RU2750289C1 - Installation for studying thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum heat insulation - Google Patents

Installation for studying thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum heat insulation Download PDF

Info

Publication number
RU2750289C1
RU2750289C1 RU2020110792A RU2020110792A RU2750289C1 RU 2750289 C1 RU2750289 C1 RU 2750289C1 RU 2020110792 A RU2020110792 A RU 2020110792A RU 2020110792 A RU2020110792 A RU 2020110792A RU 2750289 C1 RU2750289 C1 RU 2750289C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vacuum
thermal conductivity
powder
screen
thermal insulation
Prior art date
Application number
RU2020110792A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Викторович Плотников
Роман Валерьевич Гришин
Олег Геннадьевич Вощило
Светлана Валерьевна Плотникова
Александр Сергеевич Кузнецов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Брянский государственный инженерно-технологический университет»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Брянский государственный инженерно-технологический университет» filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Брянский государственный инженерно-технологический университет»
Priority to RU2020110792A priority Critical patent/RU2750289C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2750289C1 publication Critical patent/RU2750289C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures
    • G01N25/28—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly
    • G01N25/30—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly using electric temperature-responsive elements
    • G01N25/32—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly using electric temperature-responsive elements using thermoelectric elements

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: testing equipment.
SUBSTANCE: invention relates to the field of testing equipment, namely to the creation of installations for the experimental determination of the thermal characteristics of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation used for thermal protection of construction objects, objects of military, space and cryogenic technology, as well as in other sectors of the national economy. An installation for determining the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation contains a heat source, means for measuring the temperature on the hot and cold sides of the sample from the material under study, and pumps of various types to achieve the required vacuum. Effective thermal conductivity is determined on samples of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation, which are placed in a vacuum chamber consisting of 2 or 3-piece concentric spheres or hemispheres of different diameters with an electric heater acting inside a smaller sphere or hemisphere located in a heat-conducting electric insulator and associated with the device for recording the power it produces, while the two outer hemispheres form an additional evacuated cavity and have a selective coating on the outer and inner surfaces with a reflection coefficient ρ of 0.75-0.95.
EFFECT: increasing reliability of the results of measurements of the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation.
5 cl, 12 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области испытательной техники, а именно к созданию установок для экспериментального определения тепловых характеристик порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций, используемых для тепловой защиты строительных объектов, объектов военной, космической и криогенной техники, а также в других отраслях народного хозяйства.The proposed device relates to the field of testing technology, namely to the creation of installations for the experimental determination of the thermal characteristics of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation used for thermal protection of construction facilities, military, space and cryogenic equipment, as well as in other sectors of the national economy.

Известны установки для тепловых испытаний, например измеритель теплопроводности ИТЭМ-I [1], который предназначен для экспресс-измерений теплопроводности металлов, сплавов, полупроводников и теплоизоляторов. Диапазон измерения теплопроводности 0,2…80 Вт/(м·К). Известен измеритель теплопроводности ИТЭМ-IM [1] . Прибор предназначен для экспресс-измерений теплопроводности металлов, сплавов, полупроводников и теплоизоляторов. Диапазон измерения теплопроводности 0,1…100 Вт/(м·К). Известен прибор ИТС-1 для измерения теплофизических свойств строительных материалов: теплопроводности, термического сопротивления. Диапазон измерения теплопроводности 0,02…1,5Вт/(м·К) [2].Known installations for thermal testing, such as a thermal conductivity meter ITEM-I [1], which is designed for rapid measurements of the thermal conductivity of metals, alloys, semiconductors and heat insulators. Thermal conductivity measurement range 0.2 ... 80 W / (m · K). Known thermal conductivity meter ITEM-IM [1]. The device is designed for express measurements of thermal conductivity of metals, alloys, semiconductors and heat insulators. Thermal conductivity measurement range 0.1 ... 100 W / (m · K). Known device ITS-1 for measuring the thermophysical properties of building materials: thermal conductivity, thermal resistance. Thermal conductivity measurement range 0.02 ... 1.5W / (m · K) [2].

Недостатком этой группы приборов является то обстоятельство, что они предназначены для работы только с теми материалами, которые обладают теплопроводностью более 0,02 Вт/(м·К) и эксплуатируются при атмосферном давлении.The disadvantage of this group of devices is the fact that they are designed to work only with those materials that have a thermal conductivity of more than 0.02 W / (m · K) and are operated at atmospheric pressure.

Также известна установка, описанная в ГОСТ 12170-85, отличающаяся тем, что она позволяют измерять теплопроводность огнеупоров с теплопроводностью от 0,13 до 15 Вт/(м·К) при стационарном одномерном температурном поле в плоском образце и при температуре на горячей стороне образца от 400 до 1350°С [3].Also known is the installation described in GOST 12170-85, characterized in that it allows you to measure the thermal conductivity of refractories with a thermal conductivity of 0.13 to 15 W / (m K) at a stationary one-dimensional temperature field in a flat sample and at a temperature on the hot side of the sample from 400 to 1350 ° C [3].

