Mjerenje toplinske vodljivosti. Temeljna istraživanja. A.4 Senzori temperature
tijekom njihovog toplinskog gibanja. U tekućinama i krutim tijelima - dielektricima - prijenos topline provodi se izravnim prijenosom toplinskog gibanja molekula i atoma na susjedne čestice tvari. U plinovitim tijelima do širenja topline toplinskim vodljenjem dolazi zbog izmjene energije tijekom sudara molekula s različitim brzinama toplinskog gibanja. U metalima se toplinska vodljivost provodi uglavnom zbog kretanja slobodnih elektrona.
Glavni pojam toplinske vodljivosti uključuje niz matematičkih koncepata čije je definicije preporučljivo podsjetiti i objasniti.
temperaturno polje- to su skupovi temperaturnih vrijednosti u svim točkama tijela u određenom trenutku vremena. Matematički, to se opisuje kao t = f(x, y, z, t). razlikovati stacionarna temperatura polje kada temperatura na svim točkama tijela ne ovisi o vremenu (ne mijenja se tijekom vremena), i nestacionarno temperaturno polje. Osim toga, ako se temperatura mijenja samo duž jedne ili dvije prostorne koordinate, tada se temperaturno polje naziva jednodimenzionalnim ili dvodimenzionalnim.
Izotermna površina je geometrijsko mjesto točaka koje imaju istu temperaturu.
temperaturni gradijent — grad t postoji vektor usmjeren duž normale na izotermnu površinu i brojčano jednak derivaciji temperature u tom smjeru.
Prema osnovnom zakonu provođenja topline – zakonu Fourier(1822), vektor gustoće toplinskog toka prenesen toplinskom vodljivošću proporcionalan je temperaturnom gradijentu:
q = - λ grad t, (3)
Gdje λ - koeficijent toplinske vodljivosti tvari; svoju mjernu jedinicu uto/(m K).
Znak minus u jednadžbi (3) označava da vektor q usmjerena suprotno od vektora grad t, tj. prema najnižoj temperaturi.
protok topline δQ kroz proizvoljno orijentirano elementarno područje dF jednaka je skalarnom produktu vektora q na elementarni vektor površine dF, i ukupni toplinski tok Q po cijeloj površini F se određuje integracijom ovog proizvoda preko površine F:
KOEFICIJENT TOPLINSKE VODLJIVOSTI
Koeficijent toplinske vodljivosti λ u pravu Fourier(3) karakterizira sposobnost određene tvari da provodi toplinu. Vrijednosti koeficijenata toplinske vodljivosti dane su u referentnim knjigama o termofizičkim svojstvima tvari. Brojčano, koeficijent toplinske vodljivosti λ = q/ dipl t jednaka gustoći toplinskog toka q s gradijentom temperature grad t = 1 K/m. Najlakši plin, vodik, ima najveću toplinsku vodljivost. Na sobni uvjeti toplinska vodljivost vodika λ = 0,2 uto/(m K). Teži plinovi imaju manju toplinsku vodljivost – zrak λ = 0,025 uto/(m K), u ugljičnom dioksidu λ = 0,02 uto/(m K).
Čisto srebro i bakar imaju najveću toplinsku vodljivost: λ = 400 uto/(m K). Za ugljične čelike λ = 50 uto/(m K). U tekućinama je toplinska vodljivost obično manja od 1 uto/(m K). Voda je za njega jedan od najboljih tekućih vodiča topline λ = 0,6 uto/(m K).
Koeficijent toplinske vodljivosti nemetalnih čvrstih materijala obično je ispod 10 uto/(m K).
Porozni materijali - pluto, razna vlaknasta punila poput organske vune - imaju najniži koeficijent toplinske vodljivosti λ <0,25 uto/(m K), približavajući se pri niskoj gustoći pakiranja koeficijentu toplinske vodljivosti zraka koji ispunjava pore.
Temperatura, tlak i, za porozne materijale, vlaga također mogu imati značajan utjecaj na toplinsku vodljivost. Referentne knjige uvijek navode uvjete pod kojima je određena toplinska vodljivost određene tvari, a za druge uvjete ti se podaci ne mogu koristiti. Rasponi vrijednosti λ za razne materijale prikazani su na sl. 1.
Sl. 1. Intervali vrijednosti koeficijenata toplinske vodljivosti različitih tvari.
Prijenos topline toplinskim provođenjem
Homogena ravna stijenka.
Najjednostavniji i vrlo čest problem koji rješava teorija prijenosa topline je određivanje gustoće toplinskog toka koji se prenosi kroz ravnu stijenku debljine δ , na čijim se površinama održavaju temperature tw1 I t w2 .(slika 2). Temperatura se mijenja samo po debljini ploče - jednu koordinatu X. Takvi problemi se nazivaju jednodimenzionalni, njihova rješenja su najjednostavnija, au ovom kolegiju ćemo se ograničiti na razmatranje samo jednodimenzionalnih problema.
Uzimajući u obzir da za slučaj s jednim brojem:
grad t = dt/dh, (5)
i pomoću osnovnog zakona provođenja topline (2) dobivamo diferencijalnu jednadžbu stacionarnog provođenja topline za ravnu stijenku:
U stacionarnim uvjetima, kada se energija ne troši na grijanje, gustoća toplinskog toka q nepromijenjene debljine stijenke. U većini praktičnih problema približno se pretpostavlja da koeficijent toplinske vodljivosti λ ne ovisi o temperaturi i jednaka je u cijeloj debljini zida. Značenje λ naći u referentnim knjigama na temperaturi od:
prosjek između temperatura zidnih površina. (Pogreška izračuna u ovom slučaju obično je manja od pogreške početnih podataka i tabličnih vrijednosti, a uz linearnu ovisnost koeficijenta toplinske vodljivosti o temperaturi: λ = a + bt točna formula za izračun q ne razlikuje se od približnog). Na λ = konst:
(7)
oni. temperaturna ovisnost t od koordinate x linearno (slika 2).
sl.2. Stacionarna raspodjela temperature po debljini ravne stijenke.
Dijeljenje varijabli u jednadžbi (7) i integracija preko t iz tw1 prije tw2 i po x od 0 do δ :
, (8)
dobivamo ovisnost za izračunavanje gustoće toplinskog toka:
, (9)
ili snaga protoka topline (toplinski protok):
(10)
Prema tome, količina topline prenesena kroz 1 m 2 zidova, izravno proporcionalan koeficijentu toplinske vodljivosti λ i razlika temperature vanjskih površina zida ( t w1 - t w2) i obrnuto proporcionalna debljini stijenke δ . Ukupna količina topline kroz površinu zida F također razmjerno ovoj površini.
Dobivena najjednostavnija formula (10) vrlo se široko koristi u toplinskim proračunima. Ova formula ne samo da izračunava gustoću toplinskog toka kroz ravne zidove, već također daje procjene za složenije slučajeve, jednostavno zamjenjujući zidove složene konfiguracije ravnim zidom u izračunima. Ponekad se već na temelju procjene jedna ili druga opcija odbaci bez daljnjeg utroška vremena za njezino detaljno proučavanje.
Tjelesna temperatura u točki x određuje se formulom:
t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)
Stav λF/δ naziva se toplinska vodljivost stijenke, a recipročna δ/λF toplinski ili toplinski otpor zida i označava se Rλ. Koristeći koncept toplinskog otpora, formula za izračunavanje toplinskog toka može se prikazati kao:
Ovisnost (11) je slična zakonu Ohma u elektrotehnici (jakoća električne struje jednaka je razlici potencijala podijeljenoj s električnim otporom vodiča kojim teče struja).
Vrlo često se toplinski otpor naziva vrijednost δ / λ, koja je jednaka toplinskom otporu ravnog zida s površinom od 1 m 2.
Primjeri proračuna.
Primjer 1. Odredi toplinski tok kroz betonski zid zgrade debljine 200 mm, visina H = 2,5 m i duljina 2 m ako su temperature na njegovim površinama: t s1\u003d 20 0 C, t s2\u003d - 10 0 S, i koeficijent toplinske vodljivosti λ =1 uto/(m K):
= 750 uto.
Primjer 2. Odredite toplinsku vodljivost materijala stijenke debljine 50 mm, ako je gustoća toplinskog toka kroz njega q = 100 uto/m 2, te temperaturne razlike na površinama Δt = 20 0 C.
uto/(m K).
Višeslojni zid.
