Pomiar przewodności cieplnej. Podstawowe badania. A.4 Czujniki temperatury
podczas ich ruchu termicznego. W cieczach i ciałach stałych - dielektrykach - przenoszenie ciepła odbywa się poprzez bezpośrednie przenoszenie ruchu termicznego cząsteczek i atomów na sąsiednie cząstki materii. W ciałach gazowych rozchodzenie się ciepła przez przewodzenie ciepła następuje w wyniku wymiany energii podczas zderzenia cząsteczek o różnych prędkościach ruchu termicznego. W metalach przewodnictwo cieplne odbywa się głównie z powodu ruchu swobodnych elektronów.
Główny termin przewodności cieplnej obejmuje szereg pojęć matematycznych, których definicje warto przypomnieć i wyjaśnić.
pole temperatury- są to zestawy wartości temperatury we wszystkich punktach ciała w danym momencie. Matematycznie jest to opisane jako T = F(x, y, z, t). Wyróżnić temperatura stacjonarna pole, gdy temperatura we wszystkich punktach ciała nie zależy od czasu (nie zmienia się w czasie), oraz niestacjonarne pole temperaturowe. Ponadto, jeśli temperatura zmienia się tylko wzdłuż jednej lub dwóch współrzędnych przestrzennych, wówczas pole temperatury nazywane jest odpowiednio jedno- lub dwuwymiarowym.
Powierzchnia izotermiczna jest miejscem geometrycznym punktów o tej samej temperaturze.
gradient temperatury — stopień t istnieje wektor skierowany wzdłuż normalnej do powierzchni izotermicznej i liczbowo równy pochodnej temperatury w tym kierunku.
Zgodnie z podstawowym prawem przewodzenia ciepła - prawem Fouriera(1822), wektor gęstości strumienia ciepła przenoszony przez przewodnictwo cieplne jest proporcjonalny do gradientu temperatury:
Q = - λ stopień t, (3)
Gdzie λ - współczynnik przewodności cieplnej substancji; jego jednostka miary wt/(m K).
Znak minus w równaniu (3) wskazuje, że wektor Q skierowany przeciwnie do wektora stopień t, tj. w kierunku najniższej temperatury.
Przepływ ciepła δQ przez dowolnie zorientowany elementarny obszar dF jest równe iloczynowi skalarnemu wektora Q do elementarnego wektora powierzchni dF i całkowity strumień ciepła Q na całej powierzchni F określa się przez całkowanie tego produktu po powierzchni F:
WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ
Współczynnik przewodności cieplnej λ według prawa Fouriera(3) charakteryzuje zdolność danej substancji do przewodzenia ciepła. Wartości współczynników przewodności cieplnej podane są w podręcznikach dotyczących właściwości termofizycznych substancji. Liczbowo współczynnik przewodności cieplnej λ = Q/ absolwent T równa gęstości strumienia ciepła Q z gradientem temperatury stopień t = 1 K/m. Najlżejszy gaz, wodór, ma najwyższą przewodność cieplną. Na warunki pokojowe przewodnictwo cieplne wodoru λ = 0,2 wt/(m K). Cięższe gazy mają mniejszą przewodność cieplną - powietrze λ = 0,025 wt/(m K), w dwutlenku węgla λ = 0,02 wt/(m K).
Czyste srebro i miedź mają najwyższą przewodność cieplną: λ = 400 wt/(m K). Do stali węglowych λ = 50 wt/(m K). W cieczach przewodność cieplna jest zwykle mniejsza niż 1 wt/(m K). Woda jest jednym z najlepszych płynnych przewodników ciepła λ = 0,6 wt/(m K).
Współczynnik przewodności cieplnej niemetalicznych materiałów stałych wynosi zwykle poniżej 10 wt/(m K).
Materiały porowate - korek, różne wypełniacze włókniste, takie jak wełna organiczna - mają najniższe współczynniki przewodzenia ciepła λ <0,25 wt/(m K), zbliżając się przy małej gęstości upakowania do współczynnika przewodności cieplnej powietrza wypełniającego pory.
Temperatura, ciśnienie i, w przypadku materiałów porowatych, wilgotność również mogą mieć znaczący wpływ na przewodność cieplną. Książki referencyjne zawsze podają warunki, w których określono przewodność cieplną danej substancji, a dla innych warunków danych tych nie można wykorzystać. Zakresy wartości λ dla różnych materiałów pokazano na ryc. 1.
Ryc.1. Przedziały wartości współczynników przewodnictwa cieplnego różnych substancji.
Przenoszenie ciepła przez przewodnictwo cieplne
Jednorodna płaska ściana.
Najprostszym i bardzo powszechnym problemem rozwiązywanym przez teorię wymiany ciepła jest wyznaczenie gęstości strumienia ciepła przekazywanego przez płaską ścianę o grubości δ , na których powierzchniach utrzymuje się temperatura tw1 I t w2 .(Rys. 2). Temperatura zmienia się tylko wzdłuż grubości płyty - jedna współrzędna X. Takie problemy nazywane są jednowymiarowymi, ich rozwiązania są najprostsze iw tym kursie ograniczymy się do rozważania tylko problemów jednowymiarowych.
Biorąc to pod uwagę w przypadku o numerze jeden:
stopień t = dt/dх, (5)
i korzystając z podstawowego prawa przewodzenia ciepła (2), otrzymujemy równanie różniczkowe dla stacjonarnego przewodnictwa ciepła dla płaskiej ściany:
W warunkach stacjonarnych, gdy energia nie jest zużywana na ogrzewanie, gęstość strumienia ciepła Q bez zmian grubości ścianki. W większości praktycznych problemów przyjmuje się w przybliżeniu, że współczynnik przewodności cieplnej λ nie zależy od temperatury i jest taka sama na całej grubości ściany. Oznaczający λ znalezione w podręcznikach w temperaturze:
średniej między temperaturami powierzchni ścian. (Błąd obliczeń w tym przypadku jest zwykle mniejszy niż błąd danych początkowych i wartości tabelarycznych oraz przy liniowej zależności współczynnika przewodności cieplnej od temperatury: λ = a + bt dokładny wzór obliczeniowy dla Q nie różni się od przybliżonego). Na λ = stała:
(7)
te. zależność od temperatury T od współrzędnej X liniowy (ryc. 2).
Ryc.2. Stacjonarny rozkład temperatury na grubości płaskiej ściany.
Dzielenie zmiennych w równaniu (7) i całkowanie po T z tw1 zanim tw2 i przez X od 0 do δ :
, (8)
otrzymujemy zależność do obliczenia gęstości strumienia ciepła:
, (9)
lub moc przepływu ciepła (przepływ ciepła):
(10)
Dlatego ilość ciepła przenoszonego przez 1 m 2ściany, wprost proporcjonalne do współczynnika przewodności cieplnej λ i różnica temperatur zewnętrznych powierzchni ściany ( t w1 - t w2) i odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki δ . Całkowita ilość ciepła przechodzącego przez powierzchnię ściany F również proporcjonalnie do tego obszaru.
Otrzymany najprostszy wzór (10) jest bardzo szeroko stosowany w obliczeniach termicznych. Ta formuła nie tylko oblicza gęstość strumienia ciepła przez płaskie ściany, ale także dokonuje oszacowań dla bardziej złożonych przypadków, upraszczając zastępując ściany o złożonej konfiguracji płaską ścianą w obliczeniach. Czasami już na podstawie oceny jedna lub druga opcja zostaje odrzucona bez dalszego poświęcania czasu na jej szczegółowe przestudiowanie.
Temperatura ciała w punkcie X jest określony wzorem:
t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)
Postawa λF/δ nazywa się przewodnością cieplną ściany i odwrotnością δ/λF opór cieplny lub termiczny ściany i jest oznaczony Rλ. Korzystając z pojęcia oporu cieplnego, wzór do obliczania strumienia ciepła można przedstawić jako:
Zależność (11) jest podobna do prawa Oma w elektrotechnice (siła prądu elektrycznego jest równa różnicy potencjałów podzielonej przez opór elektryczny przewodnika, przez który przepływa prąd).
Bardzo często opór cieplny nazywany jest wartością δ/λ, która jest równa oporowi cieplnemu płaskiej ściany o powierzchni 1 m 2.
Przykłady obliczeń.
Przykład 1. Wyznacz strumień ciepła przez betonową ścianę budynku o grubości 200 mm, wysokość H = 2,5 M i długość 2 M jeżeli temperatury na jego powierzchniach wynoszą: t с1\u003d 20 0 C, t с2\u003d - 10 0 С i współczynnik przewodności cieplnej λ =1 wt/(m K):
= 750 wt.
Przykład 2. Określ przewodność cieplną materiału ściany o grubości 50 mm, jeśli gęstość strumienia ciepła przez nią przepływa Q = 100 wt/m 2 oraz różnica temperatur na powierzchniach Δt = 20 0 C.
wt/(m K).
Ściana wielowarstwowa.
Wzór (10) można również wykorzystać do obliczenia strumienia ciepła przez ścianę składającą się z kilku ( N) warstwy odmiennych materiałów ściśle przylegające do siebie (ryc. 3), na przykład głowica cylindrów, uszczelka i blok cylindrów wykonane z różnych materiałów itp.
Ryc.3. Rozkład temperatury na grubości wielowarstwowej ściany płaskiej.
