УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОРОШКОВО-ВАКУУМНОЙ И ЭКРАННО-ВАКУУМНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЙ
INSTALLATION FOR STUDYING THERMAL CONDUCTIVITY OF POWDER-VACUUM AND SCREEN-VACUUM HEAT INSULATION

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.
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].
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.
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].
Ее недостатком является невозможность проведения испытаний
теплоизоляционных материалов с теплопроводностью менее 0,1 Вт/(м·К),
работающих в условиях вакуума.
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.
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.
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].
Ее недостатком является невозможность проведения испытаний теплоизоляционных материалов, работающих в условиях вакуума.
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] .
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
Работа установки происходит следующим образом.
-1
-6
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 10до 10мм 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.
После достижения на горячей стороне образца заданной температуры, она поддерживается на достигнутом уровне до окончания испытания с нестабильностью не более ±1°С.
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).
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.
2
Тепловой поток вычисляется по формуле: Q=IR,
где I - сила тока, проходящая через нагревательный элемент, А;
R - сопротивление нагревательного элемента источника тепла, Ом.
Для определения коэффициента теплопроводности в стационарных методах используют основное расчетное уравнение [7]:
эф
1
2
λ = Q/ [(t − t) K],
эф
где λ - эффективная теплопроводность, Вт/(м·К);
Q − тепловой поток, проходящий через слой исследуемого вещества, ограниченный двумя изотермическими поверхностями, Вт;
1
t- температура на внутренней поверхности образца, К;
2
t- температура на наружной поверхности образца, К;
K − коэффициент формы слоя исследуемого материала.
ш
Коэффициент формы для шарового слоев K выражается зависимостью:
ш
1
2
K= 2π/ ln (1 / d −1 / d),
2
1
где d и d − соответственно наружный и внутренний диаметры шарового слоя, м.
Окончательная формула для расчета коэффициента теплопроводности исследуемого материала имеет вид:
За результат измерения эффективной теплопроводности принимается среднее арифметическое результатов последних трех измерений при данной температуре, округленное до трех значащих цифр.
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).
Библиографический список
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.
Приборы неразрушающего контроля. Каталог специального конструкторского бюро СКБ Стройприбор, Челябинск, 2016. - 58 с. http://www.stroypribor.ru e-mail: info@stroypribor.ru.
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.
4.КАТАЛОГ: ЛАБОРАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Приборы для дорожных, строительных, предприятий и лабораторий, г.Тюмень, 7-labteh@mail.ru,  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.
6. Патент 2 356 038Российская 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.
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.