Для измерения теплопроводности в прошлом использовалось очень много методов . В настоящее время некоторые из них устарели, однако их теория и сейчас представляет интерес, так как они базируются на решениях уравнений теплопроводности для простых систем, которые часто встречаются в практике.
Прежде всего следует отметить, что термические свойства любого материала проявляются в разнообразных сочетаниях; однако если рассматривать их как характеристики материала, то их можно определить из различных экспериментов. Перечислим основные термические характеристики тел и эксперименты, из которых они определяются: а) коэффициент теплопроводности измеряемый при стационарном режиме эксперимента; б) теплоемкость, отнесенная к единице объема, которую измеряют калориметрическими методами; в) величина измеряемая при периодическом стационарном режиме экспериментов; г) температуропроводность х, измеряемая при нестационарном режиме экспериментов. В действительности большинство экспериментов, проводящихся в нестационарном режиме, в принципе, допускает как определение так и определение
Мы кратко опишем здесь наиболее распространенные методы и укажем разделы, в которых они рассматриваются. По существу эти методы делятся на те, в которых измерения ведутся в стационарном режиме (методы стационарного режима), при периодическом нагреве и в нестационарном режиме (методы нестационарного режима); далее они подразделяются на методы, применяемые при исследовании плохих проводников и при исследовании металлов.
1. Методы стационарного режима; плохие проводники. В данном методе следует точно выполнять условия основного эксперимента, изложенного в § 1 настоящей главы, причем исследуемый материал должен иметь форму пластинки . В других вариантах метода можно исследовать материал в виде полого цилиндра (см. § 2 гл. VII) или полой сферы (см. § 2 гл. IX). Иногда исследуемый материал, по которому проходит тепло, имеет форму толстого стержня, однако в данном случае теория оказывается более сложной (см. §§ 1, 2 гл. VI и § 3 гл. VIII).
2. Термические методы стационарного режима; металлы. В этом случае обычно используется металлический образец в форме стержня, концы которого поддерживают при различных температурах. Полуограниченный стержень рассматривается в § 3 гл. IV, а стержень конечной длины - в § 5 гл. IV.
3. Электрические методы стационарного режима, металлы. В этом случае металлический образец в виде проволоки нагревают, пропуская через него электрический ток, а его концы поддерживают при заданных температурах (см. § 11 гл. IV и пример IX § 3 гл. VIII). Можно использовать также случай радиального потока тепла в проволоке, нагреваемой электрическим током (см. пример V § 2 гл. VII).
4. Методы стационарного режима движущиеся жидкости. В этом случае измеряется температура жидкости, движущейся между двумя резервуарами, в которых поддерживается различная температура (см. § 9, гл. IV).
5. Методы периодического нагрева. В этих случаях условия на концах стержня или пластинки изменяются с периодом по достижении установившегося состояния измеряют температуры в определенных точках образца. Случай полуограниченного стержня рассматривается в § 4 гл. IV, а стержня конечной длины - в § 8 той же главы. Подобный метод используется для определения температуропроводности грунта при температурных колебаниях, вызываемых солнечным нагревом (см, § 12 гл. II).
В последнее время эти методы стали играть важную роль в измерениях низких температур; они обладают также тем преимуществом, что в теории относительно сложных систем можно пользоваться методами, разработанными для исследования электрических волноводов (см. § 6 гл. И).
6. Методы нестационарного режима. В прошлом методы нестационарного режима использовались несколько меньше, чем методы стационарного режима. Их недостаток заключается в трудности установления того, насколько действительные граничные условия в эксперименте согласуются с условиями, постулируемыми теорией. Учесть подобное расхождение (например, когда речь идет о контактном сопротивлении на границе) очень трудно, а это более важно для указанных методов, чем для методов стационарного режима (см. § 10 гл. II). Вместе с тем методы нестационарного режима сами по себе обладают известными преимуществами. Так, некоторые из этих методов пригодны для проведения очень быстрых измерений и для учета малых изменений температуры; кроме того, ряд методов можно использовать «на месте», без доставки образца в лабораторию, что весьма желательно, особенно при исследовании таких материалов, как грунты и горные породы. В большинстве старых методов используется лишь последний участок графика зависимость температуры от времени; при этом решение соответствующего уравнения выражается одним экспоненциальным членом. В § 7 гл. IV, § 5 гл. VI, § 5 гл. VIII и § 5 гл. IX рассматривается случай охлаждения тела простой геометрической формы при линейной теплопередаче с его поверхности. В § 14 гл. IV рассматривается случай нестационарной температуры в проволоке, нагреваемой электрическим током. В некоторых случаях используется весь график изменения температуры в точке (см. § 10 гл. II и § 3 гл. III).
УДК 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 А. В. Лузина, А. В. Рудин
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ МЕТОДОМ СТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА ТЕПЛА
Аннотация. Описывается методика и конструктивные особенности установки для измерения коэффициента теплопроводности металлических образцов, выполненных в форме однородного цилиндрического стержня или тонкой прямоугольной пластины методом стационарного потока тепла. Нагрев исследуемого образца осуществляется посредством прямого электрического нагрева коротким импульсом переменного тока, закрепленным в массивных медных токовых зажимах, которые одновременно выполняют функцию теплоотвода.
Ключевые слова: коэффициент теплопроводности, образец, закон Фурье, стационарный теплообмен, измерительная установка, трансформатор, мультимер, термопара.
Введение
Перенос тепловой энергии от более нагретых участков твердого тела к менее нагретым посредством хаотически движущихся частиц (электронов, молекул, атомов и т.п.) называется явлением теплопроводности. Исследование явления теплопроводности широко используется в различных отраслях промышленности, таких как: нефтяная, авиационно-космическая, автомобильная, металлургическая, горнорудная и т.д.
