Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

В первую группу входят: а) методы, основанные на непосредственном определении теплопроводности путем измерения величины теплового потока в исследуемом образце и определения температурного градиента (абсолютные методы); б) методы, основанные на сравнении исследуемого материала с эталоном (относительные методы).

Вторая группа включает методы, основанные на определении температуропроводности в условиях неустановившегося теплового режима с последующим вычислением коэффициента теплопроводности на основании дополнительных сведений о теплоемкости и плотности исследуемого материала.

Теплопроводность в условиях установившегося режима определяется путем измерения плотности теплового потока q, проходящего через рабочую часть образца, и распределения температур на том же участке. При этом коэффициент теплопроводности часто полагается постоянным в исследуемом температурном интервале, определяемом температурой концов расчетного участка.

Стационарные методы отличаются друг от друга методикой создания и измерения теплового потока в образце, геометрией образцов, способами измерения температур и учета неизбежных тепловых потерь.

9.2.1. Абсолютные методы

Абсолютные методы наиболее часто используют для измерения теплопроводности. По характеру учета проходящего через образец тепла они могут быть разделены, в свою очередь, на калориметрические и энергетические методы.

9.2.1.1. Калориметрические методы

Для калориметрических методов характерным является способ измерения установившегося потока тепла через рабочую часть образца с помощью калориметров различных систем. На рис. 9.1 представлена схема установки Дональдсона. Образец находится между источником тепла и калориметром,

451

регистрирующим величину теплового потока, проходящего в единицу времени через нижнее сечение расчетного участка образца. Величина теплового потока определяется разностью температур на входе и выходе калориметра, через который протекает с постоянной скоростью вода.

В других системах иногда измеряют тепловой поток по величине теплоты испарения кипящей в калориметре жидкости. В этом случае калориметр имеет выносной холодильникконденсор.

Температурный перепад на рабочем участке в большинстве случаев измеряют термопарами. При низких температурах применяют также термометры сопротивления.

Металлические образцы для исследования теплопроводности имеют обычно такое соотношение длины и поперечного сечения, чтобы задачу можно было считать одномерной.

Основными мерами борьбы с тепловыми потерями, имеющими место, главным образом, вследствие теплообмена на боковой поверхности образца, являются: тепловая изоляция или компенсационные оболочки, окружающие образец, на которых пытаются создавать такие же температурные градиенты, что и на образце.

Втех случаях, когда отсутствует боковая теплоизоляция образца, это ведет к появлению погрешностей, поскольку тепло, измеряемое в калориметре, не равно теплу, проходящему вдоль образца, так как часть тепла теряется с боковой поверхности. Теплопроводность на таких установках в основном измеряют при комнатных температурах. Потери могут быть значительно уменьшены полированием боковой поверхности, уменьшающей теплообмен излучением, и вакуумированием рабочего объема установки, что приводит к уменьшению теплообмена конвекцией и кондукцией.

Вбольшинстве установок применяется боковое экранирование образца.

Вустановке Дональдсона образец окружен специальным металлическим цилиндром. Один конец цилиндра соединен с

453

нагревателем, передающим тепло на образец. Второй конец имеет водяной холодильник. Температура холодильника может регулироваться изменением скорости, поступающей в него воды. Таким образом, на цилиндре можно создать такое же распределение температур, как и на образце; это позволяет свести к минимуму боковые потери с образца. Применяют также засыпку теплоизоляционными материалами пространства между экранами.

Для улучшения теплового контакта между образцом и калориметром, что также существенно уменьшает боковые потери, применяют плотную посадку головки образца в медный блок калориметра, притирку контактирующих поверхностей, теплопроводные смазки и т. п.

В области высоких температур нагрев образца иногда осуществляют индукционным методом, а измерение температурного градиента с помощью оптического пирометра. Калориметрическими методами редко пользуются в условиях нагрева выше 500° С. Область их применения обычно ограничивается средними и низкими температурами.

К недостаткам калориметрических методов следует отнести большой градиент температур на рабочем участке образца и сравнительно узкую температурную область исследования.

Достоинствами являются прямое измерение теплового потока, проходящего через образец, и относительная простота аппаратуры и методики измерения. Погрешности при калориметрических методах исследования теплопроводности составляют обычно 3—5%.

9.2.1.2. Энергетические методы

Стационарные энергетические методы исследования теплопроводности металлических материалов основаны на измерении электрической мощности, затрачиваемой на создание теплового потока в исследуемом образце.

454

Вслучае косвенного нагрева образца величина теплового потока, входящего в образец, определяется путем измерения мощности, затрачиваемой в нагревателе.

При направлении теплового потока по оси образца нагревателями обычно служат миниатюрные печи сопротивления, мощность которых легко и точно находится измерением электрических параметров. При прохождении всей выделяемой мощности через образец величина теплового потока определяется значительно точнее, чем при помощи калориметра.

Указанный принцип положен в основу работы установки Манхена. Схема ее приведена на рис. 9.2. Электрический нагреватель в приборе Манхена помещен внутри образца, что значительно сокращает тепловые потери. Образец представляет собой цилиндр с несколько увеличенным диаметром на одном конце. В этом конце (головка) просверливается углубление, в которое вставляется электрический нагреватель. Сверху отверстие закрывается шайбой из того же испытуемого материала. Нижний (холодный) конец через теплоизолирующие прокладки крепится на дне цилиндра. Для охлаждения этого конца образца его вместе с нижней частью установки помещают в ванну с постоянной температурой. В данной установке отсутствует боковая экранизация образца, что, естественно, снижает точность измерения X. Чтобы учесть тепловые потери головки образца, производят отдельный опыт. Головку образца отрезают и вместе с вмонтированным в нее нагревателем подвешивают на нитях. Затем с помощью нагревателя температуру головки доводят до температуры опыта. Требуемая для этого электрическая мощность представляет собой тепловые потери с головки образца.

Вданной установке перепад температур вдоль образца определяется двумя термопарами.

Чтобы избежать потери тепла, Хаттори применил охранный цилиндр в виде трубы, вдоль которой поддерживается такое же распределение температур, как и вдоль образца, с помощью спирали, надетой на трубу на той же высоте, что и на-

455