Formula (10) se također može koristiti za izračunavanje toplinskog toka kroz zid koji se sastoji od nekoliko ( n) slojevi različitih materijala tijesno jedan uz drugi (slika 3), na primjer, glava cilindra, brtva i blok cilindra izrađeni od različitih materijala itd.
sl.3. Raspodjela temperature po debljini višeslojne ravne stijenke.
Toplinski otpor takvog zida jednak je zbroju toplinskih otpora pojedinih slojeva:
(12)
U formulu (12) potrebno je zamijeniti temperaturnu razliku u onim točkama (površinama), između kojih su “uključeni” svi sumirajući toplinski otpori, tj. u ovom slučaju: tw1 I w(n+1):
, (13)
Gdje ja- broj sloja.
U stacionarnom načinu rada specifični toplinski tok kroz višeslojnu stijenku je konstantan i isti za sve slojeve. Iz (13) slijedi:
. (14)
Iz jednadžbe (14) proizlazi da je ukupni toplinski otpor višeslojne stijenke jednak zbroju otpora svakog sloja.
Formula (13) može se lako dobiti zapisivanjem temperaturne razlike prema formuli (10) za svaki od P slojeva višeslojnog zida i zbrajanje svega P izraze, uzimajući u obzir činjenicu da u svim slojevima Q ima isto značenje. Kada se doda, sve međutemperature 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)ja = - q/λ i. Gustoća toplinskog toka koji prolazi kroz cijeli sloj je ista u stacionarnom načinu, a toplinska vodljivost slojeva je različita, stoga se temperatura oštrije mijenja u slojevima s nižom toplinskom vodljivošću. Dakle, u primjeru na slici 4, materijal drugog sloja (npr. brtve) ima najmanju toplinsku vodljivost, a treći sloj ima najveću.
Izračunavanjem toplinskog toka kroz višeslojnu stijenku može se pomoću relacije (10) odrediti pad temperature u svakom sloju i pronaći temperature na granicama svih slojeva. Ovo je vrlo važno kada se kao toplinski izolator koriste materijali s ograničenom dopuštenom temperaturom.
Temperatura slojeva određena je 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)
Kontaktni toplinski otpor. Pri izvođenju formula za višeslojnu stijenku pošlo se od pretpostavke da slojevi međusobno tijesno priliježu, a zbog dobrog kontakta dodirne površine različitih slojeva imaju istu temperaturu. Idealno tijesan kontakt između pojedinih slojeva višeslojne stijenke postiže se ako se jedan od slojeva nanese na drugi sloj u tekućem stanju ili u obliku tekuće otopine. Čvrsta tijela dodiruju se samo na vrhovima profila hrapavosti (slika 4).
Kontaktna površina vrhova je zanemariva, a cijeli toplinski tok prolazi kroz zračni raspor ( h). Time se stvara dodatni (kontaktni) toplinski otpor. R do. Otpor toplinskog kontakta može se odrediti neovisno koristeći odgovarajuće empirijske ovisnosti ili eksperimentalno. Na primjer, toplinski otpor razmaka od 0,03 mm približno jednaka toplinskom otporu sloja čelika debljine oko 30 mm.
sl.4. Slika dodira dviju hrapavih površina.
Metode smanjenja toplinskog kontaktnog otpora. Ukupna toplinska otpornost kontakta određena je čistoćom obrade, opterećenjem, toplinskom vodljivošću medija, koeficijentima toplinske vodljivosti materijala dodirnih dijelova i drugim čimbenicima.
Najveća učinkovitost u smanjenju toplinskog otpora osigurava se uvođenjem u kontaktnu zonu medija s toplinskom vodljivošću bliskom metalu.
Postoje sljedeće mogućnosti za punjenje kontaktne zone tvarima:
Upotreba brtvila od mekih metala;
Uvođenje u kontaktnu zonu praškaste tvari dobre toplinske vodljivosti;
Uvod u zonu viskozne tvari s dobrom toplinskom vodljivošću;
Ispunjavanje prostora između izbočina hrapavosti tekućim metalom.
Najbolji rezultati postignuti su kada je kontaktna zona ispunjena rastaljenim kositrom. U tom slučaju toplinski otpor kontakta praktički postaje jednak nuli.
Cilindrična stijenka.
Vrlo često se rashladne tekućine kreću kroz cijevi (cilindre), te je potrebno izračunati toplinski tok koji se prenosi kroz cilindričnu stijenku cijevi (cilindra). Problem prijenosa topline kroz cilindričnu stijenku (s poznatim i konstantnim temperaturama na unutarnjoj i vanjskoj površini) također je jednodimenzionalan ako se promatra u cilindričnim koordinatama (slika 4).
Temperatura se mijenja samo po radijusu i po duljini cijevi l a duž njegova oboda ostaje nepromijenjen.
U ovom slučaju jednadžba protoka topline ima oblik:
. (15)
Ovisnost (15) pokazuje da je količina topline koja se prenese kroz stijenku cilindra izravno proporcionalna koeficijentu toplinske vodljivosti λ , duljina cijevi l i temperaturne razlike ( t w1 - t w2) i obrnuto proporcionalan prirodnom logaritmu omjera vanjskog promjera cilindra d2 na njegov unutarnji promjer d1.
Riža. 4. Promjena temperature po debljini jednoslojne cilindrične stijenke.
Na λ = const raspodjela temperature po radijusu r jednoslojne cilindrične stijenke pokorava se logaritamskom zakonu (slika 4).
Primjer. Koliko puta se smanjuju toplinski gubici kroz zid zgrade, ako su između dva sloja opeke debljine 250 mm postaviti pjenastu podlogu debljine 50 mm. Koeficijenti toplinske vodljivosti su jednaki: λ kirp . = 0,5 uto/(m K); λ olovka. . = 0,05 uto/(m K).
Za proučavanje toplinske vodljivosti tvari koriste se dvije skupine metoda: stacionarne i nestacionarne.
Teorija stacionarnih metoda je jednostavnija i potpunije razvijena. Ali nestacionarne metode, u načelu, osim koeficijenta toplinske vodljivosti, omogućuju dobivanje informacija o toplinskoj difuznosti 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 vodljivosti tvari.
A) Metoda ravnog sloja. S jednodimenzionalnim protokom topline kroz ravni sloj, koeficijent toplinske vodljivosti određuje se formulom
Gdje d- debljina, T 1 i T 2 - temperature "vruće" i "hladne" površine uzorka.
Za proučavanje toplinske vodljivosti ovom metodom potrebno je stvoriti toplinski tok blizu jednodimenzionalnog.
Temperature se obično ne mjere na površini uzorka, već na određenoj udaljenosti od njih (vidi sl. 2), stoga je potrebno unijeti korekcije u izmjerenu temperaturnu razliku za pad temperature u slojevima grijača i hladnjaka, kako bi se smanjite toplinski otpor kontakata.
Pri proučavanju tekućina, kako bi se eliminirao fenomen konvekcije, temperaturni gradijent mora biti usmjeren duž gravitacijskog polja (dolje).
Riža. 2. Shema metoda ravnog sloja za mjerenje toplinske vodljivosti.
1 – ispitni uzorak; 2 - grijač; 3 - hladnjak; 4, 5 - izolacijski prstenovi; 6 – sigurnosni grijači; 7 - termoelementi; 8, 9 - diferencijalni termoparovi.
b) Jaegerova metoda. Metoda se temelji na rješavanju jednodimenzionalne toplinske jednadžbe koja opisuje širenje topline duž štapa zagrijanog električnom strujom. Poteškoća korištenja ove metode leži u nemogućnosti stvaranja strogih adijabatskih uvjeta na vanjskoj površini uzorka, što narušava jednodimenzionalnost toplinskog toka.
Formula za izračun izgleda ovako:
(14)
Gdje s- električna vodljivost ispitnog uzorka, U je pad napona između krajnjih točaka na krajevima štapa, DT je temperaturna razlika između sredine štapa i točke na kraju štapa.
Riža. 3. Shema Jaegerove metode.
1 - električna peć; 2 - uzorak; 3 - poluge za pričvršćivanje uzorka; T 1 ¸ T 6 - završne točke termopara.
Ova se metoda koristi u proučavanju električno vodljivih materijala.
V) Metoda cilindričnog sloja. Ispitivana tekućina (rasuti materijal ispunjava cilindrični sloj koji čine dva koaksijalna cilindra. Jedan od cilindara, najčešće unutarnji, je grijač (slika 4).
Slika 4. Shema metode cilindričnog sloja
1 - unutarnji cilindar; 2 - glavni grijač; 3 - sloj ispitivane tvari; 4 - vanjski cilindar; 5 - termoelementi; 6 - sigurnosni cilindri; 7 - dodatni grijači; 8 - tijelo.
