Mjerenje toplotne provodljivosti. Osnovna istraživanja. A.4 Senzori temperature
tokom njihovog termičkog kretanja. U tečnostima i čvrstim materijama - dielektricima - prenos toplote se vrši direktnim prenosom toplotnog kretanja molekula i atoma na susedne čestice materije. U plinovitim tijelima do širenja topline toplinskom provodljivošću dolazi zbog razmjene energije prilikom sudara molekula s različitim brzinama toplinskog kretanja. U metalima se toplinska provodljivost odvija uglavnom zbog kretanja slobodnih elektrona.
Glavni pojam toplinske provodljivosti uključuje niz matematičkih koncepata, čije je definicije preporučljivo podsjetiti i objasniti.
temperaturno polje- to su skupovi temperaturnih vrijednosti u svim tačkama tijela u datom trenutku. Matematički se opisuje kao t = f(x, y, z, t). Razlikovati stacionarna temperatura polje kada temperatura na svim tačkama tela ne zavisi od vremena (ne menja se tokom vremena), i nestacionarno temperaturno polje. Osim toga, ako se temperatura mijenja samo duž jedne ili dvije prostorne koordinate, tada se temperaturno polje naziva jedno- ili dvodimenzionalno.
Izotermna površina je lokus tačaka koje imaju istu temperaturu.
temperaturni gradijent — grad t postoji vektor usmjeren duž normale na izotermnu površinu i numerički jednak derivatu temperature u ovom smjeru.
Prema osnovnom zakonu provođenja toplote - zakonu Fourier(1822), vektor gustine toplotnog toka koji se prenosi toplotnom provodljivošću proporcionalan je temperaturnom gradijentu:
q = - λ grad t, (3)
Gdje λ - koeficijent toplotne provodljivosti supstance; njegova jedinica mjere uto/(m K).
Znak minus u jednačini (3) označava da je vektor q usmjerena suprotno od vektora grad t, tj. prema najnižoj temperaturi.
toplotni tok δQ kroz proizvoljno orijentisanu elementarnu oblast dF jednak je skalarnom proizvodu vektora q na vektor elementarne površine dF, i ukupni toplotni tok Q po cijeloj površini F određuje se integracijom ovog proizvoda preko površine F:
KOEFICIJENT TOPLOTNE PROVODNOSTI
Koeficijent toplotne provodljivosti λ u zakonu Fourier(3) karakteriše sposobnost date supstance da provodi toplotu. Vrijednosti koeficijenata toplinske provodljivosti date su u referentnim knjigama o termofizičkim svojstvima tvari. Numerički, koeficijent toplotne provodljivosti λ = q/ grad t jednaka gustini toplotnog fluksa q sa temperaturnim gradijentom grad t = 1 K/m. Najlakši gas, vodonik, ima najveću toplotnu provodljivost. At uslovi prostorija toplotna provodljivost vodonika λ = 0,2 uto/(m K). Teži gasovi imaju manju toplotnu provodljivost - vazduh λ = 0,025 uto/(m K), u ugljičnom dioksidu λ = 0,02 uto/(m K).
Čisto srebro i bakar imaju najveću toplotnu provodljivost: λ = 400 uto/(m K). Za ugljične čelike λ = 50 uto/(m K). U tečnostima je toplotna provodljivost obično manja od 1 uto/(m K). Voda je za to jedan od najboljih tečnih provodnika toplote λ = 0,6 uto/(m K).
Koeficijent toplinske provodljivosti nemetalnih čvrstih materijala obično je ispod 10 uto/(m K).
Porozni materijali - pluta, razna vlaknasta punila kao što je organska vuna - imaju najniže koeficijente toplotne provodljivosti λ <0,25 uto/(m K), približava se pri maloj gustini pakovanja koeficijentu toplotne provodljivosti vazduha koji ispunjava pore.
Temperatura, pritisak i, za porozne materijale, vlažnost takođe mogu imati značajan uticaj na toplotnu provodljivost. Priručnici uvijek navode uslove pod kojima je određena toplotna provodljivost date supstance, a za druge uslove ovi podaci se ne mogu koristiti. Rasponi vrijednosti λ za različite materijale prikazane su na sl. 1.
Fig.1. Intervali vrijednosti koeficijenata toplinske provodljivosti različitih tvari.
Prijenos topline putem toplinske provodljivosti
Homogeni ravan zid.
Najjednostavniji i vrlo čest problem koji rješava teorija prijenosa topline je određivanje gustine toplotnog toka koji se prenosi kroz ravan zid debljine δ , na čijim površinama se održavaju temperature tw1 I t w2 .(Sl. 2). Temperatura se mijenja samo duž debljine ploče - jedna koordinata X. Takvi problemi se nazivaju jednodimenzionalnimi, njihova rješenja su najjednostavnija, a u ovom kursu ćemo se ograničiti na razmatranje samo jednodimenzionalnih problema.
S obzirom na to za slučaj sa jednim brojem:
grad t = dt/dh, (5)
i koristeći osnovni zakon provođenja toplote (2), dobijamo diferencijalnu jednačinu za stacionarnu provodljivost toplote za ravan zid:
U stacionarnim uslovima, kada se energija ne troši na grejanje, gustina toplotnog toka q nepromenjena u debljini zida. U većini praktičnih problema približno se pretpostavlja da je koeficijent toplinske provodljivosti λ ne zavisi od temperature i ista je u celoj debljini zida. Značenje λ nalazi se u referentnim knjigama na temperaturi od:
prosjek između temperatura zidnih površina. (Greška proračuna u ovom slučaju je obično manja od greške početnih podataka i tabelarnih vrijednosti, a uz linearnu ovisnost koeficijenta toplinske provodljivosti od temperature: λ = a + bt tačna formula za izračunavanje q ne razlikuje se od približne). At λ = konst:
(7)
one. temperaturna zavisnost t od koordinate X linearni (slika 2).
Fig.2. Stacionarna raspodjela temperature po debljini ravnog zida.
Dijeljenje varijabli u jednačini (7) i integracija preko t od tw1 prije tw2 i po X od 0 do δ :
, (8)
dobijamo zavisnost za izračunavanje gustine toplotnog toka:
, (9)
ili snaga toplotnog toka (toplotni tok):
(10)
Dakle, količina toplote koja se prenosi kroz 1 m 2 zidova, direktno proporcionalna koeficijentu toplotne provodljivosti λ i temperaturna razlika vanjskih površina zida ( t w1 - t w2) i obrnuto proporcionalna debljini zida δ . Ukupna količina toplote kroz površinu zida F takođe proporcionalno ovoj površini.
Dobivena najjednostavnija formula (10) se vrlo široko koristi u termičkim proračunima. Ova formula ne samo da izračunava gustinu toplotnog toka kroz ravne zidove, već i daje procene za složenije slučajeve, pojednostavljujući zamenjujući zidove složene konfiguracije ravnim zidom u proračunima. Ponekad se, već na osnovu procene, jedna ili druga opcija odbacuje bez dodatnog utroška vremena za njeno detaljno proučavanje.
Tjelesna temperatura u jednom trenutku X određuje se formulom:
t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)
Stav λF/δ naziva se toplotna provodljivost zida, a recipročna δ/λF termička ili termička otpornost zida i označava se Rλ. Koristeći koncept toplotnog otpora, formula za izračunavanje toplotnog fluksa može se predstaviti kao:
Zavisnost (11) je slična zakonu Ohma u elektrotehnici (jačina električne struje jednaka je razlici potencijala podijeljenoj s električnim otporom vodiča kroz koji struja teče).
Vrlo često se toplinski otpor naziva vrijednost δ / λ, koja je jednaka toplinskom otporu ravnog zida površine 1 m 2.
Primjeri proračuna.
Primjer 1. Odredite toplotni tok kroz betonski zid zgrade debljine 200 mm, visina H = 2,5 m i dužina 2 m ako su temperature na njegovim površinama: t s1\u003d 20 0 C, t s2\u003d - 10 0 S, i koeficijent toplinske provodljivosti λ =1 uto/(m K):
= 750 uto.
Primjer 2. Odredite toplinsku provodljivost materijala zida debljine 50 mm, ako gustina toplotnog toka kroz njega q = 100 uto/m 2, i temperaturnu razliku na površinama Δt = 20 0 C.
uto/(m K).
Višeslojni zid.
Formula (10) se takođe može koristiti za izračunavanje toplotnog toka kroz zid koji se sastoji od nekoliko ( n) slojevi različitih materijala koji su blizu jedan drugom (slika 3), na primjer, glava cilindra, brtva i blok cilindra od različitih materijala, itd.
Fig.3. Raspodjela temperature po debljini višeslojnog ravnog zida.
Toplinski otpor takvog zida jednak je zbroju toplinskih otpora pojedinih slojeva:
(12)
U formuli (12) potrebno je zamijeniti temperaturnu razliku u onim tačkama (površinama), između kojih su „uključeni“ svi zbrojeni toplinski otpori, tj. u ovom slučaju: tw1 I w(n+1):
, (13)
Gdje i- broj sloja.
