+143, 3+0,3125+223,3+0,6 36+4,2 36+2, 2 35+2, 0 35+4, 3 109+113,0+0,4111+163,2 Ф 0,5 роля теплофизических характеристик материалов при высоких температурах. 32+3,9 30+2;8 По извест- ному 34+4,4 32+3,3 33+2, 1 3 1+ 1, 2 34+2,0 32+1,2 33+3,2 30+2,.6Заказ 4 б 08/3 Патент",Ужгород, ул. Проектная,филиал И Тираж 8 ВНИИПИ Госуда по делам и 13035, Москва, Ж7 Подписноественного комитета СССРобретений и открытий35, Раушская наб., д, 4/