Установка для исследований высокотеплопроводных материалов
Описана установка, реализующая абсолютный метод измерения теплопроводности в стационарном режиме. Приведены результаты экспериментальных исследований теплопроводности пиролитических графитовых материалов различного происхождения....
Збережено в:
| Дата: | 2004 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2004
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61619 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Установка для исследований высокотеплопроводных материалов / Л.С. Мурованная // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 217-220. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-61619 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-616192014-05-09T03:01:31Z Установка для исследований высокотеплопроводных материалов Мурованная, Л.С. Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов Описана установка, реализующая абсолютный метод измерения теплопроводности в стационарном режиме. Приведены результаты экспериментальных исследований теплопроводности пиролитических графитовых материалов различного происхождения. Описано установку, що реалізує абсолютний метод вимірювання теплопровідності в стаціонарному режимі. Наведені результати експериментальних досліджень теплопровідності піролітичних графітових матеріалів різного походження. The plant realizing an absolute method of thermal conductivity measurement in a steady-state conditions is described. Results of experimental researches of thermal conductivity of pyrolitic graphite materials of a various origin are described. 2004 Article Установка для исследований высокотеплопроводных материалов / Л.С. Мурованная // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 217-220. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61619 536.2.022 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов |
| spellingShingle |
Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов Мурованная, Л.С. Установка для исследований высокотеплопроводных материалов Промышленная теплотехника |
| description |
Описана установка, реализующая абсолютный метод измерения теплопроводности в стационарном режиме. Приведены результаты экспериментальных исследований теплопроводности пиролитических графитовых материалов различного происхождения. |
| format |
Article |
| author |
Мурованная, Л.С. |
| author_facet |
Мурованная, Л.С. |
| author_sort |
Мурованная, Л.С. |
| title |
Установка для исследований высокотеплопроводных материалов |
| title_short |
Установка для исследований высокотеплопроводных материалов |
| title_full |
Установка для исследований высокотеплопроводных материалов |
| title_fullStr |
Установка для исследований высокотеплопроводных материалов |
| title_full_unstemmed |
Установка для исследований высокотеплопроводных материалов |
| title_sort |
установка для исследований высокотеплопроводных материалов |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2004 |
| topic_facet |
Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61619 |
| citation_txt |
Установка для исследований высокотеплопроводных материалов / Л.С. Мурованная // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 217-220. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT murovannaâls ustanovkadlâissledovanijvysokoteploprovodnyhmaterialov |
| first_indexed |
2025-07-05T12:35:26Z |
| last_indexed |
2025-07-05T12:35:26Z |
| _version_ |
1836810425301204992 |
| fulltext |
измерение, контроль, атоматизация тепловых процессов
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 217
2. Разработаны рекомендации по конструиро-
ванию приборов, реализующих дифференциаль-
ный метод локального теплового воздействия.
3. Рассмотрено влияние различных факторов на
получаемый результат.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение темпе-
ратуры поверхности твердых тел / Библиотека
по автоматике, вып.598.– М.: Энергия, 1979.–
96 с.
Получено 19.10.2004 г.
УДК 536.2.022
МУРОВАННАЯ Л.С.
Ин-т технической теплофизики НАН Украины
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВЫСОКОТЕПЛОПРОВОДНЫХ МАTЕРИАЛОВ
Описано установку, що реалізує аб-
солютний метод вимірювання теплопро-
відності в стаціонарному режимі. Наве-
дені результати експериментальних до-
сліджень теплопровідності піролітичних
графітових матеріалів різного похо-
дження.
Описана установка, реализующая
абсолютный метод измерения тепло-
проводности в стационарном режиме.
Приведены результаты эксперимен-
тальных исследований теплопроводно-
сти пиролитических графитовых мате-
риалов различного происхождения.
The plant realizing an absolute method
of thermal conductivity measurement in a
steady-state conditions is described. Re-
sults of experimental researches of thermal
conductivity of pyrolitic graphite materials
of a various origin are described.