U stacionarnom režimu, specifični toplotni tok kroz višeslojni zid je konstantan i isti za sve slojeve. Iz (13) slijedi:
. (14)
Iz jednadžbe (14) slijedi da je ukupni toplinski otpor višeslojnog zida jednak zbiru otpora svakog sloja.
Formula (13) se lako može dobiti pisanjem temperaturne razlike prema formuli (10) za svaku od njih P slojeva višeslojnog zida i zbrajanjem svega P izraze, uzimajući u obzir činjenicu da u svim slojevima Q ima isto značenje. Kada se dodaju, sve srednje temperature će se smanjiti.
Raspodjela temperature unutar svakog sloja je linearna, međutim u različitim slojevima nagib temperaturne ovisnosti je različit, jer prema formuli (7) ( dt/dx)i = - q/λ i. Gustoća toplotnog toka koji prolazi kroz cijeli sloj je ista u stacionarnom načinu rada, a toplinska provodljivost slojeva je različita, pa se temperatura oštrije mijenja u slojevima sa nižom toplotnom provodljivošću. Dakle, u primjeru na slici 4, materijal drugog sloja (na primjer, zaptivke) ima najnižu toplotnu provodljivost, a treći sloj najveću.
Nakon izračunavanja toplotnog fluksa kroz višeslojni zid, može se odrediti pad temperature u svakom sloju pomoću relacije (10) i pronaći temperature na granicama svih slojeva. Ovo je veoma važno kada se kao toplotni izolatori koriste materijali sa ograničenom dozvoljenom temperaturom.
Temperatura slojeva se određuje sljedećom formulom:
t sl1 \u003d t c t1 - q × (d 1 × l 1 -1)
t sl2 \u003d t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)
Kontaktna toplotna otpornost. Prilikom izvođenja formula za višeslojni zid, pretpostavljalo se da se slojevi tijesno graniče jedan s drugim, a zbog dobrog kontakta kontaktne površine različitih slojeva imaju istu temperaturu. Idealno čvrst kontakt između pojedinačnih slojeva višeslojnog zida postiže se ako se jedan od slojeva nanese na drugi sloj u tečnom stanju ili u obliku tečnog rastvora. Čvrsta tijela dodiruju jedno drugo samo na vrhovima profila hrapavosti (slika 4).
Kontaktna površina vrhova je zanemariva, a cijeli tok topline prolazi kroz zračni raspor ( h). Ovo stvara dodatni (kontaktni) termički otpor. R to. Toplinski kontaktni otpori mogu se odrediti nezavisno korištenjem odgovarajućih empirijskih ovisnosti ili eksperimentalno. Na primjer, toplinski otpor jaza od 0,03 mm približno ekvivalentno toplinskoj otpornosti sloja čelika debljine oko 30 mm.
Fig.4. Slika dodira dviju hrapavih površina.
Metode za smanjenje otpora toplotnog kontakta. Ukupna toplinska otpornost kontakta određena je čistoćom obrade, opterećenjem, toplinskom provodljivošću medija, koeficijentima toplinske provodljivosti materijala dijelova u kontaktu i drugim faktorima.
Najveća efikasnost u smanjenju toplotnog otpora postiže se uvođenjem u kontaktnu zonu medija sa toplotnom provodljivošću bliskom metalnoj.
Postoje sljedeće mogućnosti za punjenje kontaktne zone tvarima:
Upotreba brtvi od mekih metala;
Uvođenje u kontaktnu zonu praškaste supstance dobre toplotne provodljivosti;
Uvođenje u zonu viskozne supstance dobre toplotne provodljivosti;
Ispunjavanje prostora između izbočina hrapavosti tekućim metalom.
Najbolji rezultati su postignuti kada je kontaktna zona bila ispunjena rastopljenim kalajem. U ovom slučaju, toplinski otpor kontakta praktički postaje jednak nuli.
Cilindrični zid.
Vrlo često se rashladne tekućine kreću kroz cijevi (cilindre) i potrebno je izračunati toplinski tok koji se prenosi kroz cilindrični zid cijevi (cilindra). Problem prijenosa topline kroz cilindrični zid (sa poznatim i konstantnim temperaturama na unutrašnjoj i vanjskoj površini) je također jednodimenzionalan ako se posmatra u cilindričnim koordinatama (slika 4).
Temperatura se mijenja samo po radijusu i po dužini cijevi l i duž njenog perimetra ostaje nepromijenjena.
U ovom slučaju, jednačina toplotnog toka ima oblik:
. (15)
Zavisnost (15) pokazuje da je količina toplote koja se prenosi kroz zid cilindra direktno proporcionalna koeficijentu toplotne provodljivosti λ , dužina cijevi l i temperaturna razlika ( t w1 - t w2) i obrnuto proporcionalno prirodnom logaritmu omjera vanjskog prečnika cilindra d2 na njegov unutrašnji prečnik d1.
Rice. 4. Promjena temperature po debljini jednoslojnog cilindričnog zida.
At λ = konstantna raspodjela temperature po radijusu r jednoslojnog cilindričnog zida poštuje logaritamski zakon (slika 4).
Primjer. Koliko se puta smanjuju gubici toplote kroz zid zgrade, ako između dva sloja cigle debljine 250 mm ugradite pjenastu podlogu debljine 50 mm. Koeficijenti toplotne provodljivosti su respektivno jednaki: λ kirp . = 0,5 uto/(m K); λ olovka. . = 0,05 uto/(m K).
Za proučavanje toplinske provodljivosti tvari koriste se dvije grupe metoda: stacionarne i nestacionarne.
Teorija stacionarnih metoda je jednostavnija i potpunije razvijena. Ali nestacionarne metode, u principu, pored koeficijenta toplinske provodljivosti, omogućuju dobivanje informacija o toplinskoj difuzivnosti i toplinskom kapacitetu. Stoga se u posljednje vrijeme velika pažnja posvećuje razvoju nestacionarnih metoda za određivanje termofizičkih svojstava tvari.
Ovdje se razmatraju neke stacionarne metode za određivanje toplinske provodljivosti tvari.
A) Metoda ravnog sloja. Kod jednodimenzionalnog protoka toplote kroz ravan sloj, koeficijent toplotne provodljivosti određuje se formulom
Gdje d- debljina, T 1 i T 2 - temperature "vruće" i "hladne" površine uzorka.
Za proučavanje toplinske provodljivosti ovom metodom potrebno je stvoriti toplinski tok blizak jednodimenzionalnom.
Temperature se obično ne mjere na površini uzorka, već na određenoj udaljenosti od njih (vidi sliku 2), stoga je potrebno uvesti korekcije u izmjerenu temperaturnu razliku za pad temperature u slojevima grijača i hladnjaka, minimizirati termičku otpornost kontakata.
Prilikom proučavanja tečnosti, da bi se eliminisao fenomen konvekcije, temperaturni gradijent mora biti usmeren duž gravitacionog polja (dole).
Rice. 2. Šema metoda ravnog sloja za mjerenje toplotne provodljivosti.
1 – ispitni uzorak; 2 - grijač; 3 - frižider; 4, 5 - izolacijski prstenovi; 6 – sigurnosni grijači; 7 - termoparovi; 8, 9 - diferencijalni termoparovi.
b) Jegerova metoda. Metoda se zasniva na rješavanju jednodimenzionalne toplinske jednačine koja opisuje širenje topline duž štapa zagrijanog električnom strujom. Teškoća korištenja ove metode leži u nemogućnosti stvaranja strogih adijabatskih uvjeta na vanjskoj površini uzorka, čime se narušava jednodimenzionalnost toplinskog toka.
Formula izračuna izgleda ovako:
(14)
Gdje s- električna provodljivost uzorka za ispitivanje, U je pad napona između ekstremnih tačaka na krajevima štapa, DT je temperaturna razlika između sredine štapa i tačke na kraju štapa.
Rice. 3. Shema Jaegerove metode.
1 - električna peć; 2 - uzorak; 3 - klinovi za pričvršćivanje uzorka; T 1 ¸ T 6 - krajnje tačke termoelementa.
Ova metoda se koristi u proučavanju električno provodljivih materijala.
V) Metoda cilindričnog sloja. Ispitivana tečnost (rasuti materijal ispunjava cilindrični sloj koji čine dva koaksijalna cilindra. Jedan od cilindara, najčešće unutrašnji, je grejač (sl. 4).
Slika 4. Šema metode cilindričnog sloja
1 - unutrašnji cilindar; 2 - glavni grijač; 3 - sloj ispitivane supstance; 4 - vanjski cilindar; 5 - termoparovi; 6 - sigurnosni cilindri; 7 - dodatni grijači; 8 - tijelo.
