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 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 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, контактирующих с исследуемым образцом, а также установленный на нагревателе ограничитель, высота которого меньше толщины исследуемого образца (см. патент РФ на полезную модель №116641, G01N 25/18, 2012 г.). Недостатком указанного устройства является повышенная погрешность определения теплопроводности деформируемых материалов. Дело в том, что при прохождении теплового потока через исследуемый образец часть тепла теряется через его боковую поверхность. Чем больше толщина образца, тем больше боковые потери и тем ниже точность определения теплопроводности. Для твердых недеформируемых материалов эта проблема решается просто: для исследования берут тонкие образцы, у которых площадь боковой поверхности на порядки меньше площади торцевых поверхностей. Для деформируемых материалов с их неоднородной структурой изготовить тонкий образец возможно и в этом случае теплопроводность разных тонких образцов будет существенно отличаться друг от друга.
Цель настоящей полезной модели - 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 и холодильником, между которыми размещен исследуемый плоский образец, датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, контактирующих с исследуемым образцом, а также установленный на нагревателе ограничитель, высота которого меньше толщины исследуемого образца, в нем ограничитель выполнен в виде жесткого контейнера с размещенным внутри него исследуемым деформируемым материалом, установленным на периферии вокруг исследуемого образца. Жесткий контейнер выполнен из материала с низким коэффициентом теплопроводности. Как и в известном техническом решении, ограничитель решает две задачи: исключает излишнюю деформацию исследуемого образца и ликвидирует воздушные зазоры на границе между исследуемым образцом и холодильником, а также между образцом и нагревателем. Однако в предлагаемом решении ограничитель в форме контейнера, заполненного исследуемым материалом, существенно снижает потери тепла через боковую поверхность образца, а в отдельных случаях и полностью исключает эти потери. По существу такой ограничитель как бы увеличивает продольный размер исследуемого образца и проходящий через центральную часть тепловой поток не расходуется на потери через боковую поверхность образца. Ограничитель в форме контейнера может быть выполнен как круглым (в виде пустотелой «баранки») при цилиндрическом образце, так и прямоугольным при квадратном образце. Заполнение ограничителя исследуемым деформируемым материалом может осуществляться через одну из сторон контейнера, которая будет выполнять роль крышки. Желательно чтобы сам контейнер был выполнен из материала с низкой теплопроводностью, так как при высокой теплопроводности материала контейнера пойдут дополнительные перетекания тепла от нагревателя к холодильнику через боковые его стенки.
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).
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 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. Его высота меньше толщины образца на величину. Ограничитель 8 установлен на периферии исследуемого образца 4 вокруг него.
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 холодильник 3 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. Введение в конструкцию устройства ограничителя-контейнера позволяет существенно снизить потери тепа с боковой поверхности образца и тем самым повысить точность определения теплопроводности исследуемым деформируемых материалов.