Ее недостатком является невозможность проведения испытаний Its disadvantage is the impossibility of testing.

теплоизоляционных материалов с теплопроводностью менее 0,1 Вт/(м·К),thermal insulation materials with thermal conductivity less than 0.1 W / (m K),

работающих в условиях вакуума.working in a vacuum.

Также известны приборы для определения теплопроводности строительных материалов, а также материалов, предназначенных для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов: измерители теплопроводности ИТП-МГ4 «100», ИТП-МГ4 «250» и ИТП-МГ4 «Зонд» с диапазоном измерения теплопроводности 0,02...1,5 Вт/(м·К) (для ИТП-МГ4 «100», ИТП-МГ4 «250»); 0,03...1,0 Вт/(м·К) (для ИТП-МГ4 «Зонд») [4]. Рабочий диапазон температур - от минус 10°С до плюс 40°С.Also known are devices for determining the thermal conductivity of building materials, as well as materials intended for thermal insulation of industrial equipment and pipelines: thermal conductivity meters ITP-MG4 "100", ITP-MG4 "250" and ITP-MG4 "Probe" with a thermal conductivity measurement range of 0, 02 ... 1.5 W / (m · K) (for ITP-MG4 "100", ITP-MG4 "250"); 0.03 ... 1.0 W / (m · K) (for ITP-MG4 "Probe") [4]. Operating temperature range - from minus 10 ° С to plus 40 ° С.

Недостатком этих приборов является невозможность определения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов при высоких температурах и работающих в условиях вакуума, с также вакуумированных теплоизоляционных изделий, таких как, например, вакуумных теплоизоляционных панелей.The disadvantage of these devices is the impossibility of determining the thermophysical properties of heat-insulating materials at high temperatures and operating in a vacuum, with also evacuated heat-insulating products, such as, for example, vacuum heat-insulating panels.

Известна установка, описанная в патенте №2289126, кл. G01K 25/32, 2006 г., отличающаяся тем, что теплопроводность определяется на образцах цилиндрической формы с соотношением длины к внешнему диаметру не менее 6:1 с осевым каналом, источник тепла связан с устройством регистрации развиваемой им мощности и размещен внутри осевого канала образца, на торцах которого установлены шайбы из теплоизоляционного материала с термическим сопротивлением не ниже термического сопротивления свода исследуемого цилиндрического образца [5].Known installation described in patent No. 2289126, class. G01K 25/32, 2006, characterized in that the thermal conductivity is determined on cylindrical specimens with a length to outer diameter ratio of at least 6: 1 with an axial channel, the heat source is connected to a device for recording the power it develops and is located inside the axial channel of the specimen, on the ends of which washers are installed from a heat-insulating material with a thermal resistance not lower than the thermal resistance of the arch of the investigated cylindrical specimen [5].

Ее недостатком является невозможность проведения испытаний теплоизоляционных материалов, работающих в условиях вакуума.Its disadvantage is the impossibility of testing heat-insulating materials operating under vacuum conditions.

Наиболее близкой по технической сути (прототипом) к предлагаемой установке является установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции (патент № 2 356 038, кл. G01N 25/32), содержащая источник тепла, средства для замера температуры на горячей и холодной сторонах образца из исследуемого материала, отличающаяся тем, что эффективная теплопроводность определяется на образцах порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции, которые размещаются внутри цилиндрической вакуумной камеры с размещенным внутри нее осевым каналом для установки источника тепла, установка содержит форвакуумный и криосорбционный насосы для достижения необходимого вакуума [6] .The closest in technical essence (prototype) to the proposed installation is an installation for determining the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation (patent No. 2 356 038, class G01N 25/32), containing a heat source, means for measuring the temperature on a hot and cold sides of the sample made of the material under study, characterized in that the effective thermal conductivity is determined on samples of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation, which are placed inside a cylindrical vacuum chamber with an axial channel located inside it for installing a heat source, the installation contains a forevacuum and cryosorption pumps for achieving the required vacuum [6].

Ее недостатком является утечка тепла через торцы цилиндрической вакуумной камеры и проблема создания заглушек из теплоизоляционного материала с термическим сопротивлением не ниже термического сопротивления основного материала исследуемого образца в условиях вакуума, что оказывает значительное влияние на достоверность результатов исследований. Its disadvantage is heat leakage through the ends of a cylindrical vacuum chamber and the problem of creating plugs from a heat-insulating material with a thermal resistance not lower than the thermal resistance of the base material of the test sample under vacuum conditions, which has a significant effect on the reliability of the research results.

