Устройство для измерения теплопроводности

УДК 536.2.083

Г. Г. Гусейнов

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Ключевые слова: устройство, теплопроводность, метод плоского слоя, автоклав.

Описывается устройство для определения теплопроводности абсолютным стационарным методом плоского слоя, содержащий измерительный прибор и ячейку. Прибор изготовлен из меди, содержит охранный элемент в виде пористого стакана, насыщенного термоэлектриком, которая в паре с медью имеет высокую термоэдс, что позволяет контролировать тепловые потери с высокой точностью. Ячейка изготовлена их стали 12Х18Н10Т, снабжена сильфоном. Устройство позволяет с погрешностью ±1,2% определять теплопроводность газов, твердых тел, жидкостей в интервале температур 100-700К и давлениях до 100МПа.

Keywords: device, thermal conductivity, the method of the flat layer, the autoclave.

Describes a device for determining the thermal conductivity of the absolute stationary method flat layer, containing the measuring device and the cell. The device is manufactured from copper, contains a security element in the form of a porous glass, a busy thermoelectric, which is paired with copper has a high thermoelectric power, which allows you to control heat loss with high accuracy. The cell is made of steel 12X18H10T, equipped with bellows. The device allows with an error ±1,2% to investigate the thermal conductivity of gases, solids, liquids in the temperature range 100-700K and pressures up to 100 MPa.

Введение

Развитие науки и производства нуждается в точных данных по теплофизическим свойствам веществ, находящихся в твердом, жидком и газообразном состоянии, в частности знание их теплопроводности. Для фундаментальной науки нужны очень точные данные для: составления уравнения состояния, выявления механизмов переноса тепла в твердых телах и жидкостях, изучению фазовых переходов 1-го и 2-го рода, исследованию размерных эффектов и.т.д. А для народного хозяйства нужны данные по новым веществам, а также данные по исследованным системам при высоких концентрациях, температурах и давлениях. Отсутствие данных связано с отсутствием универсальных и высокоточных устройств для измерения коэффициента теплопроводности.

Чтобы восполнить этот пробел нами были разработаны устройства для измерения теплопроводности широкого класса веществ: газов, твердых тел, жидкостей, жидких растворов, пористых материалов, насыщенных флюидами, расплавов, жидких несмешивающихся растворов различных концентраций, включая высокоагрессивные и электропроводящие жидкости.

В литературе имеются оригинальные монографии [1-4] и статьи [5-15], в которых приводятся описания различных устройств для измерения теплопроводности. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Нас же, в первую очередь, интересовала погрешность определения коэффициента теплопроводности.

Постановка задачи

Цель исследования - создание высокоточного устройства, позволяющего определить коэффициент теплопроводности по абсолютному стационарному методу плоского горизонтального слоя для широкого класса веществ, газов, твердых тел, жидкостей, жидких растворов, пористых материалов, насыщенных флюидами, расплавов, жидких несме-

шивающихся растворов различных концентраций, включая высокоагрессивные и электропроводящие жидкости.

Абсолютный метод позволяет по результатам измерений вычислить величину коэффициента теплопроводности.

В этом методе тепло, выделяемое в верхней пластине, проходит через слой исследуемого вещества (образца) в сторону нижней, более холодной пластины. Причем, необходимо создать однородный тепловой поток через исследуемое вещество, исключив при этом отвод тепла через боковую поверхность и верхнюю часть горячей верхней пластины.

Предлагаемое устройство для измерения теплопроводности содержит измерительный прибор рис.1. и измерительную ячейку рис.2.

Конструкция прибора

Предлагается прибор для измерения теплопроводности рис.1.

На рис.1 показаны составные части прибора для измерения теплопроводности, с изображением его в разобранном виде.

В измерительном приборе (см. рис.1) размещен внутренний нагревательный блок 1 в форме цилиндра, с вмонтированным рабочим нагревателем 2. Нижняя торцевая поверхность блока 1 является рабочей поверхностью. Для ликвидации тепловых потерь через верхний торец и боковую поверхность на блок 1 надевается охранный стакан 3. На стакан 3 надевается наружный компенсационный блок 4 в форме стакана, с находящимся в нем компенсационным нагревателем 5. Медные блоки 1,4 и расположенный между ними охранный стакан 3 образуют поверхностную дифференциальную термопару медь - термоэлектрик - медь (1-3-4), которая регистрирует интегральную разность термоэдс - разность температур между внутренней и наружной поверхностями 3, и тем самым контролируют утечки тепла через охранный стакан 3. Нулевое значение сигнала

в цепи дифференциальной термопары означает отсутствие потока тепла через охранный стакан 3.

