Способ определения коэффициента теплопроводности твердых тел

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, состоящий в том, что образец в форме прямоугольнйго параллелепипеда нагревают пропусканием через него электрического 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, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности определения и расширения круга исследуемых материалов за счет анизотропных, температуру измеряют в центре поперечного сечения образца и на осях симметрии этого сечения в точках, отстоящих от центра на расстоянии 0,5-0,7 полутолцины образца, а коэффициенты теплопроводности .„ и Ti,, рассчитывают в двух ортогональных направлениях по соотношениям , 8 Е X,Y,LT

COl03 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) О A (5!) 4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3650863/24-25 (22) 12. 10.83 (46) 23.07.85. Бюл. )"- 27 (72) И.И, Богданов, И.А.Дмитриев, С.А.Лисовский, В.Л. Тиняков и Л.А. Зинченко (53) 536 ° 2(088.8) (56) 1. Харламов А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел. И., Атомиздат, 1973, 67 — 70.

2. Пелецкий В.Э., Тимрот.Д.Л.

Воскресенский В.10. Высокотемператур. ные исследования термо- и электропро11 1t водности твердых тел. И., Энергия

1971, 88-93 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ

ТЕЛ, состоящий в том, что образец в форме прямоугольного параллелепипеда нагревают пропусканием через него электрического 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, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения и расширения круга исследуемых ма— териалов за счет анизотропных, тем— пературу измеряют в центре попереч— ного сечения образца и на осях симметрии этого сечения в точках, отстоящих от центра на расстоянии

0,5-0,7 полутолцины образца, а коэффициенты теплопроводности A и рассчитывают B двух ортогональных направлениях по соотношениям

NX„

8 Р ХоУо (Т(О, 0) — Т(Х„,О ) к

8 Р ХР,(Т(0,0)-Т(О,,)) где N — мощность тепловыделения на изотермическом в осевом направлении участке образца длиной 7, Т(0 О) — температура в центре сече) ния образца, Т(X!,О), — температуры в точТ(0, Yt;) ках, удаленных от центра на расстояния Х и Y соответственно

Хо и Y0 — полутолщины образца в двух направлениях.!

168840

Изобретение относится к теплофизическим испытаниям и может быть использовано для измерения коэффициента теплопроводности широкого кру га 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 1:1-1:2 ° Температуру 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 j1j . 20

Однако способ имеет два существенных недостатка: он не применим к измерению коэффициента теплопроводности анизотропных материалов, а также не применим к материалам с неизвест- у5 ной интегральной полусферической степенью черноты.

Наиболее близким к изобретению является способ определения коэффициента теплопроводности твердых тел, состоящий в том, что образец по форме прямоугольного параллелепипеда нагревают пропусканием через него электрического 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. Температурные измерения дают информацию о распределении температуры на поверхности образца по его широкой грани $2) .

Недостатком известного способа является ограниченная точность и невозможность учета при исследовании специфики анизотропных материалов.

Целью изобретения является повышение точности определения и расширения круга исследуемых материалов за счет анизотропных.

Указанная цель достигает<-.я тем, что согласно способу измерения коэффициента теплопроводности, состояще- 55 му в том, что образец в форме прямоугольного параллелепипеда нагревают, пропусканием через него .з.le êòðí гскоro 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 1„ и

% рассчитывают в двух ортогональных направлениях по соотношениям

NX2ê

8 Ю х.У,(т(о,о) — т(х„о)) яу2

8 Х,У (т(о,о) — ы(о У„Д, где N — мощность тепловыделения на изоте мическом в осевом направлении участке образца длиной ь, Т(0,0) — температура в центре сечения образца, Т (Х к ° О), — температуры в . Т(О,Y„) точках, удаленных от центра, на расстояния

Х к и У< соответственно, Х,У, — полутолщины образца в двух направлениях.

На чертеже изображено расположение точек измерения температуры по сечению образца.

