УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области измерений физических величин, в частности к устройствам для экспериментального определения коэффициента теплопроводности твердых электропроводных материалов, таких как металлы, графит, карбиды посредством бесконтактного определения его температурной зависимости в области предельно высоких значений рабочей температуры, максимально близких к температуре плавления материала. Полезная модель может найти широкое применение при определении свойств электропроводных материалов, которые применяются в настоящее время или будут использоваться в дальнейшем в общей и ядерной энергетике, авиационно-космической, химической и других отраслях техники.
Известно устройство для определения теплопроводности твердых и электропроводных материалов (Осипов В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена, М. «Энергия», 1969 г., стр.71, рис.2-20). Устройство состоит из цилиндрической, газовакуумной рабочей камеры со смотровым окном на боковой поверхности камеры, в которой полый цилиндрический образец с продольными отверстиями от торца до середины в его тверди находится в тепловом контакте с холодильником на боковой поверхности и осевым нагревателем, закрепленным в водоохлаждаемых фланцевых токоподводах, соединенных с внешним источником электропитания, и дополнено системой бесконтактной температурной диагностики на основе оптической пирометрии. Данное устройство не может быть использовано в области экстремально высоких температур. Его конструкция выполнена таким образом, что при высоких температурах из-за термического расширения материала образца и элементов устройства, особенно около температуры плавления исследуемого образца, произойдет как минимум изменение формы основных элементов устройства, таких как нагреватель, образец, холодильник, а как максимум может иметь место разрушение рабочего участка.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для определения коэффициента теплопроводности твердых электропроводных материалов (статья «Исследование теплопроводности поликристаллического графита при высоких
температурах», в сборнике «Графит как высокотемпературный материал», под редакцией Власова К.И. Изд-во «Мир» 1964, с.50-64, прототип). Устройство состоит из цилиндрической, газовакуумной рабочей камеры с системой ее откачки и заполнения инертным газом со смотровым окном на боковой поверхности камеры, в которой сплошной цилиндрический образец с отверстием на боковой поверхности для измерения температуры, и потенциальными выводами для измерения тока и падения напряжения на изотермическом участке, закреплен в водоохлаждаемых токопод водах, размещенных в центре торцевых фланцев камеры и соединенных с внешним источником электропитания, устройство дополнено системой бесконтактной температурной диагностики. Устройство предполагает, что в процессе измерения коэффициент теплопроводности не зависит от температуры. Конструктивным недостатком данного устройства является обязательное использование потенциальных выводов для определения плотности теплового потока на изотермическом участке цилиндрического образца. Верхний температурный предел работы устройства ограничен температурой плавления материала потенциальных выводов. Потенциальные выводы оказывают влияние на поле температуры в экспериментальном образце, а так же возможно нарушение чистоты исследуемого материала в результате термохимического взаимодействия с материалом потенциальных выводов. Как следствие потенциальные выводы ограничивают верхний температурный предел работы устройства и вносят неконтролируемую погрешность в экспериментальные значения коэффициента теплопроводности. Дополнительным недостатком является то, что для замены образца на другой типоразмер необходима переборка камеры, что усложняет получение экспериментальных результатов.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу бесконтактного определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности при высоких значениях температуры существования твердой фазы исследуемого материала, максимальным пределом которой является температура размягчения материала и начала необратимых тепловых деформаций в исследуемых образцах.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для бесконтактного определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности твердых электропроводных материалов, содержащем цилиндрическую, водоохлаждаемую, газовакуумную рабочую камеру с системой ее откачки и заполнения инертным газом, размещенный по оси камеры цилиндрический образец из исследуемого материала, который установлен в водоохлаждаемых упругих токоподводах и соединен с внешним источником электропитания, при этом
макс
макс
мин
мин
макс
средн
мин
макс
отв
мин
отв
цилиндрический образец выполнен полым и перпендикулярно его оси в центре изотермической области выполнено отверстие для бесконтактной температурной диагностики, осуществляемой через смотровое окно, выполненное на боковой поверхности рабочей камеры, и в устройство дополнительно введены и размещены на оси камеры в отдельных водоохлаждаемых упругих токоподводах два полых цилиндрических образца из того же исследуемого материала, при этом все три цилиндрических образца выполнены с одинаковым внешним радиусом R, один их трех цилиндрических образцов выполнен с максимальной толщиной стенки h, определяемой из условия одномерности поля температуры по радиусу цилиндрического образца h<0,1*[l-2r], где l - длина изотермического участка, r - внутренний радиус, а второй образец выполнен с минимальной толщиной стенки r, при этом толщина его стенки выбрана из условия сохранения целостности образца в процессе нагрева, оставшийся цилиндрический образец с радиусом r выполнен с толщиной стенки, находящейся в диапазоне от r до r, а также в каждом цилиндрическом образце перпендикулярно его оси в центре изотермической области выполнено отверстие размером r, которое находится из условия 2r/r>10, для бесконтактной температурной диагностики, осуществляемой через соответствующее смотровое окно на боковой поверхности рабочей камеры, при этом регистрирующий температуру цилиндрических образцов прибор установлен с возможностью его перемещения вдоль смотровых окон по неподвижной консоли, параллельной оси камеры, устройство содержит ЭВМ с программным обеспечением.