Razmotrimo detaljnije stacionarni proces provođenja topline u cilindričnom zidu, čija se temperatura vanjske i unutrašnje površine održava konstantnom i jednakom T 1 i T 2 (u našem slučaju, to je sloj tvari u studiji 5). Odredimo tok toplote kroz zid pod uslovom da je unutrašnji prečnik cilindričnog zida d 1 = 2r 1, a spoljni prečnik d 2 = 2r 2, l = const, a toplota se širi samo u radijalnom pravcu .
Za rješavanje problema koristimo jednačinu (12). U cilindričnim koordinatama, kada 
; jednadžba (12), prema (10), uzima vit:
. (15)
Hajde da uvedemo notaciju dT/dr= 0, dobijamo
Nakon integracije i potenciranja ovog izraza, prelazeći na originalne varijable, dobijamo:
. (16)
Kao što se vidi iz ove jednačine, zavisnost T=f(r) je logaritamska.
Integracijske konstante C 1 i C 2 mogu se odrediti zamjenom graničnih uslova u ovu jednačinu:
at r \u003d r 1 T = T 1 I T 1 \u003d C 1 ln r1+C2,
at r=r2 T=T2 I T 2 \u003d C 1 ln r2+C2.
Rješenje ovih jednačina u odnosu na WITH 1 i Od 2 daje:
; 
Zamjenjujući ove izraze za Od 1 I Od 2 u jednačinu (1b), dobijamo
(17)
protok topline kroz područje cilindrične površine radijusa r a dužina se određuje korištenjem Fourierovog zakona (5)
.
Nakon zamjene, dobijamo
. (18)
Koeficijent toplinske provodljivosti l na poznatim vrijednostima Q, T 1 , T 2 , d 1 , d 2, izračunato po formuli
. (19)
Da bi se suzbila konvekcija (u slučaju tečnosti), cilindrični sloj mora imati malu debljinu, obično frakcije milimetra.
Smanjenje krajnjih gubitaka u metodi cilindričnog sloja postiže se povećanjem omjera / d i sigurnosnim grijačima.
G) metoda vruće žice. U ovoj metodi, relacija / d povećava smanjenjem d. Unutrašnji cilindar zamijenjen je tankom žicom, koja je bila i grijač i otporni termometar (sl. 5). Kao rezultat relativne jednostavnosti dizajna i detaljnog razvoja teorije, metoda zagrijane žice postala je jedna od najnaprednijih i najpreciznijih. U praksi eksperimentalnih studija toplinske provodljivosti tekućina i plinova zauzima vodeće mjesto.
Rice. 5. Šema mjerne ćelije izrađena metodom zagrijane žice. 1 - mjerna žica, 2 - cijev, 3 - ispitivana supstanca, 4 - strujni vodovi, 5 - potencijalne slavine, 6 - vanjski termometar.
Pod uslovom da se ceo toplotni tok iz preseka AB širi radijalno i da temperaturna razlika T 1 - T 2 nije velika, tako da se l = const može smatrati u ovim granicama, toplotna provodljivost supstance određuje se formulom
, (20)
Gdje Q AB = T×U AB je snaga rasipana na žici.
e) metodom lopte. Nalazi primenu u praksi proučavanja toplotne provodljivosti tečnosti i rasutih materijala. Supstanca koja se proučava ima oblik sfernog sloja, što u principu omogućava isključivanje nekontroliranih gubitaka topline. Tehnički, ova metoda je prilično komplikovana.
Fizičke metode analize zasnivaju se na upotrebi nekog specifičnog fizičkog efekta ili određenog fizičkog svojstva supstance. Za analiza gasa koriste gustinu, viskozitet, toplotnu provodljivost, indeks loma, magnetsku osetljivost, difuziju, apsorpciju, emisiju, apsorpciju elektromagnetnog zračenja, kao i selektivnu apsorpciju, brzinu zvuka, reakcionu toplotu, električnu provodljivost, itd. Neka od ovih fizičkih svojstava i pojava čine kontinuiranu analizu gasa i omogućavaju postizanje visoke osjetljivosti i tačnosti mjerenja. Izbor fizičke veličine ili fenomena je veoma važan da bi se eliminisao uticaj neizmerenih komponenti sadržanih u analiziranoj smeši. Upotreba specifičnih svojstava ili efekata omogućava određivanje koncentracije željene komponente u višekomponentnoj gasnoj mešavini. Nespecifična fizička svojstva mogu se koristiti, striktno govoreći, samo za analizu binarnih mješavina plinova. Viskoznost, indeks prelamanja i difuzija nemaju praktičnu važnost u analizi gasova.
Prijenos topline između dvije točke s različitim temperaturama odvija se na tri načina: konvekcijom, zračenjem i provođenjem topline. At konvekcija prijenos topline povezan je s prijenosom materije (prijenos mase); prijenos topline radijacije se dešava bez učešća materije. Prijenos topline toplotna provodljivost događa uz učešće materije, ali bez prijenosa mase. Prijenos energije nastaje zbog sudara molekula. Koeficijent toplotne provodljivosti ( X) ovisi samo o vrsti tvari koja prenosi toplinu. To je specifična karakteristika neke supstance.
Dimenzija toplotne provodljivosti u CGS sistemu kal/(s cm K), u tehničkim jedinicama - kcalDmch-K), u međunarodnom SI sistemu - WDm-K). Omjer ovih jedinica je sljedeći: 1 cal / (cm s K) \u003d 360 kcal Dm h K) = 418,68 W Dm-K).
Apsolutna toplotna provodljivost tokom prelaska iz čvrstih u tečne i gasovite supstance varira od X = 418,68 Wdm-K)] (toplotna provodljivost najboljeg provodnika toplote - srebro) do X reda 10 _6 (toplotna provodljivost najmanje provodljivih gasova).
Toplotna provodljivost gasova se snažno povećava sa porastom temperature. Za neke gasove (GH 4: NH 3), relativna toplotna provodljivost naglo raste sa porastom temperature, a za neke (Ne) opada. Prema kinetičkoj teoriji, toplotna provodljivost gasova ne bi trebalo da zavisi od pritiska. Međutim, različiti razlozi dovode do činjenice da se s povećanjem pritiska toplinska provodljivost blago povećava. U opsegu pritiska od atmosferskog do nekoliko milibara, toplotna provodljivost ne zavisi od pritiska, jer se srednja slobodna putanja molekula povećava sa smanjenjem broja molekula po jedinici zapremine. Pri pritisku od -20 mbar, srednji slobodni put molekula odgovara veličini mjerne komore.
Merenje toplotne provodljivosti je najstarija fizička metoda analize gasa. Opisana je 1840. godine, posebno u radovima A. Schleiermachera (1888-1889) i koristi se u industriji od 1928. godine. 1913. Siemens je razvio mjerač koncentracije vodonika za vazdušne brodove. Nakon toga, dugi niz decenija, instrumenti zasnovani na merenju toplotne provodljivosti razvijani su sa velikim uspehom i naširoko korišćeni u brzo rastućoj hemijskoj industriji. Naravno, prvo su analizirane samo binarne mješavine plina. Najbolji rezultati se postižu uz veliku razliku u toplotnoj provodljivosti gasova. Vodonik ima najveću toplotnu provodljivost među gasovima. U praksi je također bilo opravdano mjeriti koncentraciju CO u dimnim plinovima, jer su toplinske provodljivosti kisika, dušika i ugljičnog monoksida vrlo bliske jedna drugoj, što omogućava da se mješavina ove četiri komponente smatra kvazi- binarni.
Temperaturni koeficijenti toplotne provodljivosti različitih gasova nisu isti, tako da možete pronaći temperaturu pri kojoj su toplotne provodljivosti različitih gasova iste (na primer, 490°C - za ugljen-dioksid i kiseonik, 70°C - za amonijak i zrak, 75°C - za ugljični dioksid i argon). Prilikom rješavanja određenog analitičkog problema, ove koincidencije se mogu iskoristiti uzimanjem ternarne mješavine plinova za kvazibinarnu.
U analizi gasa to možemo pretpostaviti toplotna provodljivost je aditivno svojstvo. Mjerenjem toplinske provodljivosti smjese i poznavanjem toplinske provodljivosti čistih komponenti binarne smjese, mogu se izračunati njihove koncentracije. Međutim, ovaj jednostavan odnos ne može se primijeniti ni na jednu binarnu mješavinu. Tako, na primjer, mješavine zrak - vodena para, zrak - amonijak, ugljični monoksid - amonijak i zrak - acetilen u određenom omjeru komponenti imaju maksimalnu toplinsku provodljivost. Stoga je primjenjivost metode provođenja topline ograničena na određeni raspon koncentracija. Za mnoge mješavine postoji nelinearna ovisnost toplinske provodljivosti i sastava. Zbog toga je potrebno napraviti kalibracionu krivu, prema kojoj treba napraviti skalu instrumenta za snimanje.
