Как измерить теплопроводность материала
Перейти к содержимому

Как измерить теплопроводность материала

  • автор:

ГОСТ 7076-99. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме

2 ПРИНЯТ Межгосударственной научно-технической комиссией по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве (МНТКС) 20 мая 1999 г.

За принятие проголосовали

Наименование органа государственного

Министерство градостроительства Республики Армения

Комитет по делам строительства Министерства энергетики, индустрии и торговли Республики Казахстан

Государственная инспекция по архитектуре и строительству при Правительстве Кыргызской Республики

Министерство развития территорий, строительства и коммунального хозяйства Республики Молдова

Комитет по делам архитектуры и строительства Республики Таджикистан

Государственный Комитет по архитектуре и строительству Республики Узбекистан

Государственный Комитет строительства, архитектуры и жилищной политики Украины

3 ВЗАМЕН ГОСТ 7076-87

4 ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ с 1 апреля 2000 г. в качестве государственного стандарта Российской Федерации постановлением Госстроя России от 24 декабря 1999 г. № 89

Настоящий стандарт гармонизирован со стандартами ИСО 7345:1987 [1] и ИСО 9251:1987 [2] в части терминологии и соответствует основным положениям ИСО 8301:1991 [3], ИСО 8302:1991 [4], устанавливающих методы определения термического сопротивления и эффективной теплопроводности с помощью прибора, оснащенного тепломером, и прибора с горячей охранной зоной.

В соответствии со стандартами ИСО в настоящем стандарте установлены требования к образцам, прибору и его градуировке, приняты две основные схемы испытания: асимметричная (с одним тепломером) и симметричная (с двумя тепломерами).

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на строительные материалы и изделия, а также на материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов, и устанавливает метод определения их эффективной теплопроводности и термического сопротивления при средней температуре образца от минус 40 до + 200 °С.

Стандарт не распространяется на материалы и изделия с теплопроводностью более 1,5 Вт/(м × К).

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 166—89 Штангенциркули. Технические условия

ГОСТ 427—75 Линейки измерительные металлические. Технические условия

ГОСТ 24104—88 Весы лабораторные общего назначения и образцовые. Общие технические условия

3 Определения и обозначения

3.1 В настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями.

Тепловой поток — количество теплоты, проходящее через образец в единицу времени.

Плотность теплового потока — тепловой поток, проходящий через единицу площади.

Стационарный тепловой режим — режим, при котором все рассматриваемые теплофизические параметры не меняются со временем.

Термическое сопротивление образца — отношение разности температур лицевых граней образца к плотности теплового потока в условиях стационарного теплового режима.

Средняя температура образца — среднеарифметическое значение температур, измеренных на лицевых гранях образца.

Эффективная теплопроводность l eff материала (соответствует термину «коэффициент теплопроводности», принятому в действующих нормах по строительной теплотехнике) — отношение толщины испытываемого образца материала d к его термическому сопротивлению R.

3.2 Обозначения величин и единицы измерения приведены в таблице 1.

Толщина образца до испытания

Термические сопротивления стандартных образцов

Разность температур лицевых граней стандартных образцов

Выходные сигналы тепломера прибора при его градуировке при помощи стандартных образцов

Градуировочные коэффициенты тепломера прибора при его градуировке при помощи стандартных образцов

Толщина образца в процессе испытания

Термическое сопротивление испытываемого образца

Относительное изменение массы образца после сушки

Относительное изменение массы образца в процессе испытания

Масса образца при его получении от изготовителя

Масса образца после сушки

Масса образца после испытания

Разность температур лицевых граней испытываемого образца

Средняя температура испытываемого образца

Температура горячей лицевой грани испытываемого образца

Температура холодной лицевой грани испытываемого образца

Значение градуировочного коэффициента тепломера прибора, соответствующее значению теплового потока, протекающего через испытываемый образец после установления стационарного теплового режима (при асимметричной схеме испытания)

Выходной сигнал тепломера прибора после установления стационарного теплового потока через испытываемый образец (при асимметричной схеме испытания)

Термическое сопротивление между лицевой гранью образца и рабочей поверхностью плиты прибора

Эффективная теплопроводность материала испытываемого образца

Термическое сопротивление листового материала, из которого изготовлены дно и крышка ящика для образца насыпного материала

f ¢ u, f ² u

Значения градуировочного коэффициента первого и второго тепломеров прибора, соответствующие значению теплового потока, протекающего через испытываемый образец после установления стационарного теплового режима (при симметричной схеме испытания)

e ¢ u, e ² u

Выходной сигнал первого и второго тепломеров после установления стационарного теплового потока через испытываемый образец (при симметричной схеме испытания)

Плотность стационарного теплового потока, проходящего через испытываемый образец

Площадь зоны измерения

Электрическая мощность, подаваемая на нагреватель зоны измерения горячей плиты прибора

4 Общие положения

4.1 Сущность метода заключается в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням образца, измерении плотности этого теплового потока, температуры противоположных лицевых граней и толщины образца.

4.2 Число образцов, необходимое для определения эффективной теплопроводности или термического сопротивления, и порядок отбора образцов должны быть указаны в стандарте на конкретный материал или изделие. Если в стандарте на конкретный материал или изделие не указано число образцов, подлежащих испытанию, эффективную теплопроводность или термическое сопротивление определяют на пяти образцах.

4.3 Температура и относительная влажность воздуха помещения, в котором проводят испытания, должны быть соответственно (295 ± 5) К и (50 ± 10) %.