Метод основан на том, что выделяемое в объеме изотермического в осевом направлении участка образца джоулево тепло в вакууме полностью отводится с его поверхности излучением как с граней, перпендикулярных оси ОХ, так и с граней, перпендикулярных оси ОУ, При этом в образце возникают тепловые потоки как в направлении х так и в направлении у, причем возникающие вследствие наличия тепловых потоков перепады температур между центром образца и какой-либо точкой в сечении образца вдоль координатных осей однозначно связаны 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 отверстий и определив в процеcrе кс нс рнмента с помощью

l 168840. оптического 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. 10

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 увели.— чение этого расстояния свыше 0,7 полутолщины образца приводит к неопределенности в определении степени черноты пирометрических отверстий,и как следствие этого,к погрешности опре деления истинных значений Т(Хх, О) и

T(0, Ук) °

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что температуры измеряют в центре образца, и в точках поперечного сечения образца, удаленных от центра на расстояния равнь!е 30 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- 35 пендикулярных направлениях, на черте- . же показано расположение точек, в которых измеряется температура.

Пример, 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 эталон-50 ным оптическим пирометром ЭОП-66.

В качестве измеряемых объектов были выбраны материалы: графит марки ГИЗ, изотропный в направлениях ОХ и OY и расширенный пирографит с коэфшици- 55 ентом анизотропии теплопроводности при комнатной температуре равным 100 в направлении ОХ и 0У.

Измерения проводили в диапазоне температур 1200-2800 К. Определение коэффициентов теплопроводности по предлагаемому способу и по известному проводили на одних и тех же образцах для материала ГМЗ и только по предлагаемому способу для расширенно— го пирографита. Средние значения коэффциентов теплопроводности, а также их среднеквадратичные отклонения, полученные по результатам измерений на образцах из графита марки ГИЗ и анизотропно-расширенного пирографита

3, ВТ/мк представлены в табл. 1.

Из табл. 1 следует, что минимальные среднеквадра.тичные отклонения измеренных коэффициентов теплопроводности наблюдаются при измерении температур в центре образца и на расстояниях от центра, равных 0,5-0,7 полутолщины образца в заданном нап— равлении. Эти среднеквадратичные отклонения существенно меньше, чем при измерениях по известному способу, особенно в области температур до 2000 К.

При измерениях температуры по предлагаемому способу на расстояниях менее О, 5Х>, О, 5У возрастает среднеквадратичное отклонение получаемых значений теплопроводности; осо бенно при температурах ниже 2000 К, за счет снижения абсолютного значения перепада температур.

При увеличении расстояния от центра Хк > 0,7ХО, Ух 0,7Уо 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.

Ф

Предлагаемый 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 одном

1168840 фиксированном значении температуры не превышает 10 мин. Способ может найти применение для массового контТемпература измерений К

Материал, глубина пирометрического отверстия

Способ измерений

2500 . 2800

2000

1300

35+4,7

42+5,1

Графит ГМЗ

Гр афит ГМЗ

По предлагаемому

X„= О, 4Хр

Хк = Оу 5хо

Х„= 0,7Х,>

Х„= 0,8Х

Расширенный пирографит

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+0,2 2,9+0,2

95+18 90+16

3,0+0,6 2,9+0,4

Х = 0,5Х

Y 0,5Yg

Хк = 097Х0

Yg = 0 7Уо

X 0,9Хо

YÄ = 0,9Y

44+5,0

43+3,8

44+2,6

43+4,2

120+11

3,2+0,2

1 25+14

3, 3+0,3

125+22

3,3+0,6

36+4,2

36+2, 2

35+2 0

35+4, 3

109+11

3,0+0,4

111+16

3,2+0,5 роля теплофизических характеристик материалов при высоких температурах.

32+3,9 30+2;8 По известному

34+4,4 32+3,3

33+2,1 31+1 2

34+2,0 32+1,2

33+3,2 30+2,.6

1)68840

Заказ 4608/37

Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал (ИН! "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В.Вертоградский

Редактор А.Шандор Техред Л.Микеш Корректор М.Самборская