Задачей изобретения является создание установки для исследования эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций, обеспечивающей получение технического результата, состоящего в повышении достоверности результатов измерений эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций.The objective of the invention is to create an installation for studying the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation, providing a technical result, which consists in increasing the reliability of the results of measurements of the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation.

Этот технический результат достигается тем, что установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции содержит источник тепла, средства для замера температуры на горячей и холодной сторонах образца из исследуемого материала, насосы различного типа для достижения необходимого вакуума и вакуумную камеру в виде 2-х или 3-х разъемных концентрических сфер или полусфер разного диаметра с действующим внутри меньшей сферы или полусферы электрическим нагревателем, находящемся в теплопроводящем электрическом изоляторе и связанным с устройством регистрации развиваемой им мощности, при этом одна из внешних полусфер имеет оболочку с вакуумированной полостью и селективным покрытием на внешней и внутренней поверхностях с коэффициентом отражения ρ=0,75-0,95. This technical result is achieved by the fact that the installation for determining the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation contains a heat source, means for measuring the temperature on the hot and cold sides of the sample from the test material, pumps of various types to achieve the required vacuum and a vacuum chamber in the form 2 or 3 split concentric spheres or hemispheres of different diameters with an electric heater acting inside a smaller sphere or hemisphere, located in a heat-conducting electrical insulator and connected to a device for recording the power it develops, while one of the outer hemispheres has a shell with an evacuated cavity and selective coating on the external and internal surfaces with a reflection coefficient ρ = 0.75-0.95.

Исследование проводится путем определения перепада температуры на стенках образцов и поверхностях сфер или полусфер в режиме стационарного теплообмена с окружающей средой при известной мощности теплового потока. Тепловой поток, направленный радиально к внутренней и наружной поверхностям образца, создается за счет источника тепла, помещенного в центре сферы или полусферы.The study is carried out by determining the temperature drop on the walls of the samples and on the surfaces of spheres or hemispheres in the mode of stationary heat exchange with the environment at a known heat flux power. The heat flux directed radially to the inner and outer surfaces of the sample is generated by a heat source placed in the center of the sphere or hemisphere.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1-11. На фиг. 1 показана общая схема установки с вакуумной камерой для исследования порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций; на фиг.2 - устройство полусферической вакуумной камеры с дополнительной вакуумной полостью; на фиг.3 - устройство сферической вакуумной камеры с дополнительной вакуумной полостью; на фиг.4 – устройство сферической вакуумной камеры, находящейся в эффективном теплоизоляторе сферической формы; на фиг.5 - устройство сферической вакуумной камеры с расположением внутри одной из полусфер сегмента в виде четверти или половины сферы, имеющего радиус, равный полусумме радиусов внешней и внутренней сфер и выполненного из материала с высокой теплопроводностью и регулируемыми коэффициентами излучения, поглощения и отражения путем нанесения специальных селективных покрытий; на фиг. 6 – устройство вакуумной камеры, состоящней из двух полусфер разного радиуса; на фиг. 7 – устройство вакуумной камеры, состоящей из двух полусфер разного радиуса с теплоизолирующей диафрагмой между ними; на фиг.8 - узел ввода проводов для питания нагревательного элемента и снятия показаний термопар; на фиг. 9 - общий вид установки с вакуумной камерой в виде полусферы; на фиг.10 - общий вид установки с вакуумной камерой в виде сферы; на фиг.11и фиг.12 – общий вид вакуумной камеры в разобранном и собранном виде.The essence of the invention is illustrated by figures 1-11. FIG. 1 shows a general diagram of an installation with a vacuum chamber for studying powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation; figure 2 - the device of a hemispherical vacuum chamber with an additional vacuum cavity; figure 3 is a device of a spherical vacuum chamber with an additional vacuum cavity; figure 4 is a device of a spherical vacuum chamber located in an effective spherical heat insulator; figure 5 - the device of a spherical vacuum chamber with a segment inside one of the hemispheres in the form of a quarter or half of a sphere, having a radius equal to the half-sum of the radii of the outer and inner spheres and made of a material with high thermal conductivity and adjustable coefficients of radiation, absorption and reflection by applying special selective coatings; in fig. 6 - device of a vacuum chamber, consisting of two hemispheres of different radii; in fig. 7 - device of a vacuum chamber, consisting of two hemispheres of different radii with a heat-insulating diaphragm between them; Fig. 8 - node for input of wires for powering the heating element and taking readings of thermocouples; in fig. 9 - General view of the installation with a vacuum chamber in the form of a hemisphere; Fig. 10 is a general view of an installation with a vacuum chamber in the form of a sphere; Fig. 11 and Fig. 12 are a general view of the vacuum chamber disassembled and assembled.