Senzori toplotne provodljivosti(termokonduktometrijski senzori) sastoje se od četiri male komore ispunjene gasom male zapremine sa tankim platinskim provodnicima iste veličine i sa istim električnim otporom smeštenim u njima izolovanim od tela. Ista jednosmjerna struja stabilne vrijednosti teče kroz provodnike i zagrijava ih. Provodnici - grijaći elementi - su okruženi plinom. Dvije komore sadrže mjerni plin, druge dvije sadrže referentni plin. Svi grijaći elementi su uključeni u Whitetonov most, s kojim mjerenje temperaturne razlike reda veličine 0,01°C nije teško. Ovako visoka osjetljivost zahtijeva tačnu jednakost temperatura mjernih komora, pa se cijeli mjerni sistem postavlja u termostat ili u mjernu dijagonalu mosta, a za temperaturnu kompenzaciju je uključen otpor. Sve dok je disipacija toplote od grejnih elemenata u mernoj i uporednoj komori ista, most je u ravnoteži. Kada se u mjerne komore dovede plin različite toplinske provodljivosti, ova ravnoteža se narušava, mijenja se temperatura osjetljivih elemenata, a uz to i njihov otpor. Rezultirajuća struja u dijagonali mjerenja proporcionalna je koncentraciji mjerenog plina. Da bi se povećala osjetljivost, treba povećati radnu temperaturu osjetljivih elemenata, ali se mora paziti da se održi dovoljno velika razlika u toplinskoj provodljivosti plina. Dakle, za različite mješavine plina postoji optimalna temperatura u smislu toplinske provodljivosti i osjetljivosti. Često je razlika između temperature osjetljivih elemenata i temperature zidova komora odabrana od 100 do 150°C.
Mjerne ćelije industrijskih termičkih konduktometrijskih analizatora obično se sastoje od masivnog metalnog kućišta u kojem su izbušene mjerne komore. Ovo osigurava ujednačenu distribuciju temperature i dobru stabilnost kalibracije. Pošto na očitavanja merača toplotne provodljivosti utiče brzina protoka gasa, gas se uvodi u merne komore kroz bajpas kanal. U nastavku su data rješenja raznih dizajnera za osiguranje potrebne izmjene plinova. U principu se pretpostavlja da je glavni tok gasa povezan veznim kanalima sa mernim komorama, kroz koje gas struji uz blagi pad. U ovom slučaju, difuzija i termička konvekcija imaju odlučujući uticaj na obnavljanje gasa u mernim komorama. Zapremina mjernih komora može biti vrlo mala (nekoliko kubnih milimetara), što daje mali učinak konvektivnog prijenosa topline na rezultat mjerenja. Kako bi se smanjio katalitički učinak platinskih vodiča, oni se na različite načine tope u staklene kapilare tankih stijenki. Kako bi se osigurala otpornost mjerne komore na koroziju, svi dijelovi plinovoda su prekriveni staklom. To omogućava mjerenje toplinske provodljivosti mješavina koje sadrže hlor, hlorovodonik i druge korozivne gasove. Termokonduktometrijski analizatori sa zatvorenim referentnim komorama se pretežno koriste u hemijskoj industriji. Odabir odgovarajućeg referentnog plina pojednostavljuje kalibraciju instrumenta. Osim toga, možete dobiti skalu sa potisnutom nulom. Kako bi se smanjilo pomicanje nulte tačke, referentne komore moraju biti dobro zatvorene. U posebnim slučajevima, na primjer, sa jakim fluktuacijama u sastavu mješavine plina, moguće je raditi s protočnim uporednim komorama. U tom slučaju, pomoću posebnog reagensa, jedna od komponenti se uklanja iz mjerene plinske mješavine (na primjer, CO i otopina kaustičnog kalija), a zatim se plinska mješavina šalje u uporedne komore. Mjerne i uporedne grane se u ovom slučaju razlikuju samo po odsustvu jedne od komponenti. Ova metoda često omogućava analizu složenih mješavina plinova.
U posljednje vrijeme, umjesto metalnih provodnika, kao osjetljivi elementi ponekad se koriste poluvodički termistori. Prednost termistora je 10 puta veći temperaturni koeficijent otpornosti u odnosu na metalne termistore. Time se postiže naglo povećanje osjetljivosti. Međutim, istovremeno se postavljaju mnogo veći zahtjevi za stabilizaciju struje mosta i temperature zidova komore.
Ranije od drugih, i najšire, termički konduktometrijski instrumenti počeli su se koristiti za analizu dimnih plinova iz peći. Zbog visoke osjetljivosti, velike brzine, lakoće održavanja i pouzdanosti dizajna, kao i niske cijene, analizatori ovog tipa su brzo uvedeni u industriju u budućnosti.
Termokonduktometrijski analizatori su najprikladniji za mjerenje koncentracije vodonika u smjesama. Prilikom odabira referentnih plinova, također se moraju uzeti u obzir mješavine različitih plinova. Sljedeći podaci mogu se koristiti kao primjer minimalnih mjernih opsega za različite plinove (tabela 6.1).
Tabela 6.1
Minimalni mjerni opseg za razne plinove,
% do volumena
Maksimalni opseg mjerenja je najčešće 0-100%, pri čemu se 90 ili čak 99% može potisnuti. U posebnim slučajevima, analizator toplotne provodljivosti omogućava nekoliko različitih mernih opsega na jednom instrumentu. Ovo se koristi, na primjer, u praćenju punjenja i pražnjenja turbogeneratora hlađenih vodonikom u termoelektranama. Zbog opasnosti od eksplozije, kućište generatora se ne puni zrakom, već se prvo uvodi ugljični dioksid kao plin za pročišćavanje, a zatim vodik. Slično proizvesti oslobađanje plina iz generatora. Uz dovoljno visoku ponovljivost, na jednom analizatoru se mogu dobiti sljedeći rasponi mjerenja: 0-100% (vol.) CO (u zraku za pročišćavanje ugljičnim dioksidom), 100-0% H 2 u CO (za punjenje vodonikom) i 100-80% H 2 (u vazduhu za kontrolu čistoće vodonika tokom rada generatora). Ovo je jeftin način mjerenja.
Za određivanje sadržaja vodonika u hloru koji se oslobađa tokom elektrolize kalijum hlorida pomoću termokonduktometrijskog analizatora, moguće je raditi i sa zatvorenim referentnim gasom (SO 2 , Ar) i sa tekućim referentnim gasom. U potonjem slučaju, mješavina vodonika i hlora se prvo šalje u mjernu komoru, a zatim u naknadno sagorijevanje s temperaturom >200°C. Vodonik sagorijeva sa viškom hlora da nastane hlorovodonik. Dobijena mešavina HC i C1 2 se dovodi u uporednu komoru. U ovom slučaju, koncentracija vodika se određuje iz razlike u toplinskoj provodljivosti. Ova metoda značajno smanjuje utjecaj primjesa malih količina zraka.
Da bi se smanjila greška koja se javlja pri analizi vlažnog gasa, gas se mora osušiti, što se radi ili uz pomoć apsorbera vlage ili snižavanjem temperature gasa ispod tačke rose. Postoji još jedna mogućnost kompenzacije uticaja vlage, koja je primenljiva samo kod merenja sa protočnim referentnim gasom.
Za rad s eksplozivnim plinovima, brojne kompanije proizvode uređaje otporne na eksploziju. U ovom slučaju, komore mjerača toplinske provodljivosti su dizajnirane za visoki tlak, na ulazu i izlazu komora su ugrađeni odvodniki plamena, a izlazni signal je ograničen na intrinzično siguran nivo. Međutim, takvi uređaji se ne mogu koristiti za analizu mješavina eksplozivnih plinova s kisikom ili vodonika s hlorom.
- Centimetar - gram - sekunda - sistem jedinica koji je bio naširoko korišten prije usvajanja međunarodni sistem jedinice (SI).
Do sada nije razvijeno jedinstvena klasifikacija vezano za raznolikost postojeće metode. Poznate eksperimentalne metode za mjerenje toplinske provodljivosti materijala podijeljene su u dvije velike grupe: stacionarne i nestacionarne. U prvom slučaju, kvalitet formule proračuna koristi određena rješenja jednačine toplinske provodljivosti
predviđeno, u drugom - predviđeno, gdje je T temperatura; f - vrijeme; - koeficijent toplotne difuzivnosti; l - koeficijent toplotne provodljivosti; C - specifični toplotni kapacitet; d je gustina materijala; - Laplasov operator, upisan u odgovarajućem koordinatnom sistemu; - specifična snaga volumetrijskog izvora toplote.