Различают три основных вида теплообмена: конвекция, тепловое излучение и теплопроводность. Теплопроводность зависит от природы вещества и его физического состояния. При этом в жидкостях и твердых телах (диэлектриках) перенос энергии осуществляется путем упругих волн, в газах - посредством соударения и диффузии атомов (молекул), а в металлах - путем диффузии свободных электронов и с помощью тепловых колебаний решетки. Передача тепла в теле зависит от того, в каком состоянии оно находится: газообразном, жидком или твердом .
Механизм теплопроводности в жидкостях отличен от механизма теплопроводности в газах и имеет много общего с теплопроводностью твердых тел. В областях с повышенной температурой имеются колебания молекул с большой амплитудой. Эти колебания передаются смежным молекулам, и таким образом энергия теплового движения передается постепенно от слоя к слою. Этот механизм обеспечивает сравнительно малую величину коэффициента теплопроводности. С повышением температуры для большинства жидкостей коэффициент теплопроводности уменьшается (исключение составляют вода и глицерин, для них коэффициент теплопроводности увеличивается с повышением температуры) .
Явление переноса кинетической энергии при помощи молекулярного движения в идеальных газах обусловлено передачей тепла посредством теплопроводности. За счет хаотичности молекулярного движения молекулы перемещаются во всех направлениях. Перемещаясь из мест с более высокой температурой к местам с более низкой температурой, молекулы благодаря парным соударениям передают кинетическую энергию движения. В результате молекулярного движения происходит постепенное выравнивание температуры; в неравномерно нагретом газе передача тепла есть перенос определенного количества кинетической энергии при беспорядочном (хаотическом) движении молекул. С уменьшением температуры коэффициент теплопроводности газов понижается.
В металлах основным передатчиком тепла являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Поэтому с некоторым приближением
Коэффициент теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов с повышением температуры увеличивается, с увеличением объемного веса он возрастает. Коэффициент теплопроводности сильно зависит от пористости и влажности материала. Теплопроводность различных материалов изменяется в диапазоне: 2-450 Вт/(м К) .
1. Уравнение теплопроводности
Закон теплопроводности основан на гипотезе Фурье о пропорциональности теплового потока разности температур на единице длины пути переноса тепла в единицу времени . Численно коэффициент теплопроводности равен количеству тепла, протекающего в единицу времени через единицу поверхности, при перепаде температуры на единице длины нормали, равном одному градусу.
Согласно закону Фурье, поверхностная плотность теплового потока ч пропорцио-
нальна градиенту температуры -:
Здесь множитель X называется коэффициентом теплопроводности. Знак минус указывает на то, что теплота передается в направлении уменьшения температуры. Количество теплоты, прошедшее в единицу времени через единицу изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока:
Количество теплоты, проходящее в единицу времени через изотермическую поверхность Б, называется тепловым потоком:
О = | чйБ = -1 -кдП^Б. (1.3)
Полное количество теплоты, прошедшее через эту поверхность Б за время т, определится из уравнения
От=-ДЛ-^т. (1.4)
2. Граничные условия теплопроводности
Существуют различные условия однозначности: геометрические - характеризующие форму и размеры тела, в котором протекает процесс теплопроводности; физические - характеризующие физические свойства тела; временные - характеризующие распределение температуры тела в начальный момент времени; граничные - характеризующие взаимодействие тела с окружающей средой .
Граничные условия I рода. В этом случае задается распределение температуры на поверхности тела для каждого момента времени.
Граничные условия II рода. В этом случае заданной является величина плотности теплового потока для каждой точки поверхности тела в любой момент времени:
Яра = Я (Х, У, 2,1).
Граничные условия III рода. В этом случае задается температура среды T0 и условия теплообмена этой среды с поверхностью тела.
Граничные условия IV рода формируются на основании равенства тепловых потоков, проходящих через поверхность соприкосновения тел.
3. Экспериментальная установка для измерения коэффициента теплопроводности
Современные методы определения коэффициентов теплопроводности можно разделить на две группы: методы стационарного потока тепла и методы нестационарного потока тепла.
В первой группе методов тепловой поток, проходящий через тело или систему тел, остается постоянным по величине и направлению. Температурное поле является стационарным.
В методах нестационарного режима используется переменное во времени температурное поле.
В настоящей работе использован один из методов стационарного потока тепла -метод Кольрауша .
Блок-схема установки для измерения теплопроводности металлических образцов показана на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема измерительной установки
Основным элементом установки является силовой понижающий трансформатор 7, первичная обмотка которого подключена к автотрансформатору типа ЛАТР 10, а вторичная обмотка, изготовленная из медной шины прямоугольного сечения, имеющая шесть витков, непосредственно подключена к массивным медным токовым зажимам 2, которые одновременно выполняют функцию теплоотвода-холодильника. Исследуемый образец 1 закрепляется в массивных медных токовых зажимах 2 с помощью массивных медных болтов (на рисунке не показаны), которые одновременно выполняют функцию теплоотвода. Контроль температуры в различных точках исследуемого образца осуществляется с помощью хромель-копелевых термопар 3 и 5, рабочие концы которых непосредственно закрепляются на цилиндрической поверхности образца 1 - одна в центральной части образца, а другая на конце образца. Свободные концы термопар 3 и 5 подключаются к мультимерам типа ДТ-838 4 и 6, которые позволяют проводить измерения температуры с точностью до 0,5 °С. Нагрев образца осуществляется посредством прямого электрического нагрева коротким импульсом переменного тока с вторичной обмотки силового трансформатора 7. Измерение силы тока в исследуемом образце осуществляется косвенным способом - методом измерения напряжения на вторичной обмотке кольцевого трансформатора тока 8, первичной обмоткой которого является силовая шина вторичной обмотки силового трансформатора 7, пропущенная через свободный зазор кольцевого магнитного сердечника. Измерение напряжения вторичной обмотки трансформатора тока осуществляется мультимером 9.