Установка содержит (фиг.1): 1 - форвакуумный насос; 2 – клапан напуска воздуха; 3 – вакуумметр термопарный; 4 – клапан скачивания вакуумной камеры; 5 – клапан предварительного скачивания паромасляного насоса; 6 – форбаллон; 7 – вакуумметр ионизационный; 8 – паромасляный насос; 9 – тарельчатый клапан; 10 – вакуумную камеру различного исполнения; 11 – шину передачи данных от датчиков температуры; 12 – шину управления нагревательным элементом; 13 – блок управления и аналого-цифровой преобразователь; 14 – ЭВМ; 15 – вакуумную ловушку.The installation contains (figure 1): 1 - foreline pump; 2 - air inlet valve; 3 - thermocouple vacuum gauge; 4 - valve for downloading the vacuum chamber; 5 - valve for preliminary loading of the steam-oil pump; 6 - phorbalon; 7 - ionization vacuum gauge; 8 - steam-oil pump; 9 - poppet valve; 10 - vacuum chamber of various designs; 11 - data transfer bus from temperature sensors; 12 - control bus of the heating element; 13 - control unit and analog-to-digital converter; 14 - computer; 15 - vacuum trap.

Вакуумная камера 10 выполняется в различном исполнении, исходя из поставленной задачи исследования, вида исследуемого материала и его свойств, определения точности измерения коэффициента теплопроводности при различных условиях эксперимента (фиг.2-фиг.7). The vacuum chamber 10 is made in various designs, based on the task of the study, the type of material under study and its properties, determining the accuracy of measuring the coefficient of thermal conductivity under various experimental conditions (Fig. 2-Fig. 7).

При компоновке вакуумной камеры из 3-х концентрических полусфер она содержит (фиг.2): нихромовую или вольфрамовую спираль 16; сферический нагревательный элемент 17; кварцевый песок 18; оболочку полусфер из материалов с высокой теплопроводностью и отражательной способностью 19; уплотнительные прокладки 20; исследуемый материал 21; вакуумированную дополнительную полость 22; теплоизолятор и теплоотводящую поверхность активной защиты 23; хромель – алюмелевых термопары 24, зачеканенные на внешней оболочке нагревательного элемента; хромель – алюмелевые термопары 25, зачеканенные на внутренней поверхности оболочки наружной полусферы; хромель – алюмелевые термопары 26, зачеканенные на внешней оболочке полусферы, образующей дополнительную вакуумную полость. Отдельные термопары условно не показаны, так как находятся за пределами плоскости рисунка.When assembling a vacuum chamber of 3 concentric hemispheres, it contains (figure 2): nichrome or tungsten spiral 16; spherical heating element 17; quartz sand 18; a shell of hemispheres made of materials with high thermal conductivity and reflectivity 19; sealing gaskets 20; test material 21; an evacuated additional cavity 22; heat insulator and heat sink surface of active protection 23; chromel - 24 alumel thermocouples, stamped on the outer shell of the heating element; chromel - alumel thermocouples 25, stamped on the inner surface of the shell of the outer hemisphere; chromel - alumel thermocouples 26, stamped on the outer shell of the hemisphere, which forms an additional vacuum cavity. Individual thermocouples are conventionally not shown, as they are outside the plane of the figure.

При компоновке вакуумной камеры из 2-х или 3-х разъемных концентрических сфер она содержит (фиг.3-фиг.7): нихромовую или вольфрамовую спираль 16; сферический нагревательный элемент 17; кварцевый песок 18; оболочку полусфер из материалов с высокой теплопроводностью и отражательной способностью 19; уплотнительные прокладки 20; исследуемый материал 21; вакуумированную дополнительную полость 22; керамическую нить для подвешивания внутренней сферы 23; сегмент в виде четверти или половины сферы, имеющий радиус, равный полусумме радиусов внешней и внутренней сфер и выполненный из материала с высокой теплопроводностью и регулируемыми коэффициентами излучения, поглощения и отражения 28; внешнюю теплоизоляцию в виде сферической оболочки из материалов с коэффициентом теплопроводности λ менее 0,02 Вт/(м·К) 29; материал с известной теплопроводностью 30; диафрагму с низкой теплопроводностью 36; хромель – алюмелевые термопары 24, зачеканенные на внешней оболочке нагревательного элемента; хромель – алюмелевые термопары 31, зачеканенные с наружной стороны внешней оболочки наружной сферы; хромель – алюмелевые термопары 26, зачеканенные на внешней оболочке полусферы, образующей дополнительную вакуумную полость; хромель – алюмелевые термопары 32, зачеканенные с внутренней стороны сегмента, выполненного в виде четверти или половины сферы и находящегося внутри вакуумной камеры. Отдельные термопары условно не показаны, т.к. находятся за пределами плоскости рисунка. When the vacuum chamber is assembled from 2 or 3 detachable concentric spheres, it contains (Fig. 3-Fig. 7): nichrome or tungsten spiral 16; spherical heating element 17; quartz sand 18; a shell of hemispheres made of materials with high thermal conductivity and reflectivity 19; sealing gaskets 20; test material 21; an evacuated additional cavity 22; ceramic thread for hanging the inner sphere 23; a segment in the form of a quarter or half of a sphere, having a radius equal to the half-sum of the radii of the outer and inner spheres and made of a material with high thermal conductivity and adjustable coefficients of emissivity, absorption and reflection 28; external thermal insulation in the form of a spherical shell made of materials with a thermal conductivity coefficient λ less than 0.02 W / (m · K) 29; a material with a known thermal conductivity of 30; a diaphragm with low thermal conductivity 36; chromel - 24 alumel thermocouples, stamped on the outer shell of the heating element; chromel - alumel thermocouples 31, stamped from the outside of the outer shell of the outer sphere; chromel - alumel thermocouples 26, stamped on the outer shell of the hemisphere, which forms an additional vacuum cavity; chromel - alumel thermocouples 32, stamped on the inside of a segment made in the form of a quarter or half of a sphere and located inside the vacuum chamber. Separate thermocouples are conventionally not shown, since are outside the plane of the drawing.

