Добавить в избранное

Измерение плотности тепловых потоков. Тепловой поток

ГОСТ 25380-82

Группа Ж19

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Метод измерения плотности тепловых потоков,

проходящих через ограждающие конструкции

Buildings and structures.

Method of measuring density of heat flows

passing through enclosure structures

Дата введения 1983 - 01-01

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН в действие постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 14 июля 1982 г. № 182

ПЕРЕИЗДАНИЕ. Июнь 1987 г.

Настоящий стандарт устанавливает единый метод определения плотности тепловых потоков, проходящих через однослойные и многослойные ограждающие конструкции жилых, общественных, производственных и сельскохозяйственных зданий и сооружений при экспериментальном исследовании и в условиях их эксплуатации.

Измерения плотности тепловых потоков проводят при температуре окружающего воздуха от 243 до 323 К (от минус 30 до плюс 50°С) и относительной влажности воздуха до 85%.

Измерения плотности тепловых потоков позволяют количественно оценить теплотехнические качества ограждающих конструкций зданий и сооружений и установить реальные расходы тепла через наружные ограждающие конструкции.

Стандарт не распространяется на светопрозрачные ограждающие конструкции.

1.Общие положения

1.1. Метод измерения плотности теплового потока основан на измерении перепада температуры на "вспомогательной стенке" (пластинке), устанавливаемой на ограждающей конструкции здания. Этот температурный перепад, пропорциональный в направлении теплового потока его плотности, преобразуется в э.д.с. батарей термопар, расположенных во "вспомогательной стенке" параллельно по тепловому потоку и соединенных последовательно по генерируемому сигналу. "Вспомогательная стенка" и батарея термопар образуют преобразователь теплового потока

1.2. Плотность теплового потока отсчитывается по шкале специализированного прибора, в состав которого входит преобразователь теплового потока, или рассчитывается по результатам измерения э.д.с. на предварительно отградуированных преобразователях теплового потока.

Схема измерения плотности теплового потока приведена на чертеже.

Схема измерения плотности теплового потока

1 - ограждающая конструкция; 2 -преобразователь теплового потока; 3 - измеритель э.д.с.;

Температура внутреннего и наружного воздуха; , , - температура наружной,

внутренней поверхностей ограждающей конструкции вблизи и под преобразователем соответственно;

Термическое сопротивление ограждающей конструкции и преобразователя теплового потока;

Плотность теплового потока до и после закрепления преобразователя.

2. Аппаратура

2.1. Для измерения плотности тепловых потоков применяют прибор ИТП-11 (допускается применение предшествующей модели прибора ИТП-7) по техническим условиям.

Технические характеристики прибора ИТП-11 приведены в справочном приложении 1.

2.2. При теплотехнических испытаниях ограждающих конструкций допускается проводить измерения плотности тепловых потоков при помощи отдельно изготовленных и отградуированных преобразователей теплового потока с термическим сопротивлением до 0,025-0,06 (кв.м )/Вт и приборов, измеряющих э.д.с., генерируемую преобразователями.

Допускается применение преобразователя, используемого в установке для определения теплопроводности по ГОСТ 7076-78.

2.3. Преобразователи теплового потока по п.2.2 должны удовлетворять следующим основным требованиям:

материалы для "вспомогательной стенки" (пластинки) должны сохранять свои физико-механические свойства при температуре окружающего воздуха от 243 до 323 К (от минус 30 до плюс 50°С);

материалы не должны смачиваться и увлажняться водой в жидкой и парообразной фазах;

отношение диаметра преобразователя к его толщине должно быть не менее 10;

преобразователи должны иметь охранную зону, расположенную вокруг батареи термопар, линейный размер которой должен составлять не менее 30% радиуса или половины линейного размера преобразователя;

каждый изготовленный преобразователь теплового потока должен быть отградуирован в организациях, которые в установленном порядке получили право на выпуск этих преобразователей;

в указанных выше условиях внешней среды градуировочные характеристики преобразователя должны сохраняться не менее одного года.

2.4. Градуировку преобразователей по п.2.2 допускается проводить на установке для определения теплопроводности по ГОСТ 7076-78, в которой плотность теплового потока рассчитывают по результатам измерения температурного перепада на эталонных образцах материалов, аттестованных по ГОСТ 8.140-82 и установленных вместо испытуемых образцов. Метод градуировки преобразователя теплового потока приведен в рекомендуемом приложении 2.

2.5. Проверка преобразователей производится не реже одного раза в год, как это указано в пп. 2.3, 2.4.