12 3 4 5

\\\х \ \\"\Ч\\ЛХ\-Ч \TV\-\ ^ччч

Рис. 1 - Прибор для измерения теплопроводности: 1,4 - внутренний и наружный медные блоки; 2,5 - внутренний и наружный нагреватели; 3 -керамический охранный стакан, сообщающие поры, которой, насыщены металлом, полупроводником или окислом; 6 - "холодильник"; 7,8 -абсолютная (Т) и дифференциальная (АТ) термопары; 9 - фиксированный зазор; 10 - разрез керамического стакана

Изготовление блоков 1,4 из меди обусловлено тем, что медь имеет теплопроводность 400 Вт-м-1-К-1 при 293К [16] и хорошо выравнивает температуру, как во внутреннем, так и наружном блоках.

В предлагаемом устройстве для создания однородного теплового потока внутренняя часть прибора 1 (см. рис.1) окружена охранным стаканом 3, изготовленная из термоэлектрического материала.

Охранный стакан 3 представляет собой пористую матрицу, толщиной около 1 мм, которая насыщается жидкими растворами никеля или меди, с последующим восстановлением их до оксидов непосредственно в порах матрицы-носителя.

Никель и медь в порах матрицы окислялись, соответственно до закиси никеля (N¡0) и закиси меди (Си20). Выбор этих материалов обусловлен тем, что они имеют высокую термоэдс, соответственно +240 и +1000мкв/град. [17], и в тоже время низкую теплопроводность [18].

В другом случае жесткая пористая матрица охранного стакана, имеющая взаимопроникающие поры, насыщалась под давлением расплавленным висмутом. Пористая матрица предварительно ва-куумировалась и подогревалась до температуры плавления висмута.

Расплавленный висмут вводился под давлением в полости пористой матрицы.

Таким образом, охранный стакан представляет собой композиционный материал, содержащий термоэлектрик.

В качестве матрицы использовались пористые керамические материалы, а также пористый кремнезем, с размерами пор 16-160мкм. Создаваемые на основе пористых матриц композиты, наполненные металлами или полупроводниками, позволяют получать материалы, обладающие уникальными теплофизическими и термоэлектрическими свойствами. Заключенный внутри пор керамической матрицы метал, полупроводник или оксид, образует сплошную проводящую сеть, приводящую к хорошей сквозной электропроводности образца, но существенно более низкой, чем у металла или полупроводника. Пористая матрица-стакан, насыщенная металлом, полупроводником или оксидом - термоэлектриком, имеет низкую теплопроводность [19], так как представляет собой гетерогенный материал [20,21], и в тоже время, обладает в паре с медью высокой термоэдс [17].

Как известно, основным критерием эффективности термоэлектрика является коэффициент термоэлектрической добротности [22]:

Ъ =

где а - коэффициент термоэдс, 5 -электропроводность, X - коэффициент теплопроводности.

Термоэлектрические материалы

характеризуются и удельной чувствительностью (5), которая определяется соотношением:

5 = а / X

Таким образом, в работе из-за введения термоэлектрика в пористые матрицы произошло искусственное увеличение (5) и (Ъ), за счет того, что коэффициент теплопроводности композита меньше, чем у полупроводника или у металла [18-20], и тем самым повышена эффективность применяемого термоэлектрика. Изготовление же охранного стакана не из композиционного материала, а из самих сплошных материалов (В!, N¡0, Си20 и др.) малоэффективно из-за их низких механических свойств.

Уменьшение толщины охранного стакана 3 в измерительном приборе (см. рис.1), выходящем на нижнюю торцевую поверхность внутреннего нагревательного медного блока 1, являющейся рабочей поверхностью, позволяет уточнить границы площади эффективной рабочей поверхности. Она же способствует уменьшению температурных возмущений на торцевой - рабочей части прибора Рис.3, созданию однородного температурного поля, что позволяет увеличить точность определения теплопроводности этим прибором.