Изменение величины импульсного тока в исследуемом образце осуществляется с помощью линейного автотрансформатора 10 (ЛАТР), первичная обмотка которого через последовательно включенные сетевой предохранитель 13 и кнопку 12 подключена к сети переменного тока напряжением 220 В. Падение напряжения на исследуемом образце в режиме прямого электрического нагрева осуществляется с помощью мультимера 14, параллельно подключенного непосредственно к токовым зажимам 2. Измерение длительности импульсов тока осуществляется с помощью электрического секундомера 11, подключенного к первичной обмотке линейного автотрансформатора 10. Включение и выключение режима нагрева исследуемого образца обеспечивается кнопкой 12.
При проведении измерений коэффициента теплопроводности на вышеописанной установке необходимо выполнение следующих условий:
Однородность сечения исследуемого образца по всей длине;
Диаметр исследуемого образца должен находиться в интервале от 0,5 мм до 3 мм (в противном случае основная тепловая мощность будет выделятся в силовом трансформаторе, а не в исследуемом образце).
Диаграмма зависимости температуры от длины образца приведена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость температуры от длины образца
Как видно на приведенной диаграмме, зависимость температуры от длины исследуемого образца носит линейный характер с явно выраженным максимумом в центральной части образца, а на концах остается минимальной (постоянной) и равной температуре окружающей среды в течение интервала времени установления равновесного режима теплопередачи, которое для данной экспериментальной установки не превышает 3 минут, т.е. 180 секунд.
4. Вывод рабочей формулы для коэффициента теплопроводности
Количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении электрического тока, можно определить по закону Джоуля - Ленца:
Qэл = 12-Я^ = и I I, (4.1)
где и, I - напряжение и сила тока в исследуемом образце; Я - сопротивление образца.
Количество теплоты, переносимое через поперечное сечение исследуемого образца за интервал времени t, выполненного в виде однородного цилиндрического стержня длиной £ и сечением 5, можно рассчитать по закону Фурье (1.4):
Qs = Я-йТ- 5- t, (4.2)
где 5 = 2-5осн, 5осн =^4-, ат = 2-ДТ = 2-(Гтах -Гтк1); й£ = Д£ = 1-£.
Здесь коэффициенты 2 и 1/2 указывают на то, что тепловой поток направлен от
центра образца к его концам, т.е. раздваивается на два потока. Тогда
^^б = 8-Я-(Гтах -Тт|п) -Б^ . (4.3)
5. Учет тепловых потерь на боковую поверхность
§Ожр = 2- Ббок -ДТха, (5.1)
где Ббок = п-й-1; а - коэффициент теплообмена поверхности исследуемого образца с окружающей средой, имеющий размерность
Разность температур
ДГх = Тх - Т0кр, (5.2)
где Тх - температура в данной точке поверхности образца; Гокр - температура окружающей среды, можно рассчитать из линейного уравнения зависимости температуры образца от его длины:
Тх = Т0 + к-х, (5.3)
где угловой коэффициент к можно определить через тангенс угла наклона линейной зависимости температуры образца от его длины:
ДТ Т - Т Т - Т
к = ф = МТ* = Ттах Ттт = 2 "тах Vр. (5.4)
Подставляя выражения (5.2), (5.3) и (5.4) в уравнение (5.1), получим:
SQaup = 2a-nd■ dx■(+ kx-Т0Кр) dt,
где Т0 Тсжр.
8Q0Kp = 2a.nd ■ kx ■ dx ■ dt. (5.5)
После интегрирования выражения (5.5) получим:
Q0Kp = 2nd■ dk j jdt■ x■ dx = 2nd-a-k■-I - | ■ t = -4a^nd■ k■ I2 ■ t. (5.6)
Подставляя полученные выражения (4.1), (4.3) и (5.6) в уравнение теплового баланса аолн = ожр + qs , где Qполн = QЭЛ, получим:
UIt = 8 ■Х ■ S^ ^^-o ■t + -a^n ■d ■ -(Tmax - To) ■t.
Решая полученное уравнение относительно коэффициента теплопроводности, получим:
и1 а £2 , л
Полученное выражение позволяет определять коэффициент теплопроводности тонких металлических стержней в соответствии с проведенными расчетами для типичных исследуемых образцов с относительной погрешностью
AU f (AI f (Л(ЛГ) ^ (At2
не превышающей 1,5 %.
Список литературы
1. Сивухин, Д. В. Общий курс физики / Д. В. Сивухин. - М. : Наука, 1974. - Т. 2. - 551 с.
2. Рудин, А. В. Исследование процессов структурной релаксации в стеклообразующих объектах при различных режимах охлаждения / А. В. Рудин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. - 2003. - № 6. - С. 123-137.
3. Павлов, П. В. Физика твердого тела: учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальностям «Физика» / П. В. Павлов, А. Ф. Хохлов. - М. : Высш. шк., 1985. - 384 с.
4. Берман, Р. Теплопроводность твердых тел / Р. Берман. - М., 1979. - 287 с.
5. Лившиц, Б. Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б. Г. Лившиц, В. С. Крапошин. - М. : Металлургия, 1980. - 320 с.