Opór cieplny takiej ściany jest równy sumie oporów cieplnych poszczególnych warstw:
(12)
We wzorze (12) należy wstawić różnicę temperatur w tych punktach (powierzchniach), pomiędzy którymi „zawierają się” wszystkie zsumowane opory cieplne, tj. w tym przypadku: tw1 I w(n+1):
, (13)
Gdzie I- numer warstwy.
W trybie stacjonarnym właściwy strumień ciepła przez ścianę wielowarstwową jest stały i taki sam dla wszystkich warstw. Z (13) wynika:
. (14)
Z równania (14) wynika, że całkowity opór cieplny ściany wielowarstwowej jest równy sumie oporów każdej warstwy.
Wzór (13) można łatwo otrzymać, zapisując różnicę temperatur według wzoru (10) dla każdego z nich P warstwy wielowarstwowej ściany i zsumowanie wszystkich P wyrażenia, biorąc pod uwagę fakt, że we wszystkich warstwach Q ma to samo znaczenie. Po dodaniu wszystkie temperatury pośrednie spadną.
Rozkład temperatury w obrębie każdej warstwy jest liniowy, jednak w różnych warstwach nachylenie zależności temperaturowej jest różne, gdyż zgodnie ze wzorem (7) ( dt/dx)I = - q/λ i. Gęstość strumienia ciepła przechodzącego przez całą warstwę jest taka sama w trybie stacjonarnym, a przewodność cieplna warstw jest różna, dlatego temperatura zmienia się gwałtowniej w warstwach o mniejszej przewodności cieplnej. Tak więc w przykładzie na ryc. 4 materiał drugiej warstwy (na przykład uszczelki) ma najniższą przewodność cieplną, a trzecia warstwa ma najwyższą.
Po obliczeniu strumienia ciepła przez ścianę wielowarstwową można wyznaczyć spadek temperatury w każdej warstwie za pomocą zależności (10) i znaleźć temperatury na granicach wszystkich warstw. Jest to bardzo ważne w przypadku stosowania materiałów o ograniczonej dopuszczalnej temperaturze jako izolatorów cieplnych.
Temperaturę warstw określa się według następującego wzoru:
t sl1 \u003d t do t1 - q × (d 1 × l 1 -1)
t sl2 \u003d t c l1 - q × (d 2 × l 2 -1)
Kontaktowy opór cieplny. Wyprowadzając wzory na ścianę wielowarstwową przyjęto, że warstwy ściśle do siebie przylegają, a dzięki dobremu kontaktowi powierzchnie stykające się różnych warstw mają taką samą temperaturę. Idealnie szczelny kontakt pomiędzy poszczególnymi warstwami ściany wielowarstwowej uzyskuje się, gdy jedna z warstw nałożona jest na drugą w stanie ciekłym lub w postaci płynnego roztworu. Ciała stałe stykają się tylko wierzchołkami profili chropowatości (rys. 4).
Powierzchnia styku wierzchołków jest znikoma, a cały przepływ ciepła przechodzi przez szczelinę powietrzną ( H). Stwarza to dodatkowy (kontaktowy) opór cieplny. R do. Termiczne rezystancje kontaktowe można wyznaczyć samodzielnie stosując odpowiednie zależności empiryczne lub eksperymentalnie. Na przykład opór cieplny szczeliny 0,03 mm w przybliżeniu równoważny oporowi cieplnemu warstwy stali o grubości około 30 mm.
Ryc.4. Obraz styków dwóch chropowatych powierzchni.
Metody zmniejszania rezystancji termicznej styku. Całkowity opór cieplny styku zależy od czystości obróbki, obciążenia, przewodności cieplnej medium, współczynników przewodności cieplnej materiałów stykających się części i innych czynników.
Największą skuteczność w zmniejszaniu oporu cieplnego zapewnia wprowadzenie w strefę kontaktu ośrodka o przewodności cieplnej zbliżonej do metalu.
Istnieją następujące możliwości wypełnienia strefy kontaktu substancjami:
Stosowanie uszczelek wykonanych z miękkich metali;
Wprowadzenie do strefy kontaktu sproszkowanej substancji o dobrej przewodności cieplnej;
Wprowadzenie do strefy lepkiej substancji o dobrej przewodności cieplnej;
Wypełnienie przestrzeni między występami chropowatości ciekłym metalem.
Najlepsze wyniki uzyskano, gdy strefę kontaktu wypełniono roztopioną cyną. W takim przypadku rezystancja termiczna styku praktycznie staje się równa zeru.
Ściana cylindryczna.
Bardzo często chłodziwa przemieszczają się przez rury (cylindry) i wymagane jest obliczenie strumienia ciepła przenoszonego przez cylindryczną ścianę rury (cylindra). Problem wymiany ciepła przez ścianę cylindryczną (przy znanych i stałych temperaturach na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej) jest również jednowymiarowy, jeśli rozpatrywany jest we współrzędnych cylindrycznych (rys. 4).
Temperatura zmienia się tylko wzdłuż promienia i wzdłuż długości rury l i wzdłuż jego obwodu pozostaje niezmieniona.
W tym przypadku równanie przepływu ciepła ma postać:
. (15)
Z zależności (15) wynika, że ilość ciepła przekazywanego przez ściankę cylindra jest wprost proporcjonalna do współczynnika przewodności cieplnej λ , długość rury l i różnica temperatur ( t w1 - t w2) i odwrotnie proporcjonalna do logarytmu naturalnego stosunku zewnętrznej średnicy cylindra d2 do jego średnicy wewnętrznej d1.
Ryż. 4. Zmiana temperatury na całej grubości jednowarstwowej ściany cylindrycznej.
Na λ = const rozkład temperatury według promienia R jednowarstwowej cylindrycznej ściany podlega prawu logarytmu (ryc. 4).
Przykład. Ile razy zmniejszają się straty ciepła przez ścianę budynku, jeśli między dwiema warstwami cegieł o grubości 250 mm zainstaluj podkładkę piankową o grubości 50 mm. Współczynniki przewodności cieplnej są odpowiednio równe: λ kirp . = 0,5 wt/(m K); długopis. . = 0,05 wt/(m K).
Do badania przewodności cieplnej substancji stosuje się dwie grupy metod: stacjonarne i niestacjonarne.
Teoria metod stacjonarnych jest prostsza i pełniej rozwinięta. Ale metody niestacjonarne w zasadzie oprócz współczynnika przewodnictwa cieplnego pozwalają na uzyskanie informacji o dyfuzyjności cieplnej i pojemności cieplnej. Dlatego w ostatnim czasie wiele uwagi poświęcono rozwojowi niestacjonarnych metod określania właściwości termofizycznych substancji.
Tutaj rozważane są niektóre stacjonarne metody określania przewodności cieplnej substancji.
A) Metoda płaskiej warstwy. Przy jednowymiarowym przepływie ciepła przez płaską warstwę współczynnik przewodności cieplnej określa wzór
Gdzie D- grubość, T 1 i T 2 - temperatury „gorącej” i „zimnej” powierzchni próbki.
Aby zbadać przewodność cieplną tą metodą, konieczne jest wytworzenie strumienia ciepła zbliżonego do jednowymiarowego.
Temperatury są zwykle mierzone nie na powierzchni próbki, ale w pewnej odległości od nich (patrz rys. 2), dlatego konieczne jest wprowadzenie poprawek do mierzonej różnicy temperatur na spadek temperatury w warstwie nagrzewnicy i chłodnicy, aby zminimalizować rezystancję termiczną styków.
Podczas badania cieczy, aby wyeliminować zjawisko konwekcji, gradient temperatury musi być skierowany wzdłuż pola grawitacyjnego (w dół).
Ryż. 2. Schemat metody płaskiej warstwy do pomiaru przewodności cieplnej.
1 – próbka testowa; 2 - grzejnik; 3 - lodówka; 4, 5 - pierścienie izolacyjne; 6 – grzejniki zabezpieczające; 7 - termopary; 8, 9 - termopary różnicowe.
b) metoda Jaegera. Metoda polega na rozwiązaniu jednowymiarowego równania ciepła opisującego rozchodzenie się ciepła wzdłuż pręta nagrzanego prądem elektrycznym. Trudność stosowania tej metody polega na niemożności stworzenia ścisłych warunków adiabatycznych na zewnętrznej powierzchni próbki, co narusza jednowymiarowość strumienia ciepła.
Formuła obliczeniowa wygląda następująco:
(14)
Gdzie S- przewodnictwo elektryczne badanej próbki, u jest spadkiem napięcia między skrajnymi punktami na końcach pręta, DT jest różnicą temperatur między środkiem pręta a punktem na końcu pręta.
Ryż. 3. Schemat metody Jaegera.
1 - piec elektryczny; 2 - próbka; 3 - czopy do mocowania próbki; T 1 ¸ T 6 - punkty końcowe termopary.
Ta metoda jest stosowana w badaniu materiałów przewodzących prąd elektryczny.
V) Metoda warstw cylindrycznych. Badana ciecz (materiał sypki) wypełnia cylindryczną warstwę utworzoną przez dwa współosiowe cylindry. Jednym z cylindrów, najczęściej wewnętrznym, jest grzejnik (rys. 4).
Rys. 4. Schemat metody warstwy cylindrycznej
1 - cylinder wewnętrzny; 2 - główny grzejnik; 3 - warstwa badanej substancji; 4 - cylinder zewnętrzny; 5 - termopary; 6 - cylindry bezpieczeństwa; 7 - dodatkowe grzejniki; 8 - ciało.