При помощи описанного выше прибора можно измерять теплопроводность твердых тел и газов.

Погрешность измерения коэффициента теплопроводности на этом устройстве, при исследовании теплопроводности газов и твердых тел не превышает ±1.2%.

Конструкция измерительной ячейки

Для измерения теплопроводности агрессивных, электропроводящих растворов, а также пористых материалов, насыщенных флюидами была изготовлена специальная ячейка рис.4.

Ячейка состоит из двух дисков 1 и 6, изготовленных из стали 12Х18Н10Т, являющейся эталонным материалом по теплопроводности [23].

Верхний диск 1 условно называется "горячей" пластиной, а нижний 6 - "холодильником".

"Горячая" пластина имеет форму стакана с очень тонкой стенкой - перемычкой 3 толщиной от 8^10-5 до 10-4 м. В ячейке размещены две медь - кон-стантановые термопары - Т2 и ДТ (8,7). Термопара Т2 показывает температуру "холодильника", а термопара ДТ - перепад температуры в слое исследуемого вещества. Термоэдс термопар измеряли при помощи потенциометров постоянного тока Р363-1, имеющих класс точности 0,001.

Фиксированный зазор между "горячей" пластиной и "холодильником" ячейки создается за счет регулирования высоты соединяющей их перемычки 3. В зазор 5 образуемый "горячей" 1 и "холодной" 6 пластинами и перемычкой 3 помещается исследуемое вещество. Заправка зазора 5 ячейки исследуемым веществом производится по каналам, проходящим в "холодильнике" - 11,12.

Рис. 2 - Ячейка для измерения теплопроводности (сталь 12Х18Н10Т): 1 - верхняя - "горячая" пластина; 6 - нижняя пластина - „холодильник"; 2 -кольцо-ободок; 3 - боковая стенка (перемычка); 4 - щель; 5 - полость для исследуемого вещества; 8,7 - абсолютная (Т2) и дифференциальная (АТ) термопары; 9,10 - капилляры из нержавеющей стали 12Х18Н10Т; 11 - впуск (газа или жидкости); 12-вывод (газа или жидкости); 13,14 - вентили; 15-гайка; 16-штуцер

При измерении теплопроводности исследуемое вещество полностью герметизировано в зазоре между "горячей" и "холодной" пластинами, перемычкой и сильфонами (см. рис. 2 и рис.4). Для предотвращения деформации "горячей" и "холодной" пластин ячейка выполнена разгруженной от одностороннего давления.

Размеры зазора менялись от 1,505 10-3 до 3,91510-3 м.

Измерительная ячейка через тонкий слой диэлектрика (фторопласт толщиной 10-5 м) плотно прижимается к прибору для измерения теплопроводности (рис.3).

теплопроводности

В этом случае, термопары измерительной ячейки располагались в отверстиях, просверленных строго горизонтально к рабочей поверхности ячейки - рис.2.

Методика измерения теплопроводности

Порядок работы следующий. После размещения автоклава в термостате и выхода на заданную температуру включаются потенциометры постоянного тока Р363-1 для измерения температуры (Т2) и разности температур (ДТ) в слое исследуемого вещества, а также потенциометр Р348, следящий за показаниями дифференциальной термопары от измерительного прибора (ДЕ). Равенство нулю ДЕ означает отсутствие утечек тепла через защитную стенку в измерительном приборе (см. рис.1). Далее подключается термостат для установления фиксированной температуры. После выхода измерительного прибора на установившийся режим включаются внутренний 2 и наружный 5 нагреватели измерительного прибора рис.1. Наблюдая за показаниями ДЕ, и регулируя мощность наружного нагревателя 5, необходимо добиваться, чтобы стрелка на шкале потенциометра Р348 находилась около нуля при чувствительности 10-8 В. В течение всего эксперимента мощность стабилизированного внутреннего нагревателя 2 должна оставаться строго постоянной.