Лузина Анна Вячеславовна Luzina Anna Vyacheslavovna
магистрант, master degree student,
Пензенский государственный университет Penza State University E-mail: [email protected]
Рудин Александр Васильевич
кандидат физико-математических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой физики, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Rudin Aleksandr Vasil"evich
candidate of physical and mathematical sciences, associate professor,
deputy head of sub-department of physics, Penza State University
УДК 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 Лузина, А. В.
Измерение теплопроводности металлических образцов методом стационарного потока тепла /
А. В. Лузина, А. В. Рудин // Вестник Пензенского государственного университета. - 2016. - № 3 (15). -С. 76-82.
Для исследования теплопроводности вещества используют две группы методов: стационарные и нестационарные.
Теория стационарных методов более проста и разработана более полно. Но нестационарные методы в принципе помимо коэффициента теплопроводности позволяют получить информации о коэффициенте температуропроводности и теплоёмкости. Поэтому в последнее время большое внимание уделяется разработке нестационарных методов определения теплофизических свойств веществ.
Здесь рассматриваются некоторые стационарные методы определения коэффициента теплопроводности веществ.
а) Метод плоского слоя. При одномерном тепловом потоке через плоский слой коэффициент теплопроводности определяется по формуле
где d - толщина, T 1 и T 2 - температуры "горячей" и "холодной" поверхности образца.
Для исследования теплопроводности этим методом необходимо создать близкий к одномерному тепловой поток.
Обычно температуры измеряют не на поверхности образца, а на некотором расстоянии от них (см. рис. 2.), поэтому необходимо в измеренную разность температур ввести поправки на перепад температуры в слое нагревателя и холодильника, свести к минимуму термическое сопротивление контактов.
При исследовании жидкостей для устранения явления конвекции градиент температур должен быть направлен вдоль поля гравитации (вниз).
Рис. 2. Схема методов плоского слоя для измерения теплопроводности.
1 – исследуемый образец; 2 – нагреватель; 3 – холодильник; 4, 5 – изоляционные кольца; 6 – охранные нагреватели; 7 – термопары; 8, 9 – дифференциальные термопары.
б) Метод Егера. Метод основан на решении одномерного уравнения теплопроводности, описывавшего распространение теплоты вдоль стержня, нагреваемого электрическим током. Трудность использования этого метода состоит в невозможности создания строгих адиабатных условий на внешней поверхности образца, что нарушает одномерность теплового потока.
Расчётная формула имеет вид:
(14)
где s - электропроводность исследуемого образца, U – падение напряжения между крайними точками на концах стержня, DT – разность температур между серединой стержня и точкой на конце стержня.
Рис. 3. Схема метода Егера.
1 – электропечь; 2 – образец; 3 – цапфы крепления образца; Т 1 ¸ Т 6 – места заделки термопар.
Этот метод используют при исследовании электропроводных материалов.
в) Метод цилиндрического слоя. Исследуемая жидкость (сыпучий материал заполняет цилиндрический слой, образованный двумя расположенными коаксиально цилиндрами. Один из цилиндров, чаще всего внутренний, является нагревателем (рис.4).
Рис.4.Схема метода цилиндрического слоя
1 - внутренний цилиндр; 2 - основной нагреватель; 3 - слой исследуемого вещества; 4 – наружный цилиндр; 5 - термопары; 6 – охранные цилиндры; 7 - дополнительные нагреватели; 8 - корпус.
Рассмотрим подробнее стационарный процесс теплопроводности в цилиндрической стенке, температура наружной и внутренней поверхностей которой поддерживается постоянными и равными Т 1 и Т 2 (в нашем случае это слой исследуемого вещества 5). Определим тепловой поток через стенку при условии, что внутренний диаметр цилиндрической стенки d 1 = 2r 1 , а наружный d 2 = 2r 2 , l = const и теплота распространяется только в радиальном направлении.
Для решения задачи воспользуемся уравнением (12). В цилиндрических координатах, когда 
; уравнение (12), согласно (1О), принимает вит:
. (15)
Введём обозначение dT /dr = 0, получим
После интегрирования и потенцирования этого выражения, переходя к первоначальным переменным получим:
. (16)
Как видно изэтого уравнения, зависимость T=f(r) носит логарифмический характер.
Постоянные интегрирования C 1 и C 2 можно, определить, если в это уравнение подставить граничные условия:
при r=r 1 Т = Т 1 и T 1 =C 1 lnr 1 +C 2 ,
при r=r 2 T=T 2 и T 2 =C 1 lnr 2 +C 2 .
Решение этих уравнений относительно С 1 и С 2 даёт:
; 
Подставив эти выражения вместо С 1 и С 2 в уравнение (1б) , получим
(17)
тепловой поток через площадь цилиндрической поверхности радиуса r и длиной определяется с помощью закона Фурье (5)
.
После подстановки получим
. (18)
Коэффициент теплопроводности l при известных величинах Q , Т 1 , T 2 , d 1 , d 2 , рассчитывают по формуле
. (19)
Для подавления конвекции (в случав жидкости) цилиндрический слой должен иметь малую толщину, обычно доли миллиметра.
Уменьшение торцевых потерь в методе цилиндрического слоя достигается за счёт увеличения отношения /d и охранными нагревателями.
г) Метод нагретой проволоки. В этом методе отношение /d увеличивается за счёт уменьшения d . Внутренний цилиндр заменяется тонкой проволокой, являвшейся одновременно нагревателем и термометром сопротивления (рис.5). В результате относительной простоты конструкции и детальной разработки теории, метод нагретой проволоки стал одним из наиболее совершенных и точных. В практике экспериментальных исследований теплопроводности жидкостей игазов он занимает ведущее место.
