CC BY
65
УДК 664.144 ББК 39.94-02
В. А. Краснов, Н. А. Подледнева, Ю. А. Максименко
ЗОНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
V. A. Krasnov, N. A. Podledneva, Yu. А. Maksimenko
PROBE FOR DEFINITION OF THE HEAT CONDUCTIVITY FACTOR OF GRANULAR MATERIALS
Представлена усовершенствованная конструкция устройства, которое используется для определения коэффициента теплопроводности сыпучих материалов. Устройство позволяет осуществить быструю замену исследуемых образцов и повысить производительность определения коэффициента теплопроводности благодаря более совершенной конструкции зонда, входящего в его состав.
Ключевые слова: коэффициент теплопроводности, теплопроводность сыпучих материалов, теплофизические характеристики, производительность определения коэффициента теплопроводности.
The improved design of the device which is used for definition of the heat conductivity factor of granular materials is presented. The device allows to carry out fast replacement of the studied samples and to increase productivity of definition of the heat conductivity factor due to more advanced design of the probe as a part of its structure.
Key words: heat conductivity factor, heat conductivity of granular materials, heat and physical characteristics, productivity of definition of heat conductivity factor.
Введение
Интенсификация процессов тепломассообмена базируется на современных технологических принципах, анализе теплофизических свойств материалов как объектов сушки и позволяет выбрать рациональные методы и режимные параметры процесса и в результате разработать эффективную конструкцию аппарата.
Теплофизические характеристики определяют скорость протекания процесса нагревания (охлаждения) тел. К ним относятся коэффициенты теплопроводности X, температуропроводности а и удельная теплоемкость с. Теплофизические характеристики зависят от природы, структуры, физико-химических параметров и характеристик продуктов. На коэффициент теплопроводности дисперсных материалов влияют влажность, размер частиц, плотность, пористость, объемная масса материала и др. Таким образом, создание устройства, позволяющего повысить производительность определения коэффициента теплопроводности материалов, представляет практический интерес.
Зонд для определения коэффициентов теплопроводности сыпучих материалов относится к области измерительной техники.
Известен зонд, который предназначен для определения коэффициентов теплопроводности строительных материалов и изделий теплопроводностью от 0,01 до 2 Вт/(м • К), содержащий корпус (трубка диаметром 3(5) мм из нержавеющей стали), рукоятку, электронагреватель в виде сложенного пополам эмалированного провода из сплава, сопротивления и проволочной термопары (эмалированные медные и константановые проволоки диаметром 0,35 мм) [1]. Недостатком зонда является невозможность его применения для определения коэффициента теплопроводности малых образцов дисперсных материалов.
Наиболее близким по совокупности признаков к разрабатываемому зонду является линейный или цилиндрический зонд для измерения теплопроводности в условиях изменения порозности порошковых материалов - от свободной засыпки до спрессовывания. Зонд, линейный источник теплоты постоянной мощности, выполнен в виде П-образной рамки с проволокой по оси, к которой прикреплена термопара, источник регулируемого стабилизированного напряжения для задания необходимого тока и регистратор зависимости изменения температуры зонда во времени [2]. Его недостатком является погрешность конструкции, приводящая к невысокой производительности по определению коэффициента теплопроводности.
Усовершенствование конструкции зонда достигается тем, что он выполнен в виде прямоугольной рамки из фольгированного медью стеклотекстолита. Внутри рамки по оси размещены нагреватель, выполненный из проволоки из высокоомного материала, к которому сверху прикреплена медь - константановая измерительная термопара. Один конец рамки служит ответной частью электроразъёма. Медный провод термопары соединен с одним из контактов разъема на конце рамки, а другой конец термопары, константановый провод, припаян к медной фольге рамки. Измерительный сигнал термопары регистрируется самописцем. «Холодный» спай находится в тепловом контакте с печью-термостатом, которая задает температуру образца. Таким образом, фактически измеряется изменение температуры зонда относительно температуры холодного спая, являющееся источником информации для вычисления коэффициента теплопроводности. Материал рамки позволяет осуществить необходимое натяжение нагревателя, а также коммутацию всех элементов.
