Способ определения теплопроводности материалов

Использование: изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности материалов, преимущественно, теплоизоляционных. Сущность: исследуемый плоский образец известной толщины через источник теплоты заданной удельной мощности приводят в тепловой контакт по плоскости с плоским эталонным образцом, имеющим меньшее термическое сопротивление, чем исследуемый, и предварительно установленный в нем дополнительный источник теплоты. Внешние плоскости исследуемого и эталонного образцов с теплоизолированными боковыми поверхностями термостатируют при заданной температуре и измеряют температуру в плоскости контакта. Вместо исследуемого образца устанавливают дополнительный эталонный образец, идентичный основному, определяют эффективное термическое сопротивление эталонных образцов в зависимости от удельной мощности дополнительных источников теплоты в тех же температурных условиях, при которых требуется определить теплопроводность исследуемого образца. Затем вновь устанавливают исследуемый образец и подбирают такую удельную мощность дополнительного источника теплоты, при которой эффективное термическое сопротивление эталонного образца в пределах погрешности совпадает с термическим сопротивлением исследуемого образца, и определяют его теплопроводность. Результат: обеспечивается возможность регулирования термического сопротивления эталонного образца таким образом, чтобы определение теплопроводности осуществлялось при равенстве эффективного термического сопротивления эталонного образца и термического сопротивления исследуемого образца, что позволяет повысить точность определения теплопроводности материалов, особенно теплоизоляционных. 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения теплопроводности материалов, преимущественно теплоизоляционных.

Известен способ комплексного определения теплофизических свойств материалов, в частности теплопроводности (SU 2018117 С1, кл. G 01 N 25/18, 15.08.94), заключающийся в том, что исследуемый плоский образец известной толщины приводят в тепловой контакт по плоскости с плоским эталонным образцом, предварительно снабженным внутренним источником теплоты, расположенным на известном расстоянии параллельно плоскости контакта. Затем термостатируют при заданной температуре внешние плоскости исследуемого и эталонного образцов с теплоизолированными боковыми поверхностями и измеряют удельную мощность источника теплоты и температуру эталонного образца в заданном сечении. Измеряют температуру эталонного образца в плоскости подвода теплоты с переменным шагом во времени так, что значение момента времени измерения температуры на новом шаге определяют как произведение положительного постоянного коэффициента строго больше единицы на значение момента времени измерения температуры на предыдущем шаге. На каждом шаге контролируют величину динамического параметра, представляющего собой отношение температуры эталонного образца на шаге измерения, номер которого на постоянное целое число меньше номера последнего шага измерения, к температуре эталонного образца на последнем шаге измерения. Сравнивают величину динамического параметра с заданным максимальным значением из диапазона 0,55-0,84, заканчивают испытания при превышении заданным максимальным значением динамического параметра и определяют теплофизические свойства.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится необходимость измерения изменяющейся температуры в заданные моменты времени и определения отношения измерений, полученных в различные моменты времени. Определение теплопроводности с использованием измерений температуры в динамическом режиме характеризуется существенно большей погрешностью, чем при проведении измерений в стационарных условиях.

Известен способ определения теплопроводности материалов (ГОСТ 7076-99), согласно которому два плоских исследуемых образца известной толщины с теплоизолированными боковыми поверхностями приводят в тепловой контакт по общей плоскости через источник теплоты заданной удельной мощности, термостатируют при заданной температуре их внешние плоскости, измеряют температуру в плоскости контакта и определяют теплопроводность исследуемых образцов.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится то, что оно не дает возможности определить теплопроводность каждого из исследуемых образцов, а позволяет судить лишь о среднем значении теплопроводности обоих образцов.

Известен также способ определения теплопроводности материалов (см. Н.А.Соколов. Воспроизводимость результатов измерений термического сопротивления ограждающих конструкций в различных испытательных центрах // Светопрозрачные конструкции №5, 2004 г. С.18-20), который по совокупности признаков, является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.

Согласно этому способу исследуемый плоский образец известной толщины через источник теплоты заданной удельной мощности приводят в тепловой контакт по плоскости с плоским эталонным образцом, термостатируют при заданной температуре внешние плоскости исследуемого и эталонного образцов с теплоизолированными боковыми поверхностями, измеряют температуру в плоскости контакта и определяют теплопроводность исследуемого образца.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится недопустимо большое увеличение погрешности, возникающее при неравенстве термических сопротивлений эталонного и исследуемого образцов

где R_э - термическое сопротивление эталонного образца;

R - термическое сопротивление исследуемого образца;

q_э - удельный тепловой поток, протекающий через эталонный образец;

ΔТ - разность температур на образцах;

Q - удельный тепловой поток, генерируемый источником теплоты для создания на образцах разности температур ΔТ.