Razmotrimo detaljnije stacionarni proces provođenja topline u cilindričnoj stijenci, čija se temperatura vanjske i unutarnje površine održava konstantnom i jednakom T 1 i T 2 (u našem slučaju, to je sloj tvari u studiji 5). Odredimo toplinski tok kroz stijenku pod uvjetom da je unutarnji promjer cilindrične stijenke d 1 = 2r 1, a vanjski d 2 = 2r 2, l = const, a toplina se širi samo u radijalnom smjeru. .
Za rješavanje problema koristimo jednadžbu (12). U cilindričnim koordinatama, kada 
; jednadžba (12), prema (10), uzima vit:
. (15)
Uvedimo notaciju dT/dr= 0, dobivamo
Nakon integriranja i potenciranja ovog izraza, prelaskom na izvorne varijable, dobivamo:
. (16)
Kao što je vidljivo iz ove jednadžbe, ovisnost T=f(r) je logaritamska.
Integracijske konstante C 1 i C 2 mogu se odrediti zamjenom rubnih uvjeta u ovu jednadžbu:
na r \u003d r 1 T \u003d T 1 I T 1 \u003d C 1 ul r1+C2,
na r=r2 T=T2 I T 2 \u003d C 1 ul r2+C2.
Rješenje ovih jednadžbi s obzirom na S 1 i od 2 daje:
; 
Zamjena ovih izraza za od 1 I od 2 u jednadžbu (1b), dobivamo
(17)
protok topline kroz područje cilindrične površine radijusa r a duljina se određuje pomoću Fourierovog zakona (5)
.
Nakon zamjene, dobivamo
. (18)
Koeficijent toplinske vodljivosti l pri poznatim vrijednostima Q, T 1 , T 2 , d 1 , d 2 , izračunato formulom
. (19)
Za suzbijanje konvekcije (u slučaju tekućine), cilindrični sloj mora imati malu debljinu, obično frakcije milimetra.
Smanjenje krajnjih gubitaka kod metode cilindričnog sloja postiže se povećanjem omjera / d i sigurnosne grijalice.
G) metoda vruće žice. U ovoj metodi relacija / d povećava smanjenjem d. Unutarnji cilindar zamijenjen je tankom žicom, koja je bila i grijač i otporni termometar (slika 5). Kao rezultat relativne jednostavnosti dizajna i detaljnog razvoja teorije, metoda grijane žice postala je jedna od najnaprednijih i najpreciznijih. U praksi eksperimentalnih studija toplinske vodljivosti tekućina i plinova, on zauzima vodeće mjesto.
Riža. 5. Shema mjerne ćelije izrađene po metodi grijane žice. 1 - mjerna žica, 2 - cijev, 3 - ispitivana tvar, 4 - strujni vodovi, 5 - potencijalni odvojci, 6 - vanjski termometar.
Pod uvjetom da se cijeli toplinski tok iz presjeka AB širi radijalno i da temperaturna razlika T 1 - T 2 nije velika, tako da se l = const može smatrati unutar ovih granica, toplinska vodljivost tvari određena je formulom
, (20)
Gdje Q AB = T×U AB je snaga rasipana na žici.
e) lopta metoda. Nalazi primjenu u praksi proučavanja toplinske vodljivosti tekućina i rasutih materijala. Tvar koja se proučava dobiva oblik sfernog sloja, što u načelu omogućuje isključivanje nekontroliranih gubitaka topline. Tehnički, ova metoda je prilično komplicirana.
Fizikalne metode analize temelje se na korištenju nekog specifičnog fizikalnog učinka ili određenog fizikalnog svojstva tvari. Za plinska analiza koristiti gustoću, viskoznost, toplinsku vodljivost, indeks loma, magnetsku susceptibilnost, difuziju, apsorpciju, emisiju, apsorpciju elektromagnetskog zračenja, kao i selektivnu apsorpciju, brzinu zvuka, reakcijsku toplinu, električnu vodljivost itd. Neka od ovih fizikalnih svojstava i pojava čine kontinuiranu analizu plina i omogućuju postizanje visoke osjetljivosti i točnosti mjerenja. Odabir fizikalne veličine ili pojave vrlo je važan kako bi se eliminirao utjecaj neizmjerenih komponenti sadržanih u analiziranoj smjesi. Korištenje specifičnih svojstava ili učinaka omogućuje određivanje koncentracije željene komponente u višekomponentnoj plinskoj smjesi. Nespecifična fizikalna svojstva mogu se koristiti, strogo govoreći, samo za analizu binarnih plinskih smjesa. Viskoznost, indeks loma i difuzija nemaju praktičnu važnost u analizi plinova.
Prijenos topline između dvije točke s različitim temperaturama događa se na tri načina: konvekcijom, zračenjem i provođenjem topline. Na konvekcija prijenos topline povezan je s prijenosom tvari (prijenos mase); prijenos topline radijacija nastaje bez sudjelovanja materije. Prijenos topline toplinska vodljivost događa se uz sudjelovanje tvari, ali bez prijenosa mase. Prijenos energije nastaje zbog sudara molekula. Koeficijent toplinske vodljivosti ( x) ovisi samo o vrsti tvari koja prenosi toplinu. To je specifična karakteristika tvari.
Dimenzija toplinske vodljivosti u CGS sustavu cal / (s cm K), u tehničkim jedinicama - kcalDmch-K), u međunarodnom SI sustavu - WDm-K). Omjer ovih jedinica je sljedeći: 1 cal / (cm s K) \u003d 360 kcal Dm h K) \u003d 418,68 W Dm-K).
Apsolutna toplinska vodljivost tijekom prijelaza iz krutih u tekuće i plinovite tvari varira od X = 418,68 Wdm-K)] (toplinska vodljivost najboljeg vodiča topline - srebra) do x red 10 _6 (toplinska vodljivost najmanje vodljivih plinova).
Toplinska vodljivost plinova snažno raste s porastom temperature. Za neke plinove (GH 4: NH 3) relativna toplinska vodljivost naglo raste s porastom temperature, a za neke (Ne) opada. Prema kinetičkoj teoriji, toplinska vodljivost plinova ne bi trebala ovisiti o tlaku. Međutim, različiti razlozi dovode do činjenice da se s povećanjem tlaka toplinska vodljivost lagano povećava. U području tlaka od atmosferskog do nekoliko milibara, toplinska vodljivost ne ovisi o tlaku, budući da srednji slobodni put molekula raste sa smanjenjem broja molekula po jedinici volumena. Pri tlaku od -20 mbar srednji slobodni put molekula odgovara veličini mjerne komore.
Mjerenje toplinske vodljivosti je najstarija fizikalna metoda analize plinova. Opisano je 1840. godine, posebno u djelima A. Schleiermachera (1888.-1889.), au industriji se koristi od 1928. godine. Godine 1913. Siemens je razvio mjerač koncentracije vodika za zračne brodove. Nakon toga, mnogo desetljeća, instrumenti temeljeni na mjerenju toplinske vodljivosti razvijani su s velikim uspjehom i naširoko korišteni u brzo rastućoj kemijskoj industriji. Naravno, u početku su analizirane samo binarne plinske smjese. Najbolji rezultati postižu se s velikom razlikom u toplinskoj vodljivosti plinova. Vodik ima najveću toplinsku vodljivost među plinovima. U praksi je također bilo opravdano mjeriti koncentraciju CO s u dimnim plinovima, budući da su toplinske vodljivosti kisika, dušika i ugljikovog monoksida vrlo bliske jedna drugoj, što omogućuje da se smjesa ove četiri komponente smatra kvazi- binarni.
Temperaturni koeficijenti toplinske vodljivosti različitih plinova nisu isti, pa možete pronaći temperaturu pri kojoj su toplinske vodljivosti različitih plinova jednake (na primjer, 490 °C - za ugljikov dioksid i kisik, 70 °C - za amonijak i zrak, 75 °C - za ugljikov dioksid i argon). Pri rješavanju određenog analitičkog problema te se podudarnosti mogu iskoristiti uzimajući ternarnu plinsku smjesu za kvazibinarnu.
