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 является 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, датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, контактирующих с исследуемым образцом, а также ограничитель, установленный на нагревателе перпендикулярно его торцевой поверхности (см. патент РФ на полезную модель №116641, МПК G01N 25/18, 2012 г.). Недостатком указанного устройства является низкая точность определения теплопроводности деформируемых материалов из-за утечек тепла через боковую поверхность образца.
Дело в том, что реальное распространение тепла в образце не одномерное, как это учитывается при расчете коэффициента теплопроводности, а двумерное. Часть тепла от нагревателя в виде потерь уходит через боковую поверхность образца. Для этого стараются сделать отношение диаметра образца к его толщине как можно больше. Однако при любом этом отношении тепловые потери будут иметь место. Чем больше эти потери, тем больше будет погрешность определения теплопроводности.
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, а также ограничитель, установленный на нагревателе перпендикулярно его торцевой поверхности, в нем ограничитель выполнен в виде цилиндрического полого кольца, внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру исследуемого образца. В предлагаемом устройстве ограничитель не только исключает излишнею деформацию исследуемого образца, но и значительно снижает утечки тепла через боковую поверхность образца, так как ограничитель имеет определенное термическое сопротивление. Чем меньше будет коэффициент теплопроводности материала ограничителя, тем меньше будут эти утечки. Кроме того, учитывая, что внутренний диаметр ограничителя равен внешнему диаметру исследуемого образца, последний при его нагружении не будет менять свои размеры в радиальном направлении, то есть структура образца не изменится, что очень важно для понимания: для какого материала мы определили теплопроводность.
На фигуре представлено заявляемое 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 охлаждающей жидкости;
8 - ограничитель.
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 закреплен ограничитель 8, выполненный в виде цилиндрического полого кольца, внутренний диаметр которого равен внешнему диаметру исследуемого образца. Высота ограничителя 8 меньше толщины исследуемого образца 4 на величину Δ.
Устройство работает следующим образом. В корпус устройства устанавливаются электрический нагреватель 2 с ограничителем 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 ограничитель 8. Учитывая, что высота ограничителя 8 чуть 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 и невозможности деформации в радиальном направлении 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;
(Тн-Tх) - перепад температуры по толщине исследуемого образца.
Введение в конструкцию устройства ограничителя в виде цилиндрического полого кольца за счет уменьшения утечек тепла через боковую поверхность исследуемого образца позволяет существенно повысить точность определения теплопроводности деформируемых материалов: резин, пенопластов, волокнистых теплоизоляторов и ряда других. За счет равенства наружного диаметра образца и внутреннего диаметра ограничителя структура исследуемого материала не меняется и полученное значение теплопроводности относится именно к исходному материалу. Ограничитель для выполнения своей функции с одной стороны должен быть изготовлен из достаточно твердого материала, а с другой стороны этот материал должен обладать высоким термическим сопротивлением. К таким материалам относятся, например, термореактивные пластики.
Авторами была проведена экспериментальная проверка заявляемого технического решения, показавшая хорошие результаты. В результате достигается повышение точности определения теплопроводности теплоизоляционных материалов на 6-8%.