УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 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 разогрева образца и измерители температуры (см. В.А.Осипова. Экспериментальное исследование процессов теплообмена, Москва, изд. «Энергия», 1969 г., стр.194). Недостатком данного устройства сложность определения искомой характеристики (теплопроводности) из-за нестационарного метода.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для определения теплопроводности материалов, включающее корпус, исследуемый образец, нагреватель, расположенный на одной из плоских поверхностей образца и измерители температуры, установленные на нагревателе и противоположной от нагревателя поверхности образца (см. В.А.Осипова. Экспериментальное исследование процессов теплообмена, Москва, изд. «Энергия», 1969 г., стр.38).
Недостатком указанного устройства является низкая точность определения теплопроводности из-за недостаточного обеспечения контакта между образцом и измерителями температуры. Дело в том, что измерители температуры устанавливаются в прижимающихся к образцу элементах. Между элементами и образцом всегда существует воздушный зазор, так как идеально прижать образец к элементам не удается, особенно если образец выполнен из теплоизоляционного материала, имеющего шероховатые поверхности. Чем больше этот зазор, тем больше погрешность определения теплопроводности.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности определения теплопроводности теплоизоляционных материалов.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения теплопроводности теплоизоляционных материалов, включающем корпус, цилиндрический исследуемый образец, нагреватель, расположенный на одной из плоских поверхностей образца и измерители температуры, установленные на нагревателе и противоположной от нагревателя поверхности образца, корпус выполнен из материала с отрицательным коэффициентом линейного термического расширения. В качестве такого материала может быть использован материал на основе органического волокна полифенилентерафталамида и эпоксидного связующего. Выполнение корпуса из материала с отрицательным коэффициентом линейного термического расширения позволяет в процессе нагрева образца уменьшить воздушные зазоры на поверхности исследуемого образца. Отрицательный коэффициент линейного термического расширения материала при его нагреве приводит не к увеличению линейных размеров этого материала, а к уменьшению, то есть при нагреве материал начинает сжиматься. Сжатие материала, из которого изготовлен корпус, приводит к тому, что по мере уменьшения высоты корпуса Н увеличивается давление на все элементы, находящиеся внутри корпуса, и между исследуемым образцом и другими элементами уменьшаются воздушные зазоры, что в свою очередь приводит к повышению точности определения теплопроводности. Следует отметить, что уменьшение воздушных зазоров происходит в автоматическом режиме: чем выше температура, тем сильнее происходит нагрев, тем сильнее прижимаются элементы к образцу. Это особенно важно именно для теплоизоляционных материалов, так как с ростом температуры теплопроводность этих материалов увеличивается и погрешность определения теплопроводности возрастает. При постоянном уменьшении зазора погрешность возрастать не будет. В качестве материала с отрицательным коэффициентом линейного термического расширения предлагается использовать композиционный материал на основе органического волокна полифенилентерафталамида и эпоксидного связующего. Этот материал хорошо работает в диапазоне температур от 0 до +250 градусов Цельсия. В процессе нагрева материала он начинает равномерно сжиматься, обеспечивая равномерное сжатие корпуса устройства по мере его нагрева.
На фигуре представлено заявляемое устройство со следующими обозначениями:
1 - верхняя часть корпуса;
2 - нижняя часть корпуса;
3 - исследуемый цилиндрический образец;
4 - нагреватель;
5 - измерители температуры;
6 - верхний компенсационный элемент;
7 - нижний компенсационный элемент.
Заявляемое устройство для определения теплопроводности теплоизоляционных материалов включает корпус, состоящий из верхней части 1 и нижней части 2, скрепленных между собой, исследуемый цилиндрический образец 3, расположенный между электрическим нагревателем 4 и верхним компенсационным элементом 6. Измерение температуры на поверхностях исследуемого образца осуществляется при помощи измерителей температуры 5, например, термопар или термометров сопротивления, один из которых заделан в поверхность нагревателя 4, а другой - в поверхность верхнего компенсационного элемента 6. Верхний компенсационный элемент 6 и нижний компенсационный элемент 7 служат для обеспечения безвоздушного по высоте заполнения корпуса при различных толщинах исследуемого образца.
Устройство работает следующим образом. В корпус устройства устанавливаются последовательно следующие части: нижний компенсационный элемент 7, нагреватель 4, исследуемый образец 3 и верхний компенсационный элемент 6. Затем верхняя часть корпуса 1 и нижняя часть корпуса 2 скрепляются друг с другом. По мере увеличения напряжения U на нагревателе увеличивается его температура и происходит нагрев исследуемого образца. Одновременно происходит прогрев корпуса устройства и уменьшение его высоты Н. Это ведет с сжатию всех элементов устройства, находящихся внутри корпуса и как следствие, к уменьшению зазоров между исследуемым образцом 3 и верхним компенсационным элементом и нагревателем 4, что ведет к повышению точности определения теплопроводности теплоизоляционных материалов. Сама величина теплопроводности после установления стационарного режима нагрева определяется по формуле:
где: λ - теплопроводность исследуемого образца;
δ - толщина исследуемого образца;
q - тепловой поток от нагревателя;
ΔT - перепад температуры по толщине исследуемого образца.
Изготовление корпуса из композиционного материала на основе органического волокна полифенилентерафталамида и эпоксидного связующего может быть осуществлено путем механической обработки заготовки этого материала соответствующей толщины, равной величине Н/2.
Авторами была проведена экспериментальная проверка заявляемого технического решения, показавшая хорошие результаты. В результате достигается повышение точности определения теплопроводности теплоизоляционных материалов на 10-15%.