U analizi plina možemo pretpostaviti da toplinska vodljivost je aditivno svojstvo. Mjerenjem toplinske vodljivosti smjese i poznavanjem toplinske vodljivosti čistih komponenti binarne smjese može se izračunati njihova koncentracija. Međutim, ovaj jednostavan odnos ne može se primijeniti ni na jednu binarnu smjesu. Tako npr. smjese zrak - vodena para, zrak - amonijak, ugljikov monoksid - amonijak i zrak - acetilen pri određenom omjeru komponenata imaju maksimalnu toplinsku vodljivost. Stoga je primjenjivost metode provođenja topline ograničena na određeni raspon koncentracija. Za mnoge smjese postoji nelinearna ovisnost toplinske vodljivosti i sastava. Stoga je potrebno uzeti kalibracijsku krivulju, prema kojoj treba izraditi skalu instrumenta za snimanje.
Senzori toplinske vodljivosti(termokonduktometrijski senzori) sastoje se od četiri male plinom ispunjene komore malog volumena u koje su izolirani od tijela smješteni tanki platinasti vodiči iste veličine i istog električnog otpora. Ista istosmjerna struja stabilne vrijednosti teče kroz vodiče i zagrijava ih. Vodiči - grijaći elementi - okruženi su 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 zahtjeva točnu jednakost temperatura mjernih komora, pa se cijeli mjerni sustav postavlja u termostat ili u mjernu dijagonalu mosta, a za temperaturnu kompenzaciju uključuje se otpornik. Sve dok je disipacija topline iz grijaćih elemenata u mjernoj i usporednoj komori ista, most je u ravnoteži. Kada se u mjerne komore dovodi plin različite toplinske vodljivosti, dolazi do poremećaja te ravnoteže, mijenja se temperatura osjetljivih elemenata, a time i njihov otpor. Rezultirajuća struja u mjernoj dijagonali proporcionalna je koncentraciji mjerenog plina. Za povećanje osjetljivosti treba povećati radnu temperaturu osjetljivih elemenata, ali treba paziti da se održi dovoljno velika razlika u toplinskoj vodljivosti plina. Dakle, za različite mješavine plinova postoji optimalna temperatura u smislu toplinske vodljivosti i osjetljivosti. Često se razlika između temperature osjetljivih elemenata i temperature stijenki komora bira od 100 do 150°C.
Mjerne ćelije industrijskih termokonduktometrijskih analizatora obično se sastoje od masivnog metalnog kućišta u kojem su izbušene mjerne komore. To osigurava jednoliku raspodjelu temperature i dobru stabilnost kalibracije. Budući da na očitanja mjerača toplinske vodljivosti utječe brzina protoka plina, plin se uvodi u mjerne komore kroz obilazni kanal. U nastavku su navedena rješenja različitih dizajnera za osiguranje potrebne izmjene plinova. U načelu se pretpostavlja da je glavni tok plina spojnim kanalima povezan s mjernim komorama, kroz koje plin teče uz blagi pad. U tom slučaju difuzija i toplinska konvekcija odlučujuće utječu na obnavljanje plina u mjernim komorama. Volumen mjernih komora može biti vrlo mali (nekoliko kubičnih milimetara), što osigurava mali učinak konvektivnog prijenosa topline na rezultat mjerenja. Da bi se smanjio katalitički učinak platinskih vodiča, oni se na različite načine pretapaju u staklene kapilare tankih stijenki. Kako bi se osigurala otpornost mjerne komore na koroziju, svi dijelovi plinovoda su prekriveni staklom. To omogućuje mjerenje toplinske vodljivosti smjesa koje sadrže klor, klorovodik i druge korozivne plinove. Termokonduktometrijski analizatori sa zatvorenim referentnim komorama uglavnom se koriste u kemijskoj industriji. Odabir odgovarajućeg referentnog plina pojednostavljuje kalibraciju instrumenta. Osim toga, možete dobiti ljestvicu s potisnutom nulom. Kako bi se smanjio pomak nulte točke, referentne komore moraju biti dobro zabrtvljene. U posebnim slučajevima, na primjer, s jakim fluktuacijama u sastavu plinske smjese, moguće je raditi s protočnim usporednim komorama. U tom slučaju, pomoću posebnog reagensa, jedna od komponenti se uklanja iz mjerene plinske smjese (na primjer, CO i otopina kaustičnog kalija), a zatim se plinska smjesa šalje u usporedne komore. Mjerna i komparativna grana razlikuju se u ovom slučaju samo u nedostatku jedne od komponenti. Ova metoda često omogućuje analizu složenih plinskih smjesa.
Nedavno se umjesto metalnih vodiča kao osjetljivi elementi ponekad koriste poluvodički termistori. Prednost termistora je 10 puta veći temperaturni koeficijent otpora u odnosu na metalne termistore. Time se postiže nagli porast osjetljivosti. Međutim, istodobno se nameću mnogo veći zahtjevi za stabilizaciju struje mosta i temperaturu stijenki komore.
Ranije od ostalih, i najšire, termokonduktometrijski instrumenti počeli su se koristiti za analizu dimnih plinova iz ložišta. Zbog visoke osjetljivosti, velike brzine, jednostavnosti održavanja i pouzdanosti dizajna, kao i niske cijene, analizatori ovog tipa brzo su uvedeni u industriju u budućnosti.
Termokonduktometrijski analizatori najprikladniji su za mjerenje koncentracije vodika u smjesama. Pri odabiru referentnih plinova moraju se uzeti u obzir i mješavine različitih plinova. Sljedeći podaci mogu se koristiti kao primjer minimalnih mjernih područja za različite plinove (tablica 6.1).
Tablica 6.1
Minimalni mjerni rasponi za razne plinove,
% na volumen
Maksimalni raspon mjerenja je najčešće 0-100%, pri čemu se može potisnuti 90 ili čak 99%. U posebnim slučajevima analizator toplinske vodljivosti omogućuje više različitih mjernih područja na jednom instrumentu. To se, primjerice, koristi pri nadzoru punjenja i pražnjenja turbogeneratora hlađenih vodikom u termoelektranama. Zbog opasnosti od eksplozije, kućište generatora se ne puni zrakom, već se prvo uvodi ugljikov dioksid kao plin za pročišćavanje, a zatim vodik. Na sličan način proizvesti ispuštanje plina iz generatora. Uz dovoljno visoku ponovljivost, sljedeći rasponi mjerenja mogu se dobiti na jednom analizatoru: 0-100% (vol.) CO (u zraku za pročišćavanje ugljičnim dioksidom), 100-0% H 2 u CO (za punjenje vodikom) i 100-80% H 2 (u zraku za kontrolu čistoće vodika tijekom rada generatora). Ovo je jeftin način mjerenja.
Za određivanje sadržaja vodika u kloru koji se oslobađa tijekom elektrolize kalijevog klorida pomoću termokonduktometrijskog analizatora, moguće je raditi i sa zatvorenim referentnim plinom (SO 2 , Ar) i s tekućim referentnim plinom. U potonjem slučaju, smjesa vodika i klora prvo se šalje u mjernu komoru, a zatim u naknadno izgaranje s temperaturom >200°C. Vodik izgara s viškom klora stvarajući klorovodik. Rezultirajuća smjesa HC i C1 2 dovodi se u usporednu komoru. U ovom slučaju, koncentracija vodika se određuje iz razlike u toplinskoj vodljivosti. Ova metoda značajno smanjuje utjecaj primjesa malih količina zraka.
Da bi se smanjila pogreška koja se javlja pri analizi mokrog plina, plin se mora sušiti, što se čini ili uz pomoć apsorbera vlage ili snižavanjem temperature plina ispod točke rosišta. Postoji još jedna mogućnost kompenzacije utjecaja vlage, koja je primjenjiva samo pri mjerenju sa shemom protočnog referentnog plina.
Za rad s eksplozivnim plinovima brojne tvrtke proizvode uređaje otporne na eksploziju. U ovom slučaju, komore mjerača toplinske vodljivosti projektirane su za visoki tlak, na ulazu i izlazu iz komora ugrađeni su odvodnici plamena, a izlazni signal ograničen je na samosigurnu razinu. Međutim, takvi se uređaji ne mogu koristiti za analizu smjesa eksplozivnih plinova s kisikom ili vodika s klorom.
- Centimetar - gram - sekunda - sustav jedinica koji je bio široko korišten prije usvajanja međunarodni sustav jedinice (SI).
Do sada nije razvijeno jedinstvena klasifikacija vezano uz različitost postojeće metode. Poznate eksperimentalne metode za mjerenje toplinske vodljivosti materijala dijele se u dvije velike skupine: stacionarne i nestacionarne. U prvom slučaju, formula za kvalitetu izračuna koristi određena rješenja jednadžbe provođenja topline
pod uvjetom, u drugom - pod uvjetom, gdje je T temperatura; f - vrijeme; - koeficijent toplinske difuzije; l - koeficijent toplinske vodljivosti; C - specifični toplinski kapacitet; d je gustoća materijala; - Laplaceov operator, napisan u odgovarajućem koordinatnom sustavu; - specifična snaga volumetrijskog izvora topline.