Узел ввода в сферу или полусферу проводов для питания нагревательного элемента и снятия показаний термопар на фиг. 2-7 условно не показан и приведен на фиг.8. На узле ввода показана оболочка внешней сферы 19, одинарная токопроводящая жила в термостойкой изоляции 33; уплотнительная прокладка 20; отверждаемый жидкий вакуумный герметик 34; одинарная токопроводящая жила круглого сечения без изоляции 35. The node for inserting wires into a sphere or hemisphere for powering a heating element and taking readings of thermocouples in FIG. Fig. 2-7 is not shown conventionally and is shown in Fig. 8. The input unit shows the shell of the outer sphere 19, a single conductive conductor in heat-resistant insulation 33; sealing gasket 20; a curable liquid vacuum sealant 34; single conductor with round cross-section without insulation 35.

Работа установки происходит следующим образом.The installation works as follows.

Для определения эффективной теплопроводности образцов порошково-вакуумной или экранно-вакуумной теплоизоляций 21 (фиг.2-7) форвакуумным насосом 1 и паромасляным насосом 8 (фиг.1) в сферической или полусферической вакуумной камере 10 (фиг.1), создается вакуум от 10-1 до 10-6 мм рт.ст. Значения вакуума регистрируются соответствующими средствами измерения вакуума 3 (фиг 1). Далее в центре сферы или полусферы включается источник тепла (сферический нагревательный элемент) 17 (фиг.2-7) для создания необходимого теплового потока. To determine the effective thermal conductivity of samples of powder-vacuum or screen-vacuum thermal insulation 21 (Figs. 2-7) with a foreline pump 1 and a steam-oil pump 8 (Fig. 1) in a spherical or hemispherical vacuum chamber 10 (Fig. 1), a vacuum from 10 -1 to 10 -6 mm Hg The values of the vacuum are recorded by the appropriate means for measuring the vacuum 3 (Fig. 1). Further, in the center of the sphere or hemisphere, a heat source (spherical heating element) 17 (Figs. 2-7) is turned on to create the required heat flux.

После достижения на горячей стороне образца заданной температуры, она поддерживается на достигнутом уровне до окончания испытания с нестабильностью не более ±1°С.After reaching the specified temperature on the hot side of the sample, it is maintained at the reached level until the end of the test with an instability of no more than ± 1 ° C.

Затем через каждые 15 мин в течение 1-2-х часов производятся измерения температуры на внешней и внутренней сторонах образца с помощью термопреобразователей хромель-алюмелевых 24,25,26,31,32 (фиг.2- фиг.7).Then, every 15 minutes for 1-2 hours, temperature measurements are made on the outer and inner sides of the sample using chromel-alumel thermal converters 24,25,26,31,32 (Fig. 2 - Fig. 7).

После установления стационарного теплового состояния образца проводятся в течение 30 мин последовательно несколько измерений температуры. Тепловое состояние образца считается стационарным, если три последовательных измерения температуры, проводимые через каждые 15 мин, дают отклонения не более 5% их среднего значения.After a steady-state thermal state of the sample is established, several temperature measurements are carried out in succession for 30 min. The thermal state of the sample is considered stationary if three consecutive temperature measurements taken every 15 minutes give deviations of no more than 5% of their average value.

Тепловой поток вычисляется по формуле: Q=I2R,The heat flow is calculated by the formula: Q = I 2 R,

где I - сила тока, проходящая через нагревательный элемент, А;where I is the current passing through the heating element, A;

R - сопротивление нагревательного элемента источника тепла, Ом.R is the resistance of the heating element of the heat source, Ohm.

