Установка для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для экспериментального определения тепловых характеристик материалов, входящих в состав транспортных упаковочных комплектов в качестве элементов теплоизоляции и амортизации. Сущность: установка содержит источник тепла, средства для замера температуры на горячей и холодной сторонах образца. При этом теплопроводность определяется на образцах цилиндрической формы с соотношением длины к внешнему диаметру не менее 6:1 с осевым каналом. Источник тепла связан с устройством регистрации развиваемой им мощности и размещен внутри осевого канала образца. На торцах образца установлены шайбы из теплоизоляционного материала с термическим сопротивлением не ниже термического сопротивления свода исследуемого цилиндрического образца. Технический результат: повышение достоверности результатов измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к созданию установок для экспериментального определения тепловых характеристик материалов, входящих в состав транспортных упаковочных комплектов в качестве элементов теплоизоляции и амортизации.

Известны установки для тепловых испытаний - это измеритель теплопроводности ИТЭМ-I, который предназначен для экспресс-измерений теплопроводности металлов, сплавов, полупроводников и теплоизоляторов. Диапазон измерения теплопроводности 0,2...80 Вт/(м·К).

Известен измеритель теплопроводности ИТЭМ-I M. Прибор предназначен для экспресс-измерений теплопроводности металлов, сплавов, полупроводников и теплоизоляторов. Диапазон измерения теплопроводности 0,1...100 Вт/(м·К).

Известен измеритель теплопроводности ИТ-20. Прибор предназначен для определения теплопроводности твердых изотропных материалов в стационарном тепловом режиме. Он рекомендуется для применения в промышленности при проведении теплофизических исследований в лабораторных и заводских условиях. Диапазон измерения теплопроводности 0.2...1,5 Вт/(м·К).

Известен прибор ИТС-2 для комплексного измерения теплофизических свойств. Он предназначен для комплексного измерения теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости твердых материалов (плотностью не менее 800 кг/м³), подлежащих механической обработке. Диапазон измерения теплопроводности 0,5...5,0 Вт/(м·К).

Недостатком этой группы приборов является то обстоятельство, что они предназначены для работы с материалами, обладающими достаточно высокой теплопроводностью.

Также известны приборы такие, как измерители теплопроводности ИТП-МГ4 «100», ИТП-МГ4 «250» и ИТП-МГ4 «Зонд», которые предназначены для определения теплопроводности строительных материалов, а также материалов, предназначенных для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов. Диапазон измерения теплопроводности 0,02...1,5 Вт/(м·К) (для ИТП-МГ4 «100», ИТП-МГ4 «250»); 0,03...1,0 Вт/(м·К) (для ИТП-МГ4 «Зонд»). Рабочий диапазон температур - от минус 10°С до плюс 40°С.

Недостатком этих приборов является невозможность определения теплофизических свойств теплоизоляционных материалов при высоких температурах.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемой установке является экспериментальная установка, описанная в ГОСТ 12170-85, отличающаяся тем, что она позволяют измерять теплопроводность огнеупоров с теплопроводностью от 0,13 до 15 Вт/(м·К) при стационарном одномерном температурном поле в плоском образце и при температуре на горячей стороне образца от 400 до 1350°С.

Ее недостатком является невозможность проведения испытаний теплоизоляционных материалов с теплопроводностью менее 0,1 Вт/(м·К).

Задачей изобретения является создание установки для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов при высоких температурах (при температуре на горячей стороне образца от 400 до 1350°С) с теплопроводностью менее 0,1 Вт/(м·К), обеспечивающего получение технического результата, состоящего в повышении достоверности результатов измерений.

Этот технический результат достигается тем, что теплопроводность определяется на образцах цилиндрической формы с осевым каналом, внутри которого находится источник тепла. Торцы образца заглушены шайбами из теплоизоляционного материала с термическим сопротивлением не ниже термического сопротивления свода исследуемого цилиндрического образца. Образец имеет соотношение длины к внешнему диаметру не менее 6:1. Шайбы, установленные на торцах цилиндрического образца, осевых каналов не имеют. Предлагаемая новая совокупность признаков (цилиндрическая форма образца, размещение источника тепла внутри осевого канала образца, установка шайб на торцах образца) позволит, во-первых, снизить неравномерность температурного поля внутри осевого канала до уровня не более 2...3% по отношению к значению температуры в средней части канала; во-вторых, уменьшить, по сравнению с прототипом, неучитываемые тепловые потери из зоны подвода тепла.

Исследование проводится путем определения перепада температуры на стенке цилиндрического образца в режиме стационарного теплообмена с окружающей средой при известной мощности теплового потока. Тепловой поток, направленный перпендикулярно к внутренней и наружной поверхностям цилиндрического образца, создается за счет источника тепла, помещенного внутри осевого канала образца.

Суть изобретения поясняется чертежами, где представлено схематическое развернутое изображение установки для исследования теплопроводности теплоизоляционных материалов в условиях высоких температур.

Установка содержит: 1 - медный футляр; 2 - цилиндрический образец; 3 - источник тепла; 4 - термопреобразователи хромель-алюмелевые; 5 - устройство регистрации развиваемой источником тепла мощности; 6 - шайбы; 7 - источник постоянного тока.

Работа установки происходит следующим образом.

После достижения на горячей стороне образца заданной температуры она поддерживается на достигнутом уровне до окончания испытания с нестабильностью не более ±3°С.

Распределение считается стационарным, если в течение 1 ч нестабильность температуры горячей и холодной сторон образца не превышает ±3°С. Затем через каждые 10-15 мин в течение 1 ч производятся следующие замеры - измерение температуры на внешней и внутренней сторонах образца с помощью термопреобразователей и устройства регистрации развиваемой источником тепла мощности, температура холодных спаев термопреобразователей определяется по термометру с ценой деления шкалы не более 0,1°С.

Измерения считаются законченными, если четыре последовательных измерения теплового потока с разбросом от среднего его значения - не более 4%.

После установления стационарного теплового состояния образца проводятся в течение 30 мин последовательно несколько измерений температуры устройством регистрации развиваемой источником тепла мощности. Тепловое состояние образца считается стационарным, если три последовательных измерениях температуры, проводимые через каждые 10 мин, дают отклонения не более 5% их среднего значения.

При стационарном тепловом состоянии количество тепла Q, передаваемое от внутренней поверхности цилиндрического образца к наружной на участке длиной l, определяется уравнением

где λ - теплопроводность, Вт/(м·К);

R₂ - внешний радиус цилиндрического образца, м;

R₁ - внутренний радиус цилиндрического образца, м;

t₂ - температура на наружной поверхности цилиндрического образца, К;

t₁ - температура на наружной поверхности цилиндрического образца, К.

Предлагаемая установка обеспечивает повышение достоверности результатов испытаний теплоизоляционных материалов с теплопроводностью менее 0,1 Вт/(м·К) вследствие регистрации входящего теплового потока на цилиндрическом образце при температуре на горячей стороне образца от 400 до 1350°С.

Установка для определения теплопроводности теплоизоляционных материалов, содержащая источник тепла, средства для замера температуры на горячей и холодной сторонах образца из исследуемого материала, отличающаяся тем, что теплопроводность определяется на образцах цилиндрической формы с соотношением длины к внешнему диаметру не менее 6:1 с осевым каналом, источник тепла связан с устройством регистрации развиваемой им мощности и размещен внутри осевого канала образца, на торцах которого установлены шайбы из теплоизоляционного материала с термическим сопротивлением не ниже термического сопротивления свода исследуемого цилиндрического образца.