Metoda pomiaru przewodności cieplnej materiału. Podstawowe badania. Względna metoda wyznaczania przewodności cieplnej

2 PRZYJĘTE przez Międzypaństwową Komisję Naukowo-Techniczną ds. Normalizacji, Regulacji Technicznych i Certyfikacji w Budownictwie (MNTKS) w dniu 20 maja 1999 r.

Nazwa stanu	Nazwa organu rządowego Kierownictwo budowy
Republika Armenii	Ministerstwo Rozwoju Miast Republiki Armenii
Republika Kazachstanu	Komisja ds. Budownictwa Ministerstwa Energii, Przemysłu i Handlu Republiki Kazachstanu
Republika Kirgistanu	Państwowy Inspektorat Architektury i Budownictwa przy rządzie Republiki Kirgiskiej
Republika Mołdawii	Ministerstwo Rozwoju Terytorialnego, Budownictwa i narzędzia Republika Mołdawii
Federacja Rosyjska	Gosstroy z Rosji
Republika Tadżykistanu	Komitet Architektury i Budownictwa Republiki Tadżykistanu
Republika Uzbekistanu	Państwowy Komitet Architektury i Budownictwa Republiki Uzbekistanu
	Państwowy Komitet Budownictwa, Architektury i Polityki Mieszkaniowej Ukrainy

3 ZAMIAST GOST 7076-87

4 WEJŚCIE W ŻYCIE 1 kwietnia 2000 r norma państwowa Federacja Rosyjska dekretem Państwowego Komitetu Budownictwa Rosji z dnia 24 grudnia 1999 r. nr 89

Wstęp

Niniejsza norma jest zharmonizowana pod względem terminologicznym z ISO 7345:1987 i ISO 9251:1987 i odpowiada podstawowym postanowieniom norm ISO 8301:1991, ISO 8302:1991, które ustanawiają metody określania oporu cieplnego i efektywnej przewodności cieplnej przy użyciu przyrządu wyposażonego w z licznikiem ciepła i przyrządem z gorącą wodą strefa bezpieczeństwa.

Zgodnie z normami ISO norma ta określa wymagania dotyczące próbek, urządzenia i jego kalibracji. Przyjmuje się dwa główne schematy testów: asymetryczny (z jednym ciepłomierzem) i symetryczny (z dwoma ciepłomierzami).

1 obszar zastosowania

Norma ta dotyczy Materiały budowlane i wyrobów oraz materiałów i wyrobów przeznaczonych do izolacji termicznej sprzęt przemysłowy i rurociągów oraz ustala metodę określania ich efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego przy Średnia temperatura próbkę od minus 40 do + 200°C.

Norma nie dotyczy materiałów i wyrobów o przewodności cieplnej większej niż 1,5 W/(m ×K).

Zaciski GOST 166-89. Dane techniczne

GOST 427-75 Linijki miernicze metalowe. Dane techniczne

GOST 24104-88 Wagi laboratoryjne ogólny cel i wzorowe. Ogólne warunki techniczne

3 Definicje i oznaczenia

3.1 W niniejszym standardzie mają zastosowanie następujące terminy wraz z odpowiadającymi im definicjami.

Przepływ ciepła- ilość ciepła przechodzącego przez próbkę w jednostce czasu.

Gęstość Przepływ ciepła - przepływ ciepła przechodzący przez jednostkę powierzchni.

Stacjonarny reżim termiczny- tryb, w którym wszystkie uwzględniane parametry termofizyczne nie zmieniają się w czasie.

Przykładowy opór cieplny- stosunek różnicy temperatur pomiędzy czołowymi powierzchniami 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 terminowi „współczynnik przewodności cieplnej” przyjętemu w aktualne standardy dla ciepłownictwa budynków) – stosunek grubości badanej próbki materiału DDo jego opór cieplny R.

3.2 Oznaczenia wielkości i jednostek miary podano w tabeli 1.

Tabela 1

Przeznaczenie	Ogrom	Jednostka
efekt	Efektywna przewodność cieplna	W/(m × K)
	Opór cieplny	m 2 × K/W
	Grubość próbki przed badaniem
	Opory termiczne próbek wzorcowych	m 2 × K/W
D T 1, D T 2	Różnica temperatur pomiędzy powierzchniami czołowymi próbek standardowych
mi 1, mi 2	Sygnały wyjściowe licznika ciepła urządzenia podczas jego kalibracji z wykorzystaniem próbek wzorcowych
f 1, F 2	Współczynniki kalibracyjne licznika ciepła urządzenia podczas jego kalibracji przy użyciu standardowych próbek	W/(mV × m2)
	Grubość próbki podczas badania
	Opór cieplny badanej próbki	m 2 × K/W
	Względna zmiana masy próbki po suszeniu
	Względna zmiana masy próbki podczas badania
	Masa próbki po otrzymaniu od producenta
	Masa próbki po suszeniu
	Masa próbki po badaniu
D Ty	Różnica temperatur pomiędzy czołowymi powierzchniami badanej próbki
	Średnia temperatura badanej próbki
	Temperatura gorącej powierzchni czołowej badanej próbki
	Temperatura zimnej powierzchni czołowej badanej próbki
	Wartość współczynnika wzorcowego licznika ciepła urządzenia odpowiadająca wartości strumienia ciepła przepływającego przez badaną próbkę po ustaleniu stacjonarnego reżimu termicznego (z asymetrycznym obwodem testowym)	W/(mV × m2)
	Sygnał wyjściowy licznika ciepła urządzenia po ustaleniu stacjonarnego przepływu ciepła przez badaną próbkę (przy asymetrycznym obwodzie pomiarowym)
	Opór cieplny pomiędzy czołową powierzchnią próbki a powierzchnią roboczą płytki przyrządu
efektowne	Efektywna przewodność cieplna badanego materiału próbki	W/(m × K)
	Opór cieplny materiał arkuszowy, z którego wykonane jest dno i pokrywa pojemnika na próbki materiału sypkiego	m 2 × K/W
F ¢ ty , F² ty	Wartości współczynnika kalibracji pierwszego i drugiego licznika ciepła urządzenia, odpowiadające wartości strumienia ciepła przepływającego przez badaną próbkę po ustaleniu stacjonarnego reżimu termicznego (z symetrycznym obwodem testowym)	W/(mV × m2)
mi ¢ ty , tj² ty	Sygnał wyjściowy pierwszego i drugiego licznika ciepła po ustaleniu stacjonarnego przepływu ciepła przez badaną próbkę (przy symetrycznym obwodzie testowym)
	Gęstość stacjonarnego strumienia ciepła przechodzącego przez badaną próbkę
	Obszar pomiarowy
	Zasilanie elektryczne dostarczane do podgrzewacza strefy pomiarowej z płytą grzejną przyrządu

4 Postanowienia ogólne

4.1 Istota metody polega na wytworzeniu stacjonarnego strumienia ciepła przechodzącego przez płaską próbkę o określonej grubości i skierowanego prostopadle do czołowych (największych) ścian próbki, mierząc gęstość tego strumienia ciepła, temperaturę frontu przeciwnego powierzchni i grubości próbki.

4.2 Liczbę próbek wymaganą do określenia efektywnej przewodności cieplnej lub oporu cieplnego oraz kolejność pobierania próbek należy określić w normie dla konkretnego materiału lub wyrobu. Jeżeli norma dla danego materiału lub produktu nie określa liczby próbek do badania, efektywną przewodność cieplną lub opór cieplny określa się na pięciu próbkach.

4.3 Temperatura i wilgotność względna powietrze w pomieszczeniu, w którym przeprowadzane są badania, powinno wynosić odpowiednio (295 ± 5) K i (50 ± 10)%.

5 Narzędzia pomiarowe

Aby przeprowadzić test użyj:

urządzenie do pomiaru efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego, certyfikowane w w przepisany sposób i spełniające wymagania podane w Załączniku A;

urządzenie do wyznaczania gęstości materiały włókniste zgodnie z GOST 17177;

urządzenie do określania grubości płaskich produktów włóknistych zgodnie z GOST 17177;

szafa suszarnicza elektryczna, której górna granica nagrzewania jest nie mniejsza niż 383 K, granica dopuszczalnego błędu zadania oraz automatyczna regulacja temperatury - 5 K;

zacisk według GOST 166:

Do pomiaru zewnętrznego i wymiary wewnętrzne z zakresem pomiarowym 0-125 mm, wartością odczytu wzdłuż noniusza - 0,05 mm, dopuszczalną granicą błędu - 0,05 mm;

Do pomiaru wymiarów zewnętrznych w zakresie pomiarowym 0-500 mm, wartość odczytu wzdłuż noniusza - 0,1 mm, dopuszczalna granica błędu -0,1 mm;

miarka metalowa zgodna z GOST 427 s Górna granica wymiary 1000 mm, granica dopuszczalnego odchylenia od wartości nominalnych długości skali i odległości dowolnego skoku od początku lub końca skali wynosi 0,2 mm;

Wagi laboratoryjne ogólnego przeznaczenia zgodnie z GOST 24104:

Z największą granicę o wadze 5 kg, wartość podziału – 100 mg, odchylenie standardowe wskazań wagi – nie więcej niż 50,0 mg, błąd wynikający z nierównego wyważenia ramion – nie więcej niż 250,0 mg, błąd dopuszczalny – 375 mg;

Przy największej granicy ważenia 20 kg, wartości podziału - 500 mg, odchyleniu standardowym wskazań wagi - nie większym niż 150,0 mg, błędzie wynikającym z nierównego wyważenia ramienia - nie większym niż 750,0 mg, dopuszczalnej granicy błędu - 1500 mg.