2.6. Для измерения э.д.с. преобразователя теплового потока допускается использовать переносной потенциометр ПП-63 по ГОСТ 9245-79, цифровые вольтамперметры В7-21, Ф30 или другие измерители э.д.с., у которых расчетная погрешность в области измеряемых э.д.с. преобразователя теплового потока не превышает 1% и входное сопротивление не менее чем в 10 раз превышает внутреннее сопротивление преобразователя.

При теплотехнических испытаниях ограждающих конструкций с использованием отдельных преобразователей предпочтительно применять автоматические регистрирующие системы и приборы.

3.Подготовка к измерению

3.1. Измерение плотности тепловых потоков проводят, как правило, с внутренней стороны ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Допускается проведение измерений плотности тепловых потоков с наружной стороны ограждающих конструкций в случае невозможности проведения их с внутренней стороны (агрессивная среда, флуктуации параметров воздуха) при условии сохранения устойчивой температуры на поверхности. Контроль условий теплообмена проводят с помощью термощупа и средств для измерения плотности теплового потока: при измерении в течение 10 мин их показания должны быть в пределах погрешности измерений приборов.

3.2. Участки поверхности выбирают специфические или характерные для всей испытываемой ограждающей конструкции в зависимости от необходимости измерения локальной или усредненной плотности теплового потока.

Выбранные на ограждающей конструкции участки для измерений должны иметь поверхностный слой из одного материала, одинаковой обработки и состояния поверхности, иметь одинаковые условия по лучистому теплообмену и не должны находиться в непосредственной близости от элементов, которые могут изменить направление и значение тепловых потоков.

3.3. Участки поверхности ограждающих конструкций, на которые устанавливают преобразователь теплового потока, зачищают до устранения видимых и осязаемых на ощупь шероховатостей.

3.4. Преобразователь плотно прижимают по всей его поверхности к ограждающей конструкции и закрепляют в этом положении, обеспечивая постоянный контакт преобразователя теплового потока с поверхностью исследуемых участков в течение всех последующих измерений.

При креплении преобразователя между ним и ограждающей конструкцией не допускается образование воздушных зазоров. Для исключения их на участке поверхности в местах измерений наносят тонкий слой технического вазелина, перекрывающий неровности поверхности.

Преобразователь может быть закреплен по его боковой поверхности при помощи раствора строительного гипса, технического вазелина, пластилина, штанги с пружиной и других средств, исключающих искажение теплового потока в зоне измерения.

3.5. При оперативных измерениях плотности теплового потока незакрепленную поверхность преобразователя склеивают слоем материала или закрашивают краской с той же или близкой степенью черноты с различием 0,1, что и у материала поверхностного слоя ограждающей конструкции.

3.6. Отсчетное устройство располагают на расстоянии 5-8 м от места измерения или в соседнем помещении для исключения влияния наблюдателя на значение теплового потока.

3.7. При использовании приборов для измерения э.д.с., имеющих ограничения по температуре окружающего воздуха, их располагают в помещении с температурой воздуха, допустимой для эксплуатации этих приборов, и подключение к ним преобразователя теплового потока производят при помощи удлинительных проводов.

При проведении измерений прибором ИТП-1 преобразователь теплового потока и измерительное устройство располагают в одном помещении независимо от температуры воздуха в помещении.

3.8. Аппаратуру по п.3.7 подготавливают к работе в соответствии с инструкцией по эксплуатации соответствующего прибора, в том числе учитывают необходимое время выдержки прибора для установления в нем нового температурного режима.

4.Проведение измерений

4.1. Измерение плотности теплового потока проводят:

при использовании прибора ИТП-11 - после восстановления условий теплообмена в помещении вблизи контрольных участков ограждающих конструкций, искаженных при выполнении подготовительных операций, и после восстановления непосредственно на исследуемом участке прежнего режима теплообмена, нарушенного при креплении преобразователя;

при теплотехнических испытаниях с использованием преобразователей теплового потока по п.2.2 - после наступления нового установившегося режима теплообмена под преобразователем.

После выполнения подготовительных операций по пп. 3.2-3.5 при использовании прибора ИТП-11 режим теплообмена на участке измерения восстанавливается ориентировочно через 5 - 10 мин, при использовании преобразователей теплового потока по п.2.2 - через 2-6 ч.

Показателем завершения переходного режима теплообмена и возможности проведения измерений плотности теплового потока может считаться повторяемость результатов измерения плотности тепловых потоков в пределах установленной погрешности измерения.

