Способ измерения коэффициента теплопроводности твердых тел
1п 45!002
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Ресаубаик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 29.04.72 (21) 1778455!26-25 (51) Ч. Кл. 6 01п 25 18 с присоединением заявки №
Государственный комитет
Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (32) Приоритет
Опубликовано 25.11.74. Бюллетень ¹ 43
Дата опубликования описания 01.07.75 (:.Д ) У la K „. 36,2 (031» 8) (72) Авторы изобретения
В. А. Петров, В. Ю. Резник и С. В. Степанов
Институт высоких температур АН СССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Изобретение относится к области теплофизических измерений частично прозрачных материалов (стекло, керамика, окислы, соли и т. д,), в которых при высоких температурах 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 шиооком интервале температур. Экспсримент осложняется влиянием микроструктуры, шероховатости на оптические свойства граничнь|х поверхностей. Кроме того, при высо5 ких температурах возникают дополнительные погрешности, связанные с изменением поверхностного слоя граничных поверхностей нз-за возможного химического взаимодействия.
Погрешности определения абсолютной тем10 пературы и разности температур с помощью термопар обусловлены лучистым теплообменом термопары со всем неизотермично нагретым объемом образца, плохим контактом термопары с поверхностью образца и возмуще15 нием температурного поля из-за введения термопары.
Цель изобретения — обеспечить измерение истинного коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов.
20 Это достигается тем, что образец на стадии охлаждения помещают в вакуумное пространство и измеряют энергию, излучаемую поверхностью образца в спектральной области сильного поглощения.
25 Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно нагретый до пзотермичного состояния в печи (например, индукционной) лоский образец частично прозрачного материала выводят из печи, например, путем
30 сбрасывания печи и ее экранирования зачер45!002! dT — )ь =о
cos H = — 1. К„+ и„ У.„К., Составитель 8. Вертоградский
Техред О. Гуменюк Корректор Н. Стельмах
Редактор О. Степина
Заказ 1723/13 Изд. № 587 Тираж 902 Подписное
ЦНИИПИ Государсовешгого комитета Совета Министров СССР по делам изооретений и открытий
Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 475
Типография, 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 бесконтактным 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 2h с известными оптическими характеристиками при остывании плоского образца в вакуумной камере большого объема с зачерненными стенками следующие: дТ д / dT ср + — — >, — + ) 1 I„cos 0dvdQ =-.О д дх dx (о) (4..) (>) (2) где 1. — интенсивность излучения;
0 — угол, отсчитываемый от положительного направления оси х;
К. — коэффициент поглощения; и„— коэффициент преломления;
Х вЂ” истинный коэффициент теплопроводности; с — удельная теплоемкость; р — плотность;
Т вЂ” температура; т — время;
D — телесный угол от О до 4л, Индексы: t) — 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 2h, то начальные условия следующие:
T (X), о = То (3)
Io (< ) j-,=o =, ро(То) (4)
Граничные условия для левой границы
= О. (Б)
I+(— h,8, ) =а(О) „-(—.h,о, ), (6) где R, — коэффициент отражения границ об10 разца (определяется по формулам Френеля).
Индексы «плюс» и «минус» указывают на то, что интенсивность определяется для углов
О(6(— и — (0(15
2 2 соответственно. Граничные условия для правой границы
I„-(h, 8, с): g„(H)1+ (h, 8, т), (8)
Решая уравнения (1 — 2) с начальными и граничными условиями (3 — 8), находим
Т(х, т) как функцию известных и измеряемых величин: h.. К., h, с, р, Тд и определяемого параметра Х.
Для некоторого момента времени т) и для координаты поверхности х= — h (или x=h) строим график функции
30 -=t;, h(× (9) при заданных значениях и., К., с, р, То. Измеряя температуру поверхности в момент т1, можно по графику (9) найти искомое значе35 ние коэффициента теплопроводности.
Следует отметить, что интервал времени т1 должен быть достаточно малым, чтобы общий уровень температуры существенно не изменился.
Предмет изобретения
Способ измерения коэффициента теплопроводности твердых тел, включающий изотермическую выдержку образца, его охлаждение
45 при постоянной температуре окружающей среды и регистрацию изменения температуры, отличающийся тем, что, с целью измерения теплопроводности частично прозрачных материалов, образец на стадии охлажде50 ния помещают в вакуумное пространство и измеряют энергию, излучаемую поверхностью образца в спектральной области сильного поглощения.