Prva skupina metoda temelji se na korištenju stacionarnog toplinskog režima; drugi - nestacionarni toplinski režim. Stacionarne metode za određivanje koeficijenta toplinske vodljivosti prema prirodi mjerenja su izravne (tj. Koeficijent toplinske vodljivosti se izravno određuje) i dijele se na apsolutne i relativne. U apsolutnim metodama, parametri izmjereni u eksperimentu omogućuju dobivanje željene vrijednosti koeficijenta toplinske vodljivosti pomoću formule za izračun. U relativnim metodama, parametri izmjereni u eksperimentu omogućuju dobivanje potrebne vrijednosti koeficijenta toplinske vodljivosti pomoću formule za izračun. Kod relativnih metoda izmjereni parametri nisu dovoljni za izračunavanje apsolutne vrijednosti. Ovdje su moguća dva slučaja. Prvi je praćenje promjene koeficijenta toplinske vodljivosti u odnosu na početni, uzet kao jedinica. Drugi slučaj je uporaba referentnog materijala s poznatim toplinskim svojstvima. U ovom se slučaju u formuli za izračun koristi koeficijent toplinske vodljivosti standarda. Relativne metode imaju neke prednosti u odnosu na apsolutne metode jer su jednostavnije. Daljnja podjela stacionarnih metoda može se provesti prema prirodi zagrijavanja (vanjski, volumetrijski i kombinirani) i prema vrsti izotermi temperaturnog polja u uzorcima (ravne, cilindrične, sferne). Podskupina metoda s vanjskim zagrijavanjem uključuje sve metode koje koriste vanjske (električne, volumetrijske i dr.) grijače i zagrijavanje površine uzorka toplinskim zračenjem ili bombardiranjem elektronima. Podskupina metoda s volumetrijskim zagrijavanjem objedinjuje sve metode koje koriste zagrijavanje strujom koja prolazi kroz uzorak, zagrijavanje ispitnog uzorka neutronskim ili z-zračenjem ili mikrovalnim strujama. Podskupina metoda s kombiniranim zagrijavanjem može uključivati metode koje istodobno koriste vanjsko i volumno zagrijavanje uzoraka ili međuzagrijavanje (npr. visokofrekventnim strujama).
U sve tri podskupine stacionarnih metoda temperaturno polje
može biti drugačiji.
Ravne izoterme nastaju kada je toplinski tok usmjeren duž osi simetrije uzorka. Metode koje koriste ravne izoterme u literaturi se nazivaju metodama s aksijalnim ili uzdužnim protokom topline, a same eksperimentalne postavke nazivaju se ravnim uređajima.
Cilindrične izoterme odgovaraju širenju toplinskog toka duž polumjera cilindričnog uzorka. U slučaju kada je toplinski tok usmjeren duž polumjera 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 određivanja toplinske vodljivosti i toplinskog otpora
u stacionarnim toplinskim uvjetima
GRAĐEVINSKI MATERIJALI I PROIZVODI
Metoda određivanja topline u stacionarnom stanju
vodljivost i toplinski otpor
Datum uvođenja 2000-04-01
Predgovor
1 RAZVIO Istraživački institut za građevinsku fiziku (NIISF) Ruska Federacija
PREDSTAVIO Gosstroy Rusije
2 DONIJELO Međudržavno znanstveno i tehničko povjerenstvo za standardizaciju, tehničke propise i certificiranje u graditeljstvu (ISTCS) 20. svibnja 1999.
|
Naziv države |
Naziv državnog tijela upravljanje građenjem |
|
Republika Armenija |
Ministarstvo urbanog razvoja Republike Armenije |
|
Republika Kazahstan |
Odbor za izgradnju Ministarstva energetike, industrije i trgovine Republike Kazahstan |
|
Republika Kirgistan |
Državni inspektorat za arhitekturu i graditeljstvo pri Vladi Kirgiske Republike |
|
Republika Moldavija |
Ministarstvo teritorijalnog razvoja, graditeljstva i komunalnih usluga Republike Moldavije |
|
Ruska Federacija |
Gosstroy Rusije |
|
Republika Tadžikistan |
Odbor za arhitekturu i graditeljstvo Republike Tadžikistan |
|
Republika Uzbekistan |
Državni komitet za arhitekturu i graditeljstvo Republike Uzbekistan |
|
Državni odbor za graditeljstvo, arhitekturu i stambenu politiku Ukrajine |
3 UMJESTO GOST 7076-87
4 UVEDENO od 1. travnja 2000. kao državni standard Ruske Federacije Dekretom Gosstroja Rusije od 24. prosinca 1999. br. 89
Uvod
Ova je međunarodna norma usklađena s ISO 7345:1987 i ISO 9251:1987 u pogledu terminologije i u skladu je s glavnim odredbama ISO 8301:1991, ISO 8302:1991, uspostavljajući metode za određivanje toplinskog otpora i efektivne toplinske vodljivosti pomoću instrumenta opremljenog s mjeračem toplinske energije i instrumentom s toplom sigurnosnom zonom.
U skladu s ISO normama, ova norma utvrđuje zahtjeve za uzorke, instrument i njegovu kalibraciju, usvojene su dvije glavne sheme ispitivanja: asimetrična (s jednim mjerilom topline) i simetrična (s dva mjerača topline).
1 područje upotrebe
Ovaj se standard primjenjuje na Građevinski materijali i proizvodi te materijali i proizvodi namijenjeni toplinskoj izolaciji industrijska oprema i cjevovoda, te uspostavlja metodu za određivanje njihove efektivne toplinske vodljivosti i toplinskog otpora na Prosječna temperatura uzorak od minus 40 do + 200 °S.
Standard se ne odnosi na materijale i proizvode s toplinskom vodljivošću većom od 1,5 W / (m × K).
GOST 166-89 Čeljusti. Tehnički podaci
GOST 427-75 Mjerna metalna ravnala. Tehnički podaci
GOST 24104-88 Laboratorijske vage za opće namjene i uzorke. Opće specifikacije
3 Definicije i zapisi
3.1 U ovom standardu primjenjuju se sljedeći pojmovi sa svojim definicijama.
protok topline- količina topline koja prolazi kroz uzorak po jedinici vremena.
Gustoća toplinskog toka je toplinski tok koji prolazi kroz jedinicu površine.
Stacionarni toplinski režim- način rada u kojem se svi razmatrani termofizički parametri ne mijenjaju s vremenom.
Termička otpornost uzorka- omjer temperaturne razlike prednjih strana uzorka i gustoće toplinskog toka u stacionarnim toplinskim uvjetima.
Prosječna temperatura uzorka- aritmetička srednja vrijednost temperatura izmjerenih na prednjim stranama uzorka.
Efektivna toplinska vodljivostl ef materijal(odgovara pojmu "koeficijent toplinske vodljivosti" usvojenom u važećim standardima za građevinsku toplinsku tehniku) - omjer debljine ispitanog uzorka materijala dDo njegovu toplinsku otpornost R.