Rozważmy bardziej szczegółowo stacjonarny proces przewodzenia ciepła w cylindrycznej ścianie, której temperatura zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni jest utrzymywana na stałym poziomie i równa T 1 i T 2 (w naszym przypadku jest to warstwa substancji w trakcie studiów 5). Wyznaczmy strumień ciepła przez ścianę pod warunkiem, że wewnętrzna średnica cylindrycznej ściany wynosi d 1 = 2r 1, a zewnętrzna średnica to d 2 = 2r 2 , l = const, a ciepło rozchodzi się tylko w kierunku promieniowym .
Aby rozwiązać problem, używamy równania (12). We współrzędnych cylindrycznych, kiedy 
; równanie (12), zgodnie z (10), przyjmuje wit.:
. (15)
Wprowadźmy notację dT/dr= 0, otrzymujemy
Po scałkowaniu i wzmocnieniu tego wyrażenia, przechodząc do oryginalnych zmiennych, otrzymujemy:
. (16)
Jak widać z tego równania, zależność T=f(r) jest logarytmiczna.
Stałe całkowania C 1 i C 2 można wyznaczyć, podstawiając warunki brzegowe do tego równania:
Na r \u003d r 1 T \u003d T 1 I T 1 \u003d do 1 ln r1+C2,
Na r=r2 T=T2 I T 2 \u003d do 1 ln r2+C2.
Rozwiązanie tych równań względem Z 1 i od 2 daje:
; 
Zastępując te wyrażenia Od 1 I od 2 do równania (1b), otrzymujemy
(17)
przepływ ciepła przez obszar cylindrycznej powierzchni o promieniu R a długość określa się za pomocą prawa Fouriera (5)
.
Po podstawieniu otrzymujemy
. (18)
Współczynnik przewodności cieplnej l przy znanych wartościach Q, T 1 , T 2 , D 1 , D 2 , obliczone według wzoru
. (19)
Aby stłumić konwekcję (w przypadku cieczy), cylindryczna warstwa musi mieć niewielką grubość, zazwyczaj ułamki milimetra.
Redukcję strat końcowych w metodzie warstwy cylindrycznej uzyskuje się poprzez zwiększenie stosunku / D i grzejniki bezpieczeństwa.
G) metoda gorącego drutu. W tej metodzie relacja / D wzrasta przez zmniejszanie D. Cylinder wewnętrzny został zastąpiony cienkim drutem, który był zarówno grzejnikiem, jak i termometrem oporowym (ryc. 5). W wyniku względnej prostoty konstrukcji i szczegółowego opracowania teorii metoda podgrzewanego drutu stała się jedną z najbardziej zaawansowanych i dokładnych. W praktyce badań eksperymentalnych przewodnictwa cieplnego cieczy i gazów zajmuje wiodące miejsce.
Ryż. 5. Schemat celi pomiarowej wykonanej metodą podgrzewanego drutu. 1 - przewód pomiarowy, 2 - rurka, 3 - badana substancja, 4 - przewody prądowe, 5 - odczepy potencjału, 6 - termometr zewnętrzny.
Pod warunkiem, że cały strumień ciepła z sekcji AB rozchodzi się promieniowo, a różnica temperatur T 1 - T 2 nie jest duża, więc l = const można rozpatrywać w tych granicach, przewodność cieplna substancji jest określona wzorem
, (20)
Gdzie Q AB = T×U AB to moc rozpraszana na przewodzie.
mi) metoda kulowa. Znajduje zastosowanie w praktyce badania przewodności cieplnej cieczy i materiałów sypkich. Badanej substancji nadano kształt sferycznej warstwy, co w zasadzie umożliwia wykluczenie niekontrolowanych strat ciepła. Technicznie ta metoda jest dość skomplikowana.
Fizyczne metody analizy opierają się na wykorzystaniu określonego efektu fizycznego lub określonej właściwości fizycznej substancji. Dla analiza gazu użyj gęstości, lepkości, przewodności cieplnej, współczynnika załamania, podatności magnetycznej, dyfuzji, absorpcji, emisji, absorpcji promieniowania elektromagnetycznego, a także absorpcji selektywnej, prędkości dźwięku, ciepła reakcji, przewodności elektrycznej itp. Niektóre z tych właściwości fizycznych i zjawisk sprawiają, że ciągłą analizę gazów i pozwalają osiągnąć wysoką czułość i dokładność pomiaru. Wybór wielkości fizycznej lub zjawiska jest bardzo ważny dla wyeliminowania wpływu niemierzalnych składników zawartych w analizowanej mieszaninie. Wykorzystanie określonych właściwości lub efektów umożliwia określenie stężenia pożądanego składnika w wieloskładnikowej mieszaninie gazów. Niespecyficzne właściwości fizyczne można wykorzystać, ściśle mówiąc, tylko do analizy dwuskładnikowych mieszanin gazowych. Lepkość, współczynnik załamania światła i dyfuzja nie mają praktycznego znaczenia w analizie gazów.
Przenoszenie ciepła między dwoma punktami o różnych temperaturach odbywa się na trzy sposoby: konwekcję, promieniowanie i przewodzenie ciepła. Na konwekcja przenoszenie ciepła jest związane z przenoszeniem materii (przenoszeniem masy); przenoszenie ciepła promieniowanie odbywa się bez udziału materii. Przenikanie ciepła przewodność cieplna zachodzi przy udziale materii, ale bez przenoszenia masy. Przeniesienie energii następuje w wyniku zderzenia cząsteczek. Współczynnik przewodności cieplnej ( X) zależy tylko od rodzaju substancji przewodzącej ciepło. Jest to specyficzna cecha substancji.
Wymiar przewodności cieplnej w układzie CGS cal / (s cm K), w jednostkach technicznych - kcalDmch-K), w międzynarodowym układzie SI - WDm-K). Stosunek tych jednostek jest następujący: 1 cal / (cm s K) \u003d 360 kcal Dm h K) \u003d 418,68 W Dm-K).
Bezwzględna przewodność cieplna podczas przejścia od substancji stałych do ciekłych i gazowych waha się od X = 418,68 Wdm-K)] (przewodność cieplna najlepszego przewodnika ciepła - srebra) do X rząd 10 _6 (przewodność cieplna gazów najmniej przewodzących).
Przewodność cieplna gazów silnie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku niektórych gazów (GH 4: NH 3) względna przewodność cieplna gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a dla niektórych (Ne) maleje. Zgodnie z teorią kinetyczną przewodność cieplna gazów nie powinna zależeć od ciśnienia. Jednak różne przyczyny prowadzą do tego, że wraz ze wzrostem ciśnienia przewodność cieplna nieznacznie wzrasta. W zakresie ciśnień od atmosferycznego do kilku milibarów przewodność cieplna nie zależy od ciśnienia, ponieważ średnia droga swobodna cząsteczek wzrasta wraz ze spadkiem liczby cząsteczek na jednostkę objętości. Przy ciśnieniu -20 mbar średnia droga swobodna cząsteczek odpowiada wielkości komory pomiarowej.
Pomiar przewodności cieplnej jest najstarszą fizyczną metodą analizy gazów. Został opisany w 1840 r., w szczególności w pracach A. Schleiermachera (1888-1889) i jest stosowany w przemyśle od 1928 r. W 1913 roku Siemens opracował miernik stężenia wodoru dla sterowców. Następnie przez wiele dziesięcioleci rozwijano z dużym powodzeniem przyrządy oparte na pomiarze przewodnictwa cieplnego, które znalazły szerokie zastosowanie w szybko rozwijającym się przemyśle chemicznym. Naturalnie, początkowo analizowano tylko dwuskładnikowe mieszaniny gazów. Najlepsze wyniki uzyskuje się przy dużej różnicy przewodności cieplnej gazów. Wodór ma najwyższą przewodność cieplną spośród gazów. W praktyce uzasadniony był również pomiar stężenia CO s w spalinach, ponieważ przewodności cieplne tlenu, azotu i tlenku węgla są bardzo do siebie zbliżone, co pozwala uznać mieszaninę tych czterech składników za quasi- dwójkowy.
Współczynniki temperaturowe przewodności cieplnej różnych gazów nie są takie same, więc można znaleźć temperaturę, w której przewodność cieplna różnych gazów jest taka sama (na przykład 490 ° C - dla dwutlenku węgla i tlenu, 70 ° C - dla amoniak i powietrze, 75°C – dla dwutlenku węgla i argonu). Podczas rozwiązywania pewnego problemu analitycznego te zbieżności można wykorzystać, biorąc trójskładnikową mieszaninę gazów za quasi-binarną.
W analizie gazów możemy to założyć przewodność cieplna jest właściwością addytywną. Mierząc przewodność cieplną mieszaniny i znając przewodność cieplną czystych składników mieszaniny dwuskładnikowej, można obliczyć ich stężenia. Jednak tej prostej zależności nie można zastosować do żadnej mieszaniny binarnej. Na przykład mieszaniny powietrza - pary wodnej, powietrza - amoniaku, tlenku węgla - amoniaku i powietrza - acetylenu o określonym stosunku składników mają maksymalną przewodność cieplną. Dlatego możliwość zastosowania metody przewodnictwa ciepła jest ograniczona do pewnego zakresu stężeń. Dla wielu mieszanin istnieje nieliniowa zależność przewodności cieplnej i składu. Dlatego konieczne jest pobranie krzywej kalibracyjnej, według której należy wykonać skalę przyrządu rejestrującego.
