CC BY
10
IK
нлты
ЫКРА1НИ
BlUIÄl®
Науковий BicH и к Н/1ТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280523 Article received 14.05.2018 р. Article accepted 31.05.2018 р.
УДК 536.2.083
ISSN 1994-7836 (print) Ш1 ISSN 2519-2477 (online)
@ El Correspondence author Ya. P. Yusyk [email protected]
I. С. Васильювський, В. О. Фединець, Я. П. Юсик
Нацюнальнийунiверситет "Львiвська полтехнжа", м. Львiв, Украта
ВИМ1РЮВАННЯ ТЕПЛОПРОВ1ДНОСТ1 ЛИСТОВИХ МАТЕР1АЛ1В З УРАХУВАННЯМ КОНТАКТНИХ ТЕПЛОВИХ ОПОР1В
Розглянуто питання впливу контактних теплових опорiв (КТО) на точшсть вимшрювання теплопровщност матерiалiв. Наведено конструкщю пристрою для визначення значень КТО. В основi пристрою е пакет iз двох пар плоских зразюв, роз-мiщених у рiзнiй послiдовностi мiж джерелом тепла i приймачами тепла однаково! температури. Один iз зразкiв у всiх парах мае одну i ту саму товщину, другий зразок у двох парах пакета вiдрiзняеться за товщиною вдвiчi. Рееструють тепловий по-тж через пакети, рiзницю температур мiж серединними зразками пакетiв та перепад температур на тонкому зразку i за отри-маними даними розраховують шукану величину. Подано результати експериментального визначення КТО мiж рiзними ма-терiалами. Показано, що знехтувати впливом КТО на результат вимiрювання у визначенш коефiцiента теплопровiдностi рiз-них матерiалiв (особливо високотеплопровiдних) не можна, оскiльки вiн спiввимiрний з тепловими опорами дослщжуваних зразкiв. Для виключення цього впливу на результат вимiрювання теплопровiдностi розроблено вимiрювальний перетворю-вач для вимiрювання теплопровiдностi листових матерiалiв на основi мостово! теплово! вимшрювально! схеми. Наведено схему з'еднання теплових опорiв i КТО, розподiлу теплових потоюв i температур у зрiвноваженiй мостовiй тепловiй вимь рювальнiй схемi та принципову схему вимiрювального перетворювача теплопровiдностi листових матерiалiв.
Кл^чов^ слова: коефщент теплопровiдностi; мостова теплова вимiрювальна схема; дослiджуваний зразок; еталонний зразок; тепловий отр контакту; площа контакту.
Вступ. Шд час контакту теплопровщних шар1в на поверхш !х под1лу виникае контактний тепловий отр (КТО). Цей отр виникае тод1, коли поверхш двох мате-р1ал1в недостатньо щшьно притиснут одна до одно! й м1ж ними залишаеться тонкий шар рвдини чи газу. Дос-лвдження контакту м1ж твердими поверхнями показуе, що матер1али торкаються один до одного лише вершинами профшв шорстких поверхонь, а впадини повер-хонь контакту заповнеш шшим середовищем: повирям, родиною або вакуумом.
Мехашзм теплопередавання в зон поверхонь контакту е досить складним. У м1сцях безпосереднього контакту твердих поверхонь перенесення тепла здшснюеться через теплопровщшсть, а через зазори, заповнеш родиною чи газом, вщбуваеться ще й через кон-векцш та випромшення.
У ввдомих розробках теплоф1зичних прилад1в недостатньо уваги придшяють питанням впливу КТО на результат вим1рювання, внаслвдок чого прилади не забез-печують високо! точносп вим1рювання (Pribory dlia tep-lofizicheskikh izmerenii, 1991; Platunov, et а1., 1986). З ог-ляду на це виникло багато задач: визначення КТО, дос-лвдження !х впливу на точшсть вим1рювання теплопро-
ввдносп, а також побудова прилад1в для вишрювання теплопроввдносп з урахуванням проведених досль джень для компенсацп цього впливу.
