УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области теплофизических исследований и может быть использована для определения теплопроводности теплоизоляционных материалов.
Известно устройство для определения теплопроводности материалов, включающее исследуемый образец, нагреватель для нагрева образца и измерители температуры (см. В.А. Осипова. Экспериментальное исследование процессов теплообмена, Москва, изд. «Энергия», 1969 г., стр. 194). Недостатком известного устройства является сложность определения теплопроводности из-за нестационарного метода исследования.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения теплопроводности деформируемых теплоизоляционных материалов, включающее корпус с расположенным внутри него нагревателем и холодильником, между которыми размещен исследуемый плоский образец, датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, а также установленный на нагревателе ограничитель, выполненный в виде жесткого контейнера с размещенным внутри него исследуемым деформируемым материалом и установленный на периферии вокруг исследуемого образца (см. патент РФ на полезную модель №141298, G01N 25/18, 2014 г.). Недостатком указанного устройства является ограниченные его функциональные возможности, что снижает достоверность определяемых значений теплопроводности деформируемых теплоизоляционных материалов. Дело в том, что определяемые значения теплопроводности относятся к конкретным условиям влажности окружающей среды. При изменении влажности воздуха значения теплопроводности также будут меняться. Все деформируемые теплоизоляционные материалы являются гигроскопичными, то есть это материалы, которые хорошо впитывают влагу из воздуха. Поэтому величина теплопроводности таких материалов при относительной влажности среды 30% и 90% может отличаться на (20-25)%. Кроме того, при попадании жидкости в сам материал, который обусловлен нештатными ситуациями, происходит значительное увеличение его теплопроводности, так как теплопроводность любой жидкости на порядок выше теплопроводности исследуемого деформируемого теплоизоляционного материала. Поэтому и в этом случае получаются недостоверные значения теплопроводности исследуемого материала.
Цель настоящей полезной модели - повышение достоверности определения теплопроводности деформируемых теплоизоляционных материалов за счет расширения функциональных возможностей устройства.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения теплопроводности деформируемых материалов, включающем корпус с расположенным внутри него нагревателем и холодильником, между которыми размещен исследуемый плоский образец, датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, а также установленный на нагревателе ограничитель, выполненный в виде жесткого контейнера с размещенным внутри него исследуемым деформируемым материалом, установленным на периферии вокруг исследуемого образца, в нем между исследуемым образцом и холодильником размещена плоская емкость, внутренняя полость которой гидравлически соединена с резервуаром для хранения и подачи жидкости, а стенка емкости, прилегающая к исследуемому образцу, выполнена с гидравлическими каналами. Плоская емкость изготовлена из материала с высокой теплопроводность, например, из меди. При этом жесткий контейнер выполнен из непроницаемого для жидкости материала, а резервуар для хранения и подачи жидкости может быть дополнительно гидравлически соединен с внутренним объемом корпуса устройства.
Введение в конструкцию предлагаемого устройства резервуара для хранения и подачи жидкости позволяет проводить определение теплопроводности исследуемых материалов, как при различной влажности окружающей среды, так и в случаях нештатного попадания жидкости в сам материал. Для этого жидкость из резервуара подается в емкость, расположенную между исследуемым образцом и холодильником, а из нее через гидравлические каналы эта жидкость попадает в сам исследуемый материал. В этом случае появляется возможность определять теплопроводность деформируемых теплоизоляционных материалов при нештатных ситуациях. При достаточно длительной выдержке жидкость из исследуемого материала начинает испаряться во внутренний объем корпуса устройства и появляется возможность определения теплопроводности исследуемого материала при различной относительной влажности окружающей среды. Для ускорения испарения жидкости резервуар для хранения и подачи жидкости дополнительно гидравлически соединен с внутренним объемом корпуса устройства. В этом случае испарение жидкости происходит не из самого исследуемого материала, а непосредственно во внутреннем объеме корпуса устройства, что позволяет сократить время на подготовку к проведению экспериментов. Плоская емкость, через которую в образец поступает жидкость, должна быть выполнена из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди. В этом случае достигается равномерное распределение температуры по поверхности образца, а сама емкость будет обладать минимальным термическим сопротивлением тепловому потоку, проходящего от нагревателя к холодильнику. Для исключения вытекания жидкости из исследуемого образца в процессе проведения эксперимента, корпус контейнера, установленного на периферии вокруг исследуемого образца, должен быть выполнен из непроницаемого для жидкости материала.