Эта погрешность обусловлена различием удельных тепловых потоков q_э и Q-q_э, протекающих через эти образцы.

Теплопроводность исследуемого образца с термическим сопротивлением R и толщиной h определяется как λ=h/R. Уравнение измерения получим, используя выражения (1) и (2):

где q_э может быть определено из выражения (1) по известному значению R_э и измеренному ΔТ. В этом случае формула (3) примет вид:

На основе уравнения измерения (3) получим уравнение погрешности

где Δλ/λ - относительная погрешность измерения теплопроводности;

Δh/h - относительная погрешность измерения толщины исследуемого образца;

ΔR_э/R_э - относительная погрешность измерения термического сопротивления эталонного образца;

Δ(Q-q_э)/(Q-q_э) - относительная погрешность измерения плотности теплового потока, проходящего через исследуемый образец;

Δq_э/q_э - относительная погрешность измерения плотности теплового потока, проходящего через эталонный образец.

Абсолютное значение погрешности измерения плотности теплового потока определяется только предельньми метрологическими характеристиками используемой аппаратуры, поэтому следует считать, что Δ(Q-q_э)=Δq_э=Δq. Тогда формулу (5) можно записать в виде:

Коэффициент влияния в последнем слагаемом формулы (6) имеет минимальное значение при

То есть выполнение условия (7) позволяет обеспечить наивысшую точность измерения теплопроводности описываемым способом. При измерении теплопроводности эффективных теплоизоляторов порядка 0,03 Вт/(м·К) при температуре 20°С и использовании эталонного образца с минимальной теплопроводностью 0,2 Вт/(м·К) из органического стекла тех же геометрических размеров (ГОСТ 8.140-82) получим q_э=0,15·Q, что приводит почти к двукратному увеличению влияния погрешности Δq в формуле (6).

Для этого класса материалов выполнения условия (7) особенно проблематично. В каталоге эталонных материалов (ГСИ. Эталонные материалы. Каталог 2004-2005. МИ 2590-2004.000 "ИК "Синтез" 81 с.) в качестве эталонной меры с минимальной теплопроводностью предлагается использовать органическое стекло с теплопроводностью порядка 0,2 Вт/(м·К) при температуре 20°С. Исследование новых материалов с целью изучения их применимости в качестве эталонных мер требует многолетних испытаний воспроизводимости их теплофизических характеристик. В частности, при исследовании различных теплоизоляционных материалов в рамках темы "Создание государственного эталона единицы теплопроводности твердых тел нового поколения в диапазоне от 0,03 до 20 Вт/(м·К)" установлено, что они практически непригодны для использования в качестве эталонных мер вследствие существенной зависимости их теплопроводности от влажности, быстрого старения, недостаточной устойчивости к механическим нагрузкам.

Погрешность эталонных мер теплопроводности, созданных из таких материалов, ограничивается двумя - тремя процентами. Эта составляющая погрешности (ΔR_э/R_э) во многих случаях оказывается доминирующей в уравнении (6).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится отсутствие эталонных образцов с таким же большим термическим сопротивлением, как и у исследуемых, что существенно снижает точность определения теплопроводности материалов, особенно теплоизоляционных.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности определения теплопроводности материалов.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в том, что обеспечивается возможность регулирования термического сопротивления эталонного образца таким образом, чтобы определение теплопроводности осуществлялось при равенстве эффективного термического сопротивления эталонного образца и термического сопротивления исследуемого образца.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в заявляемом способе измерения теплопроводности материалов исследуемый плоский образец известной толщины через источник теплоты заданной удельной мощности приводят в тепловой контакт по плоскости с плоским эталонным образцом с меньшим термическим сопротивлением, чем у исследуемого, термостатируют при заданной температуре внешние плоскости исследуемого и эталонного образцов с теплоизолированными боковыми поверхностями и измеряют температуру в плоскости контакта, в отличие от известного способа, предварительно устанавливают в эталонный образец дополнительный источник теплоты параллельно плоскости контакта с основным источником теплоты, вместо исследуемого образца устанавливают дополнительный эталонный образец, идентичный основному, определяют эффективное термическое сопротивление эталонных образцов в зависимости от удельной мощности дополнительных источников теплоты в тех же температурных условиях, при которых требуется определить теплопроводность исследуемого образца, затем устанавливают исследуемый образец, подбирают такую удельную мощность дополнительного источника теплоты, при которой эффективное термическое сопротивление эталонного образца в пределах погрешности совпадает с термическим сопротивлением исследуемого образца, и определяют его теплопроводность.