Dopuszczalne jest używanie innych przyrządów pomiarowych właściwości metrologiczne i sprzęt z właściwości techniczne nie gorsze od określonych w niniejszej normie.

6 Przygotowanie do egzaminu

6.1 Zrób próbkę w formularzu prostokątny równoległościan, których największe (przednie) powierzchnie mają kształt kwadratu o boku równym bokom powierzchni roboczych płyt urządzenia. Jeżeli powierzchnie robocze płytek urządzenia mają kształt koła, wówczas największe powierzchnie próbki również powinny mieć kształt koła, którego średnica równa średnicy powierzchnie robocze płyt urządzeń (załącznik A, klauzula A. 2.1).

6.2 Grubość próbki do badań musi 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 powierzchni czołowych sztywnej próbki od równoległości nie powinno być większe niż 0,5 mm.

Sztywne próbki o różnej grubości i odchyleniach od płaskości są szlifowane.

6.4 Grubość próbki równoległościennej mierzy się suwmiarką z błędem nie większym niż 0,1 mm w czterech rogach w odległości (50,0 ± 5,0) mm od wierzchołka narożnika i pośrodku każdego boku.

Grubość krążka próbki mierzy się suwmiarką z błędem nie większym niż 0,1 mm wzdłuż tworzących znajdujących się w czterech wzajemnie prostopadłych płaszczyznach przechodzących przez oś pionową.

Za 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 Poprawność kształt geometryczny a wymiary próbki materiału termoizolacyjnego określa się zgodnie z GOST 17177.

6.7 Średnia wielkość wtrąceń (granulki wypełniacza, duże pory itp.), różniących się właściwościami termofizycznymi od próbki głównej, nie powinna przekraczać 0,1 grubości próbki.

Dopuszczalne jest badanie próbki zawierającej wtrącenia niejednorodne, średni rozmiar która przekracza 0,1 jego grubości. Sprawozdanie z badania musi wskazywać średnią wielkość wtrąceń.

6.8 Określ masę próbki M 1 po otrzymaniu od producenta.

6.9 Próbkę suszy się do stałej masy w temperaturze określonej w dokumencie regulacyjnym dotyczącym materiału lub produktu. Próbkę uważa się za wysuszoną do stałej masy, jeżeli ubytek jej masy po kolejnym suszeniu przez 0,5 godziny nie przekracza 0,1%. Po zakończeniu suszenia określić masę próbki M 2 i jego gęstość R ty, po czym próbkę natychmiast umieszcza się albo w urządzeniu do określenia jej oporu cieplnego, albo w szczelnie zamkniętym naczyniu.

Dopuszcza się badanie mokrej próbki w temperaturze zimnej powierzchni czołowej 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 pudełku, którego dno i pokrywa wykonane są z cienkiego arkusza materiału. Długość i szerokość pudełka muszą być równe odpowiednim wymiarom powierzchni roboczych płyt urządzenia, głębokość - grubości badanej próbki. Grubość próbki materiału sypkiego musi być co najmniej 10 razy większa od średniej wielkości granulek, ziaren i płatków tworzących materiał.

Względna półkulista emisyjność powierzchni dna i pokrywy pudełka musi być większa niż 0,8 w temperaturach, jakie te powierzchnie mają podczas badania.

Opór cieplny R L musi być znany materiał arkusza, z którego wykonane jest dno i pokrywa pudełka.

6.11 Próbkę materiału sypkiego dzieli się na cztery równe części, które naprzemiennie wsypuje się do pudełka, zagęszczając każdą część tak, aby zajmowała odpowiednią część wewnętrznej objętości pudełka. Pudełko zamykane jest pokrywką. Pokrywa jest przymocowana do bocznych ścian pudełka.

6.12 Zważ skrzynię z próbką materiału sypkiego. Na podstawie określonej wartości 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 Przeprowadzenie testu

7.1 Testy należy przeprowadzić na wstępnie skalibrowanym przyrządzie. Procedurę i częstotliwość kalibracji podano w Załączniku B.

7.2 Próbkę do badania umieszcza się w przyrządzie. Lokalizacja próbki - pozioma lub pionowa. Gdy próbka jest ustawiona poziomo, kierunek przepływu ciepła jest z góry na dół.

Podczas badania różnica temperatur pomiędzy czołowymi powierzchniami próbki D Ty powinna wynosić 10-30 K. Średnia temperatura próbki podczas badania powinna być wskazana w dokumencie regulacyjnym ds konkretny typ materiał lub produkt.

7.3 Ustawić podane temperatury powierzchni roboczych płytek urządzenia i wykonywać pomiary sekwencyjnie co 300 s:

sygnały liczników ciepła e ty oraz czujniki temperatury czołowych powierzchni próbki, jeżeli gęstość strumienia ciepła przez badaną próbkę mierzy się za pomocą ciepłomierza;

moc dostarczana do grzałki strefy pomiarowej płyty grzejnej urządzenia oraz sygnały z czujników temperatury czołowych powierzchni próbki, jeżeli gęstość strumienia ciepła przez badaną próbkę wyznacza się poprzez pomiar energia elektryczna dostarczany do grzejnika strefy pomiarowej płyty grzejnej urządzenia.

7.4 Przepływ ciepła przez badaną próbkę uważa się za stały (stacjonarny), jeżeli wartości oporu cieplnego próbki, obliczone na podstawie wyników pięciu kolejnych pomiarów sygnałów z czujników temperatury i gęstości strumienia ciepła, różnią się od siebie o mniej niż 1%, przy czym wartości te nie rosną ani nie maleją monotonicznie.

7.5 Po osiągnięciu stacjonarnego reżimu termicznego zmierzyć grubość próbki umieszczonej w urządzeniu ty zaciski z błędem nie większym niż 0,5%.

7.6 Po zakończeniu badania określić masę próbki M 3 .

8 Przetwarzanie wyników badań

8.1 Oblicz względną zmianę masy próbki w wyniku jej suszenia T r i podczas testowania T w i gęstość próbki R ty według wzorów:

Tr =(M 1 ¾ M 2 )/M 2 , (2)

Tw= (M 2 ¾ M 3 )/M 3 , (3)

Sprawdź objętość próbki V u obliczona na podstawie wyników pomiaru jego długości i szerokości po zakończeniu badania, a grubości – w trakcie badania.

8.2 Oblicz różnicę temperatur pomiędzy powierzchniami czołowymi D Ty i średnią temperaturę badanej próbki T mu według wzorów:

D Ty = T 1ty ¾ T 2ty , (5)

T mu= (T 1ty + T 2u.)/2 (6)

8.3 Przy obliczaniu parametrów termofizycznych próbki i gęstości stacjonarnego strumienia ciepła formuły obliczeniowe zastępuje się średnią arytmetyczną wyników pięciu pomiarów sygnałów z czujników różnicy temperatur oraz sygnału z licznika ciepła lub energii elektrycznej, wykonanych po ustaleniu stacjonarnego przepływu ciepła przez badaną próbkę.

8.4 Podczas badania urządzenia zmontowanego według obwodu asymetrycznego, opór cieplny próbki R ty obliczone według wzoru

(7)

Gdzie Rk wzięte równe 0,005 m 2 × K/W i dla materiały termoizolacyjne i produkty - zero.

8.5 Efektywna przewodność cieplna materiału próbki l efekt obliczone według wzoru

(8)

8.6 Opór cieplny R ty i efektywną przewodność cieplną l efekt próbkę materiału sypkiego oblicza się według wzorów:

, (9)

. (10)

8.7 Stacjonarna gęstość strumienia ciepła q ty przez próbkę badaną na urządzeniu zmontowanym według obwodów asymetrycznych i symetrycznych, oblicza się odpowiednio ze wzorów:

q u = fa u mi u , (11)

. (12)

8.8 Podczas przeprowadzania próby urządzenia ze strefą ochronną gorącej płyty, w której gęstość strumienia ciepła wyznacza się poprzez pomiar mocy elektrycznej dostarczanej do grzejnika strefy pomiarowej płyty grzewczej urządzenia, rezystancji termicznej, efektywnej przewodności cieplnej i stałej -stanową gęstość strumienia ciepła przez próbkę oblicza się korzystając ze wzorów:

, (13)

, (14)

Zamiast tego podczas badania materiałów sypkich we wzorach (13) i (14). Rk zastąpić wartość R L..