Устройство работает следующим образом. Тепло, выделяемое рабочим нагревателем 2 в измерительном блоке, достигает защитный стакан 3 и создает градиент температуры на поверхности 3, в результате чего возникает разность термоэдс на термопаре 4-3-1. Термоэдс дифференциальной термопары поступает на потенциометр Р348, усиливается и подается на ВРТ-3 (высокоточный регулятор температуры). ВРТ-3 автоматически подбирает мощность нагревателя 5 в наружном компенсационном блоке 4. Добиваемся отсутствия градиента температуры на 3 и компенсации потерь тепла от внутреннего нагревательного блока 1 через защитный стакан 3. Таким образом, добиваемся того, чтобы все тепло, выделяемое, нагревателем 2 направлялась вертикально вниз, через слой исследуемого вещества - рис.1. Электрический сигнал поверхностной дифференциальной термопары пропорционален разности температур на поверхности стакана 3, а нулевое значение сигнала означает отсутствие потока тепла через нее. Тепло, выделяемое рабочим на-

гревателем 2 в измерительном приборе (см. рис.1) проходит сверху вниз через слой исследуемого вещества в сторону "холодильника" 6, создает на ней градиент температуры ДТ, который оценивается термопарой 8.

Температура определяется компенсационным методом, который считается наиболее точным методом измерения температуры [17]. Средняя температура "горячей" или "холодной" пластин в измерительном устройстве определяется при помощи абсолютной термопары (Т2), а перепад температуры в слое исследуемого вещества - дифференциальной термопарой (ДТ). Точность измерения температуры с помощью термопары (Т2) и потенциометра Р363-1 составляет ±0,05°. Точность измерения градиента температуры дифференциальной термопарой (ДТ) на порядок выше и составляет около 0,005° [24,25]. Получение стабильного значения градиента температур (ДТ = const) (перепад температуры в слое исследуемого вещества) означает, что достигнут заданный режим, и можно определять теплопроводность. Для этого используется показание абсолютной термопары (температура Т2), и зная геометрические размеры измерительного блока (L и S), рассчитывается мощность внутреннего нагревателя в измерительном блоке (Р), перепад температуры в слое исследуемого вещества (ДТ). Коэффициент теплопроводности (X) оценивается по закону Фурье по формуле для стационарного метода плоского горизонтального слоя [1-4]:

X = РЪ S-1 ДТ-1

где X - коэффициент теплопроводности [Вгм-1^К-1]; Р - мощность внутреннего нагревателя, прошедшая через образец [Вт]; L - толщина образца [м];

S - эффективная рабочая поверхность прибора [м2]; Д Т - перепад температуры на образце [К].

При оценке перепада температуры на слое исследуемого вещества учитывалось падение температуры на толщине металла, от концов термопары (от спая) до рабочих поверхностей „горячей" и „холодной" пластин устройства для измерения теплопроводности (см рис.1 и рис.2):

ДТ = ДТ изм - ДТ м

где ДТизм - перепад температуры, измеренный дифференциальной термопарой, ДТм _ перепад температуры по толщине металла.

Температуру определяли при помощи медь - константановых термопар, которые индивидуально градуировались по образцовому платиновому термометру сопротивления.

Количество тепла, выделяемое внутренним нагревателем, измеряется методом четырех проводов. Напряжение измеряется при помощи цифрового прибора Щ300, класс точности 0,06. Силу тока в цепи внутреннего нагревателя определяется потенциометром Р348, класс точности 0,002, по падению напряжения на образцовом сопротивлении Р324 с номиналом в 1 (Ом), класс точности 0,002, соединенным последовательно в цепь внутреннего нагревателя.

Применение стакана 3, одновременно обладающего и свойствами теплоизолятора, и имеющего высокую термоэдс в паре с медью, позволяет повысить точность определения теплопроводности этим прибором. Оценка показывает, что погрешность определения теплопроводности на этом устройстве не превышает ±1,2%. Учитывая, что теплопроводность константана около 25Вт^м-1/К-1, а керамики от 2 до 5Вт^м-1^К-1 [5], были рассчитаны неконтролируемые потери тепла через цилиндрическую поверхность 3 [2]:

ДО=

где X - теплопроводность материала цилиндра, [Втм-1/К-1]; ДТ - разность температур между внутренней и наружной поверхностью 3 (см. рис.1), [К]; г - внутренний радиус цилиндра, [м]; Ь - толщина стенки цилиндра, [м].