3.2 Oznake veličina i mjernih jedinica dane su u tablici 1.
stol 1
|
Oznaka |
Vrijednost |
Jedinica |
|
l eff |
Efektivna toplinska vodljivost |
W/(m × K) |
|
Toplinska otpornost |
m 2 × K/W |
|
|
Debljina uzorka prije ispitivanja |
||
|
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 mjerila toplinske energije uređaja tijekom njegove kalibracije pomoću standardnih uzoraka |
|
|
f 1 , f 2 |
Koeficijenti umjeravanja mjerila toplinske energije uređaja tijekom njegovog umjeravanja pomoću standardnih uzoraka |
W/(mV × m 2) |
|
Debljina uzorka tijekom ispitivanja |
||
|
Toplinska otpornost ispitnog komada |
m 2 × K/W |
|
|
Relativna promjena mase uzorka nakon sušenja |
||
|
Relativna promjena mase uzorka tijekom ispitivanja |
||
|
Težina uzorka po primitku od proizvođača |
||
|
Težina uzorka nakon sušenja |
||
|
Težina uzorka nakon ispitivanja |
||
|
D T u |
Temperaturna razlika prednjih strana ispitnog uzorka |
|
|
Prosječna temperatura ispitnog uzorka |
||
|
Temperatura vruće površine ispitnog uzorka |
||
|
Temperatura hladne površine ispitnog uzorka |
||
|
Vrijednost kalibracijskog koeficijenta mjerila topline uređaja, koja odgovara vrijednosti toplinskog toka koji teče kroz ispitni uzorak nakon uspostavljanja stacionarnog toplinskog režima (s asimetričnom ispitnom shemom) |
W/(mV × m 2) |
|
|
Izlazni signal mjerila toplinske energije uređaja nakon uspostavljanja stacionarnog toplinskog toka kroz ispitni uzorak (s asimetričnom ispitnom shemom) |
||
|
Toplinski otpor između prednje strane uzorka i radne površine ploče instrumenta |
||
|
leffu |
Efektivna toplinska vodljivost materijala ispitnog uzorka |
W/(m × K) |
|
Toplinska otpornost limeni materijal, od kojeg je izrađeno dno i poklopac kutije za uzorkovanje rasutog materijala |
m 2 × K/W |
|
|
f ¢ u , f² u |
Vrijednosti kalibracijskog koeficijenta prvog i drugog mjerača topline uređaja, koje odgovaraju vrijednosti toplinskog toka koji teče kroz ispitni uzorak nakon uspostavljanja stacionarnog toplinskog režima (sa simetričnom shemom ispitivanja) |
W/(mV × m 2) |
|
e ¢ u , e² u |
Izlazni signal prvog i drugog mjerila topline nakon uspostave stacionarnog protoka topline kroz ispitni uzorak (sa simetričnom ispitnom shemom) |
|
|
Gustoća stacionarnog toplinskog toka koji prolazi kroz ispitni uzorak |
||
|
Područje mjerenja |
||
|
Električna energija koja se dovodi do grijača mjerne zone grijaće ploče instrumenta |
4 Opće odredbe
4.1 Bit metode je stvoriti stacionarni toplinski tok koji prolazi kroz ravni uzorak određene debljine i usmjeren okomito na prednje (najveće) strane uzorka, mjerenje gustoće ovog toplinskog toka, temperaturu suprotne fronte. lica i debljina uzorka.
4.2 Broj uzoraka potrebnih za određivanje efektivne toplinske vodljivosti ili toplinske otpornosti i postupak uzorkovanja trebaju biti navedeni u standardu za materijal ili proizvod. Ako norma za određeni materijal ili proizvod ne navodi broj uzoraka koji se ispituju, efektivna toplinska vodljivost ili toplinski otpor utvrđuje se na pet uzoraka.
4.3 Temperatura i relativna vlažnost zraka u prostoriji u kojoj se provode ispitivanja trebaju biti (295 ± 5) K odnosno (50 ± 10) %.
5 Mjerni instrumenti
Za testiranje koristite:
instrument za mjerenje efektivne toplinske vodljivosti i toplinskog otpora, certificiran u u dogledno vrijeme i ispunjavanje zahtjeva danih u Dodatku A;
uređaj za određivanje gustoće vlaknastih materijala prema GOST 17177;
uređaj za određivanje debljine ravnih vlaknastih proizvoda prema GOST 17177;
električni ormar za sušenje, čija gornja granica zagrijavanja nije manja od 383 K, granica dopuštene pogreške podešavanja i automatske regulacije temperature je 5 K;
čeljust prema GOST 166:
Za mjerenje vanjskih i unutarnjih dimenzija s rasponom mjerenja od 0-125 mm, vrijednošću očitanja nonijusa od 0,05 mm, granicom pogreške od 0,05 mm;
Za mjerenje vanjskih dimenzija s rasponom mjerenja od 0-500 mm, vrijednost očitanja nonijusa od 0,1 mm, granica pogreške od -0,1 mm;
metalno mjerno ravnalo u skladu s GOST 427 s gornjom granicom mjerenja od 1000 mm, granicom dopuštenog odstupanja od nominalnih vrijednosti duljine ljestvice i udaljenosti između bilo kojeg poteza i početka ili kraja ljestvice - 0,2 mm ;
laboratorijske vage opće namjene prema GOST 24104:
S najvećom granicom vaganja od 5 kg, vrijednost podjele - 100 mg, standardna devijacija očitanja vage - ne više od 50,0 mg, pogreška zbog neravnog kraka - ne više od 250,0 mg, margina pogreške - 375 mg;
S najvećom granicom vaganja od 20 kg, vrijednost podjele - 500 mg, standardna devijacija očitanja vage - ne više od 150,0 mg, pogreška zbog neravnog kraka - ne više od 750,0 mg, margina pogreške - 1500 mg.
Dopuštena je uporaba drugih mjerila s mjeriteljskim svojstvima i opreme s njima Tehničke specifikacije ne gori od onih navedenih u ovoj normi.
6 Priprema ispita
6.1 Uzorak je izrađen u obliku pravokutnog paralelopipeda, čija su najveća (prednja) lica u obliku kvadrata sa stranicom jednakom strani radnih površina ploča uređaja. Ako su radne površine ploča uređaja u obliku kruga, tada i najveći rubovi uzorka moraju imati oblik kruga, čiji je promjer jednak promjeru radnih površina ploča uređaja. (Dodatak A, klauzula A. 2.1).
6.2 Debljina ispitnog uzorka mora biti najmanje pet puta manja od duljine ruba površine ili promjera.
6.3 Rubovi uzorka u dodiru s radnim površinama ploča instrumenata moraju biti ravni i paralelni. Odstupanje prednjih strana krutog uzorka od paralelizma ne smije biti veće od 0,5 mm.
Bruse se kruti uzorci različitih debljina i odstupanja od ravnosti.
6.4 Debljina uzorka paralelopipeda mjeri se pomičnom mjerom s pogreškom ne većom od 0,1 mm u četiri kuta na udaljenosti od (50,0 ± 5,0) mm od vrha kuta i na sredini svake strane.
Debljina uzorka-diska mjeri se čeljustom s pogreškom od najviše 0,1 mm duž generatora smještenih u četiri međusobno okomite ravnine koje prolaze kroz okomitu os.
Za debljinu uzorka uzima se aritmetička sredina rezultata svih mjerenja.
6.5 Duljina i širina uzorka u tlocrtu mjere se ravnalom s pogreškom ne većom od 0,5 mm.
6.6 Pravilnost geometrijskog oblika i dimenzija uzorka termoizolacijski materijal određeno prema GOST 17177.
6.7 Prosječna veličina uključaka (granule agregata, velike pore itd.), koji se po svojim termofizičkim parametrima razlikuju od glavnog uzorka, ne smije biti veća od 0,1 debljine uzorka.
Dopušteno je ispitivanje uzorka s nehomogenim uključcima čija prosječna veličina prelazi 0,1 debljine. U izvješću o ispitivanju navodi se prosječna veličina inkluzija.
6.8 Odredite masu uzorka M 1 po primitku 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 mase 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 gustoću r u, nakon čega se uzorak odmah stavlja ili u uređaj za određivanje toplinske otpornosti ili u zapečaćenu posudu.
Dopušteno je ispitivanje mokrog uzorka pri temperaturi hladne površine višoj 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 pločastog materijala. Duljina 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 ljuskica koje čine ovaj materijal.
Relativna hemisferična emisivnost površina dna i poklopca kutije mora biti veća od 0,8 na temperaturama koje te površine doživljavaju tijekom ispitivanja.
Toplinska otpornost R L treba znati limeni materijal od kojeg su napravljeni dno i poklopac kutije.
6.11 Uzorak rasutog materijala podijeli se na četiri jednaka dijela, koji se naizmjenično sipaju u kutiju, zbijajući svaki dio tako da zauzima odgovarajući dio unutarnjeg volumena kutije. Kutija se zatvara poklopcem. Poklopac je pričvršćen na bočne stijenke kutije.
6.12 Izvažite kutiju koja sadrži uzorak rasutog materijala. Na temelju utvrđene težine kutije s uzorkom i unaprijed određenih vrijednosti unutarnjeg volumena i mase prazne kutije izračunava se gustoća uzorka rasutog materijala.
6.13 Pogreška u određivanju mase i veličine uzoraka ne smije biti veća od 0,5%.
7 Ispitivanje
7.1 Ispitivanja treba provesti na prethodno kalibriranom instrumentu. Redoslijed i učestalost kalibracije navedeni su u Dodatku B.
7.2 Stavite uzorak koji se ispituje u instrument. Mjesto uzorka - vodoravno ili okomito. Kod vodoravnog uzorka, smjer toka topline je odozgo prema dolje.
Tijekom ispitivanja temperaturna razlika prednjih strana uzorka D T u treba biti 10-30 K. Prosječna temperatura uzorka tijekom ispitivanja treba biti naznačena u regulatornom dokumentu za određenu vrstu materijala ili proizvoda.