Ыдомо, що передача тепла через зону контакту за рахунок теплопров1дност1 вщбуваеться двояко: через м1сця безпосереднього (фактичного) контакту тш 1 через середовище, що заповнюе проспр м1ж контакту-ючими поверхнями. Питома теплова провщшсть сере-довища ас { фактичного контакту ат ув1мкнеш пара-лельно, тому питома провщшсть контакту ак визна-чаеться !х сумою.
У лгтературних джерелах наводять емтричну формулу для наближеного визначення питомо! проввдносп контакту (Sh1ykov, et а1., 1977)
ak ac + am
К ■ Y
■ + 8-103-К ■
т f p ' k
(1)
2(h + h2) "' ^ 3 -&B,
де: Km = 2 ■ К -К./ (К + К); К, К - коефiцieнти теплопро-ввдносп для кожного матерiалу контактуючоТ пари, вщ-повщно; h1, h2 - середнi висоти мiкронерiвностей кон-тактуючих поверхонь, що вiдпoвiдають класу чистоти оброблення; К - теплопровщшсть середовища, що за-
0
1нформащя про aBTopiB:
Вaсилькiвський 1гор Степанович, канд. техн. наук, доцент, кафедра автоматизаци та комп'ютерно-iнтегрованих технологiй.
Email: [email protected]; https://orcid.org/0000-0001-9172-4765 Фединець Василь Олексшович, д-р техн. наук, доцент, професор, кафедра автоматизаци та комп'ютерночнтегрованих
технолопй. Email: [email protected]; https://orcid.org/0000-0002-9392-7491 Юсик Ярослав Петрович, канд. техн. наук, доцент, кафедра автоматизаци та комп'ютерночнтегрованих технолопй.
Email: [email protected]; https://orcid.org/0000-0001-5495-5206 Цитування за ДСТУ: Васильювський I. С., Фединець В. О., Юсик Я. П. Вимiрювання теплопровщносп листових матерiалiв з
урахуванням контактних теплових опорiв. Науковий вкник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 5. С. 106-110. Citation APA: Vasylkivskyi, I. S., Fedynets, V. O., & Yusyk, Ya. P. (2018). Measurement of thermal conductivity of sheet materials concerning thermal contact resistance. Scientific Bulletin of UNFU, 28(5), 106-110. https://doi.org/10.15421/40280523
повнюе контактну зону; p - контактнии тиск; uB - гра-ниця мiцностi для бiльш еластичного матерiалу; Y -ввдносна величина зазору, яку приймають для шлiфова-них поверхонь за нормальних умов, що дорiвнюe 3,33; k = (15•106)/(й1 + h2) для h + h2 < 10 мкм; am - теплова провiднiсть фактичного контакту.
З формули (1) видно, що перший складник провщ-ностi визначаеться тiльки властивостями середовища, що заповнюе контакт, i чистотою оброблення контакту-ючих поверхонь, а другий - вщ теплопровiдностеИ кон-тактуючих матерiалiв.
Для визначення КТО використано таку формулу:
Rk = 0-=, (2)
ak • S
де S - площа контакту дослвджувано1 пари.
Розрахунок КТО за формулами (1) та (2) може приз-вести до значних похибок вимiрювань, осшльки залеж-нiсть КТО вiд масштабного та температурного факторiв не дослвджена. Окрiм цього, не дослвджена така залеж-нiсть за грубого оброблення контактуючих поверхонь.
Як видно з наведеного вище, процес контактно1 про-вiдностi вiдрiзняеться великою складнiстю, осшльки за-лежить вiд низки рiзних за сво1м характером чинник1в. Значна частина ввдомих дотепер робiт щодо контактного теплообмiну мае експериментальний характер. Роз-рахунковi спiввiдношення, як трапляються в деяких дослвдженнях, часто суперечливi i недостатньо теоретично обгрунтоваш, тому розрахунок теплового опору контакту мае певш труднощi. Отже, на сьогоднi вивчен-ня КТО за рiзних параметрiв контактуючих поверхонь та навколишнього середовища в задачах вишрювання теплопровiдностi е одним з актуальних завдань сучас-но1 теплофiзики (Mishchenko, et al., 1999).