На чертеже показана схема реализации заявляемого способа.

В устройстве для реализации заявляемого способа используют плоские исследуемый образец 1 и двухслойный эталонный образец 2 с меньшим, чем у исследуемого, термическим сопротивлением. Между ними помещен плоский источник теплоты 3. Образцы 1 и 2 приведены в тепловой контакт через источник теплоты 3. Эталонный образец 2 снабжен дополнительным источником теплоты 4, расположенным параллельно плоскости теплового контакта. Внешние поверхности образцов приведены в тепловой контакт со стоками теплоты 5, имеющими постоянную заданную температуру. Система из исследуемого 1 и эталонного 2 образцов окружена адиабатической оболочкой 6, исключающей теплообмен с внешней средой.

Заявляемый способ реализуется следующим образом.

Исследуемый плоский образец 1 известной толщины h через плоский источник теплоты 3 заданной удельной мощности Q приводят в тепловой контакт по плоскости с плоским эталонным образцом 2. Термостатируют при заданной температуре внешние плоскости исследуемого и эталонного образцов посредством стоков теплоты 5. Помещают систему из исследуемого 1 и эталонного 2 образцов в адиабатическую оболочку 6, исключающую теплообмен с внешней средой.

Предварительно устанавливают в эталонный образец 2 дополнительный источник теплоты 4 удельной мощностью q_д, расположенный параллельно плоскости контакта, затем вместо исследуемого образца 1 устанавливают дополнительный эталонный образец, идентичный основному эталонному образцу 2, и измеряют температуру в плоскости источника теплоты 3.

Задавая различные значения удельной мощности дополнительных источников теплоты q_д, в тех же температурных условиях, при которых требуется определить теплопроводность исследуемого образца, определяют эффективное термическое сопротивление эталонных образцов R_э(q_д) в зависимости от удельной мощности дополнительных источников теплоты по формуле:

Затем возвращают исследуемый образец на прежнее место и при определении его теплопроводности устанавливают такую удельную мощность дополнительного источника теплоты q_до, чтобы термическое сопротивление исследуемого образца, определяемое по формуле

в пределах погрешности совпадало с эффективным термическим сопротивлением эталонного образца R_э(q_до):

Формулу для определения теплопроводности исследуемого образца согласно заявляемому способу получают из уравнения (4), где термическое сопротивление эталонного образца R_э заменено на его эффективное значение R_э(q_до):

Применение заявляемого изобретения позволит повысить точность измерения теплопроводности теплоизоляционных материалов до уровня, соответствующего точности измерения теплопроводности такого, например, хорошо изученного материала, как органическое стекло, и снизить погрешность измерения теплопроводности теплоизоляторов с 3 до 0,5%.

Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.

Способ определения теплопроводности материалов, заключающийся в том, что исследуемый плоский образец известной толщины через источник теплоты заданной удельной мощности приводят в тепловой контакт по плоскости с плоским эталонным образцом с меньшим термическим сопротивлением, чем у исследуемого, термостатируют при заданной температуре внешние плоскости исследуемого и эталонного образцов с теплоизолированными боковыми поверхностями и измеряют температуру в плоскости контакта, отличающийся тем, что предварительно устанавливают в эталонный образец дополнительный источник теплоты параллельно плоскости теплового контакта с основным источником теплоты, вместо исследуемого образца устанавливают дополнительный эталонный образец, идентичный основному, определяют эффективное термическое сопротивление эталонных образцов в зависимости от удельной мощности дополнительных источников теплоты в тех же температурных условиях, при которых требуется определить теплопроводность исследуемого образца, затем устанавливают исследуемый образец, подбирают такую удельную мощность дополнительного источника теплоты, при которой эффективное термическое сопротивление эталонного образца в пределах погрешности совпадает с термическим сопротивлением исследуемого образца, и определяют его теплопроводность.