Рис. 5. Схема измерительной ячейки, выполненной по методу нагретой проволоки. 1 – измерительная проволока, 2 – трубка, 3 – исследуемое вещество, 4 – токоподводы, 5 – потенциальные отводы, 6 – наружный термометр.
При условия, что весь тепловой поток от участка AВ распространяется радиально и разность температур T 1 – T 2 не велика, так что в этих пределах можно считать l = const, коэффициент теплопроводности вещества определяется по формуле
, (20)
где Q AB = T×U AB – мощность, выделяемая на проволоке.
д) Метод шара. Находит применение в практике исследований теплопроводности жидкостей и сыпучих материалов. Исследуемому веществу придают форму сферического слоя, что позволяет, в принципе, исключать неконтролируемые потери теплоты. В техническом отношении этот метод достаточно сложен.
В соответствии с требованиями федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении» требования к теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов в России были ужесточены. Сегодня измерение теплопроводности является одним из обязательных пунктов при принятии решения об использовании материала в качестве теплоизолятора.
Для чего необходимо измерение теплопроводности в строительстве?
Контроль теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов проводится на всех стадиях их сертификации и производства в лабораторных условиях, когда материалы подвергают воздействию различных факторов, влияющих на его эксплуатационные свойства. Есть несколько распространённых методов измерения теплопроводности . Для точных лабораторных испытаний материалов низкой теплопроводности (ниже 0,04 – 0,05 Вт/м*К) рекомендуют использовать приборы, использующие метод стационарного теплового потока. Их применение регламентировано ГОСТ 7076.
Компания «Интерприбор» предлагает измеритель теплопроводности, цена которого выгодно отличается от имеющихся на рынке и отвечает всем современным требованиям. Он предназначен для лабораторного контроля качества строительных и теплоизоляционных материалов.
Преимущества измерителя теплопроводности ИТС-1
Измеритель теплопроводности ИТС-1 имеет оригинальное моноблочное исполнение и характеризуется следующими преимуществами:
- автоматический цикл измерений;
- высокоточный измерительный тракт, позволяющий стабилизировать температуры холодильника и нагревателя;
- возможность градуировки прибора под отдельные виды исследуемых материалов, что дополнительно повышает точность результатов;
- экспресс-оценка результата в процессе выполнения измерений;
- оптимизированная «горячая» охранная зона;
- информативный графический дисплей, упрощающий контроль и анализ результатов измерений.
ИТС-1 поставляется в единственной базовой модификации, которая по желанию клиента может быть дополнена контрольными образцами (оргстекло и пеноплекс), коробом для сыпучих материалов и защитным кофром для хранения и транспортировки прибора.
Способность материалов и веществ проводить тепло называется теплопроводностью (X,) и выражается количеством тепла, проходящим через стенку площадью 1 м2, Толщиной 1 м за 1 ч при разности температур на противоположных поверхностях стенки в 1 град. Единица измерения теплопроводности - Вт/(м-К) или Вт/(м-°С).
Теплопроводность материалов определяют
Где Q - количество тепла (энергии), Вт; F - площадь сечения материала (образца), перпендикулярная направлению теплового потока, м2; At- разность температур на противоположных поверхностях образца, К или °С; б- толщина образца, м.
Теплопроводность - один из главных показателей свойств теплоизоляционных материалов. Этот показатель зависит от целого ряда факторов: общей пористости материала, размера и формы пор, вида твердой фазы, вида газа, заполняющего поры, температуры и т. п.
Зависимость теплопроводности от этих факторов в наиболее универсальном виде выражают уравнением Лееба:
_______ Ђs ______ - і
Где Кр--теплопроводность материала; Xs - теплопроводность твердой фазы материала; Рс - количество пор, находящихся в сечении, перпендикулярном потоку тепла; Pi -количество пор, находящихся в сечении, параллельном потоку тепла; б - радиальная постоянная; є - излучаемость; v - геометрический фактор, влияющий на. излучение внутри пор; Tt - средняя абсолютная температура; d - средний диаметр пор.
Знание теплопроводности того или иного теплоизоляционного материала позволяет правильно оценить его теплоизоляционные качества и рассчитать толщину теплоизоляционной конструкции из этого материала по заданным условиям.
В настоящее время существует ряд методов определения теплопроводности материалов, основанных на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла.
Первая группа методов позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур (от 20 до 700° С) и получать более точные результаты. Недостатком методов измерения стационарного потока тепла является большая продолжительность опыта, измеряемая часами.
Вторая группа методов позволяет проводить эксперимент в течение нескольких минут (до 1 ч), но зато пригодна для определения теплопроводности материалов лишь при сравнительно низких температурах.
Измерение теплопроводности строительных материалов этим методом производят, пользуясь прибором, изображенным на рис. 22. При этом с помощью малоинерционного тепломера производят измерение стационарного теплового потока, проходящего через испытуемый образец материала.
Прибор состоит из плоского электронагревателя 7 и малоинерционного тепломера 9, установленного на расстоянии 2 мм от поверхности холодильника 10, через который непрерывно протекает вода с постоянной температурой. На поверхностях нагревателя и тепломера заложены термопары 1,2,4 и 5. Прибор помещен в металлический кожух 6, заполненный теплоизоляционным материалом. Плотное прилегание образца 8 к тепломеру и нагревателю обеспечивается прижимным приспособлением 3. Нагреватель, тепломер и холодильник имеют форму диска диаметром 250 мм.
