УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области измерения теплофизических параметров материалов и может быть использована для определения теплопроводности твердых материалов при различных параметрах внешних условий (различный химический состав, давление и температура окружающей газовой среды).
Известен прибор для определения эффективной теплопроводности, собранный по симметричной схеме, состоящий из центрального нагревателя, контактирующего с двумя плоскими образцами, с противоположных сторон которых установлены холодильники. В приборе создается стационарный тепловой поток, проходящий через плоский образец определенной толщины и направленный перпендикулярно к наибольшим граням образца. По данным измерений плотности теплового потока, температур противоположных лицевых граней и толщины образца рассчитывают теплопроводность материала [ГОСТ 7076-99. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. Введ. 01.04.2000. - М., 2000 - 12 с.].
Недостатками данного устройства являются функциональная ограниченность, заключающаяся в проведении измерений только при стационарном тепловом режиме.
Известно устройство для определения коэффициента теплопроводности. Устройство содержит нагреватель с размещаемым в нем образцом в виде стержня, средства измерения температуры на концевых частях стержня и схему регулирования мощности нагревателя (А.с. СССР №765712, G01N 25/18, публ. 23.09.1980). Недостатком является отсутствие возможности задавать параметры внешней среды, окружающей образец, что является особенно актуальным для пористых материалов.
Известно устройство измерения коэффициента теплопроводности, состоящее из двух массивных металлических блоков, служащих в качестве холодильников, работающих при разных температурах. Между холодильниками расположен плоский образец с расположенным на нем с одной стороны нагревателем. На верхней поверхности образца измеряют мощность, обеспечивающую нулевую разность температур между ею и контактирующей с ней средой, дополнительно измеряют скорость изменения температуры на нижней поверхности образца и рассчитывают искомый коэффициент, при этом необходимо знать теплоемкость образца [А.с. СССР №1165958 А, МПК G01N 25/18, опубл. 07.07.1985].
Недостатком является отсутствие возможности задавать параметры внешней среды, окружающей образец.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является установка для измерения теплопроводности, описанная в статье «Установка для измерения теплопроводности порошковых материалов методом плоских тепловых волн», опубликованной в сборнике докладов IHISM-08 2008, с. 333-338.
В конструкции установки применен принцип симметричного нагрева (фиг. 1): плоский нагревательный элемент 1 расположен между двумя одинаковыми образцами 2, которые охлаждаются с тыльной стороны холодильниками 3. При такой конструкции можно считать, что почти вся электрическая мощность, подводимая к нагревателю, приходит к образцам в виде тепла. Термопары 4 расположены в медных стержнях вблизи образцов. Образцы окружены фторопластовыми шайбами 5 для снижения тепловых потерь. Прочный корпус, состоящий из верхней 6 и нижней 7 частей, позволяет проводить измерения при давлении до 100 атмосфер.
К недостаткам прототипа следует отнести невозможность использования данной конструкции в области высоких температур и давлений из-за применения нетермостойких и малопрочных сальниковых уплотнений.
Задачей настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства, а именно, измерение теплопроводности материалов в более широком диапазоне температур и давлений.
При использовании полезной модели достигается следующий технический результат:
температура образцов при измерениях теплопроводности может достигать 600°C;
давление окружающей среды в области измеряемых образцов при высокой температуре может быть до 1500 атмосфер.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется устройство для измерения теплопроводности материалов, содержащее корпус, в котором установлена измерительная ячейка, включающая плоский нагреватель, с двух сторон которого расположены холодильники с образованием между холодильником и нагревателем зоны для размещения исследуемых образцов, а в холодильнике выполнены каналы для размещения термопар. Корпус, согласно полезной модели, выполнен в виде удлиненного цилиндра с глухим дном, открытый конец которого закреплен на основании с коллектором для охлаждающей жидкости и отверстиями для установки герметичных электровводов. Измерительная ячейка установлена в области глухого дна корпуса и сжата пружинным элементом, обеспечивающим поджатие исследуемых образцов в измерительной ячейке, а на корпусе в зоне расположения измерительной ячейки и на цилиндрической поверхности холодильника установлены дополнительные нагреватели.
