Устройство для определения теплопроводности деформируемых материалов
Полезная модель относится к области теплофизических исследований и может быть использована для определения теплопроводности деформируемых материалов, например, резины.
Устройство включает корпус с расположенным внутри него нагревателем и холодильником, между которыми расположен исследуемый плоский образец. На поверхностях нагревателя и холодильника, контактирующих с исследуемым образцом установлены датчики измерения температуры и теплового потока. На нагревателе перпендикулярно его торцевой поверхности закреплены ограничители, при этом их высота меньше толщины исследуемого образца. Ограничители выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из кварцевого стекла.
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 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 и датчики измерения температуры и теплового потока, установленные на торцевых поверхностях холодильника и нагревателя, контактирующих с исследуемым образцом (см. В.А.Осипова. Экспериментальное исследование процессов теплообмена, Москва, изд. «Энергия», 1969 г., стр.41). Недостатком указанного устройства является низкая точность определения теплопроводности деформируемых материалов из-за недостаточной точности определения толщины исследуемого образца, величина которой входит в расчет коэффициента теплопроводности материала. Дело в том, что при прижатии холодильника к исследуемому образцу происходит его деформация и начинает меняться структура материала. Становится не ясным, теплопроводность какого материала определяется. Если холодильник не прижимать к образцу, в этом случае на границе между холодильником и нагревателем образуется воздушный зазор, который существенно снижает точность определения теплопроводности из-за высокого термического сопротивления этого зазора.
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, на нагревателе перпендикулярно его торцевой поверхности закреплены ограничители, при этом высота ограничителей меньше толщины исследуемого образца. Ограничители могут быть выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например, из кварцевого стекла.
Введение в устройство ограничителей позволяет решить сразу две проблемы: исключить излишнею деформацию исследуемого образца и ликвидировать воздушные зазоры на границе между исследуемым образцом с одной стороны и холодильником и нагревателем с другой стороны. При создании нагрузки на холодильник последний прижимается к исследуемому образцу и начинает его слегка деформировать, исключая воздушные зазоры на плоских поверхностях исследуемого образца. После чего холодильник упирается в ограничители и не меняет структуры материала образца. Для исключения перетекания тепла от нагревателя к холодильнику ограничители надо выполнять из материала с низким коэффициентом теплопроводности. В качестве такого материала можно использовать кварцевое стекло. Кроме низкого коэффициента теплопроводности этот материал обладает еще одним хорошим свойством: практически нулевым коэффициентом линейного термического расширения. Это позволяет сохранить неизменными размеры ограничителей при их нагреве. Количество ограничителей не имеет существенного значения. Минимальное число ограничителей - три. При дальнейшем их увеличении возникают повышенные требования к точности их изготовления и установки.
На фигуре представлено заявляемое устройство со следующими обозначениями:
1 - корпус;
2 - электрический нагреватель;
3 - холодильник;
4 - нагреватель;
5 - датчики температуры и теплового потока;
6 - грузы;
7 - патрубки для подвода охлаждающей жидкости;
8 - ограничители.
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 закреплены ограничители 8. Высота ограничителей 8 меньше толщины исследуемого образца 4 на величину
Устройство работает следующим образом. В корпус устройства устанавливаются электрический нагреватель 2 с ограничителями 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 ограничители 8. Учитывая, что высота ограничителей 8 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 
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: 
- теплопроводность исследуемого образца;
- толщина исследуемого образца;
q - тепловой поток от нагревателя;
(Тн-Тx ) - перепад температуры по толщине исследуемого образца.
Введение в конструкцию устройства ограничителей позволяет существенно повысить точность определения теплопроводности деформируемых материалов: резин, пенопластов, волокнистых теплоизоляторов и ряда других.
Авторами была проведена экспериментальная проверка заявляемого технического решения, показавшая хорошие результаты. В результате достигается повышение точности определения теплопроводности теплоизоляционных материалов на 15-20%.
1. Устройство для определения теплопроводности деформируемых материалов, включающее 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, контактирующих с исследуемым образцом, отличающееся тем, что на нагревателе перпендикулярно его торцевой поверхности закреплены ограничители, при этом высота ограничителей меньше толщины исследуемого образца.
2. Устройство для определения теплопроводности деформируемых материалов по п.1, отличающееся тем, что ограничители выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, например из кварцевого стекла.