Prva grupa metoda zasniva se na upotrebi stacionarnog termičkog režima; drugi - nestacionarni termički režim. Stacionarne metode za određivanje koeficijenta toplotne provodljivosti po prirodi merenja su direktne (tj. koeficijent toplotne provodljivosti se direktno određuje) i dele se na apsolutne i relativne. U apsolutnim metodama, parametri mjereni u eksperimentu omogućavaju dobivanje željene vrijednosti koeficijenta toplinske provodljivosti pomoću formule za proračun. U relativnim metodama, parametri mjereni u eksperimentu omogućavaju dobivanje tražene vrijednosti koeficijenta toplinske provodljivosti pomoću formule za proračun. U relativnim metodama, izmjereni parametri nisu dovoljni za izračunavanje apsolutne vrijednosti. Ovdje su moguća dva slučaja. Prvi je praćenje promjene koeficijenta toplotne provodljivosti u odnosu na početni, uzet kao jedinica. Drugi slučaj je upotreba referentnog materijala sa poznatim termičkim svojstvima. U ovom slučaju, koeficijent toplinske provodljivosti standarda se koristi u formuli za proračun. Relativne metode imaju određenu prednost u odnosu na apsolutne metode jer su jednostavnije. Dalja podjela stacionarnih metoda može se izvršiti prema prirodi grijanja (vanjsko, volumetrijsko i kombinirano) i prema vrsti izoterme temperaturnog polja u uzorcima (ravne, cilindrične, sferne). Podgrupa metoda sa vanjskim grijanjem uključuje sve metode koje koriste vanjske (električne, volumetrijske i dr.) grijače i zagrijavanje površina uzorka toplinskim zračenjem ili bombardiranjem elektrona. Podgrupa metoda sa volumetrijskim zagrijavanjem objedinjuje sve metode koje koriste zagrijavanje strujom koja prolazi kroz uzorak, zagrijavanje ispitnog uzorka neutronskim ili z-zračenjem ili mikrovalnim strujama. Podgrupa metoda sa kombinovanim grijanjem može uključivati metode koje istovremeno koriste vanjsko i volumno zagrijavanje uzoraka, ili međuzagrijavanje (na primjer, visokofrekventnim strujama).
U sve tri podgrupe stacionarnih metoda, temperaturno polje
može biti drugačije.
Ravne izoterme nastaju kada je toplotni tok usmjeren duž ose simetrije uzorka. Metode koje koriste ravne izoterme u literaturi se nazivaju metode s aksijalnim ili uzdužnim protokom topline, a same eksperimentalne postavke nazivaju se ravnim uređajima.
Cilindrične izoterme odgovaraju širenju toplotnog toka duž radijusa cilindričnog uzorka. U slučaju kada je tok topline usmjeren duž radijusa sfernog uzorka, nastaju sferne izoterme. Metode koje koriste takve izoterme nazivaju se sfernim, a uređaji sfernim.
GOST 7076-99
UDK 691:536.2.08:006.354 Grupa Zh19
MEĐUDRŽAVNI STANDARD
GRAĐEVINSKI MATERIJALI I PROIZVODI
Metoda za određivanje toplotne provodljivosti i toplotne otpornosti
pod stacionarnim termičkim uslovima
GRAĐEVINSKI MATERIJALI I PROIZVODI
Metoda određivanja stabilnog termalnog
provodljivost i toplotni otpor
Datum uvođenja 2000-04-01
Predgovor
1 RAZVIJENO od strane Istraživačkog instituta za građevinsku fiziku (NIISF) Ruska Federacija
UVODIO Gosstroy of Russia
2 UVOJENO od strane Međudržavne naučno-tehničke komisije za standardizaciju, tehničku regulaciju i sertifikaciju u građevinarstvu (ISTCS) 20. maja 1999.
|
Ime države |
Naziv državnog organa upravljanje gradnjom |
|
Republika Jermenija |
Ministarstvo urbanog razvoja Republike Jermenije |
|
Republika Kazahstan |
Komitet za izgradnju Ministarstva energetike, industrije i trgovine Republike Kazahstan |
|
Republika Kirgistan |
Državni inspektorat za arhitekturu i građevinarstvo pri Vladi Kirgiske Republike |
|
Republika Moldavija |
Ministarstvo za teritorijalni razvoj, građevinarstvo i komunalne usluge Republike Moldavije |
|
Ruska Federacija |
Gosstroy of Russia |
|
Republika Tadžikistan |
Komitet za arhitekturu i građevinarstvo Republike Tadžikistan |
|
Republika Uzbekistan |
Državni komitet za arhitekturu i izgradnju Republike Uzbekistan |
|
Državni komitet za građevinarstvo, arhitekturu i stambenu politiku Ukrajine |
3 UMJESTO GOST 7076-87
4 UVODEN od 1. aprila 2000. godine kao državni standard Ruske Federacije Uredbom Gosstroja Rusije od 24. decembra 1999. br. 89
Uvod
Ovaj međunarodni standard je usklađen sa ISO 7345:1987 i ISO 9251:1987 u smislu terminologije i usklađen je sa glavnim odredbama ISO 8301:1991, ISO 8302:1991, uspostavljajući metode za određivanje toplotne otpornosti i efektivne toplotne provodljivosti pomoću instrumenta opremljenog sa toplomjerom i instrumentom sa toplom sigurnosnom zonom.
U skladu sa ISO standardima, ovaj standard utvrđuje zahtjeve za uzorke, instrument i njegovu kalibraciju, usvojene su dvije glavne šeme ispitivanja: asimetrična (sa jednim mjeračem toplote) i simetrična (sa dva toplomjera).
1 područje upotrebe
Ovaj standard se primjenjuje na Građevinski materijali i proizvoda, kao i materijala i proizvoda namijenjenih za toplinsku izolaciju industrijska oprema i cjevovoda, te uspostavlja metodu za određivanje njihove efektivne toplotne provodljivosti i toplotnog otpora na prosječna temperatura uzorak od minus 40 do +200 °S.
Standard se ne primjenjuje na materijale i proizvode s toplinskom provodljivošću većom od 1,5 W / (m × K).
GOST 166-89 Čeljusti. Specifikacije
GOST 427-75 Metalna mjerna ravnala. Specifikacije
GOST 24104-88 Laboratorijske vage za opće namjene i uzorne. Opće specifikacije
3 Definicije i oznake
3.1 U ovom standardu se primjenjuju sljedeći termini sa njihovim odgovarajućim definicijama.
toplotni tok- količina toplote koja prolazi kroz uzorak u jedinici vremena.
Gustina toplotnog fluksa je toplotni tok koji prolazi kroz jedinicu površine.
Stacionarni termički režim- način rada u kojem se svi razmatrani termofizički parametri ne mijenjaju s vremenom.
Uzorak termičke otpornosti- odnos temperaturne razlike prednjih strana uzorka i gustine toplotnog fluksa u stacionarnim termičkim uslovima.
Prosječna temperatura uzorka- aritmetička srednja vrijednost temperatura izmjerenih na prednjim stranama uzorka.
Efektivna toplotna provodljivostl eff materijal(odgovara terminu "koeficijent toplotne provodljivosti" usvojenom u važećim standardima za građevinsku toplotnu tehniku) - odnos debljine uzorka ispitivanog materijala dTo njegovu termičku otpornost R.
3.2 Oznake veličina i mjernih jedinica date su u tabeli 1.
Tabela 1
|
Oznaka |
Vrijednost |
Jedinica |
|
l eff |
Efektivna toplotna provodljivost |
W/(m × K) |
|
Toplinska otpornost |
m 2 × K/W |
|
|
Debljina uzorka prije testiranja |
||
|
Toplinska otpornost standardnih uzoraka |
m 2 × K/W |
|
|
D T 1 , D T 2 |
Temperaturna razlika prednjih strana standardnih uzoraka |
|
|
e 1 , e 2 |
Izlazni signali merača toplote uređaja tokom njegove kalibracije pomoću standardnih uzoraka |
|
|
f 1 , f 2 |
Koeficijenti kalibracije toplomjera uređaja tokom njegove kalibracije pomoću standardnih uzoraka |
W/(mV × m 2) |
|
Debljina uzorka tokom ispitivanja |
||
|
Toplinska otpornost ispitnog komada |
m 2 × K/W |
|
|
Relativna promjena mase uzorka nakon sušenja |
||
|
Relativna promjena mase uzorka tokom ispitivanja |
||
|
Težina uzorka po prijemu od proizvođača |
||
|
Težina uzorka nakon sušenja |
||
|
Težina uzorka nakon testiranja |
||
|
D T u |
Temperaturna razlika prednjih strana uzorka za ispitivanje |
|
|
Prosječna temperatura uzorka za ispitivanje |
||
|
Temperatura vruće površine ispitnog komada |
||
|
Temperatura hladnog lica uzorka za ispitivanje |
||
|
Vrijednost koeficijenta kalibracije mjerača topline uređaja, koja odgovara vrijednosti toplotnog fluksa koji teče kroz ispitni uzorak nakon uspostavljanja stacionarnog termičkog režima (sa asimetričnom šemom ispitivanja) |
W/(mV × m 2) |
|
|
Izlazni signal mjerača topline uređaja nakon uspostavljanja stacionarnog toplotnog toka kroz ispitni uzorak (sa asimetričnom shemom ispitivanja) |
||
|
Toplotni otpor između prednje strane uzorka i radne površine instrument ploče |
||
|
leffu |
Efektivna toplotna provodljivost materijala ispitnog uzorka |
W/(m × K) |
|
Toplinska otpornost listnog materijala, od kojeg se izrađuju dno i poklopac kutije za uzorke rasutog materijala |
m 2 × K/W |
|
|
f ¢ u , f² u |
Vrijednosti koeficijenta kalibracije prvog i drugog mjerača topline uređaja, koji odgovaraju vrijednosti toplotnog fluksa koji teče kroz ispitni uzorak nakon uspostavljanja stacionarnog termičkog režima (sa simetričnom šemom ispitivanja) |
W/(mV × m 2) |
|
e ¢ u , e² u |
Izlazni signal prvog i drugog mjerača topline nakon uspostavljanja stacionarnog toka topline kroz ispitni uzorak (sa simetričnom ispitnom shemom) |
|
|
Gustina stacionarnog toplotnog fluksa koji prolazi kroz ispitni uzorak |
||
|
Područje mjerenja |
||
|
Električna energija se dovodi do grijača mjerne zone grijaće ploče instrumenta |
4 Opće odredbe
4.1 Suština metode je stvaranje stacionarnog toplotnog fluksa koji prolazi kroz ravan uzorak određene debljine i usmjeren okomito na prednje (najveće) strane uzorka, mjereći gustinu ovog toplotnog toka, temperaturu suprotne fronte lica i debljinu uzorka.