Мета роботи - експериментальне визначення зна-чень КТО мiж зразками рiзних твердих матерiалiв роз-робленим авторами пристроем для вимiрювання КТО, аналiз 1х впливу на результат вимiрювання теплопро-вiдностi рiзних матерiалiв, створення на базi розробле-них методолопчних пiдходiв методу вимiрювання теп-лопроввдносп матерiалiв та реалiзацiя на його основi вимiрювального перетворювача теплопровiдностi мате-рiалiв, що дасть змогу усунути вплив КТО на результат вимiрювання.
Виклад основного матерiалу. Для дослвдження КТО автори дослiдження розробили пристро1 для вимь рювання КТО з високою точшстю. Принципову схему одного iз таких пристро1в (Vasilkivskii, et al., 1988) наведено на рис. 1.
2 5 3 5
опорами. У кожному пакет розмщеш два типи контактуючих зразшв з рiзних матерiалiв - зразок першого типу i зразок другого типу (контактний отр мiж ними тдлягае визначенню). Зразки другого типу в кожному пакет розрiзняються вдвiчi за товщиною, а саме - зразок 3 вдвiчi тонший, шж зразок 4. Зразки 3 i 4 розташо-вуються в пакетах у рiзнiй послiдовностi вiдносно дже-рела тепла. Зразки 5 першого типу виконаш однаково! товщини i розташованi в кожнiй парi зразшв ближче до джерела тепла. Два зразки 5 розташоваш також мiж стоками тепла i пакетами зразшв. Зразки 5 забезпечеш вимiрювачами 6 !х температури. Конструктивно вся збiрка утримуеться в теплоiзоляцiйному корпусi 7. Осьове стискання збiрки здiйснюеться мехашзмами 8 дозованого навантаження.
Визначення контактного теплового опору здшсню-ють у ташй послiдовностi.
На джерело тепла 1 подають постiйну теплову по-тужнiсть, а приймачi тепла 2 тдгримують за постiйних температур, однакових мiж собою. Пiсля встановлення стацюнарного режиму теплопередачi рееструють по-тужшсть джерела тепла 1, рiзницю температур, що встановилися мiж зразками 3 i 4, розташованими в рiз-них пакетах вiдносно джерела тепла, i перепад температур на зразках 3 (як середне арифметичне вщ суми двох вимiряних значень на кожному зразку з метою змен-шення похибки вимiрювання).
Розглянемо пакет зразшв злiва вiд джерела тепла (з урахуванням того, що зразок 3 вдвiчi тонший, шж зра-зок 4).
Значення температури Т12 на сторчаку зразка 4 таке:
Ti2 = TH - Fi ■ R + Rk + 2 • R + Rk).
(3)
де: Т12 - вишрювана температура; Тн - температура джерела тепла; - тепловий потiк, що проходить через даний пакет зразк1в; R5 - тепловий отр зразка 5; Rk - КТО мiж зразками рiзних матерiалiв; 2 • R - тепловий отр зразка 4.
Значення температури Т22 на сторчаку зразка 3 таке:
T22 = Th - F2 ■ (R5 + Rk + R + Rk),
(4)
де, о^м ввдомих, Т22 - вимiрювана температура; F2 -тепловий потж, що проходить через даний пакет зразшв; R - тепловий отр зразка 4.
Осшльки тепловi опори обох пакепв зразшв однако-вi i температури приймачiв тепла однаковi, то
F1 = F2 = F = Ш/2, (5)
де W - теплова потужшсть, що видiляеться на джерелi тепла.
Рiзницю температур, що встановилася мiж зразками 3 i 4, розташованими в рiзних пакетах вiдносно джерела тепла, розраховують так:
ДТ1 = T12 - T22 = F ■ R .