Czujniki przewodności cieplnej(czujniki termokonduktometryczne) składają się z czterech małych, wypełnionych gazem komór o niewielkiej objętości, w których umieszczone są cienkie platynowe przewodniki o jednakowym przekroju i takiej samej rezystancji elektrycznej, odizolowane od ciała. Ten sam prąd stały o stałej wartości przepływa przez przewodniki i je nagrzewa. Przewodniki - elementy grzejne - otoczone są gazem. W dwóch komorach znajduje się gaz pomiarowy, w dwóch pozostałych gaz wzorcowy. Wszystkie elementy grzejne zawarte są w mostku Whitetona, dzięki czemu pomiar różnicy temperatur rzędu 0,01°C nie nastręcza trudności. Tak wysoka czułość wymaga dokładnego wyrównania temperatur komór pomiarowych, dlatego cały układ pomiarowy umieszcza się w termostacie lub w przekątnej pomiarowej mostka, a do kompensacji temperaturowej dołączony jest opornik. Dopóki odprowadzanie ciepła z elementów grzejnych w komorze pomiarowej i porównawczej jest takie samo, mostek jest w równowadze. W przypadku doprowadzenia do komór pomiarowych gazu o innej przewodności cieplnej równowaga ta zostaje zaburzona, zmienia się temperatura elementów czułych, a wraz z tym ich rezystancja. Wynikowy prąd na przekątnej pomiarowej jest proporcjonalny do stężenia mierzonego gazu. Aby zwiększyć czułość, należy zwiększyć temperaturę pracy elementów czułych, ale należy zadbać o zachowanie odpowiednio dużej różnicy przewodności cieplnej gazu. Tak więc dla różnych mieszanin gazowych istnieje optymalna temperatura pod względem przewodności cieplnej i czułości. Często różnica między temperaturą elementów wrażliwych a temperaturą ścianek komór jest dobierana w zakresie od 100 do 150°C.
Komórki pomiarowe przemysłowych analizatorów termokonduktometrycznych zazwyczaj składają się z masywnej metalowej obudowy, w której wywiercone są komory pomiarowe. Zapewnia to równomierny rozkład temperatury i dobrą stabilność kalibracji. Ponieważ na odczyty miernika przewodności cieplnej ma wpływ natężenie przepływu gazu, gaz jest wprowadzany do komór pomiarowych przez kanał obejściowy. Poniżej podano rozwiązania różnych projektantów zapewniające wymaganą wymianę gazów. W zasadzie przyjmuje się, że główny strumień gazu jest połączony kanałami łączącymi z komorami pomiarowymi, przez które gaz przepływa z niewielkim spadkiem. Decydujący wpływ na wymianę gazu w komorach pomiarowych ma w tym przypadku dyfuzja i konwekcja termiczna. Objętość komór pomiarowych może być bardzo mała (kilka milimetrów sześciennych), co zapewnia niewielki wpływ konwekcyjnego przenoszenia ciepła na wynik pomiaru. Aby zmniejszyć działanie katalityczne przewodników platynowych, są one na różne sposoby wtapiane w cienkościenne szklane kapilary. Aby zapewnić odporność komory pomiarowej na korozję, wszystkie elementy gazociągu są pokryte szkłem. Umożliwia to pomiar przewodności cieplnej mieszanin zawierających chlor, chlorowodór i inne gazy korozyjne. Analizatory termokonduktometryczne z zamkniętymi komorami referencyjnymi są stosowane głównie w przemyśle chemicznym. Wybór odpowiedniego gazu odniesienia upraszcza kalibrację przyrządu. Ponadto można uzyskać skalę z tłumionym zerem. Aby zredukować dryft punktu zerowego, komory referencyjne muszą być dobrze uszczelnione. W szczególnych przypadkach, np. przy silnych wahaniach składu mieszanki gazowej, możliwa jest praca z przepływowymi komorami porównawczymi. W tym przypadku za pomocą specjalnego odczynnika usuwa się jeden ze składników z mierzonej mieszaniny gazów (np. CO i roztwór żrącego potasu), a następnie mieszaninę gazów przesyła się do komór porównawczych. Gałęzie pomiarowa i porównawcza różnią się w tym przypadku tylko brakiem jednego ze składników. Metoda ta często umożliwia analizę złożonych mieszanin gazowych.
Ostatnio zamiast przewodników metalowych jako elementy czułe stosuje się czasem termistory półprzewodnikowe. Zaletą termistorów jest 10-krotnie wyższy temperaturowy współczynnik rezystancji w porównaniu do termistorów metalowych. Osiąga to gwałtowny wzrost czułości. Jednak jednocześnie dużo większe wymagania stawiane są stabilizacji prądu mostka i temperaturze ścianek komory.
Wcześniej niż inne i najszerzej zaczęto stosować instrumenty termokonduktometryczne do analizy gazów spalinowych z pieców. Ze względu na wysoką czułość, dużą prędkość, łatwość obsługi i niezawodność konstrukcji, a także niski koszt, analizatory tego typu zostały szybko wprowadzone do przemysłu w przyszłości.
Analizatory termokonduktometryczne najlepiej nadają się do pomiaru stężenia wodoru w mieszaninach. Przy wyborze gazów odniesienia należy również wziąć pod uwagę mieszaniny różnych gazów. Poniższe dane mogą posłużyć jako przykład minimalnych zakresów pomiarowych dla różnych gazów (Tabela 6.1).
Tabela 6.1
Minimalne zakresy pomiarowe dla różnych gazów,
% do objętości
Maksymalny zakres pomiarowy to najczęściej 0-100%, przy czym 90, a nawet 99% można stłumić. W szczególnych przypadkach analizator przewodności cieplnej umożliwia posiadanie kilku różnych zakresów pomiarowych na jednym przyrządzie. Jest to wykorzystywane na przykład do monitorowania napełniania i opróżniania turbogeneratorów chłodzonych wodorem w elektrowniach cieplnych. Ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu obudowa generatora nie jest wypełniana powietrzem, ale najpierw jako gaz płuczący wprowadzany jest dwutlenek węgla, a następnie wodór. Podobnie wytwarzają uwalnianie gazu z generatora. Przy wystarczająco wysokiej powtarzalności na jednym analizatorze można uzyskać następujące zakresy pomiarowe: 0-100% (obj.) CO (w powietrzu do przepłukiwania dwutlenkiem węgla), 100-0% H 2 w CO (do napełniania wodorem) i 100-80% H 2 (w powietrzu w celu kontroli czystości wodoru podczas pracy generatora). Jest to tani sposób pomiaru.
W celu określenia zawartości wodoru w chlorze uwalnianym podczas elektrolizy chlorku potasu za pomocą analizatora termokonduktometrycznego można pracować zarówno z gazem wzorcowym zamkniętym (SO 2 , Ar ) jak i przepływającym gazem wzorcowym. W tym drugim przypadku mieszanina wodoru i chloru trafia najpierw do komory pomiarowej, a następnie do dopalacza o temperaturze >200°C. Wodór spala się z nadmiarem chloru, tworząc chlorowodór. Otrzymaną mieszaninę HC i C12 wprowadza się do komory porównawczej. W tym przypadku stężenie wodoru określa się na podstawie różnicy przewodności cieplnej. Metoda ta znacznie zmniejsza wpływ domieszki niewielkich ilości powietrza.
Aby zmniejszyć błąd występujący podczas analizy mokrego gazu, należy go osuszyć, co odbywa się albo za pomocą pochłaniacza wilgoci, albo poprzez obniżenie temperatury gazu poniżej punktu rosy. Istnieje jeszcze inna możliwość kompensacji wpływu wilgotności, która ma zastosowanie tylko przy pomiarach z przepływowym schematem gazu wzorcowego.
Do pracy z gazami wybuchowymi wiele firm produkuje urządzenia przeciwwybuchowe. W tym przypadku komory mierników przewodności cieplnej są przystosowane do wysokich ciśnień, na wlocie i wylocie z komór zainstalowane są przerywacze płomienia, a sygnał wyjściowy jest ograniczony do poziomu iskrobezpiecznego. Urządzenia takie nie mogą jednak służyć do analizy mieszanin gazów wybuchowych z tlenem lub wodoru z chlorem.
- Centymetr - gram - sekunda - system jednostek, który był szeroko stosowany przed przyjęciem system międzynarodowy jednostki (SI).
Na razie nie rozwinięty ujednolicona klasyfikacja związane z różnorodnością istniejące metody. Dobrze znane eksperymentalne metody pomiaru przewodności cieplnej materiałów dzielą się na dwie duże grupy: stacjonarne i niestacjonarne. W pierwszym przypadku jakość formuły obliczeniowej wykorzystuje poszczególne rozwiązania równania przewodzenia ciepła
pod warunkiem, w drugim - pod warunkiem, gdzie T jest temperaturą; f - czas; - współczynnik dyfuzyjności cieplnej; l - współczynnik przewodności cieplnej; C - ciepło właściwe; d jest gęstością materiału; - Operator Laplace'a, zapisany w odpowiednim układzie współrzędnych; - moc właściwa objętościowego źródła ciepła.
