Установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций

Устройство относится к области испытательной техники. В установке для создания необходимого разрежения в вакуумной камере применяется система откачки, состоящая из форвакуумного и криосорбционного насосов. Вакуумная камера имеет осевой канал, в котором устанавливается источник 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 ко внутренней и наружной поверхностям образца, создается за счет источника тепла, помещенного внутри осевого канала вакуумной камеры. Технический результат - установка обеспечивает повышение достоверности результатов испытаний порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции вследствие возможности создания необходимого вакуума и регистрации входящего теплового потока на цилиндрическом образце. 1 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к области испытательной техники, а именно к созданию установок для экспериментального определения тепловых характеристик порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций.

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 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, и эксплуатируются при атмосферном давлении.

Также известна 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), работающих в условиях вакуума.

Наиболее близкой по технической сути (прототипом) к предлагаемой установке является установка, описанная в патенте №2289126, кл. G01K 25/32, 2006 г., 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.

Ее недостатком является невозможность проведения испытаний теплоизоляционных материалов, работающих в условиях вакуума.

Задачей изобретения является создание установки для исследования эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций, обеспечивающей получение технического результата, состоящего в повышении достоверности результатов измерений эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций.

Этот технический результат достигается тем, что эффективная теплопроводность определяется на образцах порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций, которые размещаются внутри цилиндрической вакуумной камеры. С торцов цилиндрической вакуумной камеры размещаются заглушки из теплоизоляционного материала с термическим сопротивлением не ниже термического сопротивления основного материала исследуемого образца. Для создания в цилиндрической вакуумной камере необходимого разрежения применяется система откачки, состоящая из форвакуумного и криосорбционного насосов. Цилиндрическая вакуумная камера имеет осевой канал, в котором устанавливается источник тепла. Предполагаемая новая совокупность признаков (система откачки, состоящая из форвакуумного и криосорбционного насосов, источник тепла, размещенный внутри осевого канала вакуумной камеры) позволит проводить тепловые испытания образцов порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций.

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

Суть изобретения поясняется чертежом. На чертеже представлена установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций.

Установка содержит: 1 - форвакуумный насос; 2 - источник постоянного тока; 3 - цилиндрическая вакуумная камера; 4 - источник тепла; 5 - порошково-вакуумная или экранно-вакуумная теплоизоляций; 6 - термопреобразователи хромель-алюмелевые; 7 - аналого-цифровой преобразователь; 8 - ЭВМ; 9 - заглушки; 10 - криосорбционный насос; 11 - средства измерения вакуума.

Работа установки происходит следующим образом.

Для определения эффективной теплопроводности образцов порошково-вакуумной или экранно-вакуумной теплоизоляций 5 форвакуумным 1 и криосорбционным 10 насосами в цилиндрической вакуумной камере 3, с торцов которой размещаются заглушки 9 из теплоизоляционного материала с термическим сопротивлением не ниже термического сопротивления основного материала исследуемого образца, создается вакуум от 10^-3 до 10^-6 мм рт.ст. Значения вакуума регистрируются соответствующими средствами измерения вакуума 11. Далее включается источник тепла 4 для создания необходимого теплового потока.

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

Затем через каждые 10-15 мин в течение 1 ч производятся измерения температуры на внешней и внутренней сторонах образца с помощью термопреобразователей хромель-алюмелевых 6.

После установления стационарного теплового состояния образца проводятся в течение 30 мин последовательно несколько измерений температуры. Тепловое состояние образца считается стационарным, если три последовательных измерения 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 образца к наружной, на участке длиной L, определяется следующим уравнением:

где λ_эф - эффективная теплопроводность, Вт/(м·К);

R₂ - внешний радиус образца, м;

R₁ - внутренний радиус образца, м;

t₂ - температура на наружной поверхности образца, К;

t₁ - температура на внутренней поверхности образца, К.

Также тепловой поток вычисляется по формуле

Q=I²R,

где I - сила тока, проходящая через нагревательный элемент, А;

R - сопротивление нагревательного элемента источника тепла, Ом.

Эффективная теплопроводность вычисляется для каждого измерения по следующей формуле:

где Q - тепловой поток, проходящий через образец, Вт;

L - длина образца, м.

За результат измерения эффективной теплопроводности принимается среднее арифметическое результатов последних трех измерений при данной температуре, округленное до трех значащих цифр.

Предлагаемая установка обеспечивает повышение достоверности результатов испытаний порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляций вследствие возможности создания необходимого вакуума и регистрации входящего теплового потока на образце.

Установка для определения эффективной теплопроводности порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции, содержащая источник тепла, средства для замера температуры на горячей и холодной сторонах образца из исследуемого материала, отличающаяся тем, что эффективная теплопроводность определяется на образцах порошково-вакуумной и экранно-вакуумной теплоизоляции, которые размещаются внутри цилиндрической вакуумной камеры с размещенным внутри нее осевым каналом для установки источника тепла, установка содержит форвакуумный и криосорбционный насосы для достижения необходимого вакуума.