СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к способам определения физических свойств материалов, в частности к исследованию эффективной теплопроводности порошков из металлов и оксидов.

В практике определения эффективной теплопроводности (λ_э) порошков используются источники тепла, в частности и в методе цилиндра, когда исследуемый материал размещается в зазоре между двумя коаксиальными цилиндрическими стенками с нагревателем, расположенным по оси сборки, и при известном стационарном потоке тепла по разности температур стенок рассчитывается величина λ_э по формуле бесконечного цилиндра [1].

Однако существует целый класс пожаро- и взрывоопасных порошков, исследование эффективной теплопроводности которых методами, использующими нагрев порошка, невозможно, кроме того, эти методы достаточно трудоемки, особенно в области высоких температур.

Известно, что
λ_э = λ_к+λ_г+λ_p,
где λ_к - теплопроводность каркаса, т.е. твердой части порошкового материала;
λ_г - теплопроводность, обусловленная наличием газа;
λ_p - радиационная теплопроводность.

При диаметре частиц не более 4...5 мм и в диапазоне температур, когда радиационная составляющая отсутствует, идентификация λ_к и λ_г существенно упрощается [2].

О влиянии давления газовой среды на теплообмен известно из справочной книги [3] , где представлен широкий спектр данных. Согласно этим данным каркасная составляющая, определяемая в вакууме, пренебрежимо мала на фоне роли газа. Характеристикой порошка, определяющей возможность циркуляции газа в нем, является газопроницаемость, как вероятность перемещения молекул газа в дисперсной среде и, следовательно, переноса энтальпии. Однако способы определения λ_э, учитывающие газовую составляющую теплопроводности через измерение газопроницаемости материалов, до сих пор неизвестны.

Задачей изобретения является создание способа определения эффективной теплопроводности порошковых материалов по газовой составляющей теплопроводности порошка без его нагрева.

Указанная задача решена тем, что в порошковом материале сначала производят измерение коэффициента газопроницаемости порошка с выделением из полученной величины составляющей скольжения коэффициента газопроницаемости порошка, и, используя предварительно установленный коэффициент пропорциональности между газовой составляющей коэффициента эффективной теплопроводности порошка, коэффициентом теплопроводности газа и коэффициентом газопроницаемости порошка, после чего по полученным данным рассчитывают коэффициент эффективной теплопроводимости порошка по формуле:
λ_э = K_λ•λ₀•lg(g/g_c),
где λ_э - коэффициент эффективной теплопроводности порошка;
K_λ - коэффициент пропорциональности;
λ₀ - коэффициент теплопроводности газа;
g - коэффициент проницаемости порошка;
g_c - составляющая скольжения коэффициента проницаемости порошка.

Пример осуществления способа
На устройстве [4] с осевым расположением нагревателя были проведены измерения эффективной теплопроводности на порошках фракций: <40; 125...180; 200. ..280; <280 мкм двух сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, изготовленных методом пульверизации в различных условиях (в лаборатории - тип I, на промышленной установке - тип II). Теплопроводность была определена при четырех значениях давления воздуха: 4•10^-2; 1.0; 100; 740 мм рт. ст. Минимальному газосодержанию эффективная теплопроводность (λ_э) соответствует каркасной, т.е. λ_э = λ_к.
Далее измерялся коэффициент проницаемости (g) на установке, представленной на фиг.1. При обработке результатов измерений использовалось соотношение:
,
где Q_г- газовый поток;
S - площадь поперечного сечения образца;
ΔP,ΔP₀ - перепады давления соответственно на заполненной порошком и пустой измерительной емкости при одном и том же расходе газа;
μ - молекулярный вес газа;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура.

На основании полученных данных строился график зависимости где - среднее давление на насыпке порошка (фиг.2), которая, как известно, имеет прямолинейный характер и при своей аппроксимации к -->0 пересекает ординату в точке соответствия величине g_c, называемой составляющей скольжения коэффициента газопроницаемости порошка, что следует из формулы g= g_c+g_в, где g_в - вязкостная составляющая и g_c - составляющая скольжения.

На фиг. 3 приведена найденная в ходе измерений зависимость газовой составляющей теплопроводности (λ_г) от lg(g/g_c), которая показывает наличие связи между вкладом газа в эффективную теплопроводность порошка и его проницаемостью. Отсюда очевидно существование закономерности:
λ_г = K_λ•λ₀•lg(g/g_c),
где λ₀ - коэффициент теплопроводности газа;
K_λ - коэффициент пропорциональности, отражающий связь газовой составляющей эффективной теплопроводности порошка с теплопроводностью газа и газопроницаемостью материала. Характер изменения коэффициента K_λ (фиг.4) близок к линейному с тенденцией уменьшения по мере роста газопроницаемости.

Использование предлагаемого способа показало, что газовая составляющая эффективной теплопроводности (λ_г) составляет 94...98% от эффективной теплопроводности (λ_э), что, исходя из соотношения λ_э = λ_к+λ_г, дает основание считать λ_э практически равным λ_г. Заявляемый способ впервые позволил использовать влияние газовой составляющей для определения с достаточной степенью точности эффективной теплопроводности порошков без их разогрева, что особенно важно для пожаро- и взрывоопасных материалов. Накопление и систематизация исследовательских данных по коэффициенту газопропорциональности (K_λ) будет способствовать более широкому внедрению и совершенствованию предложенного способа. Более того, с использованием предлагаемого способа появляется возможность определения эффективной теплопроводности (λ_э) при пониженном до уровня порядка 1 мм рт. ст. давления газовой среды, что особенно актуально при решении задач в области вакуумной техники. Кроме того, повышается уровень значимости и мотивации использования коэффициента газопроницаемости в вопросах теории и практики применения дисперсных материалов и, в частности, исследования в них явления аккомодации.

Источники информации
1. Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973, 336 с.

2. Васильев Л.Л., Танаева С.А. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск: Наука и техника, 1971, 268 с.

3. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочная книга. Л.: Энергия, 1974, 264 с.

4. Авторское свидетельство СССР. Устройство для измерения теплофизических свойств дисперсных материалов в вакууме. 658455, кл. G 01 N 25/18, 1977.

Использование: область измерительной техники. В способе производится измерение коэффициента газопроницаемости порошка с выделением из полученной величины составляющей скольжения и используется предварительно установленный коэффициент пропорциональности между газовой составляющей эффективной теплопроводности порошка, теплопроводностью содержащегося в нем газа и газопроницаемостью порошка. Технический результат - возможность определения λ_Э без нагрева порошка. 4 ил.

Способ определения эффективной теплопроводности порошкового материала, характеризующийся тем, что сначала производят измерение коэффициента газопроницаемости порошка с выделением из полученной величины составляющей скольжения коэффициента газопроницаемости порошка, и, используя предварительно установленный коэффициент пропорциональности между газовой составляющей коэффициента эффективной теплопроводности порошка, коэффициентом теплопроводности газа и коэффициентом газопроницаемости порошка, после чего по полученным данным рассчитывают коэффициент эффективной теплопроводности порошка по формуле
λ_Э = K_λ•λ₀•lg(g/g_c),
где λ_Э - коэффициент эффективной теплопроводности порошка;
K_λ - коэффициент пропорциональности;
λ₀ - коэффициент теплопроводности газа;
g - коэффициент газопроницаемости порошка;
g_с - составляющая скольжения коэффициента газопроницаемости порошка.