5 Средства измерения

Для проведения испытания применяют:

прибор для измерения эффективной теплопроводности и термического сопротивления, аттестованный в установленном порядке и удовлетворяющий требованиям, приведенным в приложении А;

прибор для определения плотности волокнистых материалов по ГОСТ 17177;

прибор для определения толщины плоских волокнистых изделий по ГОСТ 17177;

электрошкаф сушильный, верхний предел нагрева которого не менее 383 К, предел допустимой погрешности задания и автоматического регулирования температуры — 5 К;

штангенциркуль по ГОСТ 166:

— для измерения наружных и внутренних размеров с диапазоном измерения 0—125 мм, значением отсчета по нониусу — 0,05 мм, пределом допускаемой погрешности — 0,05 мм;

— для измерения наружных размеров с диапазоном измерения 0—500 мм, значением отсчета по нониусу — 0,1 мм, пределом допускаемой погрешности —0,1 мм;

линейка металлическая измерительная по ГОСТ 427 с верхним пределом измерения 1000 мм, пределом допускаемого отклонения от номинальных значений длины шкалы и расстояний между любым штрихом и началом или концом шкалы — 0,2 мм;

весы лабораторные общего назначения по ГОСТ 24104:

— с наибольшим пределом взвешивания 5 кг, ценой деления — 100 мг, среднее квадратичное отклонение показаний весов — не более 50,0 мг, погрешность от неравноплечности коромысла — не более 250,0 мг, предел допустимой погрешности — 375 мг;

— с наибольшим пределом взвешивания 20 кг, ценой деления — 500 мг, среднее квадратичное отклонение показаний весов — не более 150,0 мг, погрешность от неравноплечности коромысла — не более 750,0 мг, предел допустимой погрешности — 1500 мг.

Допускается применение других средств измерения с метрологическими характеристиками и оборудования с техническими характеристиками не хуже указанных в настоящем стандарте.

6 Подготовка к испытанию

6.1 Изготавливают образец в виде прямоугольного параллелепипеда, наибольшие (лицевые) грани которого имеют форму квадрата со стороной, равной стороне рабочих поверхностей плит прибора. Если рабочие поверхности плит прибора имеют форму круга, то наибольшие грани образца также должны иметь форму круга, диаметр которого равен диаметру рабочих поверхностей плит прибора (приложение А, п. А. 2.1).

6.2 Толщина испытываемого образца должна быть меньше длины ребра лицевой грани или диаметра не менее чем в пять раз.

6.3 Грани образца, контактирующие с рабочими поверхностями плит прибора, должны быть плоскими и параллельными. Отклонение лицевых граней жесткого образца от параллельности не должно быть более 0,5 мм.

Жесткие образцы, имеющие разнотолщинность и отклонения от плоскостности, шлифуют.

6.4 Толщину образца-параллелепипеда измеряют штангенциркулем с погрешностью не более 0,1 мм в четырех углах на расстоянии (50,0 ± 5,0) мм от вершины угла и посередине каждой стороны.

Толщину образца-диска измеряют штангенциркулем с погрешностью не более 0,1 мм по образующим, расположенным в четырех взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через вертикальную ось.

За толщину образца принимают среднеарифметическое значение результатов всех измерений.

6.5 Длину и ширину образца в плане измеряют линейкой с погрешностью не более 0,5 мм.

6.6 Правильность геометрической формы и размеры образца теплоизоляционного материала определяют по ГОСТ 17177.

6.7 Средний размер включений (гранулы заполнителя, крупные поры и т.п.), отличных по своим теплофизическим показателям от основного образца, должен составлять не более 0,1 толщины образца.

Допускается испытание образца, имеющего неоднородные включения, средний размер которых превышает 0,1 его толщины. В протоколе испытания должен быть указан средний размер включений.

6.8 Определяют массу образца М1 при его получении от изготовителя.

6.9 Образец высушивают до постоянной массы при температуре, указанной в нормативном документе на материал или изделие. Образец считают высушенным до постоянной массы, если потеря его массы после очередного высушивания в течение 0,5 ч не превышает 0,1 %. По окончании сушки определяют массу образца М2 и его плотность r u, после чего образец немедленно помещают либо в прибор для определения его термического сопротивления, либо в герметичный сосуд.

Допускается испытание влажного образца при температуре холодной лицевой грани более 273 К и перепаде температуры не более 2 К на 1 см толщины образца.

6.10 Образец высушенного насыпного материала должен быть помещен в ящик, дно и крышка которого изготовлены из тонкого листового материала. Длина и ширина ящика должны быть равны соответствующим размерам рабочих поверхностей плит прибора, глубина — толщине испытываемого образца. Толщина образца насыпного материала должна быть не менее чем в 10 раз больше среднего размера гранул, зерен и чешуек, из которых состоит этот материал.

Относительная полусферическая излучательная способность поверхностей дна и крышки ящика должна быть более 0,8 при тех температурах, которые эти поверхности имеют в процессе испытания.

Термическое сопротивление RL листового материала, из которого изготавливают дно и крышку ящика, должно быть известно.

6.11 Пробу насыпного материала делят на четыре равные части, которые поочередно насыпают в ящик, уплотняя каждую часть так, чтобы она заняла соответствующую ей часть внутреннего объема ящика. Ящик закрывают крышкой. Крышку прикрепляют к боковым стенкам ящика.

6.12 Взвешивают ящик с образцом насыпного материала. По определенному значению массы ящика с образцом и предварительно определенным значениям внутреннего объема и массы пустого ящика вычисляют плотность образца насыпного материала.

6.13 Погрешность определения массы и размера образцов не должна быть более 0,5 %.

7 Проведение испытания

7.1 Испытания должны проводиться на предварительно градуированном приборе. Порядок и периодичность градуировки приведены в приложении Б.

7.2 Подлежащий испытанию образец помещают в прибор. Расположение образца — горизонтальное или вертикальное. При горизонтальном расположении образца направление теплового потока сверху вниз.