Pierwsza grupa metod opiera się na wykorzystaniu stacjonarnego reżimu termicznego; drugi - niestacjonarny reżim termiczny. Stacjonarne metody określania współczynnika przewodności cieplnej z natury pomiarów są bezpośrednie (tj. Współczynnik przewodności cieplnej jest określany bezpośrednio) i dzielą się na bezwzględne i względne. W metodach bezwzględnych parametry zmierzone w eksperymencie pozwalają uzyskać za pomocą wzoru obliczeniowego żądaną wartość współczynnika przewodzenia ciepła. W metodach względnych parametry zmierzone w eksperymencie pozwalają uzyskać wymaganą wartość współczynnika przewodności cieplnej za pomocą wzoru obliczeniowego. W metodach względnych zmierzone parametry nie wystarczą do obliczenia wartości bezwzględnej. Możliwe są tu dwa przypadki. Pierwszym z nich jest monitorowanie zmiany współczynnika przewodzenia ciepła w stosunku do początkowego, przyjmowanego jako jedność. Drugi przypadek to zastosowanie materiału wzorcowego o znanych właściwościach termicznych. W takim przypadku współczynnik przewodności cieplnej normy jest używany we wzorze obliczeniowym. Metody względne mają pewną przewagę nad metodami bezwzględnymi, ponieważ są prostsze. Dalszy podział metod stacjonarnych można przeprowadzić ze względu na charakter ogrzewania (zewnętrzne, objętościowe i kombinowane) oraz ze względu na rodzaj izoterm pola temperaturowego w próbkach (płaskie, cylindryczne, sferyczne). Podgrupa metod z zewnętrznym ogrzewaniem obejmuje wszystkie metody, które wykorzystują zewnętrzne (elektryczne, wolumetryczne itp.) grzejniki i ogrzewanie powierzchni próbek przez promieniowanie cieplne lub bombardowanie elektronami. Podgrupa metod z ogrzewaniem wolumetrycznym obejmuje wszystkie metody wykorzystujące ogrzewanie prądem przepływającym przez próbkę, ogrzewanie badanej próbki neutronem lub promieniowaniem z lub prądami mikrofalowymi. Podgrupa metod z połączonym ogrzewaniem może obejmować metody wykorzystujące jednocześnie zewnętrzne i objętościowe ogrzewanie próbek lub ogrzewanie pośrednie (na przykład prądami o wysokiej częstotliwości).
We wszystkich trzech podgrupach metod stacjonarnych pole temperatury
może być inny.
Płaskie izotermy powstają, gdy strumień ciepła jest skierowany wzdłuż osi symetrii próbki. Metody wykorzystujące płaskie izotermy nazywane są w literaturze metodami z osiowym lub wzdłużnym przepływem ciepła, a same układy doświadczalne nazywane są urządzeniami płaskimi.
Cylindryczne izotermy odpowiadają propagacji strumienia ciepła wzdłuż promienia cylindrycznej próbki. W przypadku, gdy strumień ciepła jest kierowany wzdłuż promienia kulistej próbki, powstają sferyczne izotermy. Metody wykorzystujące takie izotermy nazywane są sferycznymi, a urządzenia sferycznymi.
GOST 7076-99
UDC 691:536.2.08:006.354 Grupa Zh19
STANDARD MIĘDZYNARODOWY
MATERIAŁY I PRODUKTY BUDOWLANE
Metoda wyznaczania przewodności cieplnej i oporu cieplnego
w stacjonarnych warunkach termicznych
MATERIAŁY I PRODUKTY BUDOWLANE
Metoda wyznaczania temperatury w stanie ustalonym
przewodnictwo i opór cieplny
Data wprowadzenia 2000-04-01
Przedmowa
1 OPRACOWANY przez Instytut Fizyki Budowli (NIISF) Federacja Rosyjska
WPROWADZONY przez Gosstroya z Rosji
2 PRZYJĘTE przez Międzypaństwową Komisję Naukowo-Techniczną ds. Normalizacji, Regulacji Technicznych i Certyfikacji w Budownictwie (ISTCS) w dniu 20 maja 1999 r.
|
Nazwa stanu |
Nazwa organu państwowego Kierownictwo budowy |
|
Republika Armenii |
Ministerstwo Rozwoju Miast Republiki Armenii |
|
Republika Kazachstanu |
Komitet Budowlany Ministerstwa Energii, Przemysłu i Handlu Republiki Kazachstanu |
|
Republika Kirgistanu |
Państwowa Inspekcja Architektury i Budownictwa przy rządzie Republiki Kirgiskiej |
|
Republika Mołdawii |
Ministerstwo Rozwoju Terytorialnego, Budownictwa i Usług Publicznych Republiki Mołdowy |
|
Federacja Rosyjska |
Gostroj z Rosji |
|
Republika Tadżykistanu |
Komitet Architektury i Budownictwa Republiki Tadżykistanu |
|
Republika Uzbekistanu |
Państwowy Komitet Architektury i Budownictwa Republiki Uzbekistanu |
|
Państwowy Komitet ds. Budownictwa, Architektury i Polityki Mieszkaniowej Ukrainy |
3 ZAMIAST GOST 7076-87
4 WPROWADZONY od 1 kwietnia 2000 r. Jako standard państwowy Federacji Rosyjskiej dekretem Gosstroya Rosji z dnia 24 grudnia 1999 r. Nr 89
Wstęp
Niniejsza Norma Międzynarodowa jest zharmonizowana pod względem terminologicznym z ISO 7345:1987 i ISO 9251:1987 i jest zgodna z głównymi postanowieniami ISO 8301:1991, ISO 8302:1991, ustanawiającymi metody wyznaczania oporu cieplnego i efektywnej przewodności cieplnej przy użyciu przyrządu wyposażonego z ciepłomierzem i przyrządem z gorącą strefą bezpieczeństwa.
Zgodnie z normami ISO norma ta określa wymagania dotyczące próbek, przyrządu i jego kalibracji, przyjęto dwa główne schematy badań: asymetryczny (z jednym ciepłomierzem) i symetryczny (z dwoma ciepłomierzami).
1 obszar użytkowania
Niniejsza norma dotyczy Materiały budowlane i wyrobów oraz materiałów i wyrobów przeznaczonych do ociepleń sprzęt przemysłowy i rurociągów oraz ustala metodę wyznaczania ich efektywnego przewodnictwa cieplnego i oporu cieplnego przy Średnia temperatura próbka od minus 40 do + 200 °С.
Norma nie dotyczy materiałów i wyrobów o przewodności cieplnej większej niż 1,5 W/(m × K.).
GOST 166-89 Suwmiarki. Specyfikacje
GOST 427-75 Pomiarowe metalowe linijki. Specyfikacje
GOST 24104-88 Wagi laboratoryjne do celów ogólnych i wzorcowych. Specyfikacje ogólne
3 Definicje i notacja
3.1 W niniejszym standardzie zastosowanie mają następujące terminy wraz z ich odpowiednimi definicjami.
Przepływ ciepła- ilość ciepła przechodzącego przez próbkę w jednostce czasu.
Gęstość strumienia ciepła jest strumieniem ciepła przechodzącym przez jednostkę powierzchni.
Stacjonarny reżim termiczny- tryb, w którym wszystkie rozważane parametry termofizyczne nie zmieniają się w czasie.
Przykładowy opór cieplny- stosunek różnicy temperatur czołowych powierzchni próbki do gęstości strumienia ciepła w stacjonarnych warunkach termicznych.
Średnia temperatura próbki- średnia arytmetyczna wartości temperatur zmierzonych na czołowych powierzchniach próbki.
Efektywna przewodność cieplnal efekt materiał(odpowiada określeniu „współczynnik przewodności cieplnej” przyjętemu w obowiązujących normach dotyczących ciepłownictwa budowlanego) – stosunek grubości badanej próbki materiału DDo jego odporność termiczna R.