F – расчетная площадь поверхности, нормальной
направлению теплового потока, м P
2
P;
L – длина прядей (или образца из пирографито-
вой ткани), м;
N – количество прядей в пучке, шт.;
Q – тепловой поток, Вт;
RBтB – термическое сопротивление, м P
2
P К/Вт;
r BтB –P
Pудельное термическое сопротивление,
(м К)/Вт;
S – ширина образца, м;
измерение, контроль, атоматизация тепловых процессов
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 217
λ − коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);
ρ − плотность;
∆h – расстояние между точками измерения тем-
пературы, м;
∆T – разность температур, К.
Индексы:
1 − графит;
i − номер материала.
Цели исследования
Целью исследования является определение ко-
эффициента теплопроводности пиролитических
графитовых материалов различного происхожде-
ния и структуры: плотного и пористого пиролити-
ческого графита, а также прядей из волокон двух
типов и ткани из пиролитических графитовых во-
локон.
Методы исследования
Для исследования теплопроводности высоко-
теплопроводных материалов в отделе тепломет-
рии ИТТФ НАНУ была создана установка, реали-
зующая абсолютный метод измерения теплопро-
водности в стационарном режиме [1]. На рис. 1
показана функциональная схема данной установ-
ки, а на рис. 2 − внешний вид ее центрального узла.
Перепад температур на испытываемых образ-
цах (примерно 10К) создавался путем нагрева од-
ного края образца с помощью электрического на-
гревателя и охлаждения другого края водой за-
данной температуры, регулируемой термостатом.
Для точного определения коэффициента тепло-
проводности необходимо создать малую величину
термического сопротивления между поверхностя-
ми образца и нагревателя, образца и холодильни-
ка. Обычно в этих целях используются различные
смазки, но в данном случае их применение ис-
ключено, поскольку их термическое сопротивле-
ние по величине сравнимо с величиной термиче-
ского сопротивления образца. Поэтому в данной
установке для уменьшения контактных термиче-
ских сопротивлений торцевые поверхности всех
образцов были гальваническим способом покры-
Рис. 1. Функциональная схема установки для измерения теплопроводности пирографитовых
материалов: 1 – нагреватель; 2 – охранный нагреватель; 3 – ПТП; 4 – холодильник; 5 – образец;
6 – дифференциальные термопары; 7 – защитный корпус; 8 – термостат; 9, 10 – регуляторы;
11 – источник питания; 12 – нагреватель; 13 – дифференциальные термопары.
измерение, контроль, атоматизация тепловых процессов
218 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6
ты слоем меди, после чего образцы впаивались в
специальные пазы в корпусах нагревателя и холо-
дильника. Нагреватель и боковая поверхность об-
разца должны быть защищены от потерь теплоты
в окружающую среду. Тогда величины потерь и
радиального теплового потока будут пренебре-
жимо малы. При проведенных исследованиях для
исключения боковых оттоков теплоты над нагре-
вателем 1 ставился охранный нагреватель 9, а ме-
жду ними – преобразователь теплового потока
(ПТП). С помощью регулятора мощность охран-
ного нагревателя поддерживается такой, чтобы
сигнал ПТП был равен нулю, а следовательно, не
было тепловых потерь. Образец, нагреватель и
холодильник изолировались минеральной ватой.
Второй регулятор 10 обеспечивал равенство тем-
пературы защитного корпуса средней температуре
образца (в данной системе регулирования исполь-
зовался нагреватель 12 и дифференциальные тер-
мопары 13), что минимизировало боковые тепло-
потери образца. Таким образом, тепловой поток
можно было считать одномерным и для определе-
ния коэффициента теплопроводности использо-
вать расчетную формулу
λ Q h
F T
⋅ ∆
=
⋅ ∆
. (1)
Тепловой поток, создаваемый нагревателем в
образце, определялся путем измерения напряже-
ния и силы тока нагрева, а также площади сечения
образца. Для измерения разности температур об-
разца использовался дифференциальный преобра-
зователь температуры типа ТХК. Расстояние меж-
ду спаями термопар порядка 25 мм измерялось
штангенциркулем с разрешающей способностью
0,05 мм.