В процессе испытания разность температур лицевых граней образца D Tu должна составлять 10—30 К. Средняя температура образца при испытании должна быть указана в нормативном документе на конкретный вид материала или изделия.

7.3 Устанавливают заданные значения температур рабочих поверхностей плит прибора и последовательно через каждые 300 с проводят измерения:

сигналов тепломера еu и датчиков температур лицевых граней образца, если плотность теплового потока через испытываемый образец измеряют при помощи тепломера;

мощности, подаваемой на нагреватель зоны измерения горячей плиты прибора, и сигналов датчиков температур лицевых граней образца, если плотность теплового потока через испытываемый образец определяют путем измерения электрической мощности, подаваемой на нагреватель зоны измерения горячей плиты прибора.

7.4 Тепловой поток через испытываемый образец считают установившимся (стационарным), если значения термического сопротивления образца, вычисленные по результатам пяти последовательных измерений сигналов датчиков температур и плотности теплового потока, отличаются друг от друга менее чем на 1 %, при этом эти величины не возрастают и не убывают монотонно.

7.5 После достижения стационарного теплового режима измеряют толщину помещенного в прибор образца du штангенциркулем с погрешностью не более 0,5 %.

7.6 После окончания испытания определяют массу образца M3.

8 Обработка результатов испытания

8.1 Вычисляют относительное изменение массы образца вследствие его сушки тr и в процессе испытания тw и плотность образца r u по формулам:

тr = 1 ¾ М2)/М2 , (2)

Объем испытываемого образца Vu вычисляют по результатам измерения его длины и ширины после окончания испытания, а толщины — в процессе испытания.

8.2 Вычисляют разность температур лицевых граней D Tu и среднюю температуру испытываемого образца Tmu по формулам:

D Tu = T1u ¾ T2u, (5)

8.3 При вычислении теплофизических показателей образца и плотности стационарного теплового потока в расчетные формулы подставляют среднеарифметические значения результатов пяти измерений сигналов датчиков разности температур и сигнала тепломера или электрической мощности, выполненных после установления стационарного теплового потока через испытываемый образец.

8.4 При проведении испытания на приборе, собранном по асимметричной схеме, термическое сопротивление образца Ru вычисляют по формуле

где Rk принимают равным 0,005м 2 × К/Вт, а для теплоизоляционных материалов и изделий — нулю.

8.5 Эффективную теплопроводность материала образца l effu вычисляют по формуле

8.6 Термическое сопротивление Ru и эффективную теплопроводность l effu образца насыпного материала вычисляют по формулам:

8.7 Плотность стационарного теплового потока qu через образец, испытываемый на приборе, собранном по асимметричной и симметричной схемам, вычисляют соответственно по формулам:

8.8 При проведении испытания на приборе с горячей охранной зоной, в котором плотность теплового потока определяют путем измерения электрической мощности, подаваемой на нагреватель зоны измерения горячей плиты прибора, термическое сопротивление, эффективную теплопроводность и плотность стационарного теплового потока через образец вычисляют по формулам:

При испытании насыпных материалов в формулы (13) и (14) вместо Rk подставляют значение RL..

8.9 За результат испытания принимают среднеарифметические значения термического сопротивления и эффективной теплопроводности всех испытанных образцов.

9 Протокол испытания

В протоколе испытания должны быть приведены следующие сведения:

— наименование материала или изделия;

— обозначение и наименование нормативного документа, по которому изготовлен материал или изделие;

— общее число испытанных образцов;

— тип прибора, на котором проведено испытание;

— положение испытываемых образцов (горизонтальное, вертикальное);

— методика изготовления образцов насыпного материала с указанием термического сопротивления дна и крышки ящика, в котором испытывались образцы;

— размеры каждого образца;

— толщина каждого образца перед началом испытания и в процессе испытания с указанием, проводилось ли испытание при фиксированном давлении на образец или при фиксированной толщине образца;

— фиксированное давление (если оно было фиксировано);

— средний размер неоднородных включений в образцах (если они есть);

— методика сушки образцов;

— относительное изменение массы каждого образца вследствие его сутки;

— влажность каждого образца до начала и после окончания испытания;

— плотность каждого образца в процессе испытания;

— относительное изменение массы каждого образца, произошедшее в процессе испытания;

— температура горячей и холодной лицевых граней каждого образца;

— разность температур горячей и холодной лицевых граней каждого образца;

— средняя температура каждого образца;

— плотность теплового потока через каждый образец после установления стационарного теплового режима;

— термическое сопротивление каждого образца;

— эффективная теплопроводность материала каждого образца;

— среднеарифметическое значение термического сопротивления всех испытанных образцов;

— среднеарифметическое значение эффективной теплопроводности всех испытанных образцов;

— направление теплового потока;

— дата последней градуировки прибора (если испытание проведено на оснащенном тепломером приборе);

— для стандартных образцов, использованных при градуировке прибора, должно быть указано: тип, термическое сопротивление, дата поверки, срок действия поверки, организация, проводившая поверку;

— оценка погрешности измерения термического сопротивления или эффективной теплопроводности;

— заявление о полном соответствии или частичном несоответствии процедуры испытания требованиям настоящего стандарта. Если при проведении испытания были допущены отклонения от требований настоящего стандарта, то они должны быть указаны в протоколе испытания.

10 Погрешность определения эффективной теплопроводности

и термического сопротивления

Относительная погрешность определения эффективной теплопроводности и термического сопротивления по данному методу не превышает ±3 %, если испытание проведено в полном соответствии с требованиями настоящего стандарта.