Потери тепла через защитный стакан 3, изготовленный из керамического материала, насыщенного термоэлектриком (см. рис.1) во много раз меньше, чем через защитный стакан, изготовленный только из металла, сплава или полупроводникового материала. Это связано с тем, что теплопроводность гетерогенного материала меньше теплопроводности металла или полупроводника [18-20].

Для измерения теплопроводности веществ под давлением устройство помещается внутрь автоклава 6, где и создаются необходимые давления рис.4.

.3

Рис. 4 - Принципиальная схема установки для создания давления: 1 - баллон с аргоном; 2,3,13 -вентили; 4 - образцовый манометр (МО); 5 - устройство для измерения теплопроводности; 6 -автоклав; 7 - система очистки аргона; 8 - силь-фон из фторопласта-4; 9 - камера высокого давления с дифференциальным сильфоном; 10 -термокомпрессор (сосуд с ожиженным аргоном); 11 - нагреватель; 12 - сосуд с жидким азотом

Давление до 15МПа создается сжатым аргоном из баллона, а выше - с использованием жидкого аргона.

Для получения давления большего, чем 15МПа аргон предварительно пропускали через специальный автоклав 10, где он ожижался, находился в сосуде с жидким азотом 12, и в него за счет ожижения закачивался газообразный аргон (см. рис.4). После окончания закачки аргона в специаль-

ный автоклав 10 его температуру поднимали до комнатной, а при необходимости повышали и дальше. Нагреваясь, аргон в автоклаве 10 создавал высокое давление, мы использовали свойство сжиженного газа расширяться в свободный объем. Аргон в автоклаве 10 играет роль термокомпрессора, оказывая давление на жидкость или газ, находящийся в ячейке для измерения теплопроводности (см. рис.4).

Для измерения давления используется высокоточный образцовый манометр типа МО с классом точности 0,15.

Давление внутри измерительной ячейки в автоклаве (см. рис.4) и внутри камеры высокого давления 9 устанавливается одинаковой величины. Это означает, что ячейка для измерения теплопроводности и сильфоны в автоклаве 6 и в камере высокого давления 9 находятся в разгруженном состоянии.

Автоклав, с устройством для измерения теплопроводности (см. рис.4), помешается в жидкостной термостат и тщательно термостатируется. Тер-мостатирование необходимо для более быстрого выхода на рабочий режим, получения необходимой температуры эксперимента, максимального уменьшения потерь тепла через подводящие электрические провода и термоэлектроды, а также, уменьшения температурных искажений в рабочей зоне прибора.

Таким образом, в работе было применено жидкостное термостатирование для автоклава и терморегулирование при помощи ВРТ (высокоточного регулятора температуры), устройства для измерения теплопроводности.

Использовали жидкостные термостаты серии иН 16, сточность стабилизации температуры ± 0.01°). Термостатирование в интервале температур 0 - 95°С проводили термостатирующей жидкостью -водой, а при температурах 90 - 200°С - маслом МС-20. Устройство для измерения теплопроводности помещали в толстостенный металлический сосуд -автоклав и затем в жидкостную ванну термостата ИН-16. Автоклав омывался жидкостью, и в результате его температура поддерживалась с точностью ± 0,01°.

Выводы

Разработано устройство для измерения теплопроводности, содержащее измерительный прибор и ячейку. Устройство работает по абсолютному стационарному методу плоского горизонтального слоя, позволяет определять теплопроводность твердых, жидких и газообразных веществ в широкой области параметров состояния, включая критическую область.

Устройство содержит измерительный прибор и ячейку, снабженную сильфоном.

Измерительный прибор изготовлен из меди и пористого материала, содержит охранный стакан, который вместе с внутренней и наружной медными блоками прибора образуют две поверхностные дифференциальные термопары.

Применение в измерительном приборе охранного стакана, изготовленного из пористого материала, насыщенного термоэлектриком, имеющего высокую термоэдс в паре с медью, и в то же время, одновременно обладающего и свойствами теплоизо-лятора, позволило контролировать тепловые потери от внутреннего нагревательного блока, повысить точность определения теплопроводности этим прибором, что и отличает его от существующих устройств.