Для определения коэффициента теплопроводности в стационарных методах используют основное расчетное уравнение [7]:To determine the thermal conductivity coefficient in stationary methods, the basic design equation is used [7]:

λэф = Q/ [(t1 − t2) K],λ eff = Q / [(t 1 - t 2 ) K],

где λэф - эффективная теплопроводность, Вт/(м·К); where λ eff - effective thermal conductivity, W / (m · K);

Q − тепловой поток, проходящий через слой исследуемого вещества, ограниченный двумя изотермическими поверхностями, Вт;Q is the heat flux passing through the layer of the test substance, limited by two isothermal surfaces, W;

t1- температура на внутренней поверхности образца, К;t 1 - temperature on the inner surface of the sample, K;

t2- температура на наружной поверхности образца, К;t 2 - temperature on the outer surface of the sample, K;

K − коэффициент формы слоя исследуемого материала. K is the coefficient of the shape of the layer of the material under study.

Коэффициент формы для шарового слоев Kш выражается зависимостью: Form factor for spherical layers K w is expressed by the relationship:

Kш= 2π/ ln (1 / d1 −1 / d2),K w = 2π / ln (1 / d 1 −1 / d 2 ),

где d2 и d1 − соответственно наружный и внутренний диаметры шарового слоя, м. where d 2 and d 1 are, respectively, the outer and inner diameters of the spherical layer, m.

Окончательная формула для расчета коэффициента теплопроводности исследуемого материала имеет вид:The final formula for calculating the thermal conductivity of the material under study is:

Figure 00000001
Figure 00000001

За результат измерения эффективной теплопроводности принимается среднее арифметическое результатов последних трех измерений при данной температуре, округленное до трех значащих цифр.The arithmetic mean of the results of the last three measurements at a given temperature, rounded to three significant figures, is taken as the result of measuring the effective thermal conductivity.

Предлагаемая установка обеспечивает проведение комплексных исследований теплопроводности материалов при различных температурах в условиях вакуума. Повышение достоверности результатов испытаний порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций достигается вследствие возможности создания необходимого вакуума и регистрации входящего теплового потока на исследуемых образцах, а также благодаря использованию различных модификаций вакуумной камеры (фиг.2-фиг.7).The proposed installation provides comprehensive studies of the thermal conductivity of materials at various temperatures in a vacuum. An increase in the reliability of the test results of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation is achieved due to the possibility of creating the necessary vacuum and recording the incoming heat flow on the samples under study, as well as through the use of various modifications of the vacuum chamber (Fig. 2-Fig. 7).

Библиографический списокBibliographic list

1. Овсянник, А.В. Тепломассобмен: практикум по выполнению лабораторных работ по одноименному курсу для студентов специальности «Промышленная энергетика» и «Техническая эксплуатация энергооборудования организаций / А.В.Овсянник, И.Н.Дружкин, Ю.А.Степашина.- Гомель:ГГТУ им.П.О.Сухого, 2017.-77 с.1. Ovsyannik, A.V. Heat and mass transfer: a workshop on laboratory work in the course of the same name for students of the specialty "Industrial Power Engineering" and "Technical Operation of Power Equipment of Organizations / A. V. Ovsyannik, I. N. Druzhkin, Yu. A. Stepashina. - Gomel: State Technical University named after P. O. Sukhoi, 2017.-77 p.

Приборы неразрушающего контроля. Каталог специального конструкторского бюро СКБ Стройприбор, Челябинск, 2016. - 58 с. http://www.stroypribor.ru e-mail: [email protected].Non-destructive testing devices. Catalog of the special design bureau SKB Stroypribor, Chelyabinsk, 2016 .-- 58 p. http://www.stroypribor.ru e-mail: [email protected].

3. ГОСТ 12170-85 Огнеупоры. Стационарный метод измерения теплопроводности. Введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 22 апреля 1985 г. N 1128.3. GOST 12170-85 Refractories. Stationary method for measuring thermal conductivity. It was put into effect by the decree of the USSR State Committee for Standards of April 22, 1985 N 1128.

4.КАТАЛОГ: ЛАБОРАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 4.CATALOG: LABORATORY INSTRUMENTS AND EQUIPMENT

Приборы для дорожных, строительных, предприятий и лабораторий, г.Тюмень, [email protected], 2019.Instruments for road, construction, enterprises and laboratories, Tyumen, [email protected], 2019.