(6)
111 112 ' Рис. 1. Принципова схема пристрою для визначення КТО (взаемне розмщення дослщжуваних пар зразюв, джерела та приймач1в тепла)
Пристрiй складаеться iз джерела тепла (електронаг-рiвача) 1, приймачiв тепла 2, мiж якими розмiщенi два пакети зразшв з однаковими сумарними тепловими
Перепад температур АТ2л на зразку 3 злiва вщ дже-рела тепла:
АТ2л = Fl • (Rk + R + Rk). (7)
Аналогiчно, перепад температур АТ2п на зразку 3 справа вщ джерела тепла:
АТ2п = F2 • (Rk + R + Rk). (8)
Перепад температур АТ2 на зразках 3 визначаемо як середне арифметичне вщ суми двох вимiряних значень на кожному зразку для зменшення похибки вимiрюван-ня, тодi отримаемо:
ДТ2 = F • (2 • Rk + R). (9)
Розв'язуючи систему рiвнянь (6) i (9) за вимiряними значеннями ДТ, ДТ2 та Ж визначають значення КТО за формулою
= ДТ2 -ДТ1 = ДТ2-ДТ1. (ю)
* 2F Ж У '
Проводили дослiдження КТО мiж рiзними твердими матерiалами як без використання змащування, так i з використанням змащування контактуючих поверхонь iз застосуванням пристрою для вимiрювання КТО. Ре-зультати експериментального визначення КТО наведено в таблищ. Вони показують, що !х значення змшю-ються в межах вщ 1,1 до 0,72 К/Вт - за ввдсутносл змащування на контактуючих поверхнях, i вiд 0,31 до 0,18 К/Вт - за змащування контактуючих поверхонь змазкою ПФМС-4, тобто заповнення мiжконтактного простору зменшуе КТО приблизно в 3-3,5 рази.
Таблиця. Результати експериментального визначення КТО
Матер1ал, що контак-туе з м1дною пластиною Чистота оброблен-ня, Rz, мкм Тиск, МПа
0,5 | 1,0 | 2,0 0,5 | 1,0 | 2,0
Значення КТО
без заповнення i3 заповненням ПФМС-4
Оргашчне скло 3,2 1,10 1,02 0,98 0,31 0,29 0,28
1,6 0,85 0,83 0,83 0,24 0,23 0,23
Сплав ВТ-6 3,2 1,06 1,02 1,01 0,29 0,28 0,28
1,6 0,88 0,85 0,85 0,22 0,22 0,22
Сталь 12Х18Н10Т 3,2 1,05 1,04 0,98 0,28 0,26 0,27
1,6 0,84 0,81 0,75 0,21 0,20 0,20
Низьковуг-лецева сталь 3,2 0,94 0,93 0,9 0,27 0,27 0,26
1,6 0,78 0,76 0,72 0,19 0,18 0,18
Для полшшення контактування двох поверхонь i зниження КТО може бути використано заповнення контактно! зони середовищем, що мае теплопровщшсть, близьку до теплопровщност металiв. Поширеним методом зменшення КТО е введення в зону контакту порош-коподiбних i в'язких речовин з доброю теплопровщню-тю: паст, мастил, рщин.
Отже, проведенi дослiдження дають пiдстави зроби-ти висновок, що КТО залежить переважно вiд якост оброблення контактуючих поверхонь, використання змащування i дуже мало залежить вщ теплопровiдностi, механiчних властивостей контактуючих матерiалiв та контактного тиску.
Знехтувати впливом КТО на результат вимiрювання у визначенш коефiцiента теплопровiдностi рiзних мате-рiалiв (особливо високотеплопровiдних) не можна, ос-кiльки КТО спiврозмiрнi з тепловими опорами досл> джуваних зразкiв. Так, наприклад, проведення досл> джень без врахування впливу КТО матерiалiв з коеф> цiентом теплопровiдностi Л>10 Вт/(м-К) призведе до похибки вимiрювань 15 % та бшьше (Kurepin, 1982).