4.2 Broj uzoraka koji je potreban za određivanje efektivne toplotne provodljivosti ili toplotne otpornosti i postupak uzorkovanja treba da budu specificirani u standardu za određeni materijal ili proizvod. Ako standard za određeni materijal ili proizvod ne navodi broj uzoraka koji se ispituju, efektivna toplotna provodljivost ili toplotna otpornost se utvrđuje na pet uzoraka.
4.3 Temperatura i relativna vlažnost vazduha u prostoriji u kojoj se vrše ispitivanja treba da budu (295 ± 5) K i (50 ± 10)%, respektivno.
5 Merni instrumenti
Za testiranje koristite:
instrument za merenje efektivne toplotne provodljivosti i toplotne otpornosti, sertifikovan u u dogledno vrijeme i ispunjavanje zahtjeva datih u Aneksu A;
uređaj za određivanje gustoće vlaknastih materijala prema GOST 17177;
uređaj za određivanje debljine ravnih vlaknastih proizvoda prema GOST 17177;
elektro orman za sušenje, čija gornja granica zagrevanja nije manja od 383 K, granica dozvoljene greške podešavanja i automatske regulacije temperature je 5 K;
čeljust prema GOST 166:
Za merenje spoljašnjih i unutrašnjih dimenzija sa opsegom merenja od 0-125 mm, vrednošću očitavanja nonija od 0,05 mm, granicom greške od 0,05 mm;
Za mjerenje vanjskih dimenzija s opsegom mjerenja od 0-500 mm, očitanom vrijednošću nonija od 0,1 mm, granicom greške od -0,1 mm;
metalno mjerno ravnalo u skladu sa GOST 427 sa gornjom granicom mjerenja od 1000 mm, granicom dopuštenog odstupanja od nominalnih vrijednosti dužine skale i udaljenosti između bilo kojeg poteza i početka ili kraja skale - 0,2 mm ;
laboratorijske vage opće namjene prema GOST 24104:
Sa najvećom granicom vaganja od 5 kg, vrijednošću podjele - 100 mg, standardnom devijacijom očitavanja vage - ne više od 50,0 mg, greškom od neravnog kraka klackalice - ne više od 250,0 mg, marginom greške - 375 mg;
Uz najveću granicu vaganja od 20 kg, vrijednost podjele - 500 mg, standardna devijacija očitavanja vage - ne više od 150,0 mg, greška zbog neravne ruke - ne više od 750,0 mg, margina greške - 1500 mg.
Dozvoljena je upotreba drugih mjernih instrumenata sa metrološkim karakteristikama i opreme sa tehničke specifikacije ne gori od onih navedenih u ovom standardu.
6 Priprema testa
6.1 Uzorak je napravljen u obliku pravokutnog paralelepipeda, čija su najveća (prednja) lica u obliku kvadrata sa stranom jednakom stranicom radnih površina ploča uređaja. Ako su radne površine ploča uređaja u obliku kruga, tada i najveći rubovi uzorka moraju biti u obliku kruga, čiji je promjer jednak promjeru radnih površina ploča uređaja (Dodatak A, klauzula A. 2.1).
6.2 Debljina uzorka za ispitivanje mora biti najmanje pet puta manja od dužine ivice čeone ili prečnika.
6.3 Rubovi uzorka u kontaktu sa radnim površinama instrumentnih ploča moraju biti ravni i paralelni. Odstupanje prednjih strana krutog uzorka od paralelizma ne smije biti veće od 0,5 mm.
Brusu se kruti uzorci različitih debljina i odstupanja od ravnosti.
6.4 Debljina uzorka paralelepipeda mjeri se kalibrom nonija s greškom ne većom od 0,1 mm na četiri ugla na udaljenosti od (50,0 ± 5,0) mm od vrha ugla i na sredini svake strane.
Debljina diska za uzorke mjeri se noniusom s greškom ne većom od 0,1 mm duž generatrisa smještenih u četiri međusobno okomite ravnine koje prolaze kroz vertikalnu os.
Za debljinu uzorka uzima se aritmetička sredina rezultata svih mjerenja.
6.5 Dužina i širina uzorka u planu mjere se ravnalom sa greškom ne većom od 0,5 mm.
6.6 Pravilnost geometrijskog oblika i dimenzija uzorka termoizolacioni materijal određeno prema GOST 17177.
6.7 Prosječna veličina inkluzija (granule agregata, velike pore, itd.), koje se po svojim termofizičkim parametrima razlikuju od glavnog uzorka, ne smije prelaziti 0,1 debljine uzorka.
Dozvoljeno je ispitivanje uzorka s nehomogenim inkluzijama, čija prosječna veličina prelazi 0,1 njegove debljine. Izvještaj o ispitivanju mora navesti prosječnu veličinu inkluzija.
6.8 Odrediti masu uzorka M 1 po prijemu od proizvođača.
6.9. Uzorak se suši do konstantne težine na temperaturi navedenoj u normativnom dokumentu za materijal ili proizvod. Uzorak se smatra osušenim do konstantne težine ako gubitak njegove mase nakon sljedećeg sušenja od 0,5 h ne prelazi 0,1%. Na kraju sušenja određuje se težina uzorka. M 2 i njegovu gustinu r u, nakon čega se uzorak odmah stavlja ili u uređaj za određivanje njegove toplinske otpornosti, ili u zatvorenu posudu.
Dozvoljeno je ispitivanje mokrog uzorka na hladnoj površini površine većoj od 273 K i temperaturnoj razlici ne većoj od 2 K po 1 cm debljine uzorka.
6.10 Uzorak osušenog rasutog materijala treba staviti u kutiju čije su dno i poklopac izrađeni od tankog limenog materijala. Dužina i širina kutije trebaju biti jednake odgovarajućim dimenzijama radnih površina ploča uređaja, dubina - debljini ispitnog uzorka. Debljina uzorka rasutog materijala mora biti najmanje 10 puta veća od prosječne veličine granula, zrnaca i pahuljica koje čine ovaj materijal.
Relativna hemisferna emisivnost površina dna i poklopca kutije mora biti veća od 0,8 na temperaturama koje te površine doživljavaju tokom ispitivanja.
Toplinska otpornost R L treba znati materijal lima od kojeg su napravljeni dno i poklopac kutije.
6.11. Uzorak rasutog materijala dijeli se na četiri jednaka dijela, koji se naizmenično sipaju u kutiju, zbijajući svaki dio tako da zauzima odgovarajući dio unutrašnje zapremine kutije. Kutija je zatvorena poklopcem. Poklopac je pričvršćen za bočne zidove kutije.
6.12 Izvagati kutiju koja sadrži uzorak rasutog materijala. Na osnovu utvrđene težine kutije sa uzorkom i unapred određenih vrednosti unutrašnje zapremine i mase prazne kutije, izračunava se gustina uzorka rasutog materijala.
6.13 Greška u određivanju mase i veličine uzoraka ne smije biti veća od 0,5%.
7 Testiranje
7.1 Ispitivanja treba izvršiti na prethodno kalibriranom instrumentu. Redoslijed i učestalost kalibracije dati su u Dodatku B.
7.2 Stavite uzorak koji se ispituje u instrument. Lokacija uzorka - horizontalna ili vertikalna. Kod horizontalnog uzorka, smjer toka topline je odozgo prema dolje.
Tokom ispitivanja, temperaturna razlika prednjih strana uzorka D T u treba biti 10-30 K. Prosječna temperatura uzorka tokom ispitivanja treba biti naznačena u regulatornom dokumentu za određenu vrstu materijala ili proizvoda.