Большая вертикальная протяженность корпуса позволяет организовать большой градиент температуры. Этому способствует и наличие коллектора для охлаждающей жидкости в основании корпуса. Таким образом, в зоне расположения элементов герметизации внутреннего объема реализуется низкая температура, позволяющая эластичным уплотнениям выдерживать высокие давления, а для области расположения образцов материала реализуется высокое давление и температура. Были выполнены расчетные оценки прочности корпуса при давлении и определено объемное распределение поля температуры по высоте корпуса. Расчеты показали, что данное устройство позволяет при определении теплопроводности образцов задавать температуру до 600°C и давление до 1500 атм.
На фиг. 1 представлена схема и вид центральной части установки для измерения теплопроводности в среде высокого давления, принятой за прототип заявляемой полезной модели.
На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства.
На фиг. 1: 1 - нагревательный элемент, 2 - образцы, 3 - холодильники, 4 - термопары, 5 - фторопластовые шайбы, 6 - верхняя часть корпуса, 7 - нижняя часть корпуса.
На фиг. 2: 1 - нагревательный элемент, 2 - образцы, 3 - холодильники, 4 - термопары, 6 - верхняя часть корпуса, 7 - нижняя часть корпуса, 8 - коллектор, 9 - уплотнение, 10 - электровводы, 11 - внешний нагреватель, 12 - дополнительные нагреватели, 13 - толкатель, 14 - пакет пружин, 15 - гайка, 16 - теплоизоляция; 17 - вставка.
Устройство для измерения теплопроводности (фиг. 2) представляет собой силовой корпус, состоящий из верхней части 6, установленной через уплотнение 9 в нижнюю часть 7. Нижняя часть корпуса содержит в себе вставку 17 с электровводами 10. На корпусе выполнен внешний нагреватель 11. С целью снижения потерь корпус укрыт теплоизоляцией 16. Нижняя часть корпуса 7 охлаждается проточной водой через канал охлаждения в коллекторе 8. Внутри корпуса установлена измерительная ячейка, состоящая из центрального нагревателя 1, образцов исследуемого материала 2, холодильников 3 с дополнительными нагревателями 12. Для улучшения внутренних тепловых контактов измерительная ячейка поджата толкателем 13 при помощи пакета тарельчатых пружин 14. Пакет пружин поджат гайкой 15 и предназначен для компенсации изменений размеров конструкции при нагреве.
Устройство работает следующим образом. Внутрь корпуса устанавливаются образцы 2 из исследуемого материала, теплопроводность которого необходимо измерить. Заворачивая гайку 15, поджимаем измерительную ячейку заданным усилием. Во внутреннюю полость напускается необходимая газовая среда. Затем подключается внешнее водяное охлаждение в коллекторе 8 и включается внешний электрический нагреватель 11. После достижения теплового равновесия в области измерительной ячейки дополнительными нагревателями 12 на холодильниках 3 обеспечивается симметричное поле температур относительно центрального нагревателя 1. После этого, подавая последовательность импульсов электропитания на центральный нагреватель 1, фиксируют динамические изменения температур в измерительной ячейке для вычисления теплопроводности образцов 2.
Был изготовлен опытный образец устройства. Части корпуса 6 и 7, вставка 17, тарельчатые пружины 14, гайка 15 и остальные детали, работающие при высоких температурах, выполнены из жаростойкого никелевого сплава 08ХН35ВТЮ. Холодильники 3 и корпус центрального нагревателя 1 выполнены из меди Ml. Нагреватели выполнены из нихромовой проволоки с изоляцией из кремнеземного волокна. Коллектор 8 выполнен из сплава АМгб. Теплоизоляция 16 представляет собой тонкостенный кожух из стали 12Х18Н10Т, заполненный минеральной ватой.
Разработанная конструкция позволяет создавать в области измерительной ячейки давление до 1500 атм и температуру до 600°C и измерять теплопроводность материалов при этих условиях.