Для виключення впливу КТО на результат вимiрюван-ня теплопровiдностi ми розробили вимiрювальний перет-ворювач теплопровдаосп листових матерiалiв у дiапазонi вщ 40 до 400 Вт/(м^К) на основi зрiвноваженоl мостово! ТВС, принципову схему якого наведено на рис. 2.
Джерело тепла 1 формуе вузькоспрямований потж випромшювання в iнфрачервонiй областi спектра на по-верхню до^джувано! пластини 3, яка знаходиться в контакт з поверхнями двох пакелв зразкiв. Пакети зраз-ив зафiксованi на поверхш стоку тепла 2. Вони склада-ються з тепломiрних елементiв 4, температуровирiвню-
вальних пластин 5, опорних зразмв 6 i 7 з рiзними тепловими опорами та контактних елеменлв 8, виготовле-них з високотеплопровщно! гуми. Дослiджувана пластина 3 притискаеться до пакелв пщпружиненими фжсато-рами 9, закршленими на корпусi 10, шляхом перемщен-ня стоку тепла 2 вздовж направляючих 11 з допомогою гайки 12 i гвинта 13, який обертаеться ручкою 14.
Рис. 2. Принципова схема вишрювального перетворювача теп-лопров1дносп листових матер1ал1в
У температуровирiвнювальних пластинах 5 розм> щенi злюти диференцшно! термопари 15, яка шдключе-на до пщсилювача 16 i сигнал ДТаб з якого поступае на регулюючий блок 17, що керуе роботою двигуна Д. Двигун приводить в рух гвинт 18, що змшюе поло-ження гайки 19 вздовж направляючо! 20 ^ цим самим -положення джерела тепла 1 1\ доти, поки сигнал диференцшно! термопари ДТаб не буде дорiвнювати нулю. Тодi результат вимiрювання зчитуеться зi шкали 21. Температура стоку тепла 2 задаеться з допомогою термостату 22.
Розглянемо мостову зрiвноважену ТВС зi зрiвнова-женням теплових потоив, що проходять через опорш зразки, яка лежить в основi цього перетворювача теп-лопровщносл. Схему з'еднання теплових опорiв i КТО в нiй наведено на рис. 3.
Рис. 3. Схема з'еднання теплових опор1в \ КТО, розподшу теплових потоков та температур у зр1вноваженш мостовш ТВС з1 зр1вноваженням теплових потоков, що проходять через опорн зразки
Для ще! ТВС можна записати таку систему рiвнянь:
Т - Та Та - Т
Fi =
F2 =
Rx1 + Rk + Ro1 + Rk
Ti - Tb
Rx2 + Rk + Ro2 + R
k
R
Tb - T2 R
(11)
Умови р1вност1 теплових потошв, що проходить через еталонш зразки, досягають шляхом дп теплового потоку на обмежену зону дослщжуваного зразка 1 пере-мщенням м1сця дп теплового потоку (джерела тепла). Очевидно, що за виконання умов р1вност1 теплових потошв, як проходять по р1зних теплопровщних колах (F1=F2), маемо ЛТаЪ=0.
Розв'язуючи систему р1внянь, можна записати таке р1вняння р1вноваги:
+ ^ + + ^ = Де2 + ^ + Д>2 + ^ , (12)
або тсля нескладних перетворень отримуемо
Rx1 - Rx2 - Ro2 - Ro1 .
(13)
Звщси, подавши значения теплових onopiB елемен-TiB ТВС через 1х геометричнi розмiри та коефiцieнт теп-лопровiдностi, отримуемо формулу для визначення ко-ефiцieнта теплопровiдностi дослвджуваного зразка
Л -
L - 2li
Sx
ln
ln
ДоГ S01 A)2' Sn
(14)
де: А, Ао1, Ао2 - коефщенти теплопров1дност1 дослвджу-ваного, першого та другого опорних зразшв, ввдповщ-но; Ь - ввдстань м1ж опорними зразками; 11 - ввдстань в1д середини м1сця дп теплового потоку до одного 1з опорних зразк1в; 1о1, 1о2 - товщина першого та другого опорних зразшв, в1дпов1дно; Sx, So1, So2 - площа поперечного перер1зу дослщжуваного, першого та другого опорних зразшв, вщповвдно.
