ГОСТ Р 57967-2017 Композиты. Определение теплопроводности твердых тел методом стационарного одномерного теплового потока с охранным нагревателем

     4 Сущность метода

4.1 Общая схема метода стационарного одномерного теплового потока с использованием охранного нагревателя показана на рисунке 1. Испытуемый образец с неизвестной теплопроводностью , имеющий предполагаемую удельную теплопроводность , устанавливают под нагрузкой между двумя эталонными образцами с теплопроводностью , имеющими такую же площадь поперечного сечения и удельную теплопроводность . Конструкция представляет собой пакет, состоящий из дискового нагревателя с испытуемым образцом и эталонными образцами с каждой стороны между нагревателем и теплоотводом. В исследуемом пакете создается градиент температуры, потери тепла сводятся к минимуму за счет использования продольного охранного нагревателя, имеющего приблизительно тот же температурный градиент. Через каждый образец протекает примерно половина энергии. В равновесном состоянии коэффициент теплопроводности определяют исходя из измеренных градиентов температуры испытуемого образца и соответствующих эталонных образцов и теплопроводности эталонных материалов.

4.2 Прикладывают силу к пакету для обеспечения хорошего контакта между образцами. Пакет окружается изолирующим материалом с теплопроводностью . Изоляция заключена в охранную оболочку с радиусом , находящуюся при температуре . Устанавливают градиент температуры в пакете путем поддержания верхней части при температуре и нижней части при температуре . Температура обычно является линейным температурным градиентом, приблизительно соответствующим градиенту, установленному в исследуемом пакете. Может быть также использован изотермический охранный нагреватель с температурой , равной средней температуре испытуемого образца. Не рекомендуется использовать конструкцию измерительной ячейки прибора без охранных нагревателей из-за возможных больших тепловых потерь, особенно при повышенных температурах. В стационарном состоянии температурные градиенты вдоль участков вычисляют на основе измеренных температур вдоль двух эталонных образцов и испытуемого образца. Значение без учета поправки на теплообмен вычисляют по формуле (условные обозначения приведены на рисунке 2).

,                                 (1)

где - температура при , К;

- температура при , К;

- температура при , К;

- температура при , К;

- температура при , К;

- температура при , К;

- координата 1-го датчика температуры, м;

- координата 2-го датчика температуры, м;

- координата 3-го датчика температуры, м;

- координата 4-го датчика температуры, м;

- координата 5-го датчика температуры, м;

- координата 6-го датчика температуры, м.

Такая схема является идеализированной, так как она не учитывает теплообмен между пакетом и изоляцией в каждой точке и равномерную передачу тепла на каждой границе раздела эталонных образцов и испытуемого образца. Погрешности, вызванные этими двумя допущениями, могут сильно изменяться. Из-за этих двух факторов должны быть предусмотрены ограничения на данный метод испытаний, если требуется достигнуть необходимой точности.

1 - градиент температуры в охранной оболочке; 2 - градиент температуры в пакете; 3 - термопара; 4 - зажим; 5 - верхний нагреватель; 6 - верхний эталонный образец; 7 - нижний эталонный образец; 8 - нижний нагреватель; 9 - холодильник; 10 - верхний охранный нагреватель; 11 - нижний охранный нагреватель

     
Рисунок 1 - Схема типичного испытуемого пакета и охранной оболочки, показывающая соответствие градиентов температуры

1 - изоляция; 2 - охранный нагреватель; 3 - металлическая или керамическая охранная оболочка; 4 - нагреватель; 5 - эталонный образец; 6 - испытуемый образец; - приблизительное расположение термопар

     
Рисунок 2 - Схема метода одномерного стационарного теплового потока с использованием охранного нагревателя с указанием возможных мест установки датчиков температуры