Тепловой поток от нагревателя через образец и малоинерционный тепломер передается холодильнику. Величина теплового потока, проходящего через центральную часть образца, измеряется тепломером, представляющим собой термобатарею на паранитовом диске, или тепло - мером с воспроизводящим элементом, в который вмонтирован плоский электрический нагреватель.
Прибором можно измерять теплопроводность при температуре на горячей поверхности образца от 25 до 700° С.
В комплект прибора входят: терморегулятор типа РО-1, потенциометр типа КП-59, лабораторный автотрансформатор типа РНО-250-2, переключатель термопар МГП, термостат ТС-16, амперметр технический переменного тока до 5 А и термос.
Образцы материала, подвергающиеся испытанию, должны иметь в плане форму круга диаметром 250 мм. Толщина образцов должна быть не более 50 и не менее 10 мм. Толщину образцов измеряют с точностью до 0,1 мм и определяют как среднее арифметическое из результатов четырех измерений. Поверхности образцов должны быть плоскими и параллельными.
При испытании волокнистых, сыпучих, мягких и полужестких теплоизоляционных материалов отобранные образцы помещают в обоймы диаметром 250 мм и высотой 30-40 мм, изготовленные из асбестового картона толщиной 3-4 мм.
Плотность отобранной пробы, находящейся под удельной нагрузкой, должны быть равномерна по всему объему и соответствовать средней плотности испытуемого материала.
Образцы перед испытанием должны быть высушены до постоянной массы при температуре 105-110° С.
Подготовленный к испытаниям образец укладывают на тепломер и прижимают нагревателем. Затем устанавливают терморегулятор нагревателя прибора на заданную температуру и включают нагреватель в сеть. После установления стационарного режима, при котором в течение 30 мин показания тепломера будут постоянными, отмечают показания термопар по шкале потенциометра.
При применении малоинерционного тепломера с воспроизводящим элементом переводят показания тепломера на нуль-гальванометр и включают ток через реостат, и миллиамперметр на компенсацию, добиваясь при этом положения стрелки нуль-гальванометра на 0, после чего регистрируют показания по шкале прибора в мА.
При измерении количества тепла малоинерционным тепломером с воспроизводящим элементом расчет теплопроводности материала производят по формуле
Где б - толщина образца, м; T - температура горячей поверхности образца, °С; - температура холодной поверхности образца, °С; Q - количество тепла, проходящее через образец в направлении, перпендикулярном его поверхности, Вт/м2.
Где R - постоянное сопротивление нагревателя тепломера, Ом; / - сила тока, A; F - площадь тепломера, м2.
При измерении количества тепла (Q) градуированным малоинерционным тепломером расчет производят по формуле Q = AE (Вт/м2), где Е - электродвижущая сила (ЭДС), мВ; А - постоянная прибора, указанная в гра- дуировочном свидетельстве на тепломер.
Температуру поверхностей образца измеряют с точностью до 0,1 С (при условии стационарного состояния). Тепловой поток вычисляют с точностью до 1 Вт/м2, а теплопроводность- до 0,001 Вт/(м-°С).
При работе на данном приборе необходимо производить его периодическую проверку путем испытания стандартных образцов, которые предоставляют научно-исследовательские институты метрологии и лаборатории Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР.
После проведения опыта и получения данных составляют свидетельство об испытании материала, в котором должны содержаться следующие данные: наименование и адрес лаборатории, проводившей испытания; дата проведения испытания; наименование и характеристика материала; средняя плотность материала в сухом состоянии; средняя температура образца во время испытания; теплопроводность материала при этой температуре.
Метод двух пластин позволяет получать более достоверные результаты, чем рассмотренные выше, так как испытанию подвергают сразу два образца-близнеца и, кроме того, тепловой поток, проходящий через образцы, имеет два направления: через один образец он идет снизу вверх, а через другой - сверху вниз. Это обстоятельство в значительной степени способствует усреднению результатов испытания и приближает условия опыта к реальным условиям службы материала.
Принципиальная схема двухпластинчатого прибора для определения теплопроводности материалов методом стационарного режима показана на рис. 23.
Прибор состоит из центрального нагревателя 1, охранного нагревателя 2, охладительных дисков 6, которые од-
Новременно прижимают образцы материала 4 к нагревателям, изоляционной засыпки 3, термопар 5 и кожуха 7.
В комплект прибора входит следующая регулирующая и измерительная аппаратура. Стабилизатор напряжения (СН), автотрансформаторы (Т), ваттметр (W ), Амперметры (А), регулятор температуры охранного нагревателя (Р), переключатель термопар (Я), гальванометр или потенциометр для измерения температуры (Г) И сосуд со льдом (С).
Для обеспечения одинаковых граничных условий у периметра испытуемых образцов форма нагревателя принята дисковой. Диаметр основного (рабочего) нагревателя для удобства расчета принят равным 112,5 мм, что соответствует площади в 0,01 м2.
Испытание материала на теплопроводность производят следующим образом.
Из отобранного для испытания материала изготовляют два образца-близнеца в виде дисков диаметром, равным диаметру охранного кольца (250 мм). Толщина образцов должны быть одинаковой и находиться в пределах от 10 до 50 мм. Поверхности образцов должны быть плоскими и параллельными, без царапин и вмятин.
Испытание волокнистых и сыпучих материалов производят в специальных обоймах из асбестового картона.
Перед испытанием образцы высушивают до постоянной массы и измеряют их толщину с точностью до 0,1 мм.