8.9 Za wynik badania przyjmuje się średnią arytmetyczną wartości oporu cieplnego i efektywnej przewodności cieplnej wszystkich badanych próbek.

9 Raport z testu

Sprawozdanie z testu musi zawierać następujące informacje:

Nazwa materiału lub produktu;

Oznaczenie i nazwa dokument normatywny na którym wykonany jest materiał lub produkt;

Producent;

Numer partii;

Data produkcji;

Całkowita liczba przebadanych próbek;

Rodzaj urządzenia, na którym przeprowadzono badanie;

Położenie badanych próbek (poziome, pionowe);

Metody wykonywania próbek materiałów sypkich ze wskazaniem oporu cieplnego dna i pokrywy skrzynki, w której badano próbki;

Wymiary każdej próbki;

Grubość każdej próbki przed badaniem i w trakcie badania, ze wskazaniem, czy badanie przeprowadzono przy stałym nacisku na próbkę, czy przy stałej grubości próbki;

Stałe ciśnienie (jeśli zostało naprawione);

Średnia wielkość heterogenicznych wtrąceń w próbkach (jeśli występują);

Metoda suszenia próbek;

Względna zmiana masy każdej próbki w zależności od dnia;

Wilgotność każdej próbki przed i po zakończeniu badania;

Gęstość każdej próbki podczas badania;

Względna zmiana masy każdej próbki, która nastąpiła podczas badania;

Temperatura gorących i zimnych powierzchni czołowych każdej próbki;

Różnica temperatur pomiędzy gorącą i zimną stroną czołową każdej próbki;

Średnia temperatura każdej próbki;

Gęstość strumienia ciepła przez każdą próbkę po ustaleniu stacjonarnego reżimu termicznego;

Opór cieplny każdej próbki;

Efektywna przewodność cieplna materiału każdej próbki;

Średnia arytmetyczna wartość oporu cieplnego wszystkich badanych próbek;

Średnia arytmetyczna wartość efektywnej przewodności cieplnej wszystkich badanych próbek;

Kierunek przepływu ciepła;

Data badania;

Data ostatniej kalibracji urządzenia (jeżeli badanie zostało przeprowadzone na urządzeniu wyposażonym w ciepłomierz);

W przypadku próbek wzorcowych stosowanych do wzorcowania urządzenia należy podać: typ, opór cieplny, datę weryfikacji, okres weryfikacji, organizację przeprowadzającą legalizację;

Oszacowanie błędu pomiaru oporu cieplnego lub efektywnej przewodności cieplnej;

Oświadczenie o całkowitej zgodności lub częściowej niezgodności procedury badawczej z wymaganiami niniejszej normy. Jeżeli podczas badania stwierdzono odstępstwa od wymagań niniejszej normy, należy je wskazać w protokole z badań.

10 Błąd w określeniu efektywnej przewodności cieplnej

i opór cieplny

Błąd względny wyznaczenia efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego tą metodą nie przekracza ±3%, jeśli badanie zostanie przeprowadzone w pełnej zgodności z wymaganiami niniejszej normy.

ZAŁĄCZNIK A

(wymagany)

Wymagania dla przyrządów do wyznaczania efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego w stacjonarnych warunkach termicznych

A.1 Schematy urządzeń

Do pomiaru efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego w stacjonarnych warunkach termicznych stosuje się następujące instrumenty:

Montowane w sposób asymetryczny, wyposażone w jeden ciepłomierz, który znajduje się pomiędzy badaną próbką a zimną płytą urządzenia lub pomiędzy próbką a gorącą płytą urządzenia (rysunek A.1);

Zmontowane symetrycznie, wyposażone w dwa ciepłomierze, z których jeden znajduje się pomiędzy badaną próbką a zimną płytą urządzenia, a drugi pomiędzy próbką a gorącą płytą urządzenia (rysunek A.2);

Przyrząd, w którym gęstość strumienia ciepła przechodzącego przez badaną próbkę wyznacza się poprzez pomiar mocy elektrycznej dostarczanej do podgrzewacza strefy pomiarowej z płytą grzejną instrumentu (przyrząd ze strefą ochronną gorącej strefy) (rysunek A.3).

1 - podgrzewacz; 2 - licznik ciepła; 3 - próbka badana; 4 - lodówka

Rysunek A.1 – Schemat urządzenia z jednym licznikiem ciepła

1 - grzejnik; 2 - liczniki ciepła; 3 - lodówka; 4 - próbka badana

Rysunek A.2 - Schemat urządzenia z dwoma licznikami ciepła

1 - lodówka; 2 - badane próbki; 3 - płyty grzejne strefy pomiarowej;

4 - uzwojenie podgrzewacza strefy pomiarowej; 5 - płyty grzewcze strefy bezpieczeństwa;

6 - uzwojenie grzejnika strefy bezpieczeństwa

Rysunek A. 3 - Schemat urządzenia z gorącą strefą bezpieczeństwa

A.2 Grzejnik i lodówka

A.2.1 Płyty grzewcze lub chłodnicze mogą mieć kształt kwadratu, którego bok musi wynosić co najmniej 250 mm, lub koła, którego średnica musi wynosić co najmniej 250 mm.

A.2.2 Powierzchnie robocze płyt grzejnika i lodówki muszą być wykonane z metalu. Odchylenie od płaskości powierzchni roboczych nie powinno przekraczać 0,025% ich maksymalnego wymiaru liniowego.

A.2.3 Względna emisyjność półkulista powierzchni roboczych płyt grzejnych i chłodzących stykających się z badaną próbką musi wynosić więcej niż 0,8 w temperaturach, jakie te powierzchnie mają podczas badania.

A.3 Licznik ciepła

A.3.1 Wymiary powierzchni roboczych licznika ciepła muszą być równe wymiarom powierzchni roboczych płyt grzejnika i lodówki.

A. 3.2 Względna półkulista emisyjność przedniej powierzchni licznika ciepła stykającej się z badaną próbką musi być większa niż 0,8 w temperaturach, jakie ta powierzchnia ma podczas badania.

A. 3.3 Pole pomiarowe ciepłomierza powinno znajdować się w środkowej części jego powierzchni czołowej. Jego powierzchnia nie może być mniejsza niż 10% i nie większa niż 40% całkowitej powierzchni czoła.

A.3.4 Średnica drutów termopary stosowanych do produkcji baterii termoelektrycznej ciepłomierza nie może przekraczać 0,2 mm.

A.4 Czujniki temperatury

Liczba czujników temperatury na każdym powierzchnia robocza płyty grzejnika lub lodówki oraz powierzchnia czołowa ciepłomierza stykająca się z badaną próbką musi być równa całej części liczby 10 Ö A i będzie ich co najmniej dwóch. Średnica przewodów odpowiednich dla tych czujników nie powinna przekraczać 0,6 mm.

A.5 Elektryka System pomiarowy

Elektryczny układ pomiarowy musi zapewniać pomiar sygnału z czujników różnicy temperatur powierzchni z błędem nie większym niż 0,5%, sygnału licznika ciepła z błędem nie większym niż 0,6% lub mocy elektrycznej dostarczanej do grzejnika strefa pomiaru płyty grzejnej urządzenia - z błędem nie większym niż 0,2%.

Całkowity błąd pomiaru różnicy temperatur pomiędzy powierzchniami płytek przyrządów a ciepłomierzem stykającymi się z czołowymi powierzchniami badanej próbki nie powinien przekraczać 1%. Błąd całkowity - suma błędów powstałych na skutek zniekształcenia pola temperatury w pobliżu czujników temperatury, zmian charakterystyki tych czujników pod wpływem warunki zewnętrzne oraz błąd wprowadzony przez elektryczny układ pomiarowy.

A.6 Urządzenie do pomiaru grubości próbki

Urządzenie musi być wyposażone w urządzenie umożliwiające pomiar grubości próbki podczas jej badania za pomocą suwmiarki z błędem nie większym niż 0,5%.

A.7 Rama urządzenia

Urządzenie musi być wyposażone w ramkę umożliwiającą zachowanie różnej 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 określony nacisk na próbkę badaną umieszczoną w urządzeniu, albo utrzymuje stałą szczelinę pomiędzy powierzchniami roboczymi płytek urządzenia.

Maksymalne ciśnienie wytworzone przez to urządzenie na badaną próbkę musi wynosić 2,5 kPa, minimalne - 0,5 kPa, błąd w ustawieniu ciśnienia - nie więcej niż 1,5%.

