23.2. Метод определения коэффициента теплопроводности
Метод основан на равенстве количества тепла, проходящего через исследуемый образец и эталон при идентичности геометрических размеров в направлении прохождения тепла в стационарном режиме.
Методика регламентирована ГОСТ 25499-82 «Породы горные. Метод определения коэффициента теплопроводности». Измерения проводят в интервале температур 30-50°С при нормальных внешних условиях: относительная влажность воздуха 65%, температура окружающей среды 20°С, атмосферное давление 1013 гПа.Практически метод сводится к определению мощности, вводимой в образец, и разности температур на границах образца. Для уменьшения погрешности измерения, вызываемой трудностью учёта потерь мощности от нагревателя, в процессе эксперимента при одинаковых условиях нагрева анализируется изменение температуры как образца, так и эталона.
Образцы для испытаний и эталон должны быть изготовлены в виде плоскопараллельных дисков диаметром от 40 до 50 мм и толщиной от 4 до 5 мм или квадратов со стороной от 40 до 50 мм и толщиной от 4 до 5 мм. Нормализацию и кондиционирование используемых образцов проводят для достижения ими воздушно-сухого состояния. Для этого образцы высушивают в термостате до постоянной массы при температуре 105-110°С, охлаждают в эксикаторе и выдерживают в воздушной среде с влажностью 40-60% в течение 24 ч.
Схема установки для определения коэффициента теплопроводности показана на рис. 23.3.
 |
Рисунок 23.3. Схема установки для определения коэффициента теплопроводности:
1 - нагреватель; 2 - исследуемый образец; 3 - мерная прокладка; 4 - эталон; 5 - теплоизоляционные прокладки; 6 - калориметр; 7 - дифференциальные термопары; 8 - переключатель; 9 - микровольт-метр; 10 - теплоизоляционный экран
Для сохранения ненарушенности эталона и образца при размещении спая дифференциальной термопары между ними помещают тонкую медную прокладку толщиной 2,0 мм.
В нагревателе, калориметре и медной прокладке для установки спаев дифференциальных термопар высверливают отверстия диаметром 1,5 мм и глубиной в половину их поперечных размеров на минимальном расстоянии от рабочих поверхностей, контактирующих с образцом и эталоном. Для создания теплового потока через исследуемый образец и эталон используют теплосодержание нагревателя, представляющего собой массивный алюминиевый цилиндр, который предварительно помещают в термостат и нагревают в нем в течение 1 ч до 60-80°С.Испытания проводят в следующем порядке. Сначала измеряют толщину эталона и исследуемого образца с погрешностью не более 0,1 мм. Нагреватель извлекают из термостата и помещают его в теплоизоляционный экран. На нагреватель в центре помещают эталонный образец, затем медную прокладку, исследуемый образец и сверху устанавливают калориметр, находящийся при температуре окружающей среды. Жестко устанавливают в высверленных отверстиях нагревателя, медной прокладки и калориметра две дифференциальные термопары, измеряющие разность температур между нагревателем, медной прокладкой и калориметром. Соединяют дифференциальные термопары через переключатель с микровольтметром.
Вследствие разности температур между нагревателем и калориметром образуется тепловой поток, проходящий через систему нагреватель-эталон-прокладка-образец-калориметр. Ввиду большой массы, а следовательно, значительной полной теплоёмкости нагревателя и калориметра их температуру в течение опыта следует считать постоянной. Включают в сеть микровольтметр. В дальнейшем с помощью микровольтметра отмечают момент, когда показания обеих термопар становятся постоянными, что соответствует установлению стационарного теплового режима. Фиксируют показания обеих термопар.
Коэффициент теплопроводности образца (λо) в Вт/(м ? К) вычисляют по формуле:
λо = λэ ? (ho/hэ) ? (ΔТэ/ΔТо), (23.5)
где hо и hэ – толщина исследуемого образца и эталона, мм;
ΔТо и ΔТэ – перепады температур внутри эталона и образца, К.
Перепады температур внутри эталона и образца вычисляют по формулам:
ΔТэ = ΔТн-м - ΔТкон1; ΔТо = ΔТм-к - ΔТкон2, (23.6)
где ΔТн-м – показания дифференциальных термопар, указывающих перепады температуры между нагревателем и медной прокладкой, К;
ΔТм-к – показания дифференциальных термопар, указывающих перепады температуры между медной прокладкой и калориметром, К;
ΔТкон1 – перепады температур на контактах нагреватель-эталон и эталон-медь, К;
ΔТкон2 – перепады температур на контактах медь-образец и образец-калориметр, К.
Считают, что перепады температур на контактах не зависят от материала соприкасающихся поверхностей, следовательно,
ΔТкон1 = ΔТкон2 = ΔТкон.
Значение ΔТкон определяют при проведении вспомогательного эксперимента по аналогичной схеме, но вместо эталона и исследуемого образца берут два одинаковых образца исследуемого материала с различной толщиной. Значение ΔТкон вычисляют по формуле:
ΔТкон = (h2 · ΔТн-м - h1 · ΔТм-к)/(h2 - h1), (23.7)
где h1 и h2 – толщина образцов исследуемого материала, м.
Погрешность определения коэффициента теплопроводности не должна превышать 10-12%.