7.3 Postavite navedene temperature radnih površina ploča instrumenata i uzastopno svakih 300 s izmjerite:
signali mjerila toplinske energije e u i temperaturni senzori prednjih strana uzorka, ako se gustoća toplinskog toka kroz ispitni uzorak mjeri pomoću mjerača topline;
snaga dovedena do grijača mjerne zone grijaće ploče uređaja i signali temperaturnih senzora prednjih strana uzorka, ako se gustoća toplinskog toka kroz ispitni uzorak određuje mjerenjem dovedene električne snage. 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 gustoće toplinskog toka, razlikuju se jedna od druge za manje od 1%, dok se te vrijednosti ne povećavaju i ne smanjuju monotono.
7.5 Nakon postizanja stacionarnog toplinskog režima, izmjerite debljinu uzorka postavljenog u uređaj d učeljust s pogreškom 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 uslijed njegovog sušenja. T r i tijekom testiranja T w i gustoća uzorka r u prema formulama:
Tr=(M 1 ¾ M 2 )/M 2 , (2)
Tw= (M 2 ¾ M 3 )/M 3 , (3)
Volumen ispitnog uzorka V u izračunava se iz rezultata mjerenja njegove duljine i širine nakon završetka ispitivanja, a debljina - tijekom ispitivanja.
8.2 Izračunajte temperaturnu razliku prednjih strana D T u te prosječna temperatura 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 Pri izračunavanju termofizičkih parametara uzorka i gustoće stacionarnog toplinskog toka, aritmetičke srednje vrijednosti rezultata pet mjerenja signala senzora temperaturne razlike i signala mjerila topline ili električne energije, izvedenih nakon uspostavljanja stacionarnog toplinskog toka kroz ispitni uzorak, zamjenjuju se u formule za izračun.
8.4 Pri ispitivanju na uređaju sastavljenom prema asimetričnoj shemi, toplinska otpornost uzorka R u izračunati prema formuli
(7)
Gdje Rk uzeti jednako 0,005 m 2 × K / W, a za toplinsko-izolacijske materijale i proizvode - nula.
8.5 Efektivna toplinska vodljivost materijala uzorka l effu izračunati prema formuli
(8)
8.6 Toplinski otpor R u i efektivnu toplinsku vodljivost l effu uzorak rasutog materijala izračunava se po formulama:
, (9)
. (10)
8.7 Stacionarna gustoća toplinskog toka q u kroz uzorak ispitan na uređaju, sastavljenom prema asimetričnim i simetričnim shemama, izračunava se prema formulama:
q u = f u e u , (11)
. (12)
8.8 Pri ispitivanju na instrumentu s vrućom zaštitnom zonom, u kojoj se gustoća toplinskog toka određuje mjerenjem električne energije koja se dovodi do grijača mjerne zone vruće ploče instrumenta, toplinskog otpora, efektivne toplinske vodljivosti i stacionarne topline. gustoća toka kroz uzorak izračunava se po formulama:
, (13)
, (14)
Pri ispitivanju rasutih materijala u formulama (13) i (14) umjesto Rk zamjenska vrijednost R L ..
8.9 Rezultat ispitivanja uzima se kao aritmetička sredina toplinskog otpora i efektivne toplinske vodljivosti svih ispitivanih uzoraka.
9 Izvješće o ispitivanju
Izvješće o ispitivanju mora sadržavati sljedeće podatke:
Naziv materijala ili proizvoda;
Oznaka i naziv normativnog dokumenta prema kojem je materijal ili proizvod proizveden;
Proizvođač;
Broj serije;
Datum proizvodnje;
Ukupan broj ispitanih uzoraka;
Vrsta instrumenta na kojem je obavljeno ispitivanje;
Položaj ispitnih uzoraka (vodoravno, okomito);
Metoda izrade uzoraka rasutog materijala, koja pokazuje toplinsku otpornost dna i poklopca kutije u kojoj su uzorci ispitivani;
Dimenzije svakog uzorka;
Debljina svakog uzorka prije početka ispitivanja i tijekom ispitivanja, s naznakom je li ispitivanje provedeno pri fiksnom pritisku na uzorak ili pri fiksnoj debljini uzorka;
Fiksni tlak (ako je bio fiksni);
Prosječna veličina nehomogenih uključaka u uzorcima (ako ih ima);
Tehnika sušenja uzoraka;
Relativna promjena mase svakog uzorka zbog njegovog dana;
Vlažnost svakog uzorka prije i nakon završetka ispitivanja;
Gustoća svakog uzorka tijekom ispitivanja;
Relativna promjena mase svakog uzorka koja se dogodila tijekom ispitivanja;
Temperatura toplih i hladnih površina svakog uzorka;
Temperaturna razlika između toplih i hladnih strana svakog uzorka;
Prosječna temperatura svakog uzorka;
Gustoća toplinskog toka kroz svaki uzorak nakon uspostave stacionarnog toplinskog režima;
Toplinska otpornost svakog uzorka;
Efektivna toplinska vodljivost materijala svakog uzorka;
Aritmetička srednja vrijednost toplinske otpornosti svih ispitivanih uzoraka;
Aritmetička sredina efektivne toplinske vodljivosti svih ispitanih uzoraka;
Smjer protoka topline;
Datum testiranja;
Datum posljednjeg umjeravanja uređaja (ako je ispitivanje obavljeno na uređaju opremljenom mjeračem toplinske energije);
Za standardne uzorke koji se koriste pri umjeravanju uređaja potrebno je navesti: tip, toplinsku otpornost, datum ovjeravanja, rok valjanosti ovjeravanja, organizaciju koja je provela ovjeravanje;
Procjena pogreške mjerenja toplinskog otpora ili efektivne toplinske vodljivosti;
Izjava o potpunoj sukladnosti ili djelomičnoj nesukladnosti postupka ispitivanja sa zahtjevima ove norme. Ako je tijekom ispitivanja došlo do odstupanja od zahtjeva ove norme, to treba navesti u izvješću o ispitivanju.
10 Pogreška u određivanju efektivne toplinske vodljivosti
i toplinski otpor
Relativna pogreška u određivanju efektivne toplinske vodljivosti i toplinskog otpora ovom metodom ne prelazi ± 3% ako se ispitivanje provodi u potpunosti u skladu sa zahtjevima ove norme.
DODATAK A
(obavezno)
Zahtjevi za instrumente za određivanje efektivne toplinske vodljivosti i toplinskog otpora u stacionarnom toplinskom režimu
A.1 Dijagrami instrumenata
Za mjerenje efektivne toplinske vodljivosti i toplinskog otpora u stacionarnom toplinskom 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 s 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 kod kojeg se toplinski tok kroz ispitni uzorak određuje mjerenjem električne snage dovedene do grijača mjerne zone grijaće ploče instrumenta (instrument s vrućom zaštitnom zonom) (slika A.3).
1 - grijač; 2 - mjerač topline; 3 - ispitni uzorak; 4 - hladnjak
Slika A.1 - Shema uređaja s jednim mjeračem topline
1 - grijač; 2 - mjerači topline; 3 - hladnjak; 4 - ispitni komad
Slika A.2 - Shema uređaja s dva mjerača topline
1 - hladnjak; 2 - ispitni uzorci; 3 - ploče za grijanje mjerne zone;
4 - namot grijača mjerne zone; 5 - ploče grijača sigurnosne zone;
6 - namot grijača zaštitne zone
Slika A. 3 - Dijagram uređaja s vrućom sigurnosnom zonom
A.2 Grijač i hladnjak
A.2.1 Ploče grijača ili hladnjaka mogu biti u obliku kvadrata čija stranica mora biti najmanje 250 mm ili kruga čiji promjer ne smije biti manji od 250 mm.
A.2.2 Radne površine ploče grijača i hladnjaka moraju biti izrađene od metala. Odstupanje od ravnosti radnih površina ne smije biti veće od 0,025% njihove najveće linearne veličine.
A.2.3 Relativna hemisferna emisivnost radnih površina ploča grijača i hladnjaka u dodiru s ispitnim uzorkom treba biti veća od 0,8 pri temperaturama koje te površine imaju tijekom ispitivanja.
A.3 Mjerač toplinske energije
A.3.1 Dimenzije radnih površina mjerila toplinske energije trebaju biti jednake dimenzijama radnih površina ploča grijača i hladnjaka.
A.3.2 Relativna hemisferična emisivnost prednje strane mjerila toplinske energije u kontaktu s ispitnim uzorkom mora biti veća od 0,8 pri temperaturama koje ta strana ima tijekom ispitivanja.