Применение же отдельной ячейки позволяет измерять этим устройством большой спектр веществ в широком интервале параметров состояния.

Устройство не имеет аналогов у нас в стране и за рубежом.

Устройство позволяет с погрешностью, не превышающей 1,2%, исследовать теплопроводность газов, жидкостей, твердых тел, пористых материалов, насыщенных флюидами в интервале температур 100-700К и давлениях до 100 МПа, включая окрестности фазовых переходов и критического состояния вещества.

Литература

1. Н.В. Цедерберг, Теплопроводность газов и жидкостей. Госэнергоиздат, Москва, 1963, 408 с.

2. Л.Г. Шашков, Г.М. Волохов, Т.Н. Абраменко, Методы определения теплопроводности и температуропроводности. Энергия, Москва, 1973, 336 с.

3. В.А. Осипова, Экспериментальное исследование процессов теплообмена. Энергия, Москва, 1979, 320 с.

4. Л.П. Филиппов, Явления переноса. Изд-во МГУ, Москва, 1986, 120 с.

5. Х.И. Амирханов, А.П. Адамов, Теплоэнергетика, 10, 6972 (1963).

6. Ю.Л. Расторгуев, Ю.А. Ганиев, ИФЖ, 33, 64-74

7. И.В. Литвиненко, В.В. Литвиненко, Укр. физ. ж., 12, 203-207 (1967).

8. Y. Nagasaka, A. Nagashima, J. Phys.E: Instrum., 14, 14351439 (1981).

9. C.A.N. Castro, J.C.G. Calado, W.A. Wakeham, J. Phys. E: Sci., Instrum., 9, 1073-1080 (1976).

10. G. Wang, J. Venart, R.C. Prasad, High Temperatures-High Pressures, 23, 351- 361 (1991).

11. S. Kitabe, Y. Kobayashi, Y. Nagasaka, High Temperatures-High Pressures, 21, 219-224 (1989).

12. M.J. Assael, E. Charitidou, G.P. Georgiadis, Ber. Bunsenges. Phys, Chem., 92, 627-631 (1988).

13. R. Mostert H.R., Van den Berg, P. S. Van den Gulik. Rev. Sci. Instrument, 60, 3466 _ 3472 (1989).

14. Ф.Р. Габитов, Вестник Казанского технологического университета, 1, 47-52 (1989).

15. З.И. Зарипов, Г.Х Мухамедзянов, А.Х. Садыков, Ф.Н. Шамсетдинов, Вестник Казанского технологического университета, 14, (2011).

16. А.П. Смирягин., П.А. Смирягина., А.В. Белова, Промышленные цветные металлы и сплавы. Металлургия, Москва, 1974, 428 с.

17. О.А. Геращенко, В.Г. Федоров, Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство. Наукова Думка, Киев, 1965, 304 с.

18. Х.И. Амирханов, АН АзССР, 12, 3-22 (1946).

19. В.С. Чиркин, Теплопроводность промышленных материалов. Государственное научно техническое издательство машиностроительной литературы, Москва, 1962, 247 с.

20. Г.Н. Дульнев, Ю.П. Заричняк, Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Энергия, Ленинград, 1974, 264 с.

21. Г.Н. Дульнев, В.В. Новиков, Процессы переноса в неоднородных средах. Энергоатомиздат, Ленинград, 1991. 247 с.

22. А.Ф.Иоффе, Полупроводниковые термоэлементы. Изд. АН СССР, М.-Л., 1960, 188 с.

23. Е.С. Амасович, В.Э. Пелецкий, Теплофизика высоких температур, 20, 891-896 (1982).

24. О.А.Сергеев, Метрологические основы теплофизиче-ских измерений. Издательство стандартов, Москва, 1972, 156 с.

25. О.А.Сергеев, ИФЖ, 39, 306 (1980).

© Г. Г. Гусейнов - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, лаборатория термодинамики жидкостей и критических явлений, Институт физики им. Х.И. Амирханова Дагестанского научного центра Российской академии наук, guseinovgg@mail.ru.

© G. G. Guseinov - Candidate of Technical Science, Senior Research Fellow at the Laboratory of Thermodynamic Liquids and Critical Phenomena, Institute of Physics of the Dagestan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, guseinovgg@mail.ru.