Чувствительная установка для измерения теплопроводности строительных и сыпучих материалов, тары и упаковок

Существует множество устройств для определения теплопроводности твердых, строительных и сыпучих материалов, использующих различные методы измерения. Для измерения теплопроводности твердых материалов известно устройство, содержащее цилиндрические термоэлектроды, внутри которых помещен электрически изолированный линейный источник тепла, подключенный к источнику питания [1]. Известно устройство для измерения теплопроводности, которым измеряют перепад температур по плоскому образцу, посредством контактирующих с поверхностями измерителей температур [2], а также установка ИТ-1 для определения теплопроводности твердых материалов, состоящая из двух термостатированных верхней и нижней металлических плит размерами 250 х 250 мм, измерителя теплового потока (тепломера), располагаемого между образцом и нижней термостатированной плитой блока задания и регулирования температуры, узла зажима образца и теплоизоляционного кожуха. Образец укладывают на тепломер и плотно прижимают термостатированной плитой. В зависимости от заданной температуры испытаний, устанавливают температуру верхней и нижней термостатированных плит. Теплоизоляционный кожух обеспечивает устранение теплопотерь через торцовые грани образца

Недостатками перечисленных установок являются то, что данные устройства в основном применяются для исследования строительных материалов и не используются для определения коэффициента теплопроводности тары и упаковки.

Наиболее близким техническим решением к данному устройству является установка для определения коэффициента теплопроводности кожи, содержащая средство для измерения теплопроводности, блок регистрации, нагреватель с блоком питания, узел зажима образца и теплоизоляционный материал. Для измерения теплопроводности используется пара термоэлементов, электрически связанных между собой, для обеспечения равномерной теплоотдачи и приема по всей площади испытуемого образца кожи, помещаемого между термоэлементами, при этом тепловой поток направлен сверху вниз, термоэлементы соединены с регистрирующим блоком, в качестве которого применен потенциометр Р37.1 [3]

Работа является продолжением исследований теплопроводности различных веществ, и относится к области тепловых испытаний, а именно к измерению теплопроводности твердых образцов, например, материалов, используемых в производстве различных материалов, тары и упаковки специального назначения. Установка может использоваться для исследований по определению теплопроводности различных строительных материалов и сыпучих материалов, изделий на стеновые панели и блоки из легких бетонов с теплопроводностью от 0,1 до 1,5 Вт/(м×К) и предназначенные для жилых, общественных и производственных зданий.

Технической задачей предлагаемой установки является создание устройства, позволяющего исследовать теплопроводность различных материалов, использующихся в производстве упаковочных материалов, проводить научно – исследовательские эксперименты и лабораторные работы по теплофизическим измерениям и применять полученные данные в исследовательских целях. Технический результат модели заключается в относительно быстром и точном получении данных по теплопроводности различных упаковочных материалов с возможностью автоматической регистрации результатов, что позволяет исследовать образцы различной толщины и выполненные из разного сырья.

Указанный технический результат достигается тем, что в переносной универсальной установке для определения теплопроводности материалов, содержащей термопары, отражатель тепла и тепло-улавливатель, соединенные с нагревателем, испытуемый образец, блок управления с переключателем, термометр с жидкокристаллическим экраном, блок питания, прижимной винт, штанги, прижимная подушка, теплоизоляция, согласно модели в качестве средства для измерения теплопроводности использованы термопары, электрически связанные с блоком питания, которые устанавливаются с разных сторон испытуемого образца, сверху на образец помещается отражатель тепла с канавкой для термопары, а снизу помещается теплоулавливатель с канавкой для термопары, вся конструкция фиксируется на прижимной подушке, которая крепится на штангах и сверху придавливается прижимным винтом, размещенным на корпусе с блоком управления.

Новыми элементами в переносной универсальной установке для определения теплопроводности тонкослойных материалов являются:

• -    установка отражателя тепла с канавкой для термопары;

• -    установка теплоулавливателя с канавкой для термопары;

• -    фиксация всей конструкции на штангах с прижимным винтом;

• -    компактное устройство, удобное в использовании при различных перемещениях.

Заявляемая переносная универсальная установка для определения теплопроводности тонкослойных материалов соответствует критериям «новизна», так как заявитель не выявил источники информации по патентной и научно-технической документации, включающие признаки, сходные или эквивалентные с отличительными признаками формулы полезной модели.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется рисунком, где изображена принципиальная схема установки. Предлагаемая переносная универсальная установка для определения теплопроводности материалов состоит из термопары 1, отражателя тепла 2 и теплоулавливателя 3, электрически связанных с нагревателем 4. Между отражателем тепла 2 и теплоулавливателем 3 с канавками, в которые вставляются термопары 1, помещается испытуемый образец 5. Данная конструкция помещается на прижимной подушке 6, установленной на штангах 7, и сверху фиксируется прижимным винтом 8. Теплоизоляция 9 препятствует потери тепла в окружающую среду. Блоком управления 10 с помощью переключателя 11 установка приводится в включенное и выключенное состояние. Измеренные данные фиксируются термометром с жидкокристаллическим экраном 12.