На фигуре схематично представлено предлагаемое устройство со следующими обозначениями:
1 - корпус;
2 - электрический нагреватель;
3 - холодильник;
4 - исследуемый образец;
5 - датчики температуры и теплового потока;
6 - грузы;
7 - патрубки для подвода и отвода охлаждающей жидкости;
8 - ограничитель;
9 - материал-заполнитель ограничителя (исследуемый материал);
10 - плоская емкость;
11 - гидравлические каналы;
12 - резервуар для хранения и подачи жидкости;
13 - трубопроводы;
14, 15 - краны.
Заявляемое устройство для определения теплопроводности деформируемых теплоизоляционных материалов включает корпус 1, выполненный из низкотеплопроводного материала. Внутри корпуса 1 расположен нагреватель 2 и холодильник 3. Между ними размещен исследуемый плоский образец 4. Датчики измерения температуры и теплового потока установлены на торцевых поверхностях нагревателя 2 и холодильника 3. На холодильнике 3 находятся грузы 6, обеспечивающие усилие прижатия образца к нагревателю и холодильнику для исключения на границе образца воздушных зазоров. Подача и отвод охлаждающей жидкости в холодильник 3 осуществляется через патрубки 7. На нагревателе 2 установлен ограничитель 8, выполненный в виде жесткого контейнера с размещенным внутри него исследуемым деформируемым материалом 9. Ограничитель 8 установлен на периферии исследуемого образца 4 вокруг него. Между исследуемым образцом 4 и холодильником 3 размещена плоская емкость 10, внутренняя полость которой гидравлически соединена трубопроводом 13 с резервуаром 12 для хранения и подачи жидкости, который в свою очередь дополнительно гидравлически соединен с внутренним объемом корпуса 1 устройства. Стенка плоской емкости 10, прилегающая к исследуемому образцу, выполнена с гидравлическими каналами 11. Краны 14 и 15 перераспределяют подачу жидкости в исследуемый образец или во внутреннюю полость корпуса 1 устройства.
Устройство работает следующим образом. В корпус 1 устройства устанавливается электрический нагреватель 2 с ограничителем 8, заполненным исследуемым материалом, исследуемый образец 4 и холодильник 3. Датчики 5 уже входят в состав нагревателя 2 и холодильника 3. Затем на холодильник начинают накладывать грузы 6 до тех пор, пока емкость 10 не упрется в ограничитель 8. Учитывая, что высота ограничителя-контейнера 8 меньше толщины образца 4, последний слегка деформируется и тем самым ликвидирует воздушные зазоры на торцевых поверхностях этого образца. При этом структура материала исследуемого образца из-за незначительного зазора не меняется. Затем на нагреватель 2 подается напряжение U для создания заданного теплового потока через образец 4, а по патрубкам 7 в холодильник 3 подается охлаждающая жидкость, обеспечивающая создания перепада по толщине образца. В процессе испытаний замеряется температура на поверхности нагревателя Tн и на поверхности холодильника Tх, а также тепловой поток Q, проходящий от нагревателя к холодильнику. Величина теплопроводности R после установления стационарного режима нагрева определяется по формуле:
R=Q×H/(Tн-Tх)
где: R - теплопроводность исследуемого образца;
H - толщина исследуемого образца;
Q - тепловой поток от нагревателя;
(Tн-Tх) - перепад температуры по толщине исследуемого образца.
Для определения теплопроводности при нештатном попадании жидкости в исследуемый образец открывается кран 14 и жидкость в необходимом количестве по трубопроводу 13 попадает в плоскую емкость 10 и далее через гидравлические каналы 11 равномерно в исследуемый материал, после чего осуществляется эксперимент по определению его теплопроводности. Для определения теплопроводности исследуемого материала при различной влажности окружающей среды также открывается кран 14 и дозированное количество жидкости, обеспечивающей требуемую влажность во внутреннем объеме корпуса 1 устройства, подается снова в исследуемый образец через плоскую емкость. Далее происходит временная выдержка, обеспечивающая испарение жидкости из образца во внутреннюю полость корпуса 1, после чего осуществляется эксперимент по определению теплопроводности. Учитывая, что временная выдержка может составлять от десятков часов до нескольких суток, жидкость из резервуара 12 для подачи и хранения жидкости, открытием крана 15 подается непосредственно во внутреннюю полость корпуса 1, где происходит ее испарение. Для ускорения этого испарения на дне корпуса 1 может быть размещен дополнительный нагреватель (на фигуре не показан).
Использование предлагаемого устройства позволяет повысить достоверность определения теплопроводности деформируемых теплоизоляционных материалов, которая в значительной мере зависит от влажности окружающей среды за счет расширения функциональных возможностей устройства. Кроме того, это устройство позволяет определять теплопроводность таких материалов и при нештатной ситуации, когда жидкость просачивается в материал и существенно повышает его теплопроводность.