УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДЕФОРМИРУЕМЫХ 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 деформируемых материалов, включающее корпус, с расположенными внутри него нагревателем, холодильником, между которыми расположен исследуемый плоский образец и датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, контактирующих с исследуемым образцом (см. В.А.Осипова. Экспериментальное исследование процессов теплообмена, Москва, изд. «Энергия», 1969 г., стр.41). Недостатком указанного устройства является низкая точность определения теплопроводности деформируемых материалов из-за недостаточной точности определения толщины исследуемого образца, величина которой входит в расчет коэффициента теплопроводности материала. Дело в том, что при прижатии холодильника к исследуемому образцу происходит его деформация и начинает меняться структура материала. Становится не ясным, теплопроводность какого материала определяется. Если холодильник не прижимать к образцу, в этом случае на границе между холодильником и нагревателем образуется воздушный зазор, который существенно снижает точность определения теплопроводности из-за высокого термического сопротивления этого зазора.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности определения теплопроводности деформируемых материалов.
Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для определения теплопроводности деформируемых материалов, включающем корпус с расположенным внутри него нагревателем, холодильником, между которыми расположен исследуемый плоский образец, датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, контактирующие с исследуемым образцом, на нагревателе перпендикулярно его торцевой поверхности закреплены ограничители, при этом высота ограничителей меньше толщины исследуемого образца. Ограничители могут быть выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из кварцевого стекла.
Введение в устройство ограничителей позволяет решить сразу две проблемы: исключить излишнею деформацию исследуемого образца и ликвидировать воздушные зазоры на границе между исследуемым образцом с одной стороны и холодильником и нагревателем с другой стороны. При создании нагрузки на холодильник последний прижимается к исследуемому образцу и начинает его слегка деформировать, исключая воздушные зазоры на плоских поверхностях исследуемого образца. После чего холодильник упирается в ограничители и не меняет структуры материала образца. Для исключения перетекания тепла от нагревателя к холодильнику ограничители надо выполнять из материала с низким коэффициентом теплопроводности. В качестве такого материала можно использовать кварцевое стекло. Кроме низкого коэффициента теплопроводности этот материал обладает еще одним хорошим свойством: практически нулевым коэффициентом линейного термического расширения. Это позволяет сохранить неизменными размеры ограничителей при их нагреве. Количество ограничителей не имеет существенного значения. Минимальное число ограничителей - три. При дальнейшем их увеличении возникают повышенные требования к точности их изготовления и установки.
На фигуре представлено заявляемое устройство со следующими обозначениями:
1 - корпус;
2 - электрический нагреватель;
3 - холодильник;
4 - нагреватель;
5 - датчики температуры и теплового потока;
6 - грузы;
7 - патрубки для подвода охлаждающей жидкости;
8 - ограничители.
Заявляемое устройство для определения теплопроводности деформируемых материалов включает корпус 1, выполненный из теплоизоляционного материала. Внутри корпуса 1 расположен нагреватель 2 и холодильник 3. Между ними размещен плоский исследуемый образец 4. Датчики измерения температуры и теплового потока 5 установлены на торцевых поверхностях нагревателя 2 и холодильника 3. На холодильнике размещены грузы 6, обеспечивающие усилие прижатия холодильника 3 к исследуемому образцу 4. Подача охлаждающей жидкости в холодильник 3 осуществляется через патрубки 7. На нагревателе 2 перпендикулярно его торцевой поверхности закреплены ограничители 8. Высота ограничителей 8 меньше толщины исследуемого образца 4 на величину
Устройство работает следующим образом. В корпус устройства устанавливаются электрический нагреватель 2 с ограничителями 8, исследуемый образец 4 и холодильник 3. Датчики температуры и теплового потока 5 уже входят в состав нагревателя 2 и холодильника 3. Затем на холодильник 3 начинают накладывать грузы 6 до тех пор, пока холодильник 3 не упрется в ограничители 8. Учитывая, что высота ограничителей 8 меньше толщины исследуемого образца 4, последний слегка деформируется и тем самым ликвидируются воздушные зазоры между исследуемым образцом 4 и холодильником 3, а также нагревателем 2. При этом структура материала исследуемого образца из-за незначительного зазора Δ не меняется. Затем на нагреватель 2 подается напряжение U для создания заданной температуры, а по патрубкам 7 в холодильник 3 подается охлаждающая жидкость. В процессе испытания замеряется температура на поверхности нагревателя 2 Тн и на поверхности холодильника 3 Тх, а также тепловой поток q, проходящий от нагревателя к холодильнику. 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;
н
x
(Т-Т) - перепад температуры по толщине исследуемого образца.
Введение в конструкцию устройства ограничителей позволяет существенно повысить точность определения теплопроводности деформируемых материалов: резин, пенопластов, волокнистых теплоизоляторов и ряда других.
Авторами была проведена экспериментальная проверка заявляемого технического решения, показавшая хорошие результаты. В результате достигается повышение точности определения теплопроводности теплоизоляционных материалов на 15-20%.