7.3 Podesite navedene temperature radnih površina instrumentnih ploča i uzastopno svakih 300 s mjerite:
signali merača toplote EU i temperaturni senzori prednjih strana uzorka, ako se gustina toplotnog toka kroz ispitni uzorak mjeri pomoću mjerača topline;
snagu napajanu grijaču mjerne zone grijaće ploče uređaja i signale temperaturnih senzora prednjih strana uzorka, ako se gustina toplotnog fluksa kroz ispitni uzorak utvrđuje mjerenjem dovedene električne energije na grijač mjerne zone grijaće ploče uređaja.
7.4 Protok topline kroz ispitni uzorak smatra se stabilnim (stacionarnim) ako su vrijednosti toplinskog otpora uzorka, izračunate iz rezultata pet uzastopnih mjerenja signala temperaturnih senzora i gustine toplotnog toka, međusobno se razlikuju za manje od 1%, dok se ove vrijednosti ne povećavaju i ne smanjuju monotono.
7.5 Nakon postizanja stacionarnog termičkog režima, izmjeriti debljinu uzorka postavljenog u uređaj d u kaliper sa greškom ne većom od 0,5%.
7.6 Nakon završetka ispitivanja, odredite masu uzorka M 3 .
8 Obrada rezultata ispitivanja
8.1 Izračunajte relativnu promjenu mase uzorka zbog njegovog sušenja. T r i tokom testiranja T w i gustinu uzorka r u prema formulama:
Tr=(M 1 ¾ M 2 )/M 2 , (2)
Tw= (M 2 ¾ M 3 )/M 3 , (3)
Test volumen uzorka V u izračunato na osnovu rezultata mjerenja njegove dužine i širine nakon završetka testa, a debljine - tokom ispitivanja.
8.2 Izračunajte temperaturnu razliku prednjih strana D T u i prosječnu temperaturu ispitnog uzorka T mu prema formulama:
D T u = T 1u ¾ T 2u , (5)
T mu= (T 1u + T 2u .)/2 (6)
8.3 Prilikom izračunavanja termofizičkih parametara uzorka i gustine stacionarnog toplotnog fluksa, aritmetičke srednje vrednosti rezultata pet merenja signala senzora temperaturne razlike i signala merila toplotne energije ili električne energije, izvršenih nakon uspostavljanja stacionarnog toplotnog toka kroz ispitni uzorak, zamjenjuju se u proračunske formule.
8.4 Prilikom ispitivanja na uređaju sastavljenom prema asimetričnoj shemi, termička otpornost uzorka R u izračunato prema formuli
(7)
Gdje Rk uzeti jednako 0,005m 2 × K / W, a za toplinske izolacijske materijale i proizvode - nula.
8.5 Efektivna toplotna provodljivost materijala uzorka l effu izračunato prema formuli
(8)
8.6 Toplinska otpornost R u i efektivnu toplotnu provodljivost l effu Uzorak rasutog materijala izračunava se po formulama:
, (9)
. (10)
8.7 Stacionarna gustina toplotnog toka q u kroz uzorak testiran na uređaju, sastavljen prema asimetričnim i simetričnim shemama, izračunava se, respektivno, po formulama:
q u = f u e u , (11)
. (12)
8.8 Prilikom ispitivanja na instrumentu sa toplotnom zaštitnom zonom, u kojoj se gustina toplotnog fluksa određuje merenjem električne snage dovedene u grejač merne zone grejne ploče instrumenta, toplotnog otpora, efektivne toplotne provodljivosti i stacionarne toplote gustina protoka kroz uzorak se izračunava po formulama:
, (13)
, (14)
Prilikom ispitivanja rasutih materijala u formulama (13) i (14) umjesto Rk zamjenska vrijednost R L ..
8.9 Rezultat ispitivanja se uzima kao aritmetička sredina toplotnog otpora i efektivne toplotne provodljivosti svih ispitanih uzoraka.
9 Izveštaj o ispitivanju
Izvještaj o ispitivanju mora sadržavati sljedeće informacije:
Naziv materijala ili proizvoda;
Oznaka i naziv normativnog dokumenta prema kojem se materijal ili proizvod proizvodi;
Proizvođač;
Broj serije;
datum proizvodnje;
Ukupan broj testiranih uzoraka;
Vrsta instrumenta na kojem je izvršeno ispitivanje;
Položaj uzoraka za ispitivanje (horizontalno, vertikalno);
Metoda izrade uzoraka rasutog materijala, koji pokazuje termičku otpornost dna i poklopca kutije u kojoj su uzorci ispitivani;
Dimenzije svakog uzorka;
Debljina svakog uzorka prije početka ispitivanja i tijekom ispitivanja, koja pokazuje da li je ispitivanje provedeno pri fiksnom pritisku na uzorak ili pri fiksnoj debljini uzorka;
Fiksni pritisak (ako je bio fiksni);
Prosječna veličina nehomogenih inkluzija u uzorcima (ako ih ima);
Tehnika sušenja uzoraka;
Relativna promjena mase svakog uzorka zbog njegovog dana;
Vlažnost svakog uzorka prije i nakon završetka ispitivanja;
Gustina svakog uzorka tokom ispitivanja;
Relativna promjena mase svakog uzorka koja se dogodila tokom ispitivanja;
Temperatura toplih i hladnih površina svakog uzorka;
Temperaturna razlika između tople i hladne površine svakog uzorka;
Prosječna temperatura svakog uzorka;
Gustina toplotnog toka kroz svaki uzorak nakon uspostavljanja stacionarnog termičkog režima;
Toplinska otpornost svakog uzorka;
Efektivna toplotna provodljivost materijala svakog uzorka;
Srednja aritmetička vrijednost termičke otpornosti svih ispitivanih uzoraka;
Aritmetička sredina efektivne toplotne provodljivosti svih ispitanih uzoraka;
Smjer toplotnog toka;
Datum testiranja;
Datum posljednje kalibracije uređaja (ako je ispitivanje obavljeno na uređaju opremljenom mjeračem topline);
Za standardne uzorke koji se koriste u kalibraciji uređaja, mora se navesti: tip, termička otpornost, datum verifikacije, rok važenja verifikacije, organizacija koja je izvršila verifikaciju;
Procjena greške mjerenja toplotnog otpora ili efektivne toplotne provodljivosti;
Izjava o potpunoj ili delimičnoj neusaglašenosti postupka ispitivanja sa zahtevima ovog standarda. Ako su tokom ispitivanja napravljena odstupanja od zahtjeva ovog standarda, to treba navesti u izvještaju o ispitivanju.
10 Greška u određivanju efektivne toplotne provodljivosti
i termičku otpornost
Relativna greška u određivanju efektivne toplotne provodljivosti i toplotnog otpora ovom metodom ne prelazi ± 3% ako se ispitivanje sprovodi u potpunosti u skladu sa zahtevima ovog standarda.
DODATAK A
(obavezno)
Zahtevi za instrumente za određivanje efektivne toplotne provodljivosti i toplotnog otpora u stacionarnom toplotnom režimu
A.1 Dijagrami instrumenata
Za mjerenje efektivne toplinske provodljivosti i toplinskog otpora u stacionarnom termičkom režimu koriste se sljedeći uređaji:
Sastavljen prema asimetričnoj shemi, opremljen jednim mjeračem topline, koji se nalazi između ispitnog uzorka i hladne ploče uređaja ili između uzorka i vruće ploče uređaja (slika A.1);
Sastavljen prema simetričnoj shemi, opremljen sa dva mjerača topline, od kojih se jedan nalazi između ispitnog uzorka i hladne ploče uređaja, a drugi - između uzorka i vruće ploče uređaja (slika A.2) ;
Instrument u kojem se toplinski tok kroz ispitni uzorak određuje mjerenjem električne snage koja se dovodi do grijača mjerne zone grijaće ploče instrumenta (instrument sa zonom zaštite od vrućine) (slika A.3).
1 - grijač; 2 - mjerač topline; 3 - test uzorak; 4 - frižider
Slika A.1 - Shema uređaja sa jednim mjeračem topline
1 - grijač; 2 - mjerači topline; 3 - frižider; 4 - test komad
Slika A.2 - Šema uređaja sa dva mjerača topline
1 - frižider; 2 - uzorci za ispitivanje; 3 - ploče za grijanje mjernih zona;
4 - namotaj grijača mjerne zone; 5 - grijaće ploče sigurnosne zone;
6 - namotaj grijača zaštitne zone
Slika A. 3 - Dijagram uređaja sa vrućom sigurnosnom zonom
A.2 Grejač i hladnjak
A.2.1 Ploče grijača ili hladnjaka mogu biti u obliku kvadrata, čija stranica mora biti najmanje 250 mm, ili kruga čiji prečnik ne smije biti manji od 250 mm.
A.2.2 Radne površine ploča grijača i hladnjaka moraju biti izrađene od metala. Odstupanje od ravnosti radnih površina ne smije biti veće od 0,025% njihove maksimalne linearne veličine.
A.2.3 Relativna hemisferna emisivnost radnih površina ploča grijača i hladnjaka u kontaktu sa ispitnim uzorkom treba da bude veća od 0,8 na temperaturama koje ove površine imaju tokom ispitivanja.