(обязательное)

Требования к приборам для определения эффективной теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме

А.1 Схемы прибора

Для измерения эффективной теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме применяют приборы:

— собранные по асимметричной схеме, оснащенные одним тепломером, который расположен между испытываемым образцом и холодной плитой прибора или между образцом и горячей плитой прибора (рисунок А.1);

— собранные по симметричной схеме, оснащенные двумя тепломерами, один из которых расположен между испытываемым образцом и холодной плитой прибора, а второй — между образцом и горячей плитой прибора (рисунок А.2);

— прибор, в котором плотность теплового потока, проходящего через испытываемый образец, определяют путем измерения электрической мощности, подаваемой на нагреватель зоны измерения горячей плиты прибора (прибор с горячей охранной зоной) (рисунок А.3).

1 — нагреватель; 2 — тепломер; 3 — испытываемый образец; 4 — холодильник

Рисунок А.1 — Схема прибора с одним тепломером

1 — нагреватель; 2 — тепломеры; 3 — холодильник; 4 — испытываемый образец

Рисунок А.2 Схема прибора с двумя тепломерами

1 — холодильник; 2 — испытываемые образцы; 3 — плиты нагревателя зоны измерения;

4 — обмотка нагревателя зоны измерения; 5 — плиты нагревателя охранной зоны;

6 — обмотка нагревателя охранной зоны

Рисунок А.3 Схема прибора с горячей охранной зоной

А.2 Нагреватель и холодильник

А.2.1 Плиты нагревателя или холодильника могут иметь форму квадрата, сторона которого должна быть не менее 250 мм, или круга, диаметр которого должен быть не менее 250 мм.

А.2.2 Рабочие поверхности плит нагревателя и холодильника должны быть изготовлены из металла. Отклонение от плоскостности рабочих поверхностей должно быть не более 0,025 % их максимального линейного размера.

А.2.3 Относительная полусферическая излучательная способность рабочих поверхностей плит нагревателя и холодильника, соприкасающихся с испытываемым образцом, должна быть более 0,8 при тех температурах, которые эти поверхности имеют в процессе испытания.

А.3 Тепломер

А.3.1 Размеры рабочих поверхностей тепломера должны быть равны размерам рабочих поверхностей плит нагревателя и холодильника.

А. 3.2 Относительная полусферическая излучательная способность лицевой грани тепломера, соприкасающейся с испытываемым образцом, должна быть более 0,8 при тех температурах, которые эта грань имеет в процессе испытания.

А. 3.3 Зона измерения тепломера должна быть расположена в центральной части его лицевой грани. Ее площадь должна составлять не менее 10 % и не более 40 % всей площади лицевой грани.

А.3.4 Диаметр термопарных проводов, применяемых при изготовлении термоэлектрической батареи тепломера, должен быть не более 0,2 мм.

А.4 Датчики температуры

Число датчиков температуры на каждой рабочей поверхности плит нагревателя или холодильника и лицевой грани тепломера, соприкасающейся с испытываемым образцом, должно быть равно целой части числа 10 Ö А и быть не менее двух. Диаметр проводов, подходящих к этим датчикам, должен быть не более 0,6 мм.

А.5 Электрическая измерительная система

Электрическая измерительная система должна обеспечивать измерение сигнала датчиков разности температур поверхностей с погрешностью не более 0,5 %, сигнала тепломера — с погрешностью не более 0,6 % или электрической мощности, подаваемой на нагреватель зоны измерения горячей плиты прибора, — с погрешностью не более 0,2 %.

Суммарная погрешность измерения разности температур поверхностей плит прибора и тепломера, соприкасающихся с лицевыми гранями испытываемого образца не должна быть более 1 %. Суммарная погрешность — сумма погрешностей, возникающих вследствие искажения температурного поля около датчиков температуры, изменения характеристик этих датчиков под воздействием внешних условий и погрешности, вносимой электрической измерительной системой.

А.6 Устройство для измерения толщины испытываемого образца

Прибор должен быть оснащен устройством, позволяющим измерить толщину образца в процессе его испытания штангенциркулем с погрешностью не более 0,5 %.

А.7 Каркас прибора

Прибор должен быть оснащен каркасом, позволяющим сохранять различную ориентацию в пространстве блока прибора, содержащего испытываемый образец.

А.8 Устройство для фиксации испытываемого образца

Прибор должен быть оснащен устройством, которое или создает постоянное заданное давление на помещенный в прибор испытываемый образец, или поддерживает постоянную величину зазора между рабочими поверхностями плит прибора.

Максимальное давление, создаваемое этим устройством на испытываемый образец, должно быть 2,5 кПа, минимальное — 0,5 кПа, погрешность задания давления — не более 1,5 %.

А.9 Устройство для уменьшения боковых теплопотерь или теплопоступлений испытываемого образца

Боковые теплопотери или теплопоступления в процессе испытания должны быть ограничены посредством изоляции боковых граней испытываемого образца слоем теплоизоляционного материала, термическое сопротивление которого не менее термического сопротивления образца.

А. 10 Кожух прибора

Прибор должен быть оснащен кожухом, температура воздуха в котором поддерживается равной средней температуре испытываемого образца.

(обязательное)

Градуировка прибора, оснащенного тепломером

Б.1 Общие требования

Градуировку прибора, оснащенного тепломером, следует проводить при помощи трех аттестованных в установленном порядке стандартных образцов термического сопротивления, изготовленных соответственно из оптического кварцевого стекла, органического стекла и пенопласта или стекловолокна.

Размеры стандартных образцов должны быть равны размерам образца, подлежащего испытанию. В процессе градуировки прибора температура лицевых граней стандартных образцов должна быть соответственно равна тем температурам, которые в процессе испытания будут иметь лицевые грани испытываемого образца.

