Спосіб експериментального вимірювання властивостей матеріалу при кріогенних температурах

Реферат: UA 88215 U UA 88215 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до експериментальної фізики, машинобудування, космічної техніки та ін. галузей. Найбільш близьким за своєю сутністю до запропонованої корисної моделі є стандартні методи вимірювання властивостей матеріалів [1]. Недоліком порівнюваного способу дослідження експериментальних властивостей є недостовірність отриманих даних в результаті швидкої зміни температурного поля на поверхні та в середині зразка при його переміщенні у нормальні температурні умови роботи експериментального пристрою для вимірювання властивостей. Задачею корисної моделі є вдосконалення способу отримання значень експериментальних властивостей матеріалу при кріогенних температурах з мінімізацією зміни температурного поля досліджуваного зразка для використання пристрою дослідження властивостей матеріалів, який працює в нормальних умовах експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб експериментального вимірювання властивостей матеріалу при кріогенних температурах, який включає процес отримання теплоізоляційної оболонки на поверхні зразка, що отримується в результаті формування на поверхні досліджуваного зразка теплоізоляційного шару, згідно з корисною моделлю, температурне поле досліджуваного зразка не значно змінюється під час проведення експериментальних випробувань за рахунок теплоізоляційного покриття зразка та мінімізації теплообміну з навколишнім середовищем, що дозволяє для проведення випробування використовувати обладнання, яке застосовується у нормальних температурних умовах. Переваги запропонованого способу експериментального вимірювання властивостей матеріалу при кріогенних температурах полягають у тому, що запропонований спосіб дозволяє використовувати стандартне обладнання для дослідження властивостей матеріалу при нормальних температурних умовах, підвищувати точність отримання експериментальних даних за рахунок моделювання умов при яких необхідно отримати експериментальні дані, збільшення часу на отримання експериментальних даних при кріогенних температурах та здешевлення проведення експериментальних робіт. При швидкому перенесенні у випробувальний пристрій охолодженого зразка з нанесеним на його поверхню теплоізоляційним шаром, виконують стандартні випробування його властивостей. За рахунок теплоізоляції зразка від навколишнього середовища температурне поле зразка міняється незначно, що дозволяє провести вимірювання властивостей без впливу можливих фазових та структурних перетворень при мінімальній різниці температур випробування по відношенню до реальних кріогенних умов експлуатації матеріалу. На фіг. 1 показано схему запропонованого способу вимірювання для встановлення температури зразка для випробувань 1. Зразок огорнутий теплоізоляційним матеріалом 2 і до нього приєднана термопара 3 з вимірювальним пристроєм 4. Приклад конкретного використання. Досліджуються фізичні, електричні, механічні, технологічні та службові властивості зразків з таких матеріалів, як Сталь 40, чавун СЧ20, мідь марки М00 при кріогенних температурах (приблизно 88 К). Як теплоізоляційний матеріал поверхні зразка використовується пінополістирол (пінопласт або скловата). Стандартний зразок охолоджується разом з теплоізоляційним шаром у кріостаті або посудині Д'юара. Розглянемо модель передачі тепла для охолодженого циліндричного зразка. Для алюмінієвого стержня довжиною (l) 110 мм і 10 мм, охолодженого до температури 196 °C, досліджувалися зміни його температури від часу з моменту вилучення з посудини Д'юара. Залежність представлено на фіг. 2, а. У подальших експериментах досліджуваний зразок був додатково теплоізольований за допомогою пінопластового циліндра з стінкою товщиною 20 мм та розміщувався у посудині Д'юара. Аналогічно встановлена залежність температури нагріву зразка у часі для термоізольованого зразка (див. фіг. 2, б). В результаті теоретичного аналізу і експериментальних робіт отримано