Шсля нескладних перетворень отримуемо
Л - A - B-h,
(15)
де А i В - константи приладу, як1 знаходяться при гра-дуюваннi, причому
L1 „ 2
Sx
1в1
V Лв1 - Se1
1в2 Лв2 - S„-
B
Sx
1в1 Лв1 - S„1
1в2 Лв2 - S„-
Для градуювання перетворювача використовували
стандартнi зразки з мщ, низьковуглецево! i нержавь ючо! сталей та сплаву ВТ-6.
Проведенi дослвдження теплопроввдносп пластин,
виготовлених з алюмшга, алюмiнiевих сплавiв, рiзних
марок латунi, бронзи, сталi. Гранична допустима по-хибка вимiрювання у всьому дiапазонi не перевищуе
8 %, що вдалось досягнути за рахунок виключення по-
хибок вщ впливу контактних теплових опорiв та шших неiнформативних впливiв на результат вимрювання.
Висновки. Розглянуто питання впливу КТО на точ-нiсть вимiрювання теплопровiдностi матерiалiв та наведено конструкцш пристрою для визначення значень КТО мiж рiзними матерiалами. За результатами викона-них експериментальних дослщжень встановлено, що знехтувати впливом КТО на результат вишрювання у визначенш коефiцiента теплопроввдносп рiзних матерь алiв (особливо високотеплопровiдних) не можна, ос-к1льки вiн спiвмiрний з тепловими опорами дослвджува-них зразк1в. Для виключення впливу КТО на результат вимiрювання теплопроввдносп розроблено вимiрюваль-ний перетворювач теплопроввдносп листових матерь алiв. Висока точнiсть вимiрювання, стабiльнiсть показiв i простота конструкцп розробленого вимiрювального перетворювача теплопроввдносп для дослвджуваних зразшв листово! форми роблять його перспективним у плаш серiйного випуску, як робочого засобу вимiрю-вання теплопроввдносп. Перетворювач дасть змогу значно тдвищити надiйнiсть i зменшити собiвартiсть теплофiзичних вимiрювань, розв'язати ряд актуальних задач, не виршених досi в галузi теплофiзичного при-ладобудування.
Перелiк використаних джерел
A. S. № 1413499 SSSR, MKI G 01 N 25/18. Sposob opredeleniia kontaktnogo termicheskogo soprotivleniia. I. S. Vasilkivskii., E. P. Pistun., Ia. T. Rogotckii; opubl. 30.07.88, Biul. №28. 2 p. [In Russian].
Kurepin, V. V. (1982). Kontaktnye termicheskie soprotivleniia pri tep-lofizicheskikh izmereniiakh. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal, 42(4), 615-622. [In Russian]. Mishhenko, S. V., Churikov, A. A., & Shishkina G. V. (1999). Kon-taktnye termicheskie soprotivleniia pri opredelenii teplofizicheskikh svoistv razlichnykh materialov. Tambov: TGTU. 26 p. Dep. v VI-NITI, g. Moskva, № 3891 - V 99 ot 29.12.99. [In Russian]. Platunov, E. S., Buravoi, S. E., Kurepin, V. V., & Petrov, G. S. (1986). Teplofizicheskie izmereniia i pribory. Leningrad: Mashi-nostroenie, Leningr. otd-nie, 256 p. [In Russian]. Pribory dlia teplofizicheskikh izmerenii. (1991). Katalog It-ta problem energosberezheniiaNAN Ukrainy. Kyiv, 57 p. [In Russian]. Shlykov, Iu. P., Ganin, E. A., & Tcarevskii, S. N. (1977). Kontaktnoe termicheskoe soprotivlenie. Moscow: Energiia, 328 p. [In Russian].