Весь диапазон значений термического сопротивления, которые могут быть измерены на приборе, следует разделить на два поддиапазона:

нижней границей первого поддиапазона является минимальное значение термического сопротивления, которое может быть измерено на данном приборе; верхней границей — значение термического сопротивления стандартного образца, изготовленного из органического стекла и имеющего толщину, равную толщине образца, подлежащего испытанию;

нижней границей второго поддиапазона является верхняя граница первого поддиапазона; верхней границей — максимальное значение термического сопротивления, которое может быть измерено на данном приборе.

Б.2 Градуировка прибора, собранного по асимметричной схеме

До начала градуировки следует оценить численное значение термического сопротивления подлежащего испытанию образца по известным справочным данным и определить, какому поддиапазону это значение принадлежит. Градуировку тепломера проводят только в этом поддиапазоне.

Если термическое сопротивление подлежащего испытанию образца относится к первому поддиапазону, градуировку тепломера

проводят при помощи стандартных образцов, изготовленных из оптического кварцевого и органического стекла. Если термическое сопротивление образца относится ко второму поддиапазону, градуировку проводят при помощи стандартных образцов, изготовленных из органического стекла и теплоизоляционного материала.

Помещают в прибор первый стандартный образец с меньшим термическим сопротивлением RS1, измеряют разность температур D T1 его лицевых граней и выходной сигнал тепломера е1 по методике, описанной в разделе 7. Затем в прибор помещают второй стандартный образец с большим термическим сопротивлением RS2, измеряют разность температур D T2 его лицевых граней и выходной сигнал тепломера е2 по этой же методике. По результатам этих измерений вычисляют градуировочные коэффициенты f1 и f2 тепломера по формулам:

Значение градуировочного коэффициента тепломера fu, соответствующее значению теплового потока, протекающего через испытываемый образец после установления стационарного теплового потока, определяют путем линейной интерполяции по формуле

Б.З Градуировка прибора, собранного по симметричной схеме

Методика определения градуировочного коэффициента каждого тепломера прибора, собранного по симметричной схеме, аналогична методике определения градуировочного коэффициента тепломера, описанной в Б.2.

Б.4 Периодичность градуировки прибора

Градуировка прибора должна быть проведена в течение 24 ч, предшествующих испытанию или последующих за испытанием.

Если согласно результатам градуировок, проводимых в течение 3 мес., изменение градуировочного коэффициента тепломера не превышает ± 1 %, этот прибор можно градуировать один раз в 15 дней. В этом случае результаты испытания могут быть переданы заказчику только после проведения градуировки, последующей за испытанием, и если величина градуировочного коэффициента, определенного по результатам последующей градуировки, отличается от величины коэффициента, определенного по результатам предыдущей градуировки, не более чем на ± 1 %.

Градуировочный коэффициент, используемый при вычислении теплофизических показателей испытываемого образца, определяют как среднеарифметическое значение двух указанных величин этого коэффициента.

Если отличие величины градуировочного коэффициента превышает ± 1 %, результаты всех испытаний, выполненных в промежутке времени между этими двумя градуировками, считают недействительными, и испытания должны быть проведены повторно.

Библиография

[1] ИСО 7345:1987 Теплоизоляция. Физические величины и определения

[2] ИСО 9251:1987 Теплоизоляция. Режимы переноса тепла и свойства материалов

[3] ИСО 8301:1991 Теплоизоляция. Определение термического сопротивления и связанных с ним теплофизических показателей при стационарном тепловом режиме. Прибор, оснащенный тепломером

[4] ИСО 8302:1991 Теплоизоляция. Определение термического сопротивления и связанных с ним теплофизических показателей. Прибор с горячей охранной зоной

Ключевые слова: термическое сопротивление, эффективная теплопроводность, стандартный образец

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

3 Определения и обозначения

4 Общие положения

5 Средства измерения

6 Подготовка к испытанию

7 Проведение испытания

8 Обработка результатов испытания

9 Протокол испытания

10 Погрешность определения эффективной теплопроводности и термического сопротивления

Приложение А Требования к приборам для определения эффективной теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме

Приложение Б Градуировка прибора, оснащенного тепломером

Приложение В Библиография

Хотите оперативно узнавать о новых публикациях нормативных документов на портале? Подпишитесь на рассылку новостей!

Смотрите также: Каталог «Теплоизоляция, гидроизоляция, звукоизоляция, клеи» >>
Компании «Теплоизоляция, гидроизоляция, звукоизоляция, клеи» >>
Статьи (202) >>
ГОСТы (198) >>
СНиПы (9) >>
Нормативные документы (5) >>
ВСН (1) >>
Задать вопрос в форуме >>
Подписка на рассылки >>

Метод измерения теплопроводности анизотропных материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Заричняк Юрий Петрович, Платунова Лидия Сергеевна

Рассматривается метод определения теплопроводности анизотропных однонаправленных волоконноар-мированных композитов на основе существующего нестационарного метода и с использованием устройства ИТλ-1 [1].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Заричняк Юрий Петрович, Платунова Лидия Сергеевна

Метод измерения теплопроводности анизотропных высокотеплопроводных тел в виде стержней и пластин

Автоматизированный прибор для комплексных исследований теплофизических свойств жидкостей и пастообразных материалов

Динамический калориметр для комплексных теплофизических измерений

Влияние тепловых сопротивлений при измерении теплопроводности в диапазоне l=(10¸400) Вт/(м·к) методом квазистационарной точки

Вторая интегральная форма уравнения теплопроводности как математическая модель объекта теплофизических измерений

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Метод измерения теплопроводности анизотропных материалов»

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Ю.П. Заричняк, Л.С. Платунова

Рассматривается метод определения теплопроводности анизотропных однонаправленных волоконноар-мированных композитов на основе существующего нестационарного метода и с использованием устройства ИТ1-1 [1].