3.2 Oznaczenia wielkości i jednostek miary podano w tabeli 1.
Tabela 1
|
Przeznaczenie |
Wartość |
Jednostka |
|
l eff |
Efektywna przewodność cieplna |
W/(m × K.) |
|
Odporność termiczna |
m 2 × K/W |
|
|
Grubość próbki przed badaniem |
||
|
Odporność termiczna próbek wzorcowych |
m 2 × K/W |
|
|
DT 1 , D T 2 |
Różnica temperatur przednich powierzchni próbek standardowych |
|
|
mi 1 , mi 2 |
Sygnały wyjściowe ciepłomierza urządzenia podczas jego kalibracji przy użyciu wzorców |
|
|
fa 1 , F 2 |
Współczynniki kalibracji ciepłomierza urządzenia podczas jego kalibracji przy użyciu próbek wzorcowych |
W/(mV × m 2) |
|
Grubość próbki podczas badania |
||
|
Odporność termiczna badanego elementu |
m 2 × K/W |
|
|
Względna zmiana masy próbki po wysuszeniu |
||
|
Względna zmiana masy próbki podczas badania |
||
|
Masa próbki przy odbiorze od producenta |
||
|
Masa próbki po wysuszeniu |
||
|
Masa próbki po badaniu |
||
|
D T u |
Różnica temperatur przednich powierzchni badanej próbki |
|
|
Średnia temperatura badanej próbki |
||
|
Temperatura gorącej powierzchni badanej części |
||
|
Temperatura zimnej powierzchni badanej próbki |
||
|
Wartość współczynnika kalibracyjnego ciepłomierza urządzenia, odpowiadająca wartości strumienia ciepła przepływającego przez badaną próbkę po ustaleniu stacjonarnego reżimu termicznego (przy asymetrycznym schemacie badania) |
W/(mV × m 2) |
|
|
Sygnał wyjściowy ciepłomierza urządzenia po ustaleniu stacjonarnego strumienia ciepła przez badaną próbkę (z asymetrycznym schematem badania) |
||
|
Opór cieplny między przednią powierzchnią próbki a powierzchnią roboczą płytki instrumentu |
||
|
lefu |
Efektywna przewodność cieplna badanego materiału próbki |
W/(m × K.) |
|
Odporność termiczna materiał arkuszowy, z którego wykonane jest dno i wieczko pojemnika na próbki materiału sypkiego |
m 2 × K/W |
|
|
F ¢ u , F² u |
Wartości współczynnika kalibracji pierwszego i drugiego ciepłomierza urządzenia, odpowiadające wartości strumienia ciepła przepływającego przez badaną próbkę po ustaleniu stacjonarnego reżimu termicznego (przy symetrycznym schemacie badania) |
W/(mV × m 2) |
|
mi ¢ u , e² u |
Sygnał wyjściowy pierwszego i drugiego ciepłomierza po ustaleniu stacjonarnego przepływu ciepła przez badaną próbkę (przy symetrycznym schemacie badania) |
|
|
Gęstość stacjonarnego strumienia ciepła przechodzącego przez badaną próbkę |
||
|
Obszar pomiaru |
||
|
Zasilanie elektryczne dostarczane do grzałki strefy pomiarowej płyty grzejnej przyrządu |
4 Przepisy ogólne
4.1 Istotą metody jest wytworzenie stacjonarnego strumienia ciepła przechodzącego przez płaską próbkę o określonej grubości i skierowanego prostopadle do przednich (największych) powierzchni próbki, mierząc gęstość tego strumienia ciepła, temperaturę przeciwległego czoła powierzchnie i grubość próbki.
4.2 Liczba próbek potrzebnych do określenia efektywnej przewodności cieplnej lub oporu cieplnego oraz procedura pobierania próbek powinny być określone w normie dla danego materiału lub wyrobu. Jeżeli norma dla konkretnego materiału lub wyrobu nie określa liczby próbek do zbadania, efektywne przewodnictwo cieplne lub opór cieplny określa się na pięciu próbkach.
4.3 Temperatura i wilgotność względna powietrza w pomieszczeniu, w którym przeprowadzane są badania, powinny wynosić odpowiednio (295 ± 5) K i (50 ± 10)%.
5 Przyrządy pomiarowe
Do testowania użyj:
przyrząd do pomiaru efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego, certyfikowany w we właściwym czasie i spełniający wymagania podane w Załączniku A;
urządzenie do określania gęstości materiałów włóknistych zgodnie z GOST 17177;
urządzenie do określania grubości płaskich wyrobów włóknistych zgodnie z GOST 17177;
szafa elektryczna do suszenia, której górna granica ogrzewania jest nie mniejsza niż 383 K, granica dopuszczalnego błędu ustawienia i automatycznej kontroli temperatury wynosi 5 K;
zacisk zgodnie z GOST 166:
Do pomiaru wymiarów zewnętrznych i wewnętrznych o zakresie pomiarowym 0-125 mm, wartość odczytu noniusza 0,05 mm, błąd graniczny 0,05 mm;
Do pomiaru wymiarów zewnętrznych o zakresie pomiarowym 0-500 mm, wartość odczytu noniusza 0,1 mm, błąd graniczny -0,1 mm;
metalowa linijka pomiarowa zgodnie z GOST 427 z górną granicą pomiaru 1000 mm, granicą dopuszczalnego odchylenia od wartości nominalnych długości podziałki i odległości między dowolnym skokiem a początkiem lub końcem podziałki - 0,2 mm ;
wagi laboratoryjne ogólnego przeznaczenia wg GOST 24104:
Przy największym limicie ważenia 5 kg, wartość podziału - 100 mg, odchylenie standardowe odczytów skali - nie więcej niż 50,0 mg, błąd od nierównego ramienia wahacza - nie więcej niż 250,0 mg, margines błędu - 375 mg;
Przy największym limicie ważenia 20 kg, podziałka - 500 mg, odchylenie standardowe wskazań wagi - nie więcej niż 150,0 mg, błąd wynikający z nierównego ramienia - nie więcej niż 750,0 mg, margines błędu - 1500 mg.
Dopuszcza się stosowanie innych przyrządów pomiarowych o właściwościach metrologicznych i wyposażeniu z Specyfikacja techniczna nie gorsze niż określone w tej normie.
6 Przygotowanie testu
6.1 Próbkę wykonuje się w postaci prostokątnego równoległościanu, którego największe (przednie) powierzchnie mają kształt kwadratu o boku równym bokowi powierzchni roboczych płyt urządzenia. Jeżeli powierzchnie robocze płytek urządzenia mają kształt koła, to największe krawędzie próbki również muszą mieć kształt koła, którego średnica jest równa średnicy powierzchni roboczych płytek urządzenia (Dodatek A, punkt A. 2.1).
6.2 Grubość próbki do badań powinna być co najmniej pięciokrotnie mniejsza niż długość krawędzi czoła lub średnica.
6.3 Krawędzie próbki stykające się z powierzchniami roboczymi płytek instrumentów muszą być płaskie i równoległe. Odchylenie przednich powierzchni sztywnej próbki od równoległości nie powinno przekraczać 0,5 mm.
Próbki sztywne o różnej grubości i odchyleniach od płaskości są szlifowane.
6.4 Grubość próbki równoległościanu mierzy się suwmiarką z błędem nie większym niż 0,1 mm w czterech rogach w odległości (50,0 ± 5,0) mm od górnej krawędzi rogu i pośrodku każdej strony.
Grubość krążka próbki mierzy się suwmiarką z błędem nie większym niż 0,1 mm wzdłuż tworzących umieszczonych w czterech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach przechodzących przez oś pionową.
Jako grubość próbki przyjmuje się średnią arytmetyczną wyników wszystkich pomiarów.
6.5 Długość i szerokość próbki w planie mierzy się linijką z błędem nie większym niż 0,5 mm.
6.6 Regularność kształtu geometrycznego i wymiarów próbki materiał termoizolacyjny określony zgodnie z GOST 17177.
6.7 Średnia wielkość wtrąceń (granulaty kruszywa, duże pory itp.), które różnią się parametrami termofizycznymi od próbki głównej, nie powinna przekraczać 0,1 grubości próbki.
Dopuszcza się badanie próbki z niejednorodnymi wtrąceniami, których średnia wielkość przekracza 0,1 jej grubości. Sprawozdanie z badań określa średnią wielkość wtrąceń.
6.8 Wyznacz masę próbki M 1 po otrzymaniu od producenta.
6.9 Próbkę suszy się do stałej masy w temperaturze określonej w dokumencie normatywnym dla materiału lub wyrobu. Próbkę uważa się za wysuszoną do stałej masy, jeżeli ubytek jej masy po kolejnym suszeniu przez 0,5 h nie przekracza 0,1%. Pod koniec suszenia określa się masę próbki. M 2 i jego gęstość R u, po czym próbkę natychmiast umieszcza się albo w urządzeniu do określania jej oporu cieplnego, albo w szczelnym naczyniu.
Dopuszcza się badanie mokrej próbki przy temperaturze zimnej powierzchni większej niż 273 K i różnicy temperatur nie większej niż 2 K na 1 cm grubości próbki.
6.10 Próbkę wysuszonego materiału sypkiego należy umieścić w skrzyni, której dno i pokrywa wykonane są z cienkiej blachy. Długość i szerokość pudełka powinny być równe odpowiednim wymiarom powierzchni roboczych płytek urządzenia, głębokość - grubość badanej próbki. Grubość próbki materiału sypkiego musi być co najmniej 10 razy większa od średniej wielkości granulek, ziaren i płatków, z których składa się ten materiał.
Względna półkulista emisyjność powierzchni dna i pokrywy pudełka powinna być większa niż 0,8 w temperaturach, na jakie te powierzchnie narażone są podczas badania.
Odporność termiczna RL powinien być znany materiał arkusza, z którego wykonane jest dno i wieczko pudełka.
6.11 Próbkę materiału sypkiego dzieli się na cztery równe części, które naprzemiennie wlewa się do skrzyni, zagęszczając każdą część tak, aby zajmowała odpowiednią część wewnętrznej objętości skrzyni. Pudełko jest zamykane pokrywką. Wieczko mocowane jest do bocznych ścianek pudełka.
6.12 Zważyć pudełko zawierające próbkę materiału sypkiego. Na podstawie wyznaczonej masy pudełka z próbką oraz zadanych wartości objętości wewnętrznej i masy pustego pudełka obliczana jest gęstość próbki materiału sypkiego.
6.13 Błąd w określeniu masy i wielkości próbek nie powinien przekraczać 0,5%.
7 Testowanie
7.1 Badania należy przeprowadzić na wcześniej skalibrowanym przyrządzie. Kolejność i częstotliwość kalibracji podano w dodatku B.
7.2 Umieść badaną próbkę w przyrządzie. Lokalizacja próbki - pozioma lub pionowa. W przypadku próbki poziomej kierunek przepływu ciepła jest od góry do dołu.
Podczas badania różnica temperatur przednich powierzchni próbki D ty powinna wynosić 10-30 K. Średnia temperatura próbki podczas badania powinna być wskazana w dokumencie regulacyjnym dla określonego rodzaju materiału lub produktu.