залежності, які описуються рівнянням (1). У випадку зразка без теплоізоляції температура зростала з -196 °C до -186 °C за 22 с (див. фіг. 2, а), а для зразка з додатковою теплоізоляцією зростання температури в тих же межах відбувається за 90 с. Таким чином, уповільнення часу нагріву досліджуваного зразка у цьому діапазоні температур більше ніж у 4 рази дозволяє: 1) з більшою точністю виконувати заміри властивостей охолодженого матеріалу при проведенні випробувань на обладнанні, які працює при кімнатних температурах; 2) покращувати достовірність отриманих результатів; 3) збільшувати час на проведення досліджень з охолодженим зразком. Зміна в часі температури циліндра (T) описується в циліндричній системі координат нестаціонарним рівнянням теплопровідності: 1 UA 88215 U T  1  T 1  2T  2T    R   t  R R R R 2 2 z 2    ,  Вм       де R - радіус зразка (м), k - коефіцієнт теплопровідності  м  С  , с - питома теплоємність  ДЖ     кг  С    ,  - густина 5 k  кг    3    cp  м  , - коефіцієнт температуропровідності. Процес моделюється розв'язком рівняння для нескінченно довгого циліндра і не залежить від кута напряму () : T 1   T   R  t R R  R  .   Частковим розв'язком рівняння для температури T в центрі стержня (R  0) буде, з врахуванням початкових умов: T(o)  Tn ; T()  Tк , де Т п -температура, охолодженого в кріостаті 10 зразка, Т к - кімнатна температура. В результаті отримуємо: Т(l)  (Tn  Tк )  е  Аt  Tк , (1) де А - константа, яка в основному залежить від теплофізичних властивостей середовища, k A~ cpR2 . що оточує зразок Для вихідних умов задачі алюмінієвий стержень довжиною l =110 мм і 10 мм при Т(n) = 15 196 °C, ТК = 20 °C: умови охолодження без теплоізолюючого покриття T  216  e210 3 t  20 , умови охолодження з теплоізолюючим покриттям T  216  e 0,510 20 25 30 35 40 45 3 t  20 . Отримані дані свідчать, що можна проводити вимірювання властивостей без впливу можливих фазових та структурних перетворень при мінімальній різниці температур випробування по відношенню до реальних кріогенних умов експлуатації матеріалу. Техніко-економічна ефективність корисної моделі. Використання способу експериментального вимірювання властивостей матеріалу при кріогенних температурах можна проводити без залучення вартісного кріогенного обладнання. Фактично встановлення експериментальних даних при дослідженні зразка виконується на стандартному обладнанні при кімнатних температурах. Крім цього підвищується точність отримання експериментальних даних за рахунок моделювання умов, при яких необхідно отримати експериментальні дані та збільшується час на отримання експериментальних даних при кріогенних температурах. Все це у цілому значно здешевлює проведення експериментальних робіт. Відсутності витрат на дороге кріогенне обладнання для випробувань та збільшення точності вимірювань дозволяє економити за самими попередніми оцінками 1,2 тис. грн. на одне вимірювання. Фактична економія на території України складе не менше 5,1 млн. грн. в рік. Корисна модель може бути використана для визначення точних експериментальних даних у галузі експериментальної фізики, машинобудуванні, космічній техніці та ін. галузях. Джерело інформації: 1. Жигуц Ю.Ю. Сплави, синтезовані металотермією і СВС-процесами [монографія] / Жигуц Ю.Ю. - Ужгород: Ґражда.-2008.-276 с - прототип. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб експериментального вимірювання властивостей матеріалу при кріогенних температурах, який включає процес отримання теплоізоляційної оболонки на поверхні зразка, що отримується в результаті формування на поверхні досліджуваного зразка теплоізоляційного шару, який відрізняється тим, що температурне поле досліджуваного зразка не значно змінюється під час проведення експериментальних випробувань за рахунок теплоізоляційного покриття зразка та мінімізації теплообміну з навколишнім середовищем, що дозволяє для проведення 2 UA 88215 U випробування використовувати обладнання, яке застосовується у нормальних температурних умовах. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3