Такое решение технической задачи, обусловленное тем, что в устройстве одновременно установлены три полых цилиндрических образца из исследуемого материала, позволяет перейти к определению температурной зависимости коэффициента теплопроводности без использования потенциальных выводов для измерения плотности теплового потока, и тем самым повысить верхний температурный предел работы устройства. Во-вторых, исключение из процесса измерений потенциальных выводов позволяет также повысить равномерность поля температуры на изотермическом участке и сохранить чистоту исследуемого материала, которая могла нарушаться в результате термохимического взаимодействия с материалом потенциальных выводов. В-третьих, предлагаемая полезная модель позволяет упростить процедуру подготовки процесса измерений, так как исключена операция переборки камеры для работы с образцами других размеров.
Определение температурной зависимости коэффициента теплопроводности в данном устройстве можно проводить, используя исключительно бесконтактную
макс
мин
макс
мин
макс
отв
мин
отв
температурную диагностику и как следствие увеличить верхний температурный предел определения коэффициента теплопроводности. Размеры всех цилиндрических образцов выбраны таким образом, чтобы обеспечивать одномерное изменение поля температуры по радиусу, для этого должно выполняться следующее неравенство h<0,1*[1-2r]. Оценка сделана как отношение длины изотермического участка к «характерному размеру», равному частному от деления объема к площади изотермической области цилиндрического образца. Толщина стенок конкретных цилиндрических образцов выбирается следующим образом: для образца с минимальной толщиной стенки из условия температурной прочности цилиндрического образца (см., например, для графита предел прочности при сжатии из справочника В.П.Соседова, «Свойства конструкционных материалов на основе углерода», Москва, Металлургия, 1975, стр.136), для цилиндрического образца с максимальной толщиной стенки h из условия соблюдения одномерного изменения поля температуры, а для среднего образца толщина стенки может быть найдена как значение в диапазоне между r и r радиусов двух других образцов. На боковой поверхности в центральном сечении каждого цилиндрического образца просверлено отверстие радиусом r, которое позволяет имитировать в цилиндрическом образце модель абсолютно черного тела. При этом совершенство модели абсолютно черного тела требует выполнения неравенства 2r/r>10, что позволяет измерять истинную температуру на внутренней поверхности цилиндрического образца.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, показанной на фиг.1.
Предлагаемое устройство содержит цилиндрическую, водоохлаждаемую, газовакуумную рабочую камеру 1 с торцевыми фланцами 2, со смотровыми окнами 3, 4, 5 соответственно, расположенными на боковой поверхности камеры 1, внутри вдоль оси камеры расположены три полых цилиндрических образца 6, 7, 8 соответственно с круглым отверстием на середине боковой поверхности каждого, имеющие одинаковый внешний радиус и разные толщины стенок, образцы закреплены в отдельные пары водоохлаждаемых, упругих токоподводов 9, 10, 11 соответственно, которые своим основанием закреплены на боковой поверхности камеры и соединены с внешним силовым коммутатором 12 и источником электропитания 13. Для измерения температуры используется система бесконтактной температурной диагностики, состоящая из оптического пирометра 14, расположенного на платформе, перемещаемой по неподвижной консоли 15, и ЭВМ 16. Устройство снабжено
газовакуумной системой 17 для откачки камеры и ее заполнения инертным газом и устройством 18 для подачи охлаждающей воды.