A.9 Urządzenie ograniczające boczne straty lub przyrosty ciepła badanej próbki

Boczne straty lub zyski ciepła podczas badania należy ograniczyć poprzez izolację bocznych powierzchni badanej próbki warstwą materiału termoizolacyjnego, którego opór cieplny jest nie mniejszy niż opór cieplny próbki.

A. 10 Obudowa urządzenia

Urządzenie musi być wyposażone w obudowę, w której utrzymywana jest temperatura powietrza równa średniej temperaturze badanej próbki.

ZAŁĄCZNIK B

(wymagany)

Kalibracja urządzenia wyposażonego w licznik ciepła

B.1 Wymagania ogólne

Kalibrację urządzenia wyposażonego w ciepłomierz należy przeprowadzić przy użyciu trzech certyfikowanych wzorcowych próbek rezystancji cieplnej, wykonanych odpowiednio z optycznego szkła kwarcowego, szkło organiczne i pianka lub włókno szklane.

Wymiary próbek standardowych muszą być równe wymiarom próbki poddawanej badaniu. Podczas wzorcowania urządzenia temperatura powierzchni czołowych próbek wzorcowych musi być odpowiednio równa temperaturom, jakie będą miały powierzchnie czołowe próbki badanej 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 próbki wzorcowej wykonanej ze szkła organicznego i mającej grubość równą grubości badanej próbki;

dolna granica drugiego podpasma jest górną granicą pierwszego podpasma; górna granica - maksymalna wartość oporu cieplnego, jaką można zmierzyć na tym urządzeniu.

B.2 Kalibracja urządzenia zmontowanego według obwodu asymetrycznego

Przed przystąpieniem do kalibracji należy oszacować wartość liczbową oporu cieplnego badanej próbki, korzystając ze znanych danych referencyjnych i określić, do jakiego podzakresu należy ta wartość. Kalibracja ciepłomierza przeprowadzana jest tylko w tym podzakresie.

Jeżeli rezystancja cieplna badanej próbki należy do pierwszego podzakresu, oznacza to kalibrację ciepłomierza

przeprowadzono na standardowych próbkach wykonanych z kwarcu optycznego i szkła organicznego. Jeżeli opór cieplny próbki należy do drugiego podzakresu, kalibrację przeprowadza się przy użyciu standardowych próbek wykonanych ze szkła organicznego i materiału termoizolacyjnego.

Umieść pierwszy w urządzeniu standardowa próbka o niższym oporze cieplnym R S 1 , D T 1 jego powierzchni czołowych i sygnał wyjściowy licznika ciepła mi 1 zgodnie z metodą opisaną w pkt. 7. Następnie do urządzenia wprowadza się drugą próbkę wzorcową o dużym oporze cieplnym R S 2 , zmierzyć różnicę temperatur D T 2 jego powierzchni czołowych i sygnał wyjściowy licznika ciepła mi 2 przy użyciu tej samej metody. Na podstawie wyników tych pomiarów obliczane są współczynniki kalibracyjne F 1 i F 2 liczniki ciepła według wzorów:

Wartość współczynnika kalibracji licznika ciepła fu, odpowiednią wartość strumienia ciepła przepływającego przez badaną próbkę po ustaleniu stacjonarnego strumienia ciepła wyznacza się metodą interpolacji liniowej według wzoru

. (B.3)

B.Z Kalibracja urządzenia zmontowanego według obwodu symetrycznego

Sposób wyznaczania współczynnika wzorcowego każdego ciepłomierza urządzenia zmontowanego według obwodu symetrycznego jest podobny do sposobu wyznaczania współczynnika kalibracyjnego ciepłomierza opisanego w B.2.

B.4 Częstotliwość kalibracji przyrządu

Kalibrację urządzenia należy przeprowadzić w ciągu 24 godzin poprzedzających lub następujących po badaniu.

Jeżeli według wyników wzorcowań przeprowadzonych w okresie 3 miesięcy zmiana współczynnika wzorcowania ciepłomierza nie przekracza ± 1%, urządzenie to można wzorcować raz na 15 dni. W takim przypadku wyniki badań można przekazać klientowi dopiero po wzorcowaniu następującym po badaniu i jeżeli wartość współczynnika wzorcowania ustalona na podstawie wyników wzorcowania kolejnego różni się od wartości współczynnika ustalonego na podstawie wyników wzorcowania poprzedniej kalibracji o nie więcej niż ± 1%.

Współczynnik kalibracyjny 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 wykonanych w przedziale czasowym pomiędzy tymi dwiema wzorcowaniami uważa się za nieważne i badania należy powtórzyć.

ZAŁĄCZNIK B

Bibliografia

ISO 7345:1987 Izolacja termiczna. Wielkości fizyczne i definicje

ISO 9251:1987 Izolacja termiczna. Sposoby wymiany ciepła i właściwości materiału

ISO 8301:1991 Izolacja termiczna. Wyznaczanie oporu cieplnego i związanych z nim wskaźników termofizycznych w stacjonarnych warunkach termicznych. Urządzenie wyposażone w licznik ciepła

ISO 8302:1991 Izolacja termiczna. Wyznaczanie oporu cieplnego i związanych z nim wskaźników termofizycznych. Urządzenie z gorącą strefą bezpieczeństwa

Słowa kluczowe: opór cieplny, efektywna przewodność cieplna, materiał odniesienia

Wstęp

1 obszar zastosowania

3 Definicje i oznaczenia

4 Postanowienia ogólne

5 Narzędzia pomiarowe

6 Przygotowanie do egzaminu

7 Przeprowadzenie testu

8 Przetwarzanie wyników badań

9 Raport z testu

10 Błąd w określeniu efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego

Dodatek A Wymagania dotyczące przyrządów do wyznaczania efektywnej przewodności cieplnej i oporu cieplnego w stacjonarnych warunkach termicznych

Załącznik B Kalibracja urządzenia wyposażonego w licznik ciepła

Dodatek B Bibliografia

UKD 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 A. V. Luzina, A. V. Rudin

POMIAR PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ PRÓBEK METALI METODĄ STACJONARNEGO PRZEPŁYWU CIEPŁA

Adnotacja. Technika jest opisana i cechy konstrukcyjne instalacje do pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła próbek metali wykonanych w postaci jednorodnego cylindrycznego pręta lub cienkiej prostokątnej płyty metodą stacjonarnego przepływu ciepła. Badana próbka jest podgrzewana bezpośrednio ogrzewanie elektryczne krótki puls prąd przemienny, zamocowane w masywnych miedzianych cęgach prądowych, które jednocześnie pełnią funkcję radiatora.

Słowa kluczowe: współczynnik przewodzenia ciepła, próbka, prawo Fouriera, stacjonarna wymiana ciepła, układ pomiarowy, transformator, multimer, termopara.

Wstęp

Przenoszenie energii cieplnej z bardziej nagrzanych obszarów ciała stałego do mniej nagrzanych poprzez chaotycznie poruszające się cząstki (elektrony, cząsteczki, atomy itp.) nazywane jest zjawiskiem przewodnictwa cieplnego. Badanie zjawiska przewodności cieplnej jest szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, takich jak ropa naftowa, przemysł lotniczy, samochodowy, metalurgia, górnictwo itp.

Istnieją trzy główne rodzaje wymiany ciepła: konwekcja, promieniowanie cieplne i przewodność cieplna. Przewodność cieplna zależy od charakteru substancji i jej stanu skupienia. Ponadto w cieczach i ciała stałe ah (dielektryki) przenoszenie energii odbywa się za pomocą fal sprężystych, w gazach - poprzez zderzenie i dyfuzję atomów (cząsteczek), a w metalach - poprzez dyfuzję wolnych elektronów i za pomocą wibracji termicznych sieci. Przenikanie ciepła w ciele zależy od tego, w jakim jest ono stanie: gazowym, ciekłym czy stałym.

Mechanizm przewodnictwa cieplnego w cieczach różni się od mechanizmu przewodnictwa cieplnego w gazach i ma wiele wspólnego z przewodnictwem cieplnym ciał stałych. Na obszarach z podniesiona temperatura występują drgania cząsteczek o dużej amplitudzie. Wibracje te przenoszone są na sąsiednie cząsteczki, a tym samym na energię ruch termiczny przenosi się stopniowo z warstwy na warstwę. Mechanizm ten zapewnia stosunkowo małą wartość współczynnika przewodzenia ciepła. Wraz ze wzrostem temperatury współczynnik przewodzenia ciepła dla większości cieczy maleje (wyjątkiem jest woda i gliceryna, dla których współczynnik przewodzenia ciepła wzrasta wraz ze wzrostem temperatury).