Исследовались образцы твердого пиролитиче-
ского графита в виде прямоугольных пластин, ко-
торые были получены осаждением из метана при
температуре 2100…3200 °С. Этот вид графита об-
ладает совершенной кристаллической структурой,
высокой анизотропией свойств и является высо-
котемпературным конструкционным материалом.
Пористые образцы и образцы в виде прядей и
ткани получены иными способами и имеют не
столь совершенную микроструктуру. Измерения
проводились при распространении теплового по-
тока вдоль слоев осажденного графита в твердых
образцах, вдоль прядей волоконных материалов и
слоя ткани, то есть был определен продольный
коэффициент теплопроводности. Для твердого
пористого образца измерения проводились при
распространении теплового потока перпендику-
лярно к наименьшему размеру образца.
Для проведения измерений из ткани и прядей
были подготовлены специальные образцы цилин-
дрической формы, пригодные для установки в
специализированное устройство для измерения
коэффициента теплопроводности. Образец ткани
был плотно свернут в рулон и обернут слоем фто-
ропластового уплотняющего материала (ФУМ), а
пряди волоконных материалов собраны в пучки
по 20 и 18 прядей и также обернуты ФУМ. Для
усадки слоя ФУМ и уплотнения образцов они бы-
ли запечены при температуре 270 °С.
Для подтверждения достоверности полученных
результатов также проведены измерения на кон-
трольных образцах из нержавеющей стали и меди.
Относительная погрешность измерения коэффи-
циентов теплопроводности не превышает ±10 %.
Полученные значения коэффициента теплопро-
водности пиролитических графитовых материалов
представлены в таблице. Все испытываемые об-
Рис. 2. Центральный узел теплового блока ус-
тановки для измерения теплопроводности
пирографитовых материалов:1 – нагреватель,
2 – спаи дифференциальных термопар, 3 – вы-
воды дифференциальных термопар, 4 – иссле-
дуемый образец (рулон ткани из пирографито-
вых волокон), 5 – выводы нагревателя, 6 – холо-
дильник, 7 – трубки для охлаждения водопро-
водной водой.
измерение, контроль, атоматизация тепловых процессов
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 219
разцы имели значительные пустоты, и поэтому
для каждого из них измерялась также массовая
плотность и определялась плотность по отноше-
нию к плотному пирографитовому материалу. По-
скольку образцы имели разную структуру, допол-
нительно были рассчитаны специфические характе-
ристики термического сопротивления и теплопро-
водности, которые удобно применять на практике.
Пряди из тонких волокон типа І:
среднее удельное термическое сопротивление
(на 1 м длины пряди) r BтB = 3777·К/(м·Вт);
Термическое сопротивление пучка из N прядей
длиной L может быть определено по формуле:
Rт = r BтB L / N (2);
- коэффициент теплопроводности материала
вдоль волокна λ = λBобрB ρ = 668 Вт/(м·К).
Пряди из тонких волокон типа ІІ:
- среднее удельное термическое сопротивление
(на 1 м длины пряди) r BтB = 6943 ·К/(м·Вт);
- коэффициент теплопроводности материала
вдоль волокна λ = λBобрB ρ = 1100 Вт/(м·К).
Ткань из пиролитических графитовых волокон:
- коэффициент теплопроводности материала
вдоль слоя ткани λ = λ BобрB ρ = 19,6 Вт/(м·К);
- удельное термическое сопротивление на мP
2
P по-
верхности r BтB = 476 К/Вт.