r
ярк
отв
ярк
r
ярк
Устройство работает следующим образом. Через торцевые фланцы 2 камеры 1 все образцы 6, 7, 8 последовательно устанавливают в токоподводы 9, 10, 11. Камеру закрывают фланцами, вакуумируют и при необходимости заполняют ее инертным газом до рабочего давления. С помощью силового коммутатора 12 подводится электрический ток от источника силового электропитания 13 на один из образцов, например 6, который в результате нагревается до определенной температуры и устанавливается стационарный режим. С помощью системы температурной диагностики - автоматический микропирометр 14 вместе с ЭВМ 16 измеряют две температуры: истинную температуру на внутренней поверхности цилиндрического образца T через отверстие на его боковой поверхности и яркостную температуру Т на внешней поверхности цилиндрического образца на расстоянии (1,2-1,5)·r от указанного отверстия, чтобы исключить влияние отверстия на измеряемую величину Т. Последовательно повышая подводимую мощность, проводят измерения T и Т во всем изучаемом диапазоне изменения температуры. Эта совокупность действий повторяется поочередно на каждом образце. Затем проводится обработка полученного экспериментального материала с помощью программного продукта, включенного в ЭВМ 16 по следующей схеме:
r
ярк
Шаг первый. Для каждого цилиндрического образца i=1, 2 и 3 находится зависимость T(i)=f(T) во всем искомом температурном диапазоне.
ярк
r
r
r
1
1
1
1
Шаг второй. Для конкретной величины T =idem рассчитываются три значения T  (1), T  (2) и T  (3), найденные при выполнении первого шага.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
ист
ист
r
мин
макс
ист
ярк
Шаг третий. С помощью программного продукта численным методом определяются три неизвестные величины: коэффициенты "а", "в" для линейной зависимости коэффициента теплопроводности λ=аТ+b и истинная температура на внешней поверхности Т  и рассчитываются значения коэффициента теплопроводности λ для диапазона температур от значения Т  до Т  цилиндра с r (h). При этом численно решается система стационарных уравнений теплопроводности с внутренними источниками тепла, коэффициентом теплопроводности линейно зависящем от температуры и при граничных условиях: плотность теплового потока на внутренней стенке цилиндрических образцов равна нулю, на внешней поверхности подчиняется закону Стефана-Больцмана. Использование трех цилиндров позволяет решать систему из дифференциальных уравнений с тремя неизвестными: «а», «в» и Т для конкретной температуры Т.
ярк
ярк
2
3
Шаг четвертый повторяет действия второго и третьего шагов для следующих значений T , T  и т.д., и таким образом определяется температурная зависимость коэффициента теплопроводности и его значения во всем исследуемом диапазоне температур.
3
2
мин
средн
макс
отв
r=1,2,3
ярк
r
ярк
ярк
ярк
r=2 мм
r=2,5 мм
r=2,75 мм
R
Работу устройства иллюстрирует следующий конкретный пример. Исследуемый материал - изотропный графит плотностью 1700 кг/м. Из данного материала были изготовлены цилиндрические образцы размерами: L=78 мм, R=0.004 м, r=0.002 м, r=0.0025 м, r=0.00275 м, 2R/r>0,004/0,00035>10. Образцы поочередно нагревали пропусканием электрического тока и измеряли на каждом две температуры Т и T. Для каждого цилиндра были рассчитаны зависимости истинной температуры на внутренней поверхности цилиндра от яркостной температуры: T=f(T). Для конкретного значения Т, например T=2800К, по найденным линейным зависимостям рассчитываются истинные температуры на внутренней поверхности образцов T=2997, T=2954К, T=2933,5К. Истинная температура на внешней поверхности образцов T=2863К. Найденные значения коэффициентов а=-0,001 Вт/мК, в=35 Вт/мК, значения коэффициента теплопроводности λ=-0,001Т+35Вт/мК=≈32 Вт/мК в диапазоне температур 2863К-2997К. Таким образом, устройство позволило определить температурную зависимость коэффициента теплопроводности и его абсолютные значения в области экстремально высоких температур.
Положительный эффект, достигаемый при использовании данного устройства, состоит в возможности получить экспериментальные значения коэффициента теплопроводности и его температурную зависимость при экстремально высоких значениях температуры, максимально близких к температуре плавления материала. Коэффициент теплопроводности отечественных графитов измерен при максимальной температуре 2500К [В.П.Соседова, «Свойства конструкционных материалов на основе углерода», Москва, Металлургия, 1975]. Найденная с помощью указанного устройства температурная зависимость коэффициента теплопроводности отечественного графита показала хорошее соответствие с температурной зависимостью коэффициента теплопроводности графита другой марки близкой по величине плотности (Thermophysical Properties of High Temperature solis Materials V.1/ Ed. Touloukian Y.S. N.Y. MacMillan, 1967). Исключение из процесса измерений потенциальных выводов позволяет повысить равномерность поля температуры на изотермическом участке и сохранить чистоту исследуемого материала, которая могла нарушаться в результате термохимического взаимодействия с материалом потенциальных выводов.
Предлагаемое устройство также характеризуется простотой, так как отсутствуют потенциальные выводы и связанная с ними диагностика измерения тока и падения напряжения, также отсутствует необходимость перебирать камеру для установки образца другого типоразмера.