И. С. Васильковский, В. А. Фединец, Я. П. Юсык
Национальный университет "Львовская политехника", г. Львов, Украина
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ
КОНТАКТНЫХ ТЕПЛОВЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Рассмотрены вопросы влияния контактных тепловых сопротивлений (КТС) на точность измерения теплопроводности материалов. Приведена конструкция устройства для определения значений КТС. В основе устройства является пакет из двух пар плоских образцов, размещенных в разной последовательности между источником тепла и приемниками тепла равной температуры. Один из образцов во всех парах имеет одну и ту же толщину, второй образец в двух парах пакета отличается по толщине вдвое. Регистрируют тепловой поток через пакеты, разницу температур между серединными образцами пакетов и перепад температур на тонком образце и по полученным данным рассчитывают искомую величину. Представлены результаты экспериментального определения КТС между различными материалами. Показано, что пренебречь влиянием КТС на результат измерения при определении коэффициента теплопроводности различных материалов (особенно высокотеплопроводных) нельзя, поскольку он соизмерим с тепловыми сопротивлениями исследуемых образцов. С целью исключения этого влияния на результат измерения теплопроводности разработан измерительный преобразователь для измерения теплопроводности материалов на основе мостовой тепловой измерительной схемы. Приведены схема соединения тепловых сопротивлений и КТС, распределения тепловых потоков и температур в уравновешенной мостовой тепловой измерительной схеме и принципиальная схема измерительного преобразователя теплопроводности листовых материалов.
Ключевые слова: коэффициент теплопроводности; мостовая тепловая измерительная схема; исследуемый образец; эталонный образец; тепловое сопротивление контакта; площадь контакта.
I. S. Vasylkivskyi, V. O. Fedynets, Ya. P. Yusyk
Lviv Polytechnic National University, Lviv, Ukraine
MEASUREMENT OF THERMAL CONDUCTIVITY OF SHEET MATERIALS CONCERNING THERMAL CONTACT RESISTANCE
Measurement of thermal conductivity of materials without taking into account the influence of thermal contact resistance leads to significant measurement errors. As a result, a number of problems related to the determination of thermal contact resistance, the study of their influence on the accuracy of the measurement of heat conductivity, as well as the construction of devices for measuring the thermal conductivity, taking into account the research carried out in order to compensate for the influence of contact thermal resistance. The design of the device developed by the authors for determining the values of thermal contact resistance between different materials is given. Between the heat source and the heat receivers, two packages of two pairs of flat samples are arranged in different sequences. One of the samples in two pairs package varies in thickness by half, the second sample has the same thickness and mounted sensor temperature. After installing the stationary thermal regime, the values of the heat flow through the packages, the temperature difference between the middle samples of the packages and the temperature difference on the finer sample are measured. On the basis of the received data, the desired value is calculated. Measurements of thermal contact resistance between different materials and experimental results are presented. It is shown that the values of the thermal resistance of the contacts are proportional to the thermal supports of the investigated samples; therefore it is impossible to ignore their influence on the result of measurement in determining the coefficient of thermal conductivity of different materials. In order to increase the accuracy of measuring the thermal conductivity due to the elimination of the influence of contact thermal impedance on the measurement result, a measuring transducer for measuring the thermal conductivity of sheet materials on the basis of a balanced bridge thermal measuring circuit is developed. The principal scheme of the measuring transducer of heat conductivity of sheet materials and the scheme of connection of thermal resistances and thermal contact resistance, distribution of heat fluxes and temperatures in the balanced bridge thermal measuring scheme underlying this transducer are given. High accuracy of measurement, stability of displays and simplicity of design of the developed measuring transducer of thermal conductivity for the investigated samples of sheet form make it perspective in terms of serial release, as a working means of measuring the thermal conductivity.
Keywords: thermal conductivity coefficient; bridge thermal measuring circuit; investigated sample; reference sample; thermal resistance of the contact; contact area.