Термическое сопротивление прямоугольного
образца ткани может быть определено по
фoрмуле:
RBтB = r BтB L / S. (3)
Обсуждение результатов
Исследованные образцы плотного пирографита
имеют значения коэффициента теплопроводности
в диапазоне от 920 до 1280 Вт/(м·К). Коэффици-
ент теплопроводности прядей имеет тот же поря-
док. Таким образом, проведенные испытания под-
твердили уникально высокие значения коэффици-
ента теплопроводности изделий из пиролитиче-
ских графитовых материалов в продольном на-
правлении [2]. Теплопроводность ткани и порис-
того пирографита значительно меньше, чем у
твердого материала с упорядоченной кристалли-
ческой структурой, однако намного превышает
Т а б л и ц а . Результаты исследования теплопроводности пирографитовых материалов
Материал
Определяющий ра-
змер и другие хара-
ктеристики образца
Средняя
температура
образца, ºС
Массовая
плотность об-
разца ρ, г/смP
3
P
Относительная
массовая плот-
ность ρ
Коэффициент теп-
лопроводности об-
разца λBобр B, Вт/(м·К)
Плотный
пиролитичес-
кий графит
Толщина 2,5 мм
плоский, плотный,
твердый
17 ± 3 2,15 1,0 1114
Твердый
пористый
Товщина 11,2 мм 25 ± 3 0,919 0,427 67,3
Пряди
из волокон
типа І
Диаметр пучка
4,3 мм,
20 прядей по 1000
волокон
25 ± 3 1,174 0,546 365
Пряди
из волокон
типа ІІ
Диаметр пучка
2,3мм,
18 прядей по 1000
волокон
25 ± 3 1,27 0,592 650
Ткань из пиро
графитовых
волокон
Диаметр рулона
10,0 мм, длина
образца ткани –
260 мм
25 ± 3 0,747 0,347 6,81
измерение, контроль, атоматизация тепловых процессов
220 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6
теплопроводность подобных изделий из других
материалов. Полученные данные могут быть ис-
пользованы при теплотехнических расчетах и
проектировании теплообменных устройств. Пер-
спективным является использование пиролитиче-
ских графитов в малогабаритных устройствах с
высокой тепловой нагрузкой, например, в устрой-
ствах охлаждения процессоров персональных
компьютеров.
Выводы
Разработанные методика и установка позволя-
ют исследовать материалы и изделия с высоким
коэффициентом теплопроводности. Относитель-
ная погрешность измерения коэффициентов теп-
лопроводности не превышает ±10%. Предложен-
ная методика использована при исследовании
различных пиролитических графитовых материа-
лов: плотного и пористого пиролитического гра-
фита, прядей из волокон двух типов и ткани из
пиролитических графитовых волокон.
ЛИТЕРАТУРА
1. Осипова В.А. Экспериментальное исследование
процессов теплообмена.– М.: Энергия, 1969.–
С. 48 – 50.
2. Теплопроводность твердых тел. Справочник.
Под ред. А.С. Охотина.– М.: Энергоатомиздат,
1984.– С.88-89.
Получено 12.10.2004 г.
УДК 536.5: 536.6: 621.36: 006.05
КОВТУН С.И.
Ин-т технической теплофизики НАН Украины
ПРОБЛЕМЫ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ
ЕДИНИЦЫ ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Розглянуто сучасний стан метрологі-
чного забезпечення теплопотічних вимі-
рювань. Обґрунтовано необхідність роз-
робки вихідної установки вищої точності
для відтворення та передачі одиниці
щільності теплового потоку.
Рассмотрено современное состояние
метрологического обеспечения теплопоточ-
ных измерений. Обоснована необходимость
разработки исходной установки высшей
точности для воспроизведения и передачи
единицы плотности теплового потока.
The modern condition of metrological
maintenance of heat flow measurements
is considered. Necessity of development
of initial installation of the supreme accu-
racy for reproduction and transfer of
density unit of heat flow is proved.
Введение
Прямое измерение поверхностной плотности
тепловых потоков имеет широкое распростране-
ние во всех развитых странах. Созданием тепло-
метрической аппаратуры занимаются в Нидерлан-
дах, Японии, США, Англии, Германии, Венгрии,
Чехии, России. В Украине – в Институте техниче-
ской теплофизики НАН Украины (г. Киев), ГНПО
«Метрология» (г. Харьков), КБ «Фонон» (г. Чер-
новцы).
В настоящее время в различных отраслях хо-
зяйства Украины и стран СНГ получили широкое
распространение первичные термоэлектрические
преобразователи теплового потока вида вспомога-
тельной стенки ПТП, применение которых воз-
|