| § 7. Определение теплопроводности
Способность материалов и веществ проводить тепло называется теплопроводностью (λ) 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; ?t — разность температур на противоположных поверхностях образца, К или °С; δ— 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:
где λр—теплопроводность материала; λs — теплопроводность твердой фазы материала; Рс — количество пор, находящихся в сечении, перпендикулярном потоку тепла; Pl—количество пор, находящихся в сечении, параллельном потоку тепла; δ — радиальная постоянная; ε — 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.
Определение теплопроводности, основанное на измерении стационарного потока тепла. Метод одной пластины.
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 тепломером 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 полу-жестких 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 δ— толщина образца, м; t1 — температура горячей поверхности образца, °С; t2 — температура холодной поверхности образца, °С; Q — количество тепла, проходящее через образец в направлении, перпендикулярном его поверхности, Вт/м2.
При, этом
где R — постоянное сопротивление нагревателя тепломера, Ом; I — 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 градуировочном 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.
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 одновременно 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 (T), ваттметр (W), амперметры (A), регулятор температуры охранного нагревателя (Р), переключатель термопар (П), 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; δ — толщина образца, м; F — площадь одной поверхности электронагревателя, м2; t1 — температура у горячей поверхности образца, °С; t2— температура у холодной поверхности образца, °С.
Окончательные результаты по определению теплопроводности относят к средней температуре образцов
где t1 — температура у горячей поверхности образца (средняя двух образцов), °С; t2 — 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 1/3 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 секциями. 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),
где D — наружный диаметр испытуемого изделия, м; d — внутренний диаметр испытуемого материала, м; t1 — температура на поверхности трубы, °С; t2 — температура на внешней поверхности испытуемого изделия, °С; l — 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 теплофизические 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 знания конкретных условии 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 измерения стационарных потоков тепла, отличаются от рассматриваемых методов значительно большей идентичностью между результатами измерений и истинными значениями измеряемых тепловых величин.
Совершенствование 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 метода, основанных на измерении нестационарного потока тепла.
1. Метод регулярного теплового режима с бикалориметром. При применении этого метода могут быть использованы различные типы конструкции бикалориметров. Рассмотрим один из них — малогабаритный плоский бикалориметр 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 бикалориметра 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 стеклоткани. 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 Θ<t° при весьма большой теплопередаче (а) от тела к среде (а→∞) и при постоянной температуре этой среды (Θ = 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 котором изменение температуры в каждой точке тела подчиняется экспоненциальному закону:
где Θ — повышенная температура в какой-нибудь точке тела; U — некоторая функция координат точки; е — основание натуральных логарифмов; τ — время от начала охлаждения тела; m — темп охлаждения; А — постоянная прибора, зависящая от начальных условий.
3. После регулярного режима охлаждение характеризуется наступлением теплового равновесия тела с окружающей средой.
Темп охлаждения m после дифференцирования выражения
по τ в координатах InΘ—τ выражается следующим образом;
Расчет величины теплопроводности производят по формуле
где А и В — константы прибора; С — полная теплоемкость испытуемого материала, равная произведению удельной теплоемкости материала на его массу, Дж/(кг•°С); m — 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 InΘ—τ 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:
где Θ1 и Θ2 — соответствующие ординаты для времени τ1 и τ2.
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)
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; Vп — объем одной цилиндрической емкости прибора, равный 140 см3; рср — средняя плотность материала, г/см3.
2. Определяем произведение ВСУР, 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.
Выбираем в таблице по две точки из данных каждого опыта, отмеченные значком +, и вычисляем темп охлаждения (m1 и m2) для каждого опыта:
Расхождения в значениях темпа охлаждения m1 и m2 менее 5%, поэтому повторные опыты можно не производить.
4. Вычисляем средний темп охлаждения
Зная все необходимые величины, подсчитываем теплопроводность
При этом средняя температура образцов составляла 303 К или 30° С. В формуле 0,0169 — А (константа прибора).
2. Зондовый метод. Существует несколько разновидностей зондового метода определения теплопроводности 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.
Теплопроводность материала, Вт/ (м • °С),
где R — радиус стержня, м; С — удельная теплоемкость материала, из которого изготовлен стержень, кДж/(кгxК); V—объем стержня, м3; τ — промежуток времени между отсчетами температуры, ч; t1 и t2 — 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.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ТЕХНОЛОГИЯМ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ю.П.ГОРЛОВ
1982 |