A.3 Merač toplote
A.3.1 Dimenzije radnih površina merača toplote treba da budu jednake dimenzijama radnih površina ploča grejača i frižidera.
A.3.2 Relativna hemisferna emisivnost prednje strane merača toplote u kontaktu sa ispitnim uzorkom mora biti veća od 0,8 na temperaturama koje ovo lice ima tokom ispitivanja.
A.3.3 Merna zona toplomjera treba da se nalazi u centralnom delu njegove prednje strane. Njegova površina treba biti najmanje 10% i ne više od 40% ukupne površine prednje strane.
A.3.4 Prečnik žica termoparova koji se koriste u proizvodnji termoelektrične baterije merila toplote ne bi trebalo da bude veći od 0,2 mm.
A.4 Senzori temperature
Broj temperaturnih senzora na svakoj radnoj površini ploča grijača ili hladnjaka i prednjoj strani mjerača topline u kontaktu s ispitnim uzorkom mora biti jednak cijelom dijelu broja 10 Ö A i biti najmanje dva. Prečnik žica pogodnih za ove senzore ne bi trebao biti veći od 0,6 mm.
A.5 Električni mjerni sistem
Električni mjerni sistem mora osigurati mjerenje signala senzora površinske temperaturne razlike sa greškom ne većom od 0,5%, signala toplomjera - sa greškom ne većom od 0,6% ili električne energije koja se isporučuje grijač mjerne zone grijaće ploče uređaja - sa greškom ne većom od 0,2%.
Ukupna greška u mjerenju temperaturne razlike između površina ploča uređaja i mjerača topline u kontaktu s prednjim stranama ispitnog uzorka ne smije biti veća od 1%. Ukupna greška - zbir grešaka koje nastaju usled izobličenja temperaturnog polja u blizini temperaturnih senzora, promene karakteristika ovih senzora pod uticajem spoljašnjih uslova i greške unesene električnim mernim sistemom.
A.6 Aparat za merenje debljine ispitnog komada
Uređaj mora biti opremljen uređajem koji omogućava mjerenje debljine uzorka tokom njegovog ispitivanja kaliperom s greškom ne većom od 0,5%.
A.7 Okvir instrumenta
Uređaj mora biti opremljen okvirom koji vam omogućava da održavate različite orijentacije u prostoru bloka uređaja koji sadrži ispitni uzorak.
A.8 Uređaj za fiksiranje ispitnog uzorka
Uređaj mora biti opremljen uređajem koji ili stvara konstantan unaprijed određen pritisak na ispitni uzorak postavljen u uređaj, ili održava konstantan razmak između radnih površina ploča uređaja.
Maksimalni pritisak koji ovaj uređaj stvara na ispitnom uzorku treba da bude 2,5 kPa, minimalni - 0,5 kPa, greška podešavanja pritiska - ne više od 1,5%.
A.9 Uređaj za smanjenje bočnog gubitka toplote ili dobijanja toplote ispitnog komada
Bočni gubici toplote ili toplotni dobici tokom ispitivanja moraju se ograničiti izolovanjem bočnih strana ispitnog uzorka slojem toplotnoizolacionog materijala, čiji toplotni otpor nije manji od toplotnog otpora uzorka.
A.10 Kućište instrumenta
Instrument mora imati kućište u kojem se održava temperatura zraka jednakom prosječnoj temperaturi uzorka za ispitivanje.
DODATAK B
(obavezno)
Kalibracija uređaja opremljenog mjeračem topline
B.1 Opšti zahtjevi
Kalibracija instrumenta opremljenog mjeračem topline treba se izvršiti pomoću tri propisno certificirana standardna uzorka otpornosti na toplinu napravljena od optičkog kvarcnog stakla, organskog stakla i pjenaste plastike ili stakloplastike.
Dimenzije standardnih uzoraka moraju biti jednake dimenzijama uzorka koji se ispituje. U procesu kalibracije instrumenta, temperatura prednjih strana standardnih uzoraka mora biti jednaka temperaturama koje će imati prednje strane ispitnog uzorka tokom ispitivanja.
Cijeli raspon vrijednosti termičkog otpora koji se može izmjeriti na uređaju treba podijeliti u dva podopsega:
donja granica prvog podopsega je minimalna vrijednost termičkog otpora koja se može izmjeriti na ovom uređaju; gornja granica - vrijednost toplinske otpornosti standardnog uzorka napravljenog od organskog stakla i debljine jednake debljini uzorka koji se ispituje;
donja granica drugog podopsega je gornja granica prvog podopsega; gornja granica - maksimalna vrijednost termičkog otpora koja se može izmjeriti na ovom uređaju.
B.2 Kalibracija uređaja sastavljenog prema asimetričnoj šemi
Prije kalibracije potrebno je procijeniti numeričku vrijednost termičke otpornosti uzorka koji se ispituje prema poznatim referentnim podacima i odrediti kojem podopsiju ova vrijednost pripada. Kalibracija mjerača topline se vrši samo u ovom podopsiju.
Ako termička otpornost uzorka koji se ispituje pripada prvom podopsiju, kalibracija mjerača topline
izvedeno korištenjem standardnih uzoraka od optičkog kvarca i organskog stakla. Ako termička otpornost uzorka pripada drugom podopsemu, kalibracija se vrši pomoću standardnih uzoraka od organskog stakla i toplotnoizolacionog materijala.
Stavite prvi standardni uzorak sa nižim termičkim otporom u instrument. R S 1 , D T 1 njegovih prednjih strana i izlazni signal mjerača topline e 1 prema proceduri opisanoj u odeljku 7. Zatim se drugi standardni uzorak sa velikim toplotnim otporom stavlja u instrument R S 2 , izmjeriti temperaturnu razliku D T 2 njegove prednje strane i izlazni signal mjerača topline e 2 istom metodom. Na osnovu rezultata ovih mjerenja izračunavaju se kalibracijski koeficijenti f 1 i f 2 toplomjera prema formulama:
Vrijednost kalibracionog koeficijenta mjerača topline f u , koji odgovara vrijednosti toplotnog fluksa koji teče kroz ispitni uzorak nakon uspostavljanja stacionarnog toplotnog fluksa, određuje se linearnom interpolacijom prema formuli
. (B.3)
B.3 Gradacija uređaja sastavljenog prema simetričnoj šemi
Metoda za određivanje koeficijenta kalibracije za svaki mjerač topline uređaja sastavljenog prema simetričnoj shemi slična je metodi za određivanje koeficijenta kalibracije za mjerač topline opisan u B.2.
B.4 Učestalost kalibracije instrumenta
Kalibracija instrumenta mora se izvršiti u roku od 24 sata prije ili nakon ispitivanja.
Ako, prema rezultatima kalibracije izvršenih u roku od 3 mjeseca, promjena koeficijenta kalibracije mjerača topline ne prelazi ± 1%, ovaj uređaj se može kalibrirati jednom u 15 dana. U tom slučaju, rezultati ispitivanja se mogu prenijeti na kupca tek nakon kalibracije koja slijedi nakon ispitivanja, a ako se vrijednost koeficijenta kalibracije utvrđenog iz rezultata naknadne kalibracije razlikuje od vrijednosti koeficijenta utvrđenog iz rezultata ispitivanja. prethodnu kalibraciju za ne više od ± 1%.
Koeficijent kalibracije koji se koristi za izračunavanje termofizičkih parametara ispitnog uzorka određuje se kao aritmetička sredina dvije naznačene vrijednosti ovog koeficijenta.
Ako razlika u vrijednosti faktora kalibracije prelazi ± 1 %, rezultati svih ispitivanja obavljenih između ove dvije kalibracije smatraju se nevažećim i testovi se moraju ponoviti.
DODATAK B
Bibliografija
ISO 7345:1987 Toplotna izolacija. Fizičke veličine i definicije
ISO 9251:1987 Toplotna izolacija. Načini prijenosa topline i svojstva materijala
ISO 8301:1991 Toplotna izolacija. Određivanje toplotnog otpora i srodnih termofizičkih pokazatelja u stacionarnom termičkom režimu. Uređaj opremljen mjeračem topline
ISO 8302:1991 Toplotna izolacija. Određivanje termičke otpornosti i povezanih termofizičkih pokazatelja. Uređaj sa zonom zaštite od vrućine
Ključne riječi: toplinska otpornost, efektivna toplotna provodljivost, standardni uzorak
Uvod
1 područje upotrebe
3 Definicije i oznake
4 Opće odredbe
5 Merni instrumenti
6 Priprema testa
7 Testiranje
8 Obrada rezultata ispitivanja
9 Izveštaj o ispitivanju
10 Greška u određivanju efektivne toplotne provodljivosti i toplotnog otpora
Aneks A Zahtevi za instrumente za određivanje efektivne toplotne provodljivosti i toplotnog otpora u stacionarnim termičkim uslovima
Dodatak B Kalibracija instrumenta opremljenog mjeračem topline
Dodatak B Bibliografija