5. Патент 2 289 126 Российская Федерация. УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ/Пеньков М.М., Ведерников М.В., Наумчик И.В., Жиганов Е.Б., Шатов С.В. Заявитель и патентообладатель: Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерство Обороны РФ (RU) - № 2005111442/28; Заявл. 2005.04.18, опубл. 2006.12.5. Patent 2 289 126 Russian Federation. INSTALLATION FOR STUDYING THERMAL CONDUCTIVITY OF THERMAL INSULATING MATERIALS / Penkov M.M., Vedernikov M.V., Naumchik I.V., Zhiganov E.B., Shatov S.V. Applicant and patentee: A.F. Mozhaisky Ministry of Defense of the Russian Federation (RU) - No. 2005111442/28; Appl. 2005.04.18, publ. 2006.12.

6. Патент 2 356 038 Российская Федерация. УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОРОШКОВО-ВАКУУМНОЙ И ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЙ / Наумчик И.В., Пеньков М.М., Сырцов Л.А., Шевченко М.В., Миронов Е.А. Заявитель и патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского - № 2007145687/28; Заявл. 2007.12.10, опубл.2009.05.20.6. Patent 2 356 038 The Russian Federation. INSTALLATION FOR DETERMINING EFFECTIVE THERMAL CONDUCTIVITY OF POWDER-VACUUM AND SCREEN-VACUUM HEAT INSULATION / Naumchik I.V., Penkov M.M., Syrtsov L.A., Shevchenko M.V., Mironov E.A. Applicant and patentee: State educational institution of higher professional education Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky - No. 2007145687/28; Appl. 2007.12.10, publ. 2009.05.20.

7. Теплотехнический справочник / Под общей ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева, в 2-х томах, т.2, издание 2-е, переработанное.- М: Энергия, 1976 г.- 896 с.7. Thermal engineering reference book / Ed. V.N. Yurenev and P.D. Lebedev, in 2 volumes, vol. 2, edition 2, revised.- M: Energy, 1976 - 896 p.

Claims (5)

1. Установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции, содержащая источник тепла, средства для замера температуры на горячей и холодной сторонах образца из исследуемого материала, насосы различного типа для достижения необходимого вакуума, отличающаяся тем, что эффективная теплопроводность определяется на образцах порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции, которые размещаются в вакуумной камере, состоящей из 2-х или 3-х разъемных концентрических сфер или полусфер разного диаметра с действующим внутри меньшей сферы или полусферы электрическим нагревателем, находящимся в теплопроводящем электрическом изоляторе и связанным с устройством регистрации развиваемой им мощности, при этом две внешние полусферы образовывают дополнительную вакуумированную полость и имеют селективное покрытие на внешней и внутренней поверхностях с коэффициентом отражения ρ 0,75-0,95.1. Installation for determining the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation, containing a heat source, means for measuring the temperature on the hot and cold sides of the sample from the test material, pumps of various types to achieve the required vacuum, characterized in that the effective thermal conductivity is determined on samples of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation, which are placed in a vacuum chamber consisting of 2 or 3 split concentric spheres or hemispheres of different diameters with an electric heater acting inside a smaller sphere or hemisphere, located in a heat-conducting electrical insulator and connected to a device for recording the power developed by it, while the two outer hemispheres form an additional evacuated cavity and have a selective coating on the outer and inner surfaces with a reflection coefficient ρ of 0.75-0.95. 2. Установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции по п. 1, отличающаяся тем, что вокруг внешней сферы выполняется теплоизоляция в виде оболочки сферы из материалов с коэффициентом теплопроводности λ менее 0,02 Вт/(м⋅К).2. Installation for determining the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation according to claim 1, characterized in that thermal insulation is performed around the outer sphere in the form of a sphere shell made of materials with a thermal conductivity coefficient λ of less than 0.02 W / (m⋅K) ... 3. Установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции по п. 1, отличающаяся тем, что между внешней и внутренней сферами располагается сегмент в виде четверти или половины сферы, имеющий радиус, равный полусумме радиусов внешней и внутренней сфер и выполненный из материала с высокой теплопроводностью и регулируемыми коэффициентами излучения, поглощения и отражения путем нанесения селективных покрытий.3. Installation for determining the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation according to claim 1, characterized in that between the outer and inner spheres there is a segment in the form of a quarter or half of a sphere, having a radius equal to the half-sum of the radii of the outer and inner spheres and made made of a material with high thermal conductivity and adjustable coefficients of emissivity, absorption and reflection by applying selective coatings. 4. Установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции по п. 1, отличающаяся тем, что наружная сфера вакуумной камеры выполнена из полусфер разного диаметра.4. Installation for determining the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation according to claim 1, characterized in that the outer sphere of the vacuum chamber is made of hemispheres of different diameters. 5. Установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции по п. 1, отличающаяся тем, что вакуумированное пространство между внешней и внутренней сферами разделено на две части диафрагмой с низкой теплопроводностью с заполнением одной части материалом с известной теплопроводностью, а другой части - исследуемым материалом.5. Installation for determining the effective thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum thermal insulation according to claim 1, characterized in that the evacuated space between the outer and inner spheres is divided into two parts by a diaphragm with low thermal conductivity, filling one part with a material with a known thermal conductivity, and the other parts - the test material.
RU2020110792A 2020-03-14 2020-03-14 Installation for studying thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum heat insulation RU2750289C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020110792A RU2750289C1 (en) 2020-03-14 2020-03-14 Installation for studying thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum heat insulation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020110792A RU2750289C1 (en) 2020-03-14 2020-03-14 Installation for studying thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum heat insulation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2750289C1 true RU2750289C1 (en) 2021-06-25