Образцы укладывают с двух сторон электронагревателя и прижимают их к нему охладительными дисками. Затем устанавливают регулятор напряжения (латр) в положение, при котором обеспечивается заданная температура электронагревателя. Включают циркуляцию воды в охладительных дисках и после достижения установившегося режима, наблюдаемого по гальванометру, измеряют температуру у горячих и холодных поверхностей образцов, для чего пользуются соответствующими термопарами и гальванометром или потенциометром. Одновременно измеряют расход электроэнергии. После этого выключают электронагреватель, а через 2-3 ч прекращают подачу воды в охладительные диски.
Теплопроводность материала, Вт/(м-°С),
Где W - расход электроэнергии, Вт; б - толщина образца, м; F - площадь одной поверхности электронагревателя, м2;. t - температура у горячей поверхности образца, °С; І2 - температура у холодной поверхности образца, °С.
Окончательные результаты по определению теплопроводности относят к средней температуре образцов
где t
- температура у горячей поверхности образца (средняя двух образцов), °С; t
2
-
температура у холодной поверхности образцов (средняя двух образцов), °С.
Метод трубы. Для определения теплопроводности теплоизоляционных изделий с криволинейной поверхностью (скорлуп, цилиндров, сегментов) применяют установку, принципиальная схема которой показана на
Рис. 24. Эта установка представляет собой стальную трубу диаметром 100-150 мм и длиной не менее 2,5 м. Внутри трубы на огнеупорном материале смонтирован нагревательный элемент, который разделен на три самостоятельные секции по длине трубы: центральную (рабочую), занимающую примерно ]/з длины трубы, и боковые, служащие для устранения утечки тепла через торцы прибора (трубы).
Трубу устанавливают на подвесках или на подставках на расстоянии 1,5-2 м от пола, стен и потолка помещения.
Температуру трубы и поверхности испытуемого материала измеряют термопарами. При проведении испытания необходимо регулировать мощность электроэнергии, потребляемую охранными секциями, для исключения перепада температуры между рабочей и охранными секция
ми. Испытания проводят при установившемся тепловом режиме, при котором температура на поверхностях трубы и изоляционного материала постоянна в течение 30 мин.
Расход электроэнергии рабочим нагревателем можно измерять как ваттметром, так и отдельно вольтметром и амперметром.
Теплопроводность материала, Вт/(м ■ °С),
X -_____ D
Где D - наружный диаметр испытуемого изделия, м; d - Внутренний диаметр испытуемого материала, м; - температура на поверхности трубы, °С; t 2 - температура на внешней поверхности испытуемого изделия, °С; I - длина рабочей секции нагревателя, м.
Кроме теплопроводности на данном приборе можно замерять величину теплового потока в теплоизоляционной конструкции, изготовленной из того или иного теплоизоляционного материала. Тепловой поток (Вт/м2)
Определение теплопроводности, основанное на методах нестационарного потока тепла (методы динамических измерений). Методы, основанные на измерении нестационарных потоков тепла (методы динамических измерений), в последнее время все шире применяются ДЛЯ определения теплофизических величин. Преимуществом этих методов является не только сравнительная быстрота проведения опытов, но и больший объем информации, получаемой за один опыт. Здесь к другим параметрам контролируемого процесса добавляется еще один - время. Благодаря этому только динамические методы позволяют получать по результатам одного опыта теплофизиче - ские характеристики материалов такие, как теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, темп охлаждения (нагревания)
В настоящее время существует большое количество методов и приборов для измерения динамических температур и тепловых потоков. Однако все они требуют зна
Ния конкретных условий и введения поправок к полученным результатам, так как процессы измерения тепловых величин отличаются от измерения величин другой природы (механических, оптических, электрических, акустических и др.) своей значительной инерционностью.
Поэтому методы, основанные на измерении стационарных потоков тепла, отличаются от рассматриваемых методов значительно большей идентичностью между результатами измерений и истинными значениями измеряемых тепловых величин.
Совершенств о в а н и е динамических методов измерений идет по трем направлениям. Во-первых, это развитие методов анализа погрешностей и введения поправок в результаты измерений. Во-вторых, разработка автоматических корректирующих устройств для компенсации динамических погрешностей.
Рассмотрим два наиболее распространенных в СССР метода, основанных на измерении нестационарного потока тепла.
1. Метод регулярного теплового режима с бикало - риметром. При применении этого метода могут быть использованы различные типы конструкции бикалориметров. рассмотрим один из них - малогабаритный плоский бикалори - метр типа МПБ-64-1 (рис. 25), который предназначен
для определения теплопроводности полужестких, волокнистых и сыпучих теплоизоляционных материалов при комнатной температуре.
Прибор МПБ-64-1 представляет собой цилиндрической формы разъемную оболочку (корпус) с внутренним диаметром 105 мм, в центре которой встроен сердечник с вмонтированным в него нагревателем и батареей дифференциальных термопар. Прибор изготовлен из дюралюминия марки Д16Т.
Термобатарея дифференциальных термопар бикало - риметра оснащена медно-копелевыми термопарами, диаметр электродов которых равен 0,2 мм. Концы витков термобатарей выведены на латунные лепестки кольца из стеклоткани, пропитанной клеем БФ-2, и далее через провода к вилке. Нагревательный элемент, выполненный из Нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм, нашит на пропитанную клеем БФ-2 круглую пластинку из стекло ткани. Концы проволоки нагревательного элемента, так же как и концы проволоки термобатареи, выведены на латунные лепестки кольца и далее, через вилку, к источнику питания. Нагревательный элемент может питаться от сети переменного тока напряжением 127 В.
Прибор герметичен благодаря уплотнению из вакуумной резины, заложенной между корпусом и крышками, а также сальниковой набивке (пеньково-суриковой) между ручкой, бобышкой и корпусом.