В настоящее время интенсивно развиваются классы новых композиционных материалов с резкой анизотропией теплофизических свойств, в том числе и волоконноар-мированные микро- и нанокомпозиты. Поверочные аналитические оценки показывают, что их теплопроводность существенно изменяется в зависимости от направления теплового потока (вдоль и поперек волокон) в диапазоне от 0,10 до 103 Вт/(м-К).

Исследование теплопроводности материалов с резкой анизотропией требует разработки нового метода и устройства для измерения теплопроводности образцов.

Нестационарный метод и устройство ИТХ-1 для измерения теплопроводности анизотропных пластин и дисков разработан на кафедре физики ГУНиПТ. ИТХ-1 предназначен для исследования теплопроводности макрооднородных и мелкозернистых изотропных или слабо анизотропных теплоизоляционных материалов (плотные и вспененные полимеры, ткани, войлоки, пленки, порошки), а также разнообразных промышленных неметаллических материалов, образцы которых могут иметь форму пластинок и пленок. Анализ конструкции рассмотренной тепловой ячейки ИТ^-1 показал, что она может служить прототипом при разработке методов определения теплопроводности материалов, обладающих двухмерной анизотропией в декартовой системе координат. Однако для решения этой задачи следует частично изменить тепловую схему ячейки. В частности, ячейка должна обеспечивать одномерные тепловые потоки по осям анизотропии образца

Автоматика прибора позволяет на регулярной стадии разогрева получать параметры стационарного состояния, что значительно сокращает время опыта [2]. Для измерений в каждом из направлений требуется разработка индивидуальных тепловых ячеек.

Измерение теплопроводности тонких низкотеплопроводных материалов производится на образцах в виде дисков. Чтобы обеспечить разогрев образца одномерным тепловым потоком, ему придается форма диска (толщиной 1 мм и диаметром 20 мм), диаметр которого совпадает с диаметром диска-нагревателя. Условие одномерности предполагается обеспеченным, так как теплопроводность воздушной прослойки, окружающей образец, в десятки раз ниже ожидаемой теплопроводности образца.

Тепловой поток при этом направлен перпендикулярно плоскости диска. Образец разогревается тепловым потоком постоянной мощности. В стационарной стадии опыта тепловой поток нагревателя уходит в блок и основание ячейки в виде двух составляющих. Одна часть потока проникает в блок через образец, а другая часть уходит в основание через тепловую изоляцию нагревателя. Стационарный перегрев нагревателя по отношению к массивному блоку с температурой, практически не изменяющейся за время эксперимента, определяется автоматически и является основным измеряемым параметром. Для калибровки прибора в качестве эталонных материалов с хорошо известными свойствами использовались образцы из полиметилметакрилата. Расчетная формула имеет вид:

где , — постоянные прибора, И — толщина образца, £ — мощность, © — стационарный перегрев, К — сопротивление изоляции, рк — контактное сопротивление, Б —

площадь поперечного сечения образца.

Измерения теплопроводности высокотеплопроводных материалов провод2тся на образцах в виде ленточной полоски. Образец своими концами касается диска нагревателя и основания ячейки. Верхняя поверхность образца теплоизолируется от блока пластинкой пенопласта. В процессе опыта образец (полоска) плотно прижимается к основанию и нагревателю верхним блоком. Благодаря указанным мерам тепловой поток нагревателя, как и в предыдущем варианте ячейки, делится на две составляющие. Одна часть потока рассеивается в основание через тепловую изоляцию, другая часть потока попадает от нагревателя к основанию, проходя вдоль волокон образца. Благодаря высокой теплопроводности образца теплообмен его рабочего (среднего) участка с окружающим сверху и снизу пенопластом оказывает слабое влияние. Поэтому можно принять, что на всей длине образца в опыте формируется одномерное температурное поле, зависящее только от продольной координаты.

В стационарной стадии опыта в образце по всей длине устанавливается достаточно сложное одномерное температурное поле, так как температурное поле концов образца формируется под воздействием интенсивного контактного теплообмена с нагревательным диском и основанием.

Чтобы найти температурное поле образца, выделим три участка образца. На первом участке образец своим концом контактирует с диском нагревателя, который в стационарной стадии имеет температуру перегрева ©. На третьем участке образец находится в контакте с основанием. Его температура принимается равной нулю, так как от нее определяется перегрев ©. На втором, рабочем, участке боковые поверхности образца теплоизолированы от внешней среды, поэтому его температурное поле остается близким к линейному. Теплопроводность образца определяется выражением [2]

^(1 + ^ р к1к ^р к1к в о/о Мо в к2 в о/о

где /о — длина рабочего участка, Ъ — ширина образца, а — коэффициент теплопередачи

образца, аиз — коэффициент теплопередачи изоляции. Расчетная формула учитывает влияние поправок на контактные тепловые сопротивления и на боковой теплообмен среднего участка образца.

Представляют самостоятельный интерес два частных варианта общей формулы (2). Так, если в опытах удается пренебречь влиянием бокового теплообмена образца, формула приобретает гораздо более простой вид:

Если же в опытах удается пренебречь влиянием контактных тепловых сопротивлений, формула (2) предельно упрощается:

Для калибровки прибора в качестве эталонных материалов с хорошо известными свойствами использовались образцы из меди, молибдена, латуни и стали. Толщина пластинок изменялась в пределах от 0,05 до 1 мм, ширина пластинок изменялась в пределах 5-15 мм. Длина концов равнялась 20 мм. Длина рабочего участка составляла 25 мм. Мощность нагревателя поддерживалась на уровне 0,30 Вт. Основным экспериментальным параметром является стационарный перегрев 0.