Предполагаемое устройство, в состав которого входит зонд, изображено на рисунке. Устройство имеет термостат 1, в который помещён контейнер 2 с исследуемым образцом 3. Снаружи к термостату 1 подведены две электрические цепи: первая - с источником регулируемого стабилизированного напряжения 4, ключом 5, вольтметром 6 и амперметром 7, вторая - измерительная с прецизионным высокочувствительным самопишущим прибором 8 высокого быстродействия (время пробега шкалы кареткой - 1 с) для регистрации кривой зависимости изменения температуры зонда во времени. В контейнер 2 помещен зонд 9, выполненный в виде прямоугольной рамки из фольгированного медью стеклотекстолита, внутри которой по оси размещены нагреватель 10. Нагреватель 10 выполнен в виде проволоки из высокоомного материала, к середине которой прикреплена медь - константановая измерительная термопара 11. Константановый термоэлектрод 12 термопары в точке «холодного» спая 13 припаян к рамке. «Холодный» спай расположен напротив «горячего» спая 14, находящегося посередине нагревателя. Один конец зонда 9 одновременно является ответной частью электроразъёма 15, соединяющего его с силовой и измерительной цепями. Фольгированный медью стеклотекстолит рамки зонда контактирует с корпусом печки-термостата (на рис. не показано). Печка-термостат обеспечивает постоянную температуру холодного спая 13. Согласно теории метода линейного источника теплоты постоянной мощности, время опыта составляет 2-10 с для небольших образцов диаметром 20 мм. За это время холодный спай «не успевает» почувствовать изменение температуры зонда, не превышающее, как правило, 2,0-2,5 К.
Устройство для определения коэффициентов теплопроводности сыпучих материалов:
1 - термостат; 2 - контейнер; 3 - исследуемый образец; 4 - источник регулируемого стабилизированного напряжения; 5 - ключ; 6 - вольтметр; 7 - амперметр; 8 - самопишущий прибор; 9 - зонд; 10 - нагреватель; 11 - медь-константановая измерительная термопара; 12 - константановый термоэлектрод; 13 - точка «холодного» спая; 14 - точка «горячего» спая; 15 - электроразъём
В основу определения коэффициента теплопроводности положена теория метода линейного источника теплоты постоянной мощности. В термостат 1 помещают контейнер 2 с зондом 9 и засыпают исследуемый образец 3. К концу рамки зонда 9, где расположен разъем 15, подключают две электрические цепи, содержащие источник регулируемого стабилизированного напряжения 4, ключ 5, вольтметр 6, амперметр 7 и самопишущий прибор 8. Замыканием ключа 5 ток проходит через нагреватель 10, температура которого увеличивается, и теплота распространяется радиально от нагревателя 10 к контейнеру 2 и «холодному» спаю 13 термопары. Самопишущий прибор 8 регистрирует изменение температуры зонда 9, позволяющее определить коэффициент теплопроводности по известной формуле:
! = —1п х 4р(?2 -^ ) Т
где ^2 - Н - изменение температуры зонда, соответствующее моментам времени т2 и Ть°С; q - мощность, выделяемая единицей длины зонда, Вт/м; т - время, с.
Заключение
Предлагаемое устройство позволяет повысить производительность определения коэффициента теплопроводности за счет конструкции зонда, который совмещает в себе функции держателя проволоки - линейного источника теплоты - с прикрепленным горячим спаем и ответной части разъема для коммуникации между цепями питания и измерения. Усовершенствованная конструкция устройства позволяет осуществить быструю замену исследуемых образцов и повысить производительность эксперимента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 30256-94. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом.
2. Краснов В. А., Савченков Г. А. Устройство для определения коэффициента теплопроводности дисперсных материалов методом цилиндрического зонда постоянной мощности // Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. «Методы и средства теплофизических измерений», 17-19 сентября 1987 г. - Севастополь, 1987. - С. 42-43.
Статья поступила в редакцию 4.04.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Краснов Владислав Алексеевич - Астраханский государственный технический университет; ведущий инженер кафедры «Технологические машины и оборудование»; [email protected].
Krasnov Vladislav Alekseevich - Astrakhan State Technical University; Senior Engineer of the Department "Technological Machines and Machinery"; [email protected].
Подледнева Наталья Александровна - Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры «Технологические машины и оборудование»; [email protected].
Podledneva Natalia Aleksandrovna - Astrakhan State Technical University; Senior Lecturer of the Department "Technological Machines and Machinery"; [email protected].
Максименко Юрий Александрович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Технологические машины и оборудование»; [email protected].
Maksimenko Yury Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department 'Technological Machines and Machinery"; [email protected].