Zjawisko przeniesienia energia kinetyczna poprzez ruch molekularny gazy doskonałe spowodowane przenoszeniem ciepła poprzez przewodzenie. Ze względu na losowość ruchu molekularnego cząsteczki poruszają się we wszystkich kierunkach. Przeprowadzka z miejsc, w których jest więcej wysoka temperatura do miejsc o niższych temperaturach cząsteczki przenoszą energię kinetyczną ruchu w wyniku zderzeń par. W wyniku ruchu molekularnego następuje stopniowe wyrównywanie temperatury; w nierównomiernie ogrzanym gazie przenoszenie ciepła polega na przekazywaniu określonej ilości energii kinetycznej podczas losowego (chaotycznego) ruchu cząsteczek. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się przewodność cieplna gazów.

W metalach głównym nośnikiem ciepła jest wolne elektrony, który można porównać do idealnego gazu jednoatomowego. Dlatego z pewnym przybliżeniem

Współczynnik przewodzenia ciepła materiałów budowlanych i termoizolacyjnych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a wraz ze wzrostem ciężaru objętościowego wzrasta. Współczynnik przewodności cieplnej silnie zależy od porowatości i wilgotności materiału. Przewodność cieplna różne materiały zmienia się w zakresie: 2-450 W/(m·K).

1. Równanie ciepła

Prawo przewodności cieplnej opiera się na hipotezie Fouriera o proporcjonalności przepływu ciepła do różnicy temperatur na jednostkę długości drogi wymiany ciepła w jednostce czasu. Liczbowo współczynnik przewodności cieplnej jest równy ilości ciepła przepływającego w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni, przy różnicy temperatur na jednostkę długości normalnej równej jednemu stopniowi.

Zgodnie z prawem Fouriera gęstość strumienia ciepła powierzchniowego h jest proporcjonalna

zgodnie z gradientem temperatury -:

Tutaj współczynnik X nazywany jest współczynnikiem przewodności cieplnej. Znak minus oznacza, że ciepło jest przekazywane w kierunku malejącej temperatury. Ilość ciepła przechodzącego w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni izotermicznej nazywa się gęstością strumienia ciepła:

Ilość ciepła przechodzącego w jednostce czasu przez powierzchnię izotermiczną B nazywa się przepływem ciepła:

O = | hjB = -1 -kdP^B. (1.3)

Pełna ilość ciepło przechodzące przez tę powierzchnię B w czasie t zostanie określone z równania

Od=-DL-^t. (1.4)

2. Warunki brzegowe przewodności cieplnej

Istnieć różne warunki jednoznaczność: geometryczna – charakteryzująca kształt i wymiary ciała, w którym zachodzi proces przewodzenia ciepła; fizyczne - charakteryzujące właściwości fizyczne ciała; tymczasowy - charakteryzujący rozkład temperatury ciała w początkowym momencie; granica - charakteryzująca interakcję ciała z otoczeniem.

Warunki brzegowe pierwszego rodzaju. W tym przypadku rozkład temperatury na powierzchni ciała jest określony dla każdego momentu czasu.

Warunki brzegowe drugiego rodzaju. W tym przypadku podaną wartością jest gęstość strumienia ciepła dla każdego punktu na powierzchni ciała w dowolnym momencie:

Yara = I (X, Y, 2,1).

Warunki brzegowe trzeciego rodzaju. W tym przypadku określa się temperaturę ośrodka T0 oraz warunki wymiany ciepła tego ośrodka z powierzchnią ciała.

Warunki brzegowe czwartego rodzaju powstają na podstawie równości przepływów ciepła przechodzących przez powierzchnię styku ciał.

3. Stanowisko doświadczalne do pomiaru współczynnika przewodzenia ciepła

Nowoczesne metody Wyznaczanie współczynników przewodności cieplnej można podzielić na dwie grupy: stacjonarne metody przepływu ciepła i niestacjonarne metody przepływu ciepła.

W pierwszej grupie metod przepływ ciepła przechodzący przez ciało lub układ ciał pozostaje stały pod względem wielkości i kierunku. Pole temperatury jest stacjonarne.

Metody przejściowe wykorzystują zmienne w czasie pole temperatury.

W ta praca Zastosowano jedną z metod stacjonarnego przepływu ciepła – metodę Kohlrauscha.

Schemat blokowy instalacji do pomiaru przewodności cieplnej próbek metali pokazano na ryc. 1.

Ryż. 1. Schemat blokowy układu pomiarowego

Głównym elementem instalacji jest transformator obniżający moc 7, którego uzwojenie pierwotne połączone jest z autotransformatorem typu LATR 10, a uzwojenie wtórne wykonane jest z szyny miedzianej przekrój prostokątny, posiadający sześć zwojów, jest bezpośrednio podłączony do masywnych miedzianych cęgów prądowych 2, które jednocześnie służą jako radiator-lodówka. Próbka testowa 1 jest mocowana w masywnych miedzianych cęgach prądowych 2 za pomocą masywnych miedzianych śrub (niepokazanych na rysunku), które jednocześnie służą jako radiator. Kontrola temperatury w różnych punktach badanej próbki odbywa się za pomocą termopar Chromel-Copel 3 i 5, których robocze końce są mocowane bezpośrednio na cylindrycznej powierzchni próbki 1 - jedna w środkowej części próbki, a druga na końcu próbki. Wolne końce termopar 3 i 5 podłączone są do multimerów typu DT-838 4 i 6, które umożliwiają pomiar temperatury z dokładnością do 0,5°C. Próbka jest podgrzewana poprzez bezpośrednie ogrzewanie elektryczne krótkim impulsem prądu przemiennego z uzwojenia wtórnego transformatora mocy 7. Pomiar prądu w próbce badanej odbywa się pośrednio - poprzez pomiar napięcia na uzwojeniu wtórnym przekładnika prądowego pierścieniowego 8, którego uzwojeniem pierwotnym jest szyna zasilająca uzwojenia wtórnego transformatora mocy 7, przechodząca przez wolną szczelinę pierścieniowego rdzenia magnetycznego. Napięcie uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego mierzy się za pomocą multimetru 9.

Zmiana wielkości prądu impulsowego w badanej próbce odbywa się za pomocą liniowego autotransformatora 10 (LATR), którego uzwojenie pierwotne, poprzez szeregowo podłączony bezpiecznik sieciowy 13 i przycisk 12, jest podłączone do prądu przemiennego sieci o napięciu 220 V. Spadek napięcia na badanej próbce w trybie bezpośredniego ogrzewania elektrycznego przeprowadza się za pomocą multimetru 14 podłączonego równolegle bezpośrednio do zacisków prądowych 2. Pomiar czasu trwania impulsów prądowych odbywa się za pomocą miernika stoper elektryczny 11 podłączony do uzwojenia pierwotnego autotransformatora liniowego 10. Włączanie i wyłączanie trybu grzania badanej próbki odbywa się za pomocą przycisku 12.

Podczas pomiaru współczynnika przewodności cieplnej za pomocą opisanej powyżej instalacji muszą być spełnione następujące warunki:

Jednolitość przekroju badanej próbki na całej długości;

Średnica próbki do badań musi mieścić się w zakresie od 0,5 mm do 3 mm (w przeciwnym razie średnica główna moc cieplna będzie się wyróżniać transformator, a nie w badanej próbie).

Wykres zależności temperatury od długości próbki pokazano na ryc. 2.

Ryż. 2. Zależność temperatury od długości próbki

Jak widać na powyższym wykresie, zależność temperatury od długości badanej próbki jest liniowa z wyraźnie wyrażonym maksimum w środkowej części próbki, a na końcach pozostaje minimalna (stała) i jednakowa temperatura środowisko w przedziale czasu niezbędnym do ustalenia trybu równowagowego wymiany ciepła, który dla tego układu eksperymentalnego nie przekracza 3 minut, tj. 180 sekund.

4. Wyprowadzenie wzoru roboczego na współczynnik przewodzenia ciepła

Ilość ciepła wydzielanego w przewodniku podczas przepływu prądu elektrycznego można wyznaczyć zgodnie z prawem Joule'a-Lenza:

Qel = 12-I^ = u I I, (4.1)

gdzie i, jestem napięciem i prądem w badanej próbce; I to rezystancja próbki.

Ilość ciepła przekazywanego przez Przekrój badanej próbki dla przedziału czasu t, wykonanego w postaci jednorodnego cylindrycznego pręta o długości £ i przekroju 5, można obliczyć zgodnie z prawem Fouriera (1.4):

Qs = R-yT- 5- t, (4.2)

gdzie 5 = 2-5osn, 5osn =^4-, at = 2-DT = 2-(Gtah -Gtk1); d£ = D£ = 1-£.