Случайная погрешность измерения теплопроводности в пределах 1Вт/(м-К) составляет 1,5%. Систематическая погрешность достигает 5%. Случайная погрешность измерения теплопроводности в пределах 10-400 Вт/(м-К) составляет 1,5%. Систематическая погрешность достигает 15% .

Рассмотренный метод может использоваться для определения теплопроводности анизотропных однонаправленных волоконноармированных композитов.

1. Кондратьев Г.М., Дульнев Г.Н., Платунов Е.С., Ярышев Н.А. Прикладная физика: Теплообмен в приборостроении. СПб: СПб ГУ ИТМО, 2003. 560 с.

2. Платунов Е.С., Буравой С.Е., Курепин В.В., Петров Г.С. Теплофизические измерения и приборы. / Под общ. ред. Платунова Е.С. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. 256 с.

Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица на сайте Nedvio

Теплопроводность строительных материалов стала популярной темой в последние годы. Это связано с тем, что люди стали чаще задумываться о том, как сэкономить на отоплении дома зимой, либо сделать их более экологичными (если они отапливаются на угле, мазуте или другом неэкологичном топливе).

Полагаем, многие из вас уже слышали, что одни материалы хорошо проводят тепло, а другие — не очень. Соответственно из одних дома получаются сразу теплыми, а из других — их обязательно нужно утеплять. Но как же все это считают? По каким критериям и формулам? Об этом мы расскажем вам в данной статье.

Коэффициент теплопроводности Лямбда. Что это такое?

Коэффициент λ (лямбда) — это, пожалуй, наиболее важный параметр всех теплоизоляционных материалов. Его значение указывает на то, сколько тепла материал может пропускать через себя. То есть его показатель теплопроводности.

Чем ниже значение коэффициента λ (лямбда), тем меньше проводимость материала и, следовательно, он лучше изолирован от тепловых потерь. Это означает, что при одинаковых условиях больше тепла будет проходить через вещество с большей теплопроводностью.

Как же высчитывается этот коэффициент? Согласно второму закону термодинамики, тепло всегда уходит в область более низкой температуры. Для тела в форме теплопроводного кубоида в стационарных условиях количество передаваемого тепла зависит от вещества, пропорционально поперечному сечению тела, разности температур и времени теплопередачи.

Таким образом формула расчет будет выглядеть так:

  • λ (лямбда) — коэффициент теплопроводности;
  • ΔQ — количество тепла, протекающего через тело;
  • t — время;
  • L — длина тела;
  • S — площадь поперечного сечения корпуса;
  • ΔT — разность температур в направлении теплопроводности;
  • d — толщина перегородки.

За единицу измерения теплопроводности принимается система СИ — [Вт / (м · К)]. Она выражает количество теплового потока через единицу поверхности материала заданной толщины, если разница температур между двумя его сторонами составляет 1 Кельвин. Измеряют все эти показатели в специальных строительных лабораториях.

Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица

От чего зависит теплопроводность?

Итак, как мы уже убедились, коэффициент теплопроводности λ (лямбда) характеризует интенсивность теплопередачи через конкретный материал.

Так, например, наиболее теплопроводными являются металлы, а самыми слабыми — газы. Еще все проводники электричества, такие как медь, алюминий, золото или серебро, также хорошо пропускают через себя тепло, в то время как электрические изоляторы (дерево, пластик, резина) наоборот задерживают его.

Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица

Что может повлиять на этот показатель, кроме самого материала? Например, температура. Теплопроводность изоляционных материалов увеличивается с повышением температуры, а у металлов — напротив, уменьшается. Еще может повлиять наличие примесей. Сплавы разнородных металлов обычно имеют более низкую теплопроводность, чем их легирующие элементы.

В целом, теплопроводность веществ зависит, в основном, от их структуры, пористости, и прежде всего от их плотности. Поэтому, если производитель заявляет о низком значении лямбда при низкой плотности материала, — эта информация, как правило, не имеет ничего общего с действительностью и просто рекламный ход.

Значения теплопроводности для различных материалов

Сравнить, насколько тот или иной материал может пропускать тепло, вы можете воспользовавшись данной таблицей:

Теплопроводность [Вт / (м · К)]

Войлок, маты и плиты из минеральной ваты

0,16 — 0,3 (сосна и ель), 0,22 — 0,4 (дуб)

Н ержавеющая сталь

Применение коэффициента теплопроводности в строительстве

В строительстве действует одно простое правило — коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов должны быть как можно ниже. Все потому, что чем меньше значение λ (лямбда), тем меньше можно сделать толщину изоляционного слоя, чтобы обеспечить конкретное значение коэффициента теплопередачи через стены или перегородки.

Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица

В настоящее время производители теплоизоляционных материалов (пенополистирол, графитовые плиты или минеральная вата) стремятся минимизировать толщину изделия за счет уменьшения коэффициента λ (лямбда), например, для полистирола он составляет 0,032-0,045 по сравнению с 0,15-1,31 у кирпича.

Что касается строительных материалов, то при их производстве коэффициент теплопроводности не имеет столь большого значения, однако в последние годы наблюдается тенденция к производству строительных материалов с низким показателем λ (например, керамических блоков, структурных изоляционных панелей, блоков из ячеистого бетона). Такие материалы позволяют построить однослойную стену (без утеплителя) или с минимально возможной толщиной утеплительного слоя.

Важно: коэффициент теплопроводности лямбда зависит от плотности материала, поэтому при покупке, к примеру, пенополистирола, обратите внимание на вес продукта. Если вес слишком мал, значит плиты не имеют заявленной теплоизоляции. Добавим, что производитель обязан указывать заявленное значение коэффициента теплопроводности на каждой упаковке.