Термопары, нагреватель и их выводы должны быть хорошо изолированы от корпуса.
Размеры испытуемых образцов не должны превышать в диаметре 104 мм и по толщине-16 мм. На приборе одновременно производят испытание двух образцов-близнецов.
Работа прибора основана на следующем принципе.
Процесс охлаждения твердого тела, нагретого до температуры T ° и помещенного в среду с температурой ©<Ґ при весьма большой теплопередаче (а) от тела к Среде («->-00) и при постоянной температуре этой среды (0 = const), делится на три стадии.
1. Распределение температуры в теле носит сначала случайный характер, т. е. имеет место неупорядоченный тепловой режим.
2. С течением времени охлаждение становится упорядоченным, т. е. наступает регулярный режим, при кото
ром изменение температуры в каждой точке тела подчиняется экспоненциальному закону:
Q - AUe.-"1
Где © - повышенная температура в какой-нибудь точке тела; U - некоторая функция координат точки; е-основание натуральных логарифмов; т - время от начала охлаждения тела; т - темп охлаждения; А - постоянная прибора, зависящая от начальных условий.
3. После регулярного режима охлаждение характеризуется наступлением теплового равновесия тела с окружающей средой.
Темп охлаждения т после дифференцирования выражения
По т в координатах In В -Т выражается следующим образом:
Где А и В - константы прибора; С - полная теплоемкость испытуемого материала, равная произведению удельной теплоемкости материала на его массу, Дж/(кг-°С);т - темп охлаждения, 1/ч.
Испытание проводят следующим образом. После помещения образцов в прибор крышки прибора плотно прижимают к корпусу с помощью гайки с накаткой. Прибор опускают в термостат с мешалкой, например в термостат ТС-16, заполненный водой комнатной температуры, затем подсоединяют термобатарею дифференциальных термопар к гальванометру. Прибор выдерживают в термостате до выравнивания температур наружной и внутренней поверхностей образцов испытуемого материала, что фиксируется показанием гальванометра. После этого включают нагреватель сердечника. Сердечник нагревают до температуры, превышающей на 30-40° температуру воды в термостате, а затем выключают нагреватель. Когда стрелка гальванометра возвратится в пределы шкалы, производят запись убывающих во времени показаний гальванометра. Всего записывают 8-10 точек.
В системе координат 1п0-т строят график, который должен иметь вид прямой линии, пересекающей в некоторых точках оси абсцисс и ординат. Затем рассчитывают тангенс угла наклона полученной прямой, который выражает величину темпа охлаждения материала:
__ In 6t - In O2 __ 6 02
ТІЬ - - j
T2 - Tj 12 - "El
Где Bi и 02 - соответствующие ординаты для времени Ті и Т2.
Опыт повторяют вновь и еще раз определяют темп охлаждения. Если расхождение в значениях темпа охлаждения, вычисленного при первом и втором опытах, менее 5%, то ограничиваются этими двумя опытами. Среднее значение темпа охлаждения определяют по результатам двух опытов и вычисляют величину теплопроводности материала, Вт/(м*°С)
Х = (А + ЯСуР)/и.
Пример. Испытуемый материал - минераловатный мат на фенольном связующем со средней плотностью в сухом состоянии 80 кг/м3.
1. Вычисляем величину навески материала, помещаемую в прибор,
Где Рп- навеска материала, помещаемая в одну цилиндрическую емкость прибора, кг; Vn - объем одной цилиндрической емкости прибора, равный 140 см3; рср - средняя плотность материала, г/см3.
2. Определяем произведение BCYP , где В - константа прибора, равная 0,324; С - удельная теплоемкость материала, равная 0,8237 кДж/(кг-К). Тогда ВСУР= =0,324 0,8237 0,0224 = 0,00598.
3. Результаты наблюдений за охлаждением образцов в приборе во времени заносим в табл. 2.
Расхождения в значениях темпа охлаждения т и т2 менее 5%, поэтому повторные опыты можно не производить.
4. Вычисляем средний темп охлаждения
Т=(2,41 + 2,104)/2=2,072.
Зная все необходимые величины, подсчитываем теплопроводность
(0,0169+0,00598) 2,072=0,047 Вт/(м-К)
Или Вт/(м-°С).
При этом средняя температура образцов составляла 303 К или 30° С. В формуле 0,0169 -Л (константа прибора) .
2. Зондовый метод.
Существует несколько разновидностей зондового метода определения теплопровод
ности теплоизоляционных материалов, отличающихся друг от друга применяющимися приборами и принципами нагрева зонда. Рассмотрим один из этих методов - метод цилиндрического зонда без электронагревателя.
Этот метод заключается в следующем. Металлический стержень диаметром 5-6 мм (рис. 26) и длиной около 100 мм вводят в толщу горячего теплоизоляционного материала и с помощью вмонтированной внутри стержня
Термопары определяют температуру. Определение температуры производят в два приема: в начале опыта (в момент нагревания зонда) и в конце, когда наступает равновесное состояние и повышение температуры зонда прекращается. Время между этими двумя отсчетами замеряют с помощью секундомера. ч Теплопроводность материала, Вт/ (м °С), , R 2CV
Где R - радиус стержня, м; С - удельная теплоемкость материала, из которого изготовлен стержень, кДж/(кгХ ХК); V-объем стержня, м3; т - промежуток времени между отсчетами температуры, ч; tx и U - значения температур в момент первого и второго отсчетов, К или °С.
Этот способ очень прост и позволяет быстро определить теплопроводность материала как в лабораторных, так и в производственных условиях. Однако он пригоден лишь для грубой оценки этого показателя.