Tutaj współczynniki 2 i 1/2 wskazują, z którego kierowany jest przepływ ciepła

od środka próbki do jej końców, tj. rozdziela się na dwa strumienie. Następnie

^^b = 8-I-(Gtah -Tt|n) -B^ . (4.3)

5. Rozliczanie strat ciepła powierzchnia boczna

§Ozhr = 2- Bbok -DTha, (5.1)

gdzie Bbok = n-ty-1; a jest współczynnikiem wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią badanej próbki a otoczeniem, mającym wymiar

Różnica temperatur

DGx = Tx - T0cr, (5.2)

gdzie Tx jest temperaturą w danym punkcie powierzchni próbki; Hocr - temperatura otoczenia, z której można obliczyć równanie liniowe zależność temperatury próbki od jej długości:

Tx = T0 + k-x, (5.3)

Gdzie nachylenie k można wyznaczyć poprzez tangens kąta nachylenia zależność liniowa temperatura próbki na jej długości:

DT T - T T - T

k = f = MT* = Tmax TTT = 2 "max V. (5.4)

Podstawiając wyrażenia (5.2), (5.3) i (5.4) do równania (5.1) otrzymujemy:

SQaup = 2a-nd n dx n(+ kx-Т0Кр) dt,

gdzie T0 Тсжр.

8Q0Kp = 2a.nd ─ kx ─ dx ─ dt. (5.5)

Po całkowaniu wyrażenia (5.5) otrzymujemy:

Q0Kp = 2-gi-a-k-I - | ─ t = -4a^nd─ k─ I2 ─ t. (5.6)

Podstawienie otrzymanych wyrażeń (4.1), (4.3) i (5.6) do równania bilans cieplny aoln = org + qs, gdzie Qfull = QEL, otrzymujemy:

UIt = 8 ─ ─ ─ S^ ^^-o ─ t + -a^n ─ d ─ -(Tmax - Do) ─ t.

Rozwiązując otrzymane równanie na współczynnik przewodzenia ciepła, otrzymujemy:

u1 a 2 funty, l

Uzyskane wyrażenie pozwala wyznaczyć współczynnik przewodzenia ciepła cienkich prętów metalowych zgodnie z obliczeniami wykonanymi dla typowych próbek testowych o względny błąd

AU f (AI f (L(LG) ^ (At2

nie więcej niż 1,5%.

Bibliografia

1. Sivukhin, D. V. Kurs ogólny fizyka / D. V. Sivukhin. - M.: Nauka, 1974. - T. 2. - 551 s.

2. Rudin, A. V. Badanie procesów relaksacji strukturalnej w obiektach do formowania szkła przy ul różne tryby chłodzenie / A. V. Rudin // Wiadomości o wyższych instytucje edukacyjne. Region Wołgi. Nauki przyrodnicze. - 2003. - nr 6. - s. 123-137.

3. Pavlov, P.V. Fizyka ciała stałego: podręcznik. podręcznik dla studentów studiujących na specjalności „Fizyka” / P. V. Pavlov, A. F. Khokhlov. - M.: Wyżej. szkoła, 1985. - 384 s.

4. Berman, R. Przewodność cieplna ciał stałych / R. Berman. - M., 1979. - 287 s.

5. Livshits, B. G. Właściwości fizyczne metale i stopy / B. G. Livshits, V. S. Kraposhin. - M.: Metalurgia, 1980. - 320 s.

Luzina Anna Wiaczesławowna Luzina Anna Wiaczesławowna

student studiów licencjackich, magisterskich,

Uniwersytet Stanowy w Penza Uniwersytet Stanowy w Penza Adres e-mail: [e-mail chroniony]

Rudin Aleksander Wasiljewicz

Kandydat nauk fizycznych i matematycznych, profesor nadzwyczajny, zastępca kierownika Wydziału Fizyki, Penza State University E-mail: [e-mail chroniony]

Rudin Aleksandr Wasiljewicz

kandydat nauk fizycznych i matematycznych, profesor nadzwyczajny,

zastępca kierownika wydziału fizyki na Uniwersytecie Stanowym w Penza

UDC 536.2.083; 536.2.081.7; 536.212.2; 536.24.021 Luzina, A. V.

Pomiar przewodności cieplnej próbek metali metodą stacjonarnego przepływu ciepła /

A. V. Luzina, A. V. Rudin // Biuletyn Penzy Uniwersytet stanowy. - 2016 r. - nr 3 (15). -Z. 76-82.

W przeszłości stosowano wiele metod pomiaru przewodności cieplnej. Obecnie część z nich jest przestarzała, ale ich teoria jest nadal interesująca, ponieważ opierają się na rozwiązaniach równań przewodzenia ciepła dla proste systemy z którymi często spotykamy się w praktyce.

Przede wszystkim należy zauważyć, że właściwości termiczne dowolnego materiału pojawiają się w różnych kombinacjach; jednakże, jeśli uważa się je za cechy materiału, można je określić na podstawie różnych eksperymentów. Wymieńmy główne właściwości termiczne ciał i eksperymenty, na podstawie których je wyznaczają: a) współczynnik przewodności cieplnej mierzony w stacjonarnym trybie eksperymentalnym; b) pojemność cieplna na jednostkę objętości, mierzona metodami kalorymetrycznymi; c) wielkość zmierzona w okresowo stacjonarnym trybie eksperymentów; d) dyfuzyjność cieplna x, mierzona w nieustalonych warunkach doświadczalnych. W rzeczywistości większość eksperymentów przeprowadzanych w trybie niestacjonarnym w zasadzie umożliwia zarówno określenie, jak i określenie

Opiszemy tutaj pokrótce najpopularniejsze metody i wskażemy sekcje, które je omawiają. Zasadniczo metody te dzielą się na te, w których pomiary prowadzi się w trybie stacjonarnym (metody trybu stacjonarnego), z okresowym ogrzewaniem i w trybie niestacjonarnym (metody trybu niestacjonarnego); Dzieli się je dalej na metody stosowane w badaniu słabych przewodników i w badaniu metali.

1. Metody trybu stacjonarnego; źli przewodnicy. W Ta metoda muszą być ściśle spełnione warunki doświadczenia głównego określone w § 1 niniejszego rozdziału, a badany materiał musi mieć kształt płytki. W innych wersjach metody można badać materiał w postaci wydrążonego cylindra (patrz § 2, rozdział VII) lub wydrążonej kuli (patrz § 2, rozdział IX). Czasami badany materiał, przez który przechodzi ciepło, ma kształt grubego pręta, ale w w tym przypadku teoria okazuje się bardziej złożona (patrz §§ 1, 2 rozdziału VI i § 3 rozdziału VIII).

2. Metody termiczne trybu stacjonarnego; metale. W tym przypadku zwykle stosuje się próbkę metalu w postaci pręta, którego końce utrzymuje się w różnych temperaturach. Pręt półograniczony omówiono w § 3 rozdziału. IV i pręt o skończonej długości - w § 5 rozdz. IV.

3. Metody elektryczne tryb stacjonarny, metale. W tym przypadku próbkę metalu w postaci drutu podgrzewa się przepuszczając przez nią prąd elektryczny, a jego końce utrzymuje się w zadanych temperaturach (patrz § 11 rozdział IV i przykład IX, § 3 rozdział VIII). Można także zastosować przypadek promieniowego przepływu ciepła w nagrzanym drucie wstrząs elektryczny(patrz przykład V § 2 rozdział VII).

4. Metody stacjonarne dla poruszających się płynów. W tym przypadku mierzona jest temperatura cieczy przemieszczającej się pomiędzy dwoma zbiornikami, w której inna temperatura(patrz § 9 rozdział IV).

5. Okresowe metody ogrzewania. W takich przypadkach warunki na końcach pręta lub płytki zmieniają się z biegiem czasu; po osiągnięciu stanu ustalonego dokonuje się pomiaru temperatury w określonych punktach próbki. Przypadek pręta półograniczonego rozpatrywany jest w § 4 rozdziału. IV i pręt o skończonej długości – w § 8 tego samego rozdziału. Podobną metodę stosuje się do określenia dyfuzyjności cieplnej gleby podczas wahań temperatury spowodowanych przez ogrzewanie solarne(patrz § 12 Rozdział II).

W ostatnim czasie metody te zaczęły odgrywać ważną rolę w pomiarach niskie temperatury; mają też tę zaletę, że teoretycznie stosunkowo złożone systemy możesz skorzystać z metod opracowanych do badania falowodów elektrycznych (patrz § 6, rozdział I).

6. Metody trybu niestacjonarnego. W przeszłości metody przejściowe były stosowane nieco rzadziej niż metody w stanie ustalonym. Ich wadą jest trudność ustalenia, jak rzeczywiste warunki brzegowe w eksperymencie odpowiadają warunkom postulowanym przez teorię. Weź pod uwagę takie rozbieżności (na przykład kiedy mówimy o rezystancji styku na granicy) jest bardzo trudne i ma to większe znaczenie w przypadku tych metod niż w przypadku metod stacjonarnych (patrz § 10, rozdział II). Jednocześnie metody w trybie niestacjonarnym mają dobrze znane zalety. Dlatego niektóre z tych metod nadają się do wykonywania bardzo szybkich pomiarów i uwzględnienia małych zmian temperatury; ponadto wiele metod można zastosować „na miejscu”, bez konieczności dostarczania próbki do laboratorium, co jest wysoce pożądane, zwłaszcza przy badaniu materiałów takich jak gleby i skały. Większość starszych metod wykorzystuje tylko ostatnią część wykresu temperatury w funkcji czasu; w tym przypadku rozwiązanie odpowiedniego równania wyraża się jednym wyrazem wykładniczym. W § 7 rozdz. IV, § 5 rozdz. VI, § 5 rozdz. VIII i § 5 rozdz. IX rozpatrzono przypadek chłodzenia bryły o prostym kształcie geometrycznym liniowym oddawaniem ciepła z jej powierzchni. W § 14 rozdz. IV rozpatrzono przypadek nieustalonej temperatury drutu nagrzewanego prądem elektrycznym. W niektórych przypadkach wykorzystuje się cały wykres zmian temperatury w danym punkcie (patrz § 10 rozdział II i § 3 rozdział III).

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 substancji. W ciała gazowe rozprzestrzenianie się ciepła przez przewodność cieplną następuje w wyniku wymiany energii podczas zderzenia cząsteczek mających inna prędkość ruch termiczny. W metalach przewodność cieplna zachodzi głównie w wyniku ruchu wolnych elektronów.

Podstawowe pojęcie przewodności cieplnej obejmuje szereg pojęć matematycznych, których definicje warto przypomnieć i wyjaśnić.

Pole temperatury to zbiór wartości temperatury we wszystkich punktach ciała ten moment brak czasu. Matematycznie jest to opisane jako T = F(x, y, z, τ). Wyróżnić temperatura stacjonarna pole, gdy temperatura we wszystkich punktach ciała nie zależy od czasu (nie zmienia się w czasie) i niestacjonarne pole temperatury. Ponadto, jeśli temperatura zmienia się tylko wzdłuż jednej lub dwóch współrzędnych przestrzennych, wówczas pole temperatury nazywa się odpowiednio jedno- lub dwuwymiarowym.

Powierzchnia izotermiczna- jest to miejsce geometryczne punktów, w których temperatura jest taka sama.

Gradient temperatury — absolwent t jest wektorem skierowanym prostopadle do powierzchni izotermicznej i liczbowo równym pochodnej temperatury w tym kierunku.

Zgodnie z podstawowym prawem przewodnictwa cieplnego - prawo Fouriera(1822) wektor gęstości strumienia ciepła przenoszony przez przewodność cieplną jest proporcjonalny do gradientu temperatury:

Q = - λ absolwent t, (3)

Gdzie λ — współczynnik przewodności cieplnej substancji; jego jednostka miary W/(m K).

Znak minus w równaniu (3) wskazuje, że wektor Q skierowany przeciwnie do wektora absolwent t, tj. w kierunku największego spadku temperatury.

Przepływ ciepła δQ przez dowolnie zorientowany obszar elementarny dF równy iloczynowi skalarnemu wektora Q do wektora miejsca elementarnego dF i całkowity strumień ciepła Q na całej powierzchni F określa się poprzez całkowanie tego produktu na powierzchni F:

WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ

Współczynnik przewodności cieplnej λ według prawa Fouriera(3) charakteryzuje zdolność danej substancji do przewodzenia ciepła. Wartości współczynników przewodności cieplnej podano w podręcznikach dotyczących termofizycznych właściwości substancji. Numerycznie współczynnik przewodności cieplnej λ = Q/ absolwent T równa gęstości Przepływ ciepła Q z gradientem temperatury absolwent t = 1 K/m. Gazem lekkim o najwyższej przewodności cieplnej jest wodór. Na warunki pokoju współczynnik przewodności cieplnej wodoru λ = 0,2 W/(m K). Cięższe gazy mają mniejszą przewodność cieplną - powietrze λ = 0,025 W/(m K), w dwutlenku węgla λ = 0,02 W/(m K).

Czyste srebro i miedź mają najwyższy współczynnik przewodzenia ciepła: λ = 400 W/(m K). Do stali węglowych λ = 50 W/(m K). Ciecze mają zwykle współczynnik przewodności cieplnej mniejszy niż 1 W/(m K). Woda jest dla niej jednym z najlepszych ciekłych przewodników ciepła λ = 0,6 W/(m K).

Współczynnik przewodności cieplnej niemetalu twarde materiały zwykle poniżej 10 W/(m K).

Materiały porowate – korek, różne wypełniacze włókniste, np. wełna organiczna – mają najniższe współczynniki przewodzenia ciepła λ <0,25 W/(m K), zbliżając się przy małej gęstości upakowania do współczynnika przewodności cieplnej powietrza wypełniającego pory.

Temperatura, ciśnienie, a w przypadku materiałów porowatych także wilgotność mogą mieć znaczący wpływ na współczynnik przewodzenia ciepła. W podręcznikach zawsze podawane są warunki, w jakich wyznaczono współczynnik przewodzenia ciepła danej substancji, a danych tych nie można wykorzystać w przypadku innych warunków. Przedziały wartości λ dla różnych materiałów pokazano na ryc. 1.

Ryc.1. Przedziały wartości współczynników przewodzenia ciepła różnych substancji.

Przenikanie ciepła poprzez przewodność cieplną

Jednorodna płaska ściana.

Najprostszym i bardzo powszechnym problemem rozwiązywanym przez teorię wymiany ciepła jest określenie gęstości strumienia ciepła przekazywanego przez płaską ścianę o grubości δ , na powierzchniach których utrzymuje się temperatura t w1 I t w2 .(ryc. 2). Temperatura zmienia się tylko na całej grubości płyty - jedna współrzędna X. Problemy takie nazywane są jednowymiarowymi, ich rozwiązania są najprostsze i na tym kursie ograniczymy się do rozpatrywania wyłącznie problemów jednowymiarowych.

Rozważając to dla przypadku jednoliczbowego:

absolwent t = dt/dх, (5)

i korzystając z podstawowego prawa przewodności cieplnej (2) otrzymujemy równanie różniczkowe stacjonarnego przewodnictwa cieplnego dla płaskiej ściany:

W warunkach stacjonarnych, gdy energia nie jest zużywana na ogrzewanie, gęstość strumienia ciepła Q niezmieniona w zależności od grubości ścianki. W większości problemów praktycznych przyjmuje się w przybliżeniu, że współczynnik przewodności cieplnej λ nie zależy od temperatury i jest jednakowa na całej grubości ścianki. Oznaczający λ znaleźć w podręcznikach w temperaturach:

średnią pomiędzy temperaturami powierzchni ścian. (Błąd obliczeń w tym przypadku jest zwykle mniejszy niż błąd danych początkowych i wartości tabelarycznych, a przy liniowej zależności współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury: λ = a+ bt dokładny wzór obliczeniowy dla Q nie różni się od przybliżonej). Na λ = stała:

(7)

te. zależność od temperatury T ze współrzędnych X liniowy (ryc. 2).

Ryc.2. Stacjonarny rozkład temperatury na grubości płaskiej ściany.

Dzieląc zmienne w równaniu (7) i całkując T z t w1 zanim t w2 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 przenoszona przez 1 m 2ścian, wprost proporcjonalna do współczynnika przewodzenia ciepła λ oraz różnica temperatur pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami ściany ( t w1 - t w2) i odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki δ . Całkowita ilość ciepła przechodząca przez powierzchnię ściany F również proporcjonalna do tego obszaru.

Otrzymany prosty wzór (10) jest bardzo szeroko stosowany w obliczeniach cieplnych. Korzystając z tego wzoru, nie tylko obliczają gęstość strumienia ciepła przez płaskie ściany, ale także dokonują szacunków dla bardziej złożonych przypadków, po prostu zastępując w obliczeniach ściany o złożonej konfiguracji ścianą płaską. Czasami na podstawie oceny jedna lub druga opcja jest odrzucana bez dalszego czasu na jej szczegółowe opracowanie.

Temperatura ciała w pewnym momencie X określone wzorem:

t x = t w1 - (t w1 - t w2) × (x × d)

Postawa λF/δ nazywa się przewodnością cieplną ściany i wartością odwrotną δ/λF opór cieplny lub cieplny ściany i jest oznaczony Rλ. Korzystając z pojęcia oporu cieplnego, wzór na obliczenie przepływu ciepła można przedstawić jako:

Zależność (11) jest podobna do prawa Om w elektrotechnice (siła prądu elektrycznego jest równa różnicy potencjałów podzielonej przez opór elektryczny przewodnika, przez który przepływa prąd).

Bardzo często opór cieplny to wartość δ/λ, która jest równa oporowi cieplnemu płaskiej ściany o powierzchni 1 m 2.