Какой же строительный материал самый теплый?

В настоящее время это пенополиуретан (ППУ) и его производные, а также минеральная (базальтовая, каменная) вата. Они уже зарекомендовали себя как эффективные теплоизоляторы и сегодня широко применяются в утеплении домов.

Для наглядности о том, насколько эффективны эти материалы, покажем вам следующую иллюстрацию. На ней отображено какой толщины материала достаточно, чтобы удерживать тепло в стене дома:

Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица

А как же воздух и газообразные вещества? — спросите вы. Ведь у них коэффициент Лямбда еще меньше? Это верно, Но если мы имеем дело с газами и жидкостями, помимо теплопроводности, здесь надо также учитывать и перемещение тепла внутри них — то есть конвекции (непрерывного движения воздуха, когда более теплый воздух поднимается вверх, а более холодный — опускается).

Подобное явление имеет место в пористых материалах, поэтому они имеют более высокие значения теплопроводности, чем сплошные материалы. Все дело в том, что небольшие частички газа (воздух, углекислый газ) скрываются в пустотах таких материалов. Хотя такое может случится и с другими материалами — в случае если воздушные поры в них будут слишком большими, в них может также начать происходить конвекция.

Разница между теплопроводностью и теплопередачей

Теплопроводность материалов. Как считают? Сравнительная таблица

Помимо коэффициента теплопроводности Лямбда существует также коэффициент теплопередачи U . Они звучат похоже, но обозначают совершенно разные вещи.

Так, если коэффициент теплопроводности является характеристикой определенного материала, то коэффициент теплопередачи U определяет степень теплоизоляции стены или перегородки. Проще говоря — коэффициент теплопроводности является исходным и напрямую влияет на значение коэффициента теплоотдачи U.

Если вам интересно получить больше информации на эту тему, а также узнать: какими материалами лучше всего утеплить ваш дом, в чем отличия между разными типами утеплителей, мы советуем прочитать эту статью.

Расчет толщины стен из различных материалов

Естественно для обеспечения необходимых условий проживания:

— прочности и устойчивости;
— её теплотехнических характеристик;
— комфортности проживания в помещении со стенами из данного материала.

Согласно СНИПу 23-02-2003 нормативное значение сопротивления теплопередаче внешней стены дома зависит от региона. В таблице необходимое сопротивление теплопередаче наружней стены в Красноярске будет 4,84 м2·°C/В.

Вычисляем реальное сопротивление теплопередачи стены дома

Значение коэффициента теплопередачи стен зависит от типа и толщины каждого отдельно взятого материала, используемого для их возведения. Для определения этого коэффициента используют показатель Λ — W/(m²·K), т.е нужно разделить толщину материала (м) на коэффициент теплопроводности.

Пример:
Определим коэффициент теплопередачи наружней стены из 3D-панелей

Backup_of_Схема 3дпанели как несъемная опалубка

Пенополистирол ПСБ-С-25 — 300 мм

Цементная штукатурка — 250 мм

1. В первую очередь следует определить коэффициенты теплопроводности применяемых материалов. Выбираем из таблицы:
пенополистирол ПСБ-С25 — 0,038 Вт/м*К
штукатурка цементная — 0,9 Вт/м*К

2. Теперь определяем коэффициенты сопротивления теплопередачи по формуле:

R =D/λ, где D — толщина слоя в м; λ — коэффициент теплопроводности W/(m²·K) взятый из таблицы

0,30 / 0,038 = 7,89
0,25 / 0,9 = 0,28

Наименование материала Толщина материала, м Коэффициент теплопроводности, Вт/м*К Коэффициент сопротивление теплопередачи, м2 °С/Вт
Пенополистирол ПСБ-С25 0,30 0,038 7,89
Штукатурка цементная 0,25 0,9 0,28

3. Теперь просуммируем полученные величины и узнаем общий коэффициент сопротивление теплопередачи наружней стены 7,89 + 0,28 = 8,17 W/(m²·K)

Коэффициент сопротивление теплопередачи наружной стены из 3D-панелей 8,17 W/(m²·K) Рекомендуемое значение для Красноярска 4,84 (из таблицы), таким образом стена из 3D-панелей не только удовлетворяет «строгому» СНиП 23-02-2003, но и превосходит этот показатель, что гарантирует комфортное проживание в таком доме и позволяет экономить ваши деньги на отоплении и кондиционировании.

Определяем толщину стены из других строительных материалов что бы она соответствовала коэффициенту сопротивление теплопередачи наружней стены 8,17 W/(m²·K), как в 3D-панелях.

Используем формулу: D=λ*R, где
D — толщина слоя в м;
λ — коэффициент теплопроводности, W/(m²·K) взятый из таблицы;
R — Коэффициент сопротивление теплопередачи, м2 °С/Вт (в нашем случае это 8,17)

Наименование материала Коэффициент теплопроводности, Вт/м*К Толщина стены, м
3D-панель 0,55
Липа, береза, клен, дуб (15% влажности) 0,15 1,23
Керамзитобетон 0,2 1,63
Пенобетон 1000 кг/м3 0,3 2,45
Сосна и ель вдоль волокон 0,35 2,86
Дуб вдоль волокон 0,41 3,35
Кладка из кирпича на цементно-песчасном растворе 0,87 7,11
Железобетон 1,7 13,89

Мы видим из таблицы, что при одинаковом коэффициенте сопротивление теплопередачи 8,17 м2 °С/Вт толщина стен из различных строительных материалов разная, что влияет на размеры и стоимость дома.

Толщина стен из 3D-панелей 550 мм, а если взять кирпич без утеплителя то нужно стоить стену толщиной 7110 мм.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *