РАЗДЕЛ 2.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НОВОГО ПОРИСТОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО
МАТЕРИАЛА
2.1. Зависимость плотности и теплопроводности от термических режимов обработки
Установлено, что теплофизические свойства исследуемых пористых материалов
зависят в основном от их плотности. В свою очередь плотность тоже зависит от
многих факторов, в частности от термических режимов вспучивания при
парообразовании. Так в зависимости от влажности, времени выдержки и температуры
нагрева существенно изменяется плотность материала и, соответственно, с
изменением плотности меняется и его теплопроводность.
Положительной особенностью этой зависимости является то, что она может быть
управляемой, а, следовательно, прогнозируемой.
Нами был проведен ряд экспериментов по исследованию теплофизических свойств
пористых материалов при различных термических режимах их обработки, в которых
материал нагревался при различных температурах, влажности и времени,
изменяющихся в заданных диапазонах [31,32]. Процесс исследовался при
стационарных условиях. Материал нагревали в муфельной горизонтальной печи СШОЛ,
глубиной 200-250мм, d 100-120 мм, с регулируемой на определенный режим
термопарой ХА 0-1100. Заготовки размещались на поду печи в тиглях. В качестве
исследуемых показателей процесса термической обработки материала были взяты
плотность и теплопроводность (табл. 2.1). На основании экспериментально
найденных значений плотности были получены зависимости, показанные на рис.
2.1-2.3. Плотность материала определялась по изменению веса заготовок и их
геометрического размера.
Теплопроводность полученных образцов была определена на измерителе
теплопроводности ИТ- л- 400. При исследованиях использовался метод
динамического калориметра [33]. В основании метода лежат закономерности
монотонного разогрева тонкой пластины в режиме, когда ее температурное поле
остается квазистационарным (близким к стационарному).
Таблица 2.1
Результаты эксперимента
п/п
Х1
Х2
Х3
Y1
Y2
п/п
Х1
Х2
Х3
Y1
Y2
+1
+1
+1
580
0,126
-1,215
960
0,08
-1
+1
+1
1948
0,093
10
+1,215
648
0,07
+1
-1
+1
2050
0,148
11
-1,215
2136
0,097
-1
-1
+1
2050
0,100
12
+1,215
1820
0,061
+1
+1
-1
683
0,145
13
-1,215
1192
0,082
-1
+1
-1
1450
0,148
14
+1,215
894
0,061
+1
-1
-1
1850
0,135
15
1290
0,076
-1
-1
-1
2100
0,143
16
Х1 – температура (Т-1=100єС; Т0=300єС;
Т+1=500єС);
Х2 – время термического воздействия (t-1=1с; t0=3с; t+1=5с);
Х3 – влажность материала (ц-1=0%; ц0=30%; ц+1=60%);
Y1 – плотность материала, кг/м3;
Y2 – теплопроводность материала, Вт/(мК).
Рис. 2.1. Зависимость плотности от температуры
Рис. 2.2. Изменение плотности во времени при Т=500єС
Рис. 2.3. Зависимость плотности от начальной влажности при Тпечи=500єС
ИТ- л- 400 предназначен для измерения л в диапазоне 0,1 до 5 Вт/м·град. Теловой
режим измерения теплопроводности от -100єС до +500°С.
На рис. 2.4 приведена тепловая схема метода. Образец, который испытывается 4,
пластина 3 и стержень 5 монотонно разогреваются тепловым потоком , поступающим
от основания 1.
Боковые поверхности стержня 5, образца 4, пластин 2 и 3 адиабатно изолированы.
Стержень 5 и контактирующая пластина 3 изготовлены из меди, которая имеет
высокую теплопроводность, поэтому перепады температур на них незначительны.
Тепловой поток проходит через средний разрез пластины 2, частично поглощается в
ней и за счет него разогревается пластина 3, опытный образец 4, стержнь 5.
Рис. 2.4. Тепловая схема метода
1 - основа; 2- пластина;
3 – контактная пластина;
4- исследуемый образец;
5- стержень.
С расчетом того, что соотношение электродвижущих сил термопар равно соотношению
температур, которые измеряются, в формулу (2.1) для расчета , вместо значения
температурного перепада на исследуемом образце необходимо подставлять
соответствующий перепад электродвижущих сил в микровольтах, а вместо перепада
температур на тепломере -(тоже в МкВ).
, (2.1)
где - толщина исследуемого образца, м;
- поправка, учитывающая тепловое сопротивление контактов, м2·град/Вт;
- относительная поправка, учитывающая частичное поглощение опытным образцом;
- площадь поперечного сечения образца, м2;
- коэффициент пропорциональности, который характеризует тепловую проводимость
пластины 2, Вт/град;
- перепад температур на опытном образце, град;
- перепад температур на пластине 2, град.
В ходе экспериментов исследовалось влияние температуры в печи Х1, времени
термического воздействия Х2, влажности материала Х3 на плотность Y1 и
теплопроводность Y2 материала. Для моделирования процесса термической обработки
использовались методы планирования эксперимента. Для построения квадратичной
модели зависимости показателя «Y» от исследуемых факторов Хк, к=1;2;3,
использовался ортогональный центральный композиционный план второго порядка с
ядром 23 [34]. В таблице 2.2 приведены уровни факторов в эксперименте, и их
фактические значения.
Таблица 2.2
Условия проведения эксперимента
п/п
Фактор
Код
Урони факторов
-1,215
-1
1,215
Температура, єС
Х1
57
100
300
500
543
200
Время воздействия, с
Х2
0,57
5,43
Влажность материала, %
Х3
5,7
10
30
50
54,3
20
После обработки результатов экспериментов получена следующая модель
зависимости:
(2.2)
(2.3)
где ХК, к=1;2;3 – кодированные значения факторов.
Для проверки значимости отличия от нуля полученных коэффициентов моделей по
результатам четырех по