7.3 Ustawić zadane temperatury powierzchni roboczych płyt przyrządów i kolejno co 300 s mierzyć:
sygnały licznika ciepła e ty oraz czujniki temperatury przednich powierzchni próbki, jeżeli gęstość strumienia ciepła przez badaną próbkę mierzy się za pomocą ciepłomierza;
moc dostarczoną do grzałki strefy pomiarowej płyty grzejnej urządzenia oraz sygnały z czujników temperatury przednich powierzchni próbki, jeżeli gęstość strumienia ciepła przez badaną próbkę wyznacza się mierząc dostarczoną moc elektryczną do grzałki strefy pomiarowej płyty grzejnej urządzenia.
7.4 Przepływ ciepła przez badaną próbkę uważa się za ustalony (stacjonarny), jeżeli wartości oporu cieplnego próbki, obliczone na podstawie wyników pięciu kolejnych pomiarów sygnałów czujników temperatury i gęstości strumienia ciepła, różnią się od siebie o mniej niż 1%, przy czym wartości te nie rosną i nie maleją monotonicznie.
7.5 Po osiągnięciu stacjonarnego reżimu termicznego zmierzyć grubość próbki umieszczonej w urządzeniu d u suwmiarka z błędem nie większym niż 0,5%.
7.6 Po zakończeniu badania określić masę próbki M 3 .
8 Przetwarzanie wyników testów
8.1 Oblicz względną zmianę masy próbki pod wpływem jej suszenia. T r i podczas testowania T w i gęstość próbki R u według wzorów:
Tr=(M 1 ¾ M 2 )/M 2 , (2)
Tw= (M 2 ¾ M 3 )/M 3 , (3)
Objętość próbki testowej V u obliczona na podstawie wyników pomiaru jej długości i szerokości po zakończeniu badania, a grubości - w trakcie badania.
8.2 Oblicz różnicę temperatur na powierzchniach czołowych D ty oraz średnią temperaturę badanej próbki T mu według wzorów:
D ty = T 1u ¾ T 2u , (5)
T mu= (T 1u + T 2u.)/2 (6)
8.3 Przy obliczaniu parametrów termofizycznych próbki i gęstości stacjonarnego strumienia ciepła przyjmuje się średnie arytmetyczne wartości wyników pięciu pomiarów sygnałów czujników różnicy temperatur i sygnału ciepłomierza lub energii elektrycznej, wykonanych po ustaleniu się stacjonarnego strumienia ciepła przez badaną próbkę, są podstawiane do wzorów obliczeniowych.
8.4 Podczas testowania na urządzeniu zmontowanym zgodnie ze schematem asymetrycznym opór cieplny próbki R ty obliczone według wzoru
(7)
Gdzie Rk weź równe 0,005m 2 × K / W, a dla materiałów i produktów termoizolacyjnych - zero.
8.5 Efektywna przewodność cieplna materiału próbki l efekt obliczone według wzoru
(8)
8.6 Opór cieplny R ty i efektywne przewodnictwo cieplne l efekt próbkę materiału sypkiego oblicza się według wzorów:
, (9)
. (10)
8.7 Stacjonarna gęstość strumienia ciepła q u przez próbkę testowaną na urządzeniu, zmontowaną zgodnie ze schematami asymetrycznymi i symetrycznymi, oblicza się odpowiednio według wzorów:
q u = fa u mi u , (11)
. (12)
8.8 Podczas badania na przyrządzie ze strefą gorącej osłony, w której gęstość strumienia ciepła jest określana poprzez pomiar mocy elektrycznej dostarczanej do grzałki strefy pomiarowej płyty grzejnej przyrządu, oporu cieplnego, efektywnego przewodnictwa cieplnego i ciepła stacjonarnego gęstość strumienia przechodzącego przez próbkę oblicza się ze wzorów:
, (13)
, (14)
Podczas badania materiałów sypkich we wzorach (13) i (14) zamiast Rk wartość zastępcza R L ..
8.9 Wynik badania przyjmuje się jako średnią arytmetyczną oporu cieplnego i efektywnej przewodności cieplnej wszystkich badanych próbek.
9 Raport z testu
Sprawozdanie z badań musi zawierać następujące informacje:
Nazwa materiału lub produktu;
Oznaczenie i nazwa dokumentu normatywnego, zgodnie z którym materiał lub produkt jest wytwarzany;
Producent;
Numer partii;
Data produkcji;
Całkowita liczba przebadanych próbek;
Rodzaj przyrządu, na którym przeprowadzono badanie;
Położenie próbek do badań (poziome, pionowe);
Sposób wykonania próbek materiału sypkiego, wskazujący opór cieplny dna i pokrywy pudełka, w którym badano próbki;
Wymiary każdej próbki;
grubość każdej próbki przed rozpoczęciem badania i podczas badania, ze wskazaniem, czy badanie przeprowadzono przy stałym ciśnieniu na próbkę, czy przy ustalonej grubości próbki;
Naprawiono ciśnienie (jeśli zostało ustalone);
Średnia wielkość niejednorodnych wtrąceń w próbkach (jeśli występują);
Technika suszenia próbek;
Względna zmiana masy każdej próbki w zależności od jej dnia;
Wilgotność każdej próbki przed i po zakończeniu badania;
Gęstość każdej próbki podczas badania;
Względna zmiana masy każdej próbki, która wystąpiła podczas badania;
Temperatura gorących i zimnych powierzchni każdej próbki;
Różnica temperatur między gorącą i zimną powierzchnią każdej próbki;
Średnia temperatura każdej próbki;
Gęstość strumienia ciepła przez każdą próbkę po ustaleniu stacjonarnego reżimu termicznego;
Odporność termiczna każdej próbki;
Efektywna przewodność cieplna materiału każdej próbki;
Średnia arytmetyczna wartość oporu cieplnego wszystkich badanych próbek;
Średnia arytmetyczna efektywnej przewodności cieplnej wszystkich badanych próbek;
Kierunek przepływu ciepła;
Data badania;
Datę ostatniej kalibracji urządzenia (jeżeli badanie przeprowadzono na urządzeniu wyposażonym w ciepłomierz);
W przypadku wzorców użytych do kalibracji urządzenia należy podać: typ, opór cieplny, datę legalizacji, okres ważności legalizacji, organizację przeprowadzającą legalizację;
Oszacowanie błędu pomiaru oporu cieplnego lub efektywnego przewodnictwa cieplnego;
Stwierdzenie pełnej zgodności lub częściowej niezgodności procedury badawczej z wymaganiami niniejszej normy. Jeżeli podczas badania dokonano odchyleń od wymagań niniejszej normy, należy to zaznaczyć w protokole z badania.
10 Błąd w określeniu efektywnej przewodności cieplnej
i odporność termiczna
Błąd względny przy określaniu efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego tą metodą nie przekracza ± 3%, jeżeli badanie jest przeprowadzane w pełnej zgodności z wymaganiami niniejszej normy.
ZAŁĄCZNIK A
(obowiązkowy)
Wymagania dotyczące przyrządów do wyznaczania efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego w stacjonarnym reżimie cieplnym
A.1 Schematy przyrządów
Do pomiaru efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego w stacjonarnym reżimie termicznym stosuje się następujące urządzenia:
Zmontowane według schematu asymetrycznego, wyposażone w jeden ciepłomierz, który znajduje się pomiędzy badaną próbką a zimną płytą urządzenia lub między próbką a gorącą płytą urządzenia (Rysunek A.1);
Zmontowane według schematu symetrycznego, wyposażone w dwa ciepłomierze, z których jeden znajduje się między badaną próbką a zimną płytą urządzenia, a drugi - między próbką a gorącą płytą urządzenia (rysunek A.2) ;
Przyrząd, w którym wyznacza się strumień ciepła przez badaną próbkę, mierząc moc elektryczną dostarczaną do grzałki strefy pomiarowej płyty grzejnej przyrządu (przyrząd ze strefą chroniącą przed gorącem) (rysunek A.3).
1 - podgrzewacz; 2 - licznik ciepła; 3 - próbka badana; 4 - lodówka
Rysunek A.1 - Schemat urządzenia z jednym ciepłomierzem
1 - grzejnik; 2 - liczniki ciepła; 3 - lodówka; 4 - Próbkę
Rysunek A.2 - Schemat urządzenia z dwoma ciepłomierzami
1 - lodówka; 2 - Próbki do badań; 3 - płyty grzejne strefy pomiarowej;
4 - uzwojenie grzałki strefy pomiarowej; 5 - płyty grzewcze strefy bezpieczeństwa;
6 - uzwojenie grzałki strefy strzeżonej
Rysunek A. 3 - Schemat urządzenia z gorącą strefą bezpieczeństwa
A.2 Nagrzewnica i chłodnica
A.2.1 Płyty grzejnika lub chłodnicy mogą mieć kształt kwadratu o boku co najmniej 250 mm lub koła o średnicy nie mniejszej niż 250 mm.
A.2.2 Powierzchnie robocze płyt nagrzewnicy i chłodnicy muszą być wykonane z metalu. Odchylenie od płaskości powierzchni roboczych nie powinno przekraczać 0,025% ich maksymalnego rozmiaru liniowego.
A.2.3 Względna półkulista emisyjność powierzchni roboczych płyt nagrzewnicy i chłodnicy stykających się z badaną próbką powinna być większa niż 0,8 w temperaturach, jakie te powierzchnie mają podczas badania.