A.3.3 Zona mjerenja mjerila toplinske energije treba biti smještena u središnjem dijelu prednje strane. Njegova površina treba biti najmanje 10% i ne više od 40% ukupne površine prednje strane.
A.3.4 Promjer žica termopara koji se koriste u proizvodnji termoelektrične baterije mjerila topline ne smije biti veći od 0,2 mm.
A.4 Senzori temperature
Broj temperaturnih senzora na svakoj radnoj površini ploče grijača ili hladnjaka i prednjoj strani mjerila toplinske energije u kontaktu s ispitnim uzorkom mora biti jednak cijelom dijelu broja 10. Ö A i biti najmanje dva. Promjer žica prikladnih za ove senzore ne smije biti veći od 0,6 mm.
A.5 Električni mjerni sustav
Električni mjerni sustav mora osigurati mjerenje signala površinskih temperaturnih senzora s pogreškom ne većom od 0,5%, signala mjerila toplinske energije - s pogreškom ne većom od 0,6%, odnosno električne energije dovedene do grijač mjerne zone grijaće ploče uređaja - s pogreškom ne većom od 0 ,2%.
Ukupna pogreška u mjerenju temperaturne razlike između površina ploča uređaja i mjerila topline u dodiru s prednjim stranama ispitnog uzorka ne smije biti veća od 1%. Ukupna pogreška - zbroj pogrešaka koje proizlaze iz izobličenja temperaturnog polja u blizini temperaturnih senzora, promjena u karakteristikama tih senzora pod utjecajem vanjskih uvjeta i pogreške unesene električnim mjernim sustavom.
A.6 Uređaji za mjerenje debljine ispitnog komada
Uređaj mora biti opremljen uređajem koji omogućuje mjerenje debljine uzorka tijekom njegovog ispitivanja kalibrom s pogreškom ne većom od 0,5%.
A.7 Okvir instrumenta
Uređaj mora biti opremljen okvirom koji omogućuje održavanje različitih orijentacija u prostoru bloka uređaja koji sadrži ispitni uzorak.
A.8 Naprava za pričvršćivanje ispitnog uzorka
Uređaj mora biti opremljen uređajem koji ili stvara stalni unaprijed određeni tlak na ispitnom uzorku postavljenom u uređaj ili održava stalni razmak između radnih površina ploča uređaja.
Maksimalni tlak koji ovaj uređaj stvara na ispitnom uzorku trebao bi biti 2,5 kPa, minimalni - 0,5 kPa, pogreška podešavanja tlaka - ne više od 1,5%.
A.9 Uređaj za smanjenje bočnog gubitka topline ili povećanja topline ispitnog komada
Bočni gubici topline ili dobici topline tijekom ispitivanja moraju se ograničiti izoliranjem bočnih površina ispitnog uzorka slojem materijala za toplinsku izolaciju, čiji toplinski otpor nije manji od toplinskog otpora uzorka.
A.10 Kućište instrumenta
Mjerilo mora biti opremljeno kućištem u kojem se temperatura zraka održava jednakom prosječnoj temperaturi ispitnog uzorka.
DODATAK B
(obavezno)
Kalibracija uređaja opremljenog mjeračem toplinske energije
B.1 Opći zahtjevi
Kalibracija instrumenta opremljenog mjeračem topline treba se provesti pomoću tri propisno certificirana standardna uzorka toplinske otpornosti izrađena 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 prednje strane ispitnog uzorka imati tijekom ispitivanja.
Cijeli raspon vrijednosti toplinskog otpora koji se može mjeriti na uređaju treba podijeliti u dva podraspona:
donja granica prvog podraspona je minimalna vrijednost toplinskog otpora koja se može mjeriti na ovom uređaju; gornja granica - vrijednost toplinske otpornosti standardnog uzorka izrađenog od organskog stakla debljine jednake debljini uzorka koji se ispituje;
donja granica drugog podraspona je gornja granica prvog podraspona; gornja granica - najveća vrijednost toplinskog otpora koja se može izmjeriti na ovom uređaju.
B.2 Kalibracija uređaja sastavljenog prema asimetričnoj shemi
Prije kalibracije treba procijeniti numeričku vrijednost toplinske otpornosti uzorka koji se ispituje prema poznatim referentnim podacima i odrediti kojem podrasponu ta vrijednost pripada. Kalibracija mjerila toplinske energije provodi se samo u ovom podopsegu.
Ako toplinska otpornost uzorka koji se ispituje pripada prvom podrasponu, kalibracija mjerila toplinske energije
provedeno korištenjem standardnih uzoraka izrađenih od optičkog kvarca i organskog stakla. Ako toplinska otpornost uzorka pripada drugom podrasponu, kalibracija se provodi pomoću standardnih uzoraka od organskog stakla i toplinski izolacijskog materijala.
Stavite prvi standardni uzorak s nižim toplinskim otporom u instrument. R S 1 , D T 1 njegove prednje strane i izlazni signal mjerila toplinske energije e 1 prema postupku opisanom u odjeljku 7. Zatim se u instrument stavlja drugi standardni uzorak s velikim toplinskim otporom R S 2 , mjeri temperaturnu razliku D T 2 njegove prednje strane i izlazni signal mjerila toplinske energije e 2 istom metodom. Na temelju rezultata tih mjerenja izračunavaju se kalibracijski koeficijenti f 1 i f 2 mjerača topline prema formulama:
Vrijednost baždarnog koeficijenta mjerila toplinske energije jebo ti, koja odgovara vrijednosti toplinskog toka koji teče kroz ispitni uzorak nakon uspostavljanja stacionarnog toplinskog toka, određuje se linearnom interpolacijom prema formuli
. (B.3)
B.3 Gradacija uređaja sastavljenog prema simetričnoj shemi
Metoda za određivanje koeficijenta umjeravanja za svako mjerilo toplinske energije uređaja sastavljenog prema simetričnoj shemi slična je metodi za određivanje koeficijenta umjeravanja za mjerilo toplinske energije opisano u B.2.
B.4 Učestalost kalibracije instrumenta
Kalibracija instrumenta mora se provesti unutar 24 sata prije ili nakon ispitivanja.
Ako, prema rezultatima umjeravanja provedenih unutar 3 mjeseca, promjena u koeficijentu umjeravanja mjerila toplinske energije ne prelazi ± 1%, ovaj uređaj se može umjeravati jednom svakih 15 dana. U tom slučaju rezultati ispitivanja mogu se prenijeti kupcu tek nakon kalibracije koja slijedi nakon ispitivanja, a ako se vrijednost koeficijenta kalibracije utvrđena iz rezultata naknadne kalibracije razlikuje od vrijednosti koeficijenta utvrđenog iz rezultata prethodne kalibracije ne više od ± 1%.
Kalibracijski koeficijent koji se koristi za izračunavanje termofizičkih parametara ispitnog uzorka određuje se kao aritmetička sredina dviju naznačenih vrijednosti ovog koeficijenta.
Ako razlika u vrijednosti faktora umjeravanja prelazi ± 1 %, rezultati svih ispitivanja provedenih između ta dva umjeravanja smatraju se nevažećima i ispitivanja se moraju ponoviti.
DODATAK B
Bibliografija
ISO 7345:1987 Toplinska izolacija. Fizikalne veličine i definicije
ISO 9251:1987 Toplinska izolacija. Načini prijenosa topline i svojstva materijala
ISO 8301:1991 Toplinska izolacija. Određivanje toplinskog otpora is njim povezanih termofizičkih pokazatelja u stacionarnom toplinskom režimu. Uređaj opremljen mjeračem topline
ISO 8302:1991 Toplinska izolacija. Određivanje toplinske otpornosti i srodnih termofizičkih pokazatelja. Uređaj s toplom zaštitnom zonom
Ključne riječi: toplinski otpor, efektivna toplinska vodljivost, standardni uzorak
Uvod
1 područje upotrebe
3 Definicije i zapisi
4 Opće odredbe
5 Mjerni instrumenti
6 Priprema ispita
7 Ispitivanje
8 Obrada rezultata ispitivanja
9 Izvješće o ispitivanju
10 Pogreška u određivanju efektivne toplinske vodljivosti i toplinskog otpora
Dodatak A Zahtjevi za instrumente za određivanje efektivne toplinske vodljivosti i toplinskog otpora u stacionarnim toplinskim uvjetima
Dodatak B Kalibracija instrumenta opremljenog mjeračem topline
Dodatak B Bibliografija