Family

ID=76504810

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020110792A RU2750289C1 (en) 2020-03-14 2020-03-14 Installation for studying thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum heat insulation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2750289C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU580486A1 (en) * 1975-11-05 1977-11-15 Объединенный Институт Ядерных Исследований Apparatus for determining heat conductivity coefficient of insulating materials subjected to different mechanical loads
US6331075B1 (en) * 1998-05-01 2001-12-18 Administrator, National Aeronautics And Space Administration Device and method for measuring thermal conductivity of thin films
RU2289126C1 (en) * 2005-04-18 2006-12-10 Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерство Обороны РФ Device for researching heat conductivity of thermo-isolating materials
RU2356038C1 (en) * 2007-12-10 2009-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Plant to determine effective heat conductivity of powder-vacuum and shield-vacuum thermal insulation
RU167047U1 (en) * 2016-07-26 2016-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") CAMERA FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY AND THERMO-EMF OF THERMOELECTRIC MATERIALS

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU580486A1 (en) * 1975-11-05 1977-11-15 Объединенный Институт Ядерных Исследований Apparatus for determining heat conductivity coefficient of insulating materials subjected to different mechanical loads
US6331075B1 (en) * 1998-05-01 2001-12-18 Administrator, National Aeronautics And Space Administration Device and method for measuring thermal conductivity of thin films
RU2289126C1 (en) * 2005-04-18 2006-12-10 Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Министерство Обороны РФ Device for researching heat conductivity of thermo-isolating materials
RU2356038C1 (en) * 2007-12-10 2009-05-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Plant to determine effective heat conductivity of powder-vacuum and shield-vacuum thermal insulation
RU167047U1 (en) * 2016-07-26 2016-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" (ФГБОУ ВО "КГЭУ") CAMERA FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY AND THERMO-EMF OF THERMOELECTRIC MATERIALS

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GOST 12170-85 Refractories. Stationary method for measuring thermal conductivity, p. 2-4. *
ГОСТ 12170-85 Огнеупоры. Стационарный метод измерения теплопроводности, п. 2-4. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kobari et al. Development of guarded hot plate apparatus utilizing Peltier module for precise thermal conductivity measurement of insulation materials
Jensen et al. Design and validation of a high-temperature comparative thermal-conductivity measurement system
Krishnan et al. An approach to thermocouple measurements that reduces uncertainties in high-temperature environments
Jaremkiewicz et al. Measurement of transient fluid temperature
Fu et al. A method to measure heat flux in convection using Gardon gauge
Jaremkiewicz Accurate measurement of unsteady state fluid temperature
RU2750289C1 (en) Installation for studying thermal conductivity of powder-vacuum and screen-vacuum heat insulation
Gromov et al. Hardware and Software System for Thermal Control.
CN107102206A (en) A kind of temperature-coefficient of electrical resistance measurement apparatus and method
Pan et al. Identification of temperature-dependent thermal conductivity and experimental verification
Alanazi et al. New non-invasive thermal sensor design for a pipe flow
Magee et al. High-temperature adiabatic calorimeter for constant-volume heat capacity measurements of compressed gases and liquids
Li et al. Measurements of wall heat flux and temperature in a supersonic model combustors
RU2510491C2 (en) Method of measuring emissivity factor
RU2568983C1 (en) Method to determine coefficient of heat conductivity of liquid heat insulation in laboratory conditions
Boumaza et al. Use of the transient plane source technique for rapid multiple thermal property measurements
Eithun Development of a thermal conductivity apparatus: Analysis and design
Yilmaz Detailed multiphysics modeling and validation of thermocouple readings in fires
RU2356038C1 (en) Plant to determine effective heat conductivity of powder-vacuum and shield-vacuum thermal insulation
US9500539B2 (en) Directional slug calorimeter for heat flux measurements
RU145491U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF HEAT-INSULATING MATERIALS
Najafi Real-time heat flux estimation using filter based solutions for inverse heat conduction problems
RU2734062C1 (en) Method for measuring heat conductivity of construction materials
RU2289126C1 (en) Device for researching heat conductivity of thermo-isolating materials
Brundage et al. A joint computational and experimental study to evaluate Inconel-sheathed thermocouple performance in flames.