A.3 Ciepłomierz
A.3.1 Wymiary powierzchni roboczych ciepłomierza powinny być równe wymiarom powierzchni roboczych płyt grzejnych i chłodniczych.
A.3.2 Względna półkulista emisyjność przedniej powierzchni ciepłomierza stykającej się z próbką powinna być większa niż 0,8 przy temperaturach, jakie ta powierzchnia ma podczas badania.
A.3.3 Strefa pomiarowa ciepłomierza powinna znajdować się w centralnej części jego czoła. Jego powierzchnia powinna wynosić co najmniej 10% i nie więcej niż 40% całkowitej powierzchni przedniej ściany.
A.3.4 Średnica drutów termopary użytych do produkcji baterii termoelektrycznej ciepłomierza nie powinna przekraczać 0,2 mm.
A.4 Czujniki temperatury
Liczba czujników temperatury na każdej powierzchni roboczej płyt grzejnych lub chłodniczych oraz na powierzchni czołowej ciepłomierza stykającej się z badaną próbką musi być równa części całkowitej liczby 10 Ö A i wynosić co najmniej dwa. Średnica przewodów odpowiednich dla tych czujników nie powinna przekraczać 0,6 mm.
A.5 Elektryczny układ pomiarowy
Elektryczny układ pomiarowy musi zapewniać pomiar sygnału powierzchniowych czujników różnicy temperatur z błędem nie większym niż 0,5%, sygnału ciepłomierza z błędem nie większym niż 0,6% lub energii elektrycznej dostarczanej do grzałka strefy pomiarowej płyty grzejnej urządzenia - z błędem nie większym niż 0,2%.
Całkowity błąd pomiaru różnicy temperatur między powierzchniami płytek przyrządu i ciepłomierza stykającymi się z czołowymi powierzchniami badanej próbki nie powinien przekraczać 1%. Błąd całkowity – suma błędów wynikających z odkształcenia pola temperatury w pobliżu czujników temperatury, zmian charakterystyk tych czujników pod wpływem warunków zewnętrznych oraz błędu wprowadzonego przez elektryczny układ pomiarowy.
A.6 Przyrząd do pomiaru grubości badanego wycinka
Przyrząd musi być wyposażony w przyrząd umożliwiający pomiar grubości próbki podczas jej badania suwmiarką z błędem nie większym niż 0,5%.
A.7 Rama instrumentu
Urządzenie musi być wyposażone w ramkę umożliwiającą zachowanie różnych orientacji w przestrzeni bloku urządzenia zawierającego badaną próbkę.
A.8 Urządzenie do mocowania próbki do badań
Urządzenie musi być wyposażone w urządzenie, które albo wytwarza stały, zadany nacisk na badaną próbkę umieszczoną w urządzeniu, albo utrzymuje stałą szczelinę między powierzchniami roboczymi płytek urządzenia.
Maksymalne ciśnienie wytwarzane przez to urządzenie na badanej próbce powinno wynosić 2,5 kPa, minimalne - 0,5 kPa, błąd ustawienia ciśnienia - nie więcej niż 1,5%.
A.9 Urządzenie do zmniejszania bocznej utraty ciepła lub przyrostu ciepła badanej próbki
Boczne straty ciepła lub zyski ciepła podczas badania muszą być ograniczone poprzez izolowanie ścian bocznych badanej próbki warstwą materiału termoizolacyjnego, którego opór cieplny jest nie mniejszy niż opór cieplny próbki.
A.10 Obudowa przyrządu
Przyrząd powinien być wyposażony w obudowę, w której temperatura powietrza jest utrzymywana na poziomie średniej temperatury badanej próbki.
ZAŁĄCZNIK B
(obowiązkowy)
Kalibracja urządzenia wyposażonego w ciepłomierz
B.1 Wymagania ogólne
Wzorcowanie przyrządu wyposażonego w ciepłomierz należy przeprowadzić za pomocą trzech należycie certyfikowanych wzorcowych próbek odporności termicznej wykonanych odpowiednio z optycznego szkła kwarcowego, szkła organicznego oraz tworzywa piankowego lub włókna szklanego.
Wymiary próbek standardowych powinny być równe wymiarom próbki przeznaczonej do badania. W procesie kalibracji przyrządu temperatura powierzchni czołowych próbek wzorcowych musi być odpowiednio równa temperaturom, jakie będą miały powierzchnie czołowe próbki testowej podczas badania.
Cały zakres wartości oporu cieplnego jaki można zmierzyć na urządzeniu należy podzielić na dwa podzakresy:
dolna granica pierwszego podzakresu to minimalna wartość oporu cieplnego, jaką można zmierzyć na tym urządzeniu; górna granica - wartość oporu cieplnego wzorcowej próbki wykonanej ze szkła organicznego i mającej grubość równą grubości badanej próbki;
dolna granica drugiego podzakresu jest górną granicą pierwszego podzakresu; górna granica - maksymalna wartość oporu cieplnego, jaką można zmierzyć na tym urządzeniu.
B.2 Kalibracja przyrządu zmontowanego według schematu asymetrycznego
Przed przystąpieniem do kalibracji należy oszacować liczbową wartość oporu cieplnego badanej próbki na podstawie znanych danych wzorcowych i określić, do którego podzakresu należy ta wartość. Kalibracja ciepłomierza odbywa się tylko w tym podzakresie.
Jeżeli opór cieplny badanej próbki należy do pierwszego podzakresu, kalibracja ciepłomierza
przeprowadzono przy użyciu standardowych próbek wykonanych z kwarcu optycznego i szkła organicznego. Jeżeli opór cieplny próbki należy do drugiego podzakresu, kalibrację przeprowadza się przy użyciu wzorców wykonanych ze szkła organicznego i materiału termoizolacyjnego.
Umieścić w przyrządzie pierwszą próbkę wzorcową o niższym oporze cieplnym. R S 1 , D T 1 jego powierzchni czołowych oraz sygnał wyjściowy ciepłomierza mi 1 zgodnie z procedurą opisaną w punkcie 7. Następnie w przyrządzie umieszcza się drugą próbkę wzorcową o dużym oporze cieplnym R S 2 , zmierzyć różnicę temperatur D T 2 jego przednich powierzchni oraz sygnał wyjściowy ciepłomierza mi 2 tą samą metodą. Na podstawie wyników tych pomiarów obliczane są współczynniki kalibracji F 1 i F 2 ciepłomierze wg wzorów:
Wartość współczynnika kalibracji ciepłomierza ty, odpowiadającą wartości strumienia ciepła przepływającego przez badaną próbkę po ustaleniu stacjonarnego strumienia ciepła, wyznacza się metodą interpolacji liniowej według wzoru
. (B.3)
B.3 Podziałka urządzenia złożonego według schematu symetrycznego
Sposób wyznaczania współczynnika kalibracji dla każdego ciepłomierza urządzenia zmontowanego według schematu symetrycznego jest podobny do sposobu wyznaczania współczynnika kalibracji dla ciepłomierza opisanego w B.2.
B.4 Częstotliwość kalibracji przyrządu
Kalibrację przyrządu przeprowadza się w ciągu 24 godzin przed badaniem lub po nim.
Jeżeli według wyników kalibracji przeprowadzonych w ciągu 3 miesięcy zmiana współczynnika kalibracji ciepłomierza nie przekracza ± 1%, to urządzenie można wzorcować raz na 15 dni. W takim przypadku wyniki badań mogą zostać przekazane klientowi dopiero po kalibracji następującej po teście, a jeżeli wartość współczynnika kalibracji ustalona z wyników kolejnej kalibracji różni się od wartości współczynnika ustalonej z wyników kalibracji poprzedniej kalibracji o nie więcej niż ± 1%.
Współczynnik kalibracji stosowany przy obliczaniu parametrów termofizycznych badanej próbki wyznacza się jako średnią arytmetyczną dwóch wskazanych wartości tego współczynnika.
Jeżeli różnica wartości współczynnika kalibracji przekracza ± 1 %, wyniki wszystkich badań przeprowadzonych pomiędzy tymi dwoma kalibracjami uznaje się za nieważne i badania należy powtórzyć.
ZAŁĄCZNIK B
Bibliografia
ISO 7345:1987 Izolacja termiczna. Wielkości fizyczne i definicje
ISO 9251:1987 Izolacja termiczna. Tryby wymiany ciepła i właściwości materiałów
ISO 8301:1991 Izolacja termiczna. Wyznaczanie oporu cieplnego i związanych z nim wskaźników termofizycznych w stacjonarnym reżimie cieplnym. Urządzenie wyposażone w licznik ciepła
ISO 8302:1991 Izolacja termiczna. Wyznaczanie oporu cieplnego i związanych z nim wskaźników termofizycznych. Urządzenie z gorącą strefą ochronną
Słowa kluczowe: opór cieplny, efektywne przewodnictwo cieplne, próbka wzorcowa
Wstęp
1 obszar użytkowania
3 Definicje i notacja
4 Przepisy ogólne
5 Przyrządy pomiarowe
6 Przygotowanie testu
7 Testowanie
8 Przetwarzanie wyników testów
9 Raport z testu
10 Błąd w określeniu efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego
Załącznik A Wymagania dotyczące przyrządów do wyznaczania efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego w stacjonarnych warunkach termicznych
Załącznik B Wzorcowanie przyrządu wyposażonego w ciepłomierz
Dodatek B Bibliografia