Предлагаемая переносная универсальная установка для определения теплопроводности тонкослойных материалов работает следующим образом. Под испытуемый образец 5 помещается термопара 1, которая укладывается в канавку отражателя тепла 2. На образец 5 сверху помещается теплоулавли-ватель 3, в канавке которого укладывается вторая термопара 1. Вся конструкция помещается на при- жимной подушке 6, установленной на штангах 7, и сверху фиксируется прижимным винтом 8. Теплоизоляция 9 препятствует потери тепла в окружающую среду. Переключателем 11 блока управления 10 включают нагреватель 4, который подает тепло на отражатель тепла 2. Тепло подаваемое на испытуемый образец 5 и прошедшее через него фиксируется термопарами 1 на термометре с жидкокристаллическим экраном 12.

Рис. Переносная установка для определения теплопроводности твердых материалов

Полезная модель является «промышленно применимой», так как может использоваться при проведении научно-исследовательских экспериментов и лабораторных работ по теплофизическим измерениям теплопроводности твердых образцов.

Применительно к строительным материалам, образцы для определения теплопроводности изготавливают в виде пластины размером в плане от (20±1)´(20±1) мм до (30±1)´(30±1) мм и толщиной от (20±1) мм до (50±1) мм. Допускается изготавливать образцы в виде диска диаметром от (20±1) мм до (30±1) мм. За толщину образца принимают среднее арифметическое значение результатов всех измерений. Размеры образца измеряют линейкой с погрешностью не более 1 мм. Образцы волокнистых и сыпучих материалов помещают в рамку, изготовленную, в зависимости от температуры испытаний, из пластмассы, стеклотекстолита или керамики. Сыпучий материал засыпают с излишком в рамку, установленную на нижний термоэлемент прибора. Материал разравнивают, а излишек удаляют при помощи линейки. Далее образец или рамку с материалом устанавливают между термоэлементами. Расположение образца – горизонтальное. При горизонтальном расположении образца направление теплового потока – сверху вниз.

Устанавливают заданные значения температуры термоэлементов. Перепад температуры на поверхностях образца должен быть 10-30°С при средней температуре испытания образца от минус 40 до плюс 40°С. Допускается проведение испытаний при перепадах свыше 30°С при средней температуре испытания образцов более 40°С. После установления стационарного теплового состояния образца проводят в течение 30 мин последовательно десять измерений термо-ЭДС преобразователей теплового потока и температуры. Тепловое состояние образца считают стационарным, если три последовательных измерения термо-ЭДС от преобразователей теплового потока, производимые через каждые 10 мин, дают отклонения не более 5% их среднего значения. Испытание проводят при температуре нижнего термоэлемента (18±1)°С, верхнего – (30±1)°С. После установления стационарного теплового состояния образца проводят измерения теплового потока и температуры каждые 30 мин. Испытание считают законченным, если три последовательных измерения теплового потока дают отклонение не более 5% среднего значения. Теплопроводность в Вт/(м×К) вычисляют по формуле: λ = (q ⋅ h)/(S ⋅ ∆T), где q сp – средняя плотность теплового потока, проходящего через образец, Вт/м²; h – толщина образца, м; S – площадь области теплообмена, м²; ∆T – перепад температур верхней и нижней поверхностей образца, °С.

Среднюю плотность теплового потока рассчитывают как среднее арифметическое значение плотности теплового потока. Предел допускаемой погрешности определения теплопроводности по данному методу – 7%.

Сущность метода заключается в создании теплового потока, направленного перпендикулярно к наибольшим сторонам плоского образца определенной толщины, измерении плотности стационарно- го теплового потока и температур на противоположных гранях образца. Температура помещения, в котором проводят испытания, должна быть (22±5)°С. При определении теплопроводности сыпучих материалов максимальный размер гранул не должен превышать 20 мм. Образцы, имеющие разно-толщинность и отклонение от плоскостности более 0,5 мм, шлифуют. При теплопроводности выравнивание температур происходит при передаче тепла в одном материале от молекулы к молекуле, без изменения местоположения молекул. Тепло передается за счет энергии колебания лежащих ближе к источнику тепла и поэтому более сильно колеблющихся молекул к соседним слабее колеблющимся молекулам с помощью ударных процессов Хорошо проводят тепло твердые материалы с большой плотностью, особенно металлы. Плохо проводят тепло дерево, синтетические материалы, пористые строительные материалы. Жидкости и особенно газы тоже плохо проводят тепло, если конвекция затруднена. Материалы, плохо проводящие тепло, в строительстве называются теплоизоляционными материалами. Они применяются для уменьшения потерь энергии. Теплопроводность измеряется в Вт/(м- К).

Теплопроводность снижается тем сильнее,

• •   чем меньше плотность,

• •   чем более пористым является материал,

• •   чем меньше поры,

• •   чем меньше его влагосодержание.

Таким образом, разработанная установка для определения теплопроводности твердых образцов, например, материалов, используемых в производстве тары и упаковки самых различных вещей, может использоваться для определения теплопроводности различных строительных материалов и сыпучих материалов, например, изделий на стеновые панели и блоки из легких бетонов.