Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

где l — длина рабочего участка; I— сила тока.

Создать идеальную адиабатическую изоляцию невозможно, поэтому метод Кольрауша в области высоких температур неточен. Для уменьшения его погрешностей применяют различные системы поправок. Наибольшее распространение получила система, разработанная Егером и Диссельхорстом.

Эти поправки, учитывающие наличие теплообмена на боковой поверхности образца, определяются экспериментально и позволяют, как показывает практика, значительно повысить точность метода Кольрауша.

При высоких температурах (выше 1000 °C) неучтенные тепловые потери с боковой поверхности образца делаются большими и метод становится недостаточно точным.

9.2.2.Относительные методы

Впрактике большое распространение получили относительные методы, основанные на сравнении теплопроводности исследуемого образца с теплопроводностью эталона.

Относительные методы в большинстве своем основаны на определении величины входящего в образец или выходящего из образца теплового потока с помощью дополнительного образца из эталонного материала, обладающего известным и воспроизводимым коэффициентом теплопроводности. Такой образец-эталон и исследуемый образец, имеющие обычно одинаковое поперечное сечение, соединяют торцами друг с другом по возможности плотно для уменьшения теплового сопротивления в месте стыка.

461

По концам сборки с помощью двух нагревателей или нагревателя и холодильника создается разность температур. Вдоль образца и эталона устанавливается некоторый градиент температур, который и измеряют, как на исследуемом образце, так и на эталонах; зная коэффициент теплопроводности материала эталона, можно легко определить величину теплового потока, проходящего через него, и, следовательно, входящего в исследуемый образец или выходящего из него в зависимости от взаимного расположения образца и эталона. Для повышения точности измерений часто применяют два или более эталона, между которыми заключается образец. В этом случае определяется величина входящего в исследуемый образец и выходящего из него тепловых потоков и могут быть определены также боковые потери. С. М. Рождественский сконструировал установку, основанную на описанном принципе, в которой испытываются одновременно четыре одинаковых образца, что еще больше повышает точность измерений.

В этой установке (рис. 9.4) исследуемый образец располагается между двумя образцами-эталонами из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Такой составной образец помещают между двумя нагревателями, имеющими разные температуры. Пространство между сборными образцами заполняют теплоизолирующей шамотной засыпкой. Образцы закладывают в обойму из шамотного кирпича. Обойма, в свою очередь, окружена толстым металлическим экраном, на котором теми же нагревателями создается перепад температур. Поскольку исследуемый образец находится между двумя эталонами, то величины входящего в него и выходящего тепловых потоков известны. Коэффициент теплопроводности образца может быть вычислен по формуле

2S2 x2

462

Здесь индексы «1» и «3» относятся к образцам-эталонам, а индексы «2» — к исследуемому образцу.

Применяемые в установке Рождественского С.М. образцы имеют диаметр 20 и длину 52 мм. Для повышения точности результата автор использовал два стационарных режима: сначала тепловой поток распространялся в одном направлении, за тем — в другом. Погрешность измерений по оценке автора не превышает 5 %.

Большим достоинством относительных методов является простота эксперимента и высокая производительность. Применяют их обычно при исследованиях в интервале температур от комнатной до 900 °С.

Точность относительных методов невелика и для области средних температур обычно составляет 5—8 %.

9.2.3. Нестационарные методы

Для исследования теплопроводности металлов с успехом применяются также и динамические методы, использующие неустановившееся температурное состояние в образце. Объектом измерения в этом случае является коэффициент температуропроводности

Для определения необходимо знать удельную теплоемкость образца Ср и плотность .

При исследовании в области средних температур большое развитие получил метод Ангстрема, сущность которого состоит в следующем: один конец длинного неизолированного металлического стержня периодически нагревается, при этом длина стержня такова, что температурные волны в нем затухают, не достигнув второго конца (x=L), т. е. стержень можно

464

считать полуограниченным. Сечение образца предполагается малым, так что температура его в центре может быть принята равной температуре поверхности. Если теплообмен с боковой поверхности стержня линейно зависит от его температуры, то уравнение теплового баланса

где т — время; х—расстояние от нагреваемого конца до выбранного сечения; T=T(x) - Tm —разность между температурой образца и температурой окружающей среды;

где 1—коэффициент теплоотдачи стержня в окружающую среду; г — радиус стержня.

Граничное условие при х = 0

465