Przykłady obliczeń.

Przykład 1. Wyznaczyć przepływ 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 1= 20 0 C, t s2= - 10 0 C i współczynnik przewodzenia ciepła λ =1 W/(m K):

= 750 W.

Przykład 2. Określ współczynnik przewodności cieplnej materiału ściennego o grubości 50 mm, jeśli gęstość strumienia ciepła przez niego przechodzi Q = 100 W/m 2 oraz różnicę temperatur na powierzchniach Δt = 20 0 C.

W/(m K).

Ściana wielowarstwowa.

Ze wzoru (10) można także obliczyć przepływ ciepła przez ścianę składającą się z kilku ( N) warstwy różnych materiałów ściśle przylegających do siebie (ryc. 3), na przykład głowica cylindrów, uszczelka i blok cylindrów wykonane z różnych materiałów itp.

Ryc.3. Rozkład temperatur wzdłuż grubości wielowarstwowej ściany płaskiej.

Opór cieplny takiej ściany jest równy sumie oporów cieplnych poszczególnych warstw:

(12)

We wzorze (12) należy zastąpić różnicę temperatur w tych punktach (powierzchniach), pomiędzy którymi „uwzględnione są” wszystkie zsumowane opory termiczne, tj. w tym przypadku: t w1 I t w(n+1):

, (13)

Gdzie I- numer warstwy.

W trybie stacjonarnym strumień ciepła właściwego 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 poszczególnych warstw.

Wzór (13) można łatwo obliczyć zapisując różnicę temperatur według wzoru (10) dla każdego z nich P warstwy wielowarstwowej ściany i dodawanie wszystkiego P wyrażenia biorąc pod uwagę fakt, że we wszystkich warstwach Q ma to samo znaczenie. Po zsumowaniu wszystkie temperatury pośrednie spadną.

Rozkład temperatur w obrębie każdej warstwy jest liniowy, jednakże w różnych warstwach nachylenie zależności temperaturowej jest inne, ponieważ zgodnie ze wzorem (7) ( dt/dx)I = - q/λ tj. Gęstość przepływu ciepła przechodzącego przez wszystkie warstwy jest taka sama w trybie stacjonarnym, ale współczynnik przewodności cieplnej warstw jest inny, dlatego temperatura zmienia się gwałtowniej w warstwach o niższej przewodności cieplnej. Tak więc w przykładzie na ryc. 4 materiał drugiej warstwy (na przykład uszczelki) ma najniższą przewodność cieplną, a trzecia warstwa ma najwyższą.

Obliczając przepływ ciepła przez ścianę wielowarstwową, można wyznaczyć spadek temperatury w każdej warstwie korzystając z 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 ze wzoru:

t sl1 = t do t1 - q × (d 1 × l 1 -1)

t sl2 = t do l1 - q × (d 2 × l 2 -1)

Kontaktowy opór cieplny. Wyprowadzając wzory na ścianę wielowarstwową założono, że warstwy ściśle do siebie przylegają, a dzięki dobremu kontaktowi powierzchnie stykające się różnych warstw mają tę samą temperaturę. Idealnie szczelne połączenie poszczególnych warstw ściany wielowarstwowej uzyskuje się wówczas, gdy jedną z warstw naniesie się na drugą w stanie ciekłym lub w postaci płynnego roztworu. Ciała bryłowe stykają się ze sobą jedynie wierzchołkami profili chropowatości (rys. 4).

Powierzchnia styku wierzchołków jest znikomo mała, a cały strumień ciepła przechodzi przez szczelinę powietrzną ( H). Stwarza to dodatkowy (kontaktowy) opór cieplny R do. Rezystancje termiczne styku można wyznaczyć samodzielnie, korzystając z odpowiednich zależności empirycznych lub eksperymentalnie. Na przykład opór cieplny szczeliny wynoszący 0,03 mm w przybliżeniu równoważny oporowi cieplnemu warstwy stali około 30 mm.

Ryc.4. Obraz styków pomiędzy dwiema szorstkimi powierzchniami.

Metody zmniejszania rezystancji styku termicznego. O całkowitym oporze cieplnym styku decyduje czystość obróbki, obciążenie, przewodność cieplna ośrodka, współczynniki przewodności cieplnej materiałów stykających się części i inne czynniki.

Największą skuteczność w zmniejszaniu oporu cieplnego osiąga się wprowadzając do strefy styku ośrodek o przewodności cieplnej zbliżonej do przewodności cieplnej metalu.

Istnieją następujące możliwości wypełnienia strefy kontaktu substancjami:

Zastosowanie uszczelek z miękkiego metalu;

Wprowadzenie do strefy kontaktu substancji sypkiej o dobrej przewodności cieplnej;

Wprowadzenie do strefy lepkiej substancji o dobrej przewodności cieplnej;

Wypełnienie przestrzeni pomiędzy występami nierówności ciekłym metalem.

Najlepsze wyniki uzyskano wypełniając strefę kontaktową roztopioną cyną. W tym przypadku opór cieplny styku staje się praktycznie zerowy.

Ściana cylindryczna.

Bardzo często chłodziwa przemieszczają się przez rury (cylindry) i konieczne jest obliczenie przepływu ciepła przekazywanego przez cylindryczną ścianę rury (cylinder). Zagadnienie wymiany ciepła przez ścianę cylindryczną (o znanych i stałych temperaturach na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej) jest również jednowymiarowe, jeśli rozpatrywać je we współrzędnych cylindrycznych (rys. 4).

Temperatura zmienia się tylko wzdłuż promienia i wzdłuż 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 przewodzenia ciepła λ , długość rury l i różnica temperatur ( t w1 - t w2) i odwrotnie proporcjonalna do logarytmu naturalnego stosunku średnicy zewnętrznej cylindra d 2 do jego średnicy wewnętrznej d 1.

Ryż. 4. Zmiana temperatury wzdłuż grubości jednowarstwowej ścianki cylindrycznej.

Na λ = stały rozkład temperatury na promień R jednowarstwowej ściany cylindrycznej podlega prawu logarytmicznemu (rys. 4).

Przykład. Ile razy zmniejszają się straty ciepła przez ścianę budynku, jeśli pomiędzy dwiema warstwami znajduje się 250 grubych cegieł? mm zainstaluj podkładkę piankową o grubości 50 mm. Współczynniki przewodności cieplnej są odpowiednio równe: λ cegła . = 0,5 W/(m K); λ długopis. . = 0,05 W/(m K).

Zgodnie z wymogami ustawy federalnej nr 261-FZ „O oszczędzaniu energii” zaostrzono wymagania dotyczące przewodności cieplnej materiałów budowlanych i termoizolacyjnych w Rosji. Obecnie pomiar przewodności cieplnej jest jednym z obowiązkowych punktów przy podejmowaniu decyzji o zastosowaniu materiału jako izolatora termicznego.

Dlaczego konieczne jest mierzenie przewodności cieplnej w budownictwie?

Przewodność cieplna materiałów budowlanych i termoizolacyjnych jest monitorowana na wszystkich etapach ich certyfikacji i produkcji w warunkach laboratoryjnych, kiedy materiały są narażone na działanie różnych czynników wpływających na ich właściwości użytkowe. Istnieje kilka powszechnych metod pomiaru przewodności cieplnej. Do dokładnych badań laboratoryjnych materiałów o niskim przewodnictwie cieplnym (poniżej 0,04 - 0,05 W/m*K) zaleca się stosowanie urządzeń wykorzystujących metodę stacjonarnego przepływu ciepła. Ich użycie reguluje GOST 7076.

Firma Interpribor oferuje miernik przewodności cieplnej, którego cena korzystnie wypada w porównaniu z dostępnymi na rynku i spełnia wszystkie współczesne wymagania. Przeznaczony jest do laboratoryjnej kontroli jakości materiałów budowlanych i termoizolacyjnych.

Zalety miernika przewodności cieplnej ITS-1

Miernik przewodności cieplnej ITS-1 ma oryginalną konstrukcję monoblokową i charakteryzuje się następującymi zaletami:

automatyczny cykl pomiarowy;
bardzo precyzyjna ścieżka pomiarowa, która pozwala ustabilizować temperaturę lodówki i grzejnika;
możliwość kalibracji urządzenia dla określonego rodzaju badanych materiałów, co dodatkowo zwiększa dokładność wyników;
ekspresowa ocena wyniku w procesie pomiarowym;
zoptymalizowana „gorąca” strefa bezpieczeństwa;
informacyjny wyświetlacz graficzny ułatwiający kontrolę i analizę wyników pomiarów.

ITS-1 dostarczany jest w jednej podstawowej modyfikacji, którą na życzenie klienta można uzupełnić o próbki kontrolne (plexi i penoplex), skrzynię na materiały sypkie oraz futerał ochronny do przechowywania i transportu urządzenia.