4.2. При измерении теплового потока в ограждающей конструкции с термическим сопротивлением менее 0,6 (кв.м )/Вт одновременно измеряют с помощью термопар температуру ее поверхности на расстоянии 100 мм от преобразователя , под ним и температуру внутреннего и наружного воздуха на расстоянии 100 мм от стены.

5. Обработка результатов

5.1. При использовании приборов ИТП-11 непосредственно по шкале прибора получают значение плотности тепловых потоков (Вт/кв.м).

5.2. При использовании отдельных преобразователей и милливольтметров для измерения э.д.с. плотность теплового потока, проходящего через преобразователь, , Вт/кв.м, рассчитывают по формуле

(1)

5.3. Определение градуировочного коэффициента преобразователя с учетом температуры испытаний производят по рекомендуемому приложению 2.

5.4. Значение плотности теплового потока , Вт/кв.м, при измерениях по п.4.3 вычисляют по формуле

(2)

где -

и -

температура наружного воздуха напротив преобразователя, К (°С);

температура поверхности на участке измерения вблизи преобразователя и под преобразователем соответственно, К (°С).

5.5. Результаты измерений записывают по форме, приведенной в рекомендуемом приложении 3.

5.6. За результат определения плотности теплового потока принимают среднее арифметическое значение результатов пяти измерений при одном положении преобразователя на ограждающей конструкции.

Приложение 1

Справочное

Технические характеристики прибора ИТП-11

Прибор ИТП-11 представляет собой совокупность преобразователя теплового потока в электрический сигнал постоянного тока с измерительным устройством, шкала которого проградуирована в единицах плотности теплового потока.

1. Пределы измерения плотности теплового потока: 0-50; 0-250 Вт/кв.м.

2. Цена деления шкалы прибора: 1; 5 Вт/кв.м.

3. Основная погрешность прибора в процентах при температуре воздуха 20 °С.

4. Дополнительная погрешность от изменения температуры воздуха, окружающего измерительное устройство, не превышает 1% на каждые 10 K (°С) изменения температуры в диапазоне от 273 до 323 K (от 0 до 50°С).

Дополнительная погрешность от изменения температуры преобразователя теплового потока не превышает 0,83% на 10 K (°С) изменения температуры в диапазоне от 273 до 243 K (от 0 до минус 30 °С).

5. Термическое сопротивление преобразователя теплового потока - не более 3·10 (кв/м· K)/Вт.

6. Время установления показаний - не более 3,5 мин.

7.Габаритные размеры футляра - 290х175х100 мм.

8. Габаритные размеры преобразователя теплового потока: диаметр 27 мм, толщина 1,85 мм.

9. Габаритные размеры измерительного устройства - 215х115х90 мм.

10 Длина соединительного электрического провода - 7 м.

11. Масса прибора без футляра - не более 2,5 кг.

12. Источник питания - 3 элемента "316".

Приложение 2

Метод градуировки преобразователя теплового потока

Изготовленный преобразователь теплового потока подвергают градуировке на установке для определения теплопроводности строительных материалов по ГОСТ 7076-78, в которой вместо испытуемого образца устанавливают градуируемый преобразователь и эталонный образец материала по ГОСТ 8.140-82.

При градуировке пространство между термостатирующей плитой установки и эталонным образцом за пределами преобразователя должно быть заполнено материалом, близким по теплофизическим свойствам к материалу преобразователя, с тем, чтобы обеспечить одномерность проходящего через него теплового потока на рабочем участке установки. Измерение э.д.с. на преобразователе и эталонном образце осуществляется одним из приборов, перечисленных в п.2.6 настоящего стандарта.

Градуировочный коэффициент преобразователя , Вт/(кв.м·мВ) при данной средней температуре опыта находят по результатам измерений плотности теплового потока и э.д.с. по следующему соотношению

Плотность теплового потока рассчитывают по результатам измерения температурного перепада на эталонном образце по формуле


где		теплопроводность материала эталона, Вт/(м.K);
		температура верхней и нижней поверхностей эталона соответственно, K(°С);
		толщина эталона, м.

Среднюю температуру в опытах при градуировке преобразователя рекомендуется выбирать в интервале от 243 до 323 K (от минус 30 до плюс 50 °С) и выдерживать ее с отклонением не более ±2 K (°C).

За результат определения коэффициента преобразователя принимают среднее арифметическое значение величин, вычисленных по результатам измерений не менее чем 10 опытов. Число значащих цифр в значении градуировочного коэффициента преобразователя берется в соответствии с погрешностью измерения.

Температурный коэффициент преобразователя , K (), находят по результатам измерений э.д.с. в градуировочных опытах при различных средних температурах преобразователя по соотношению


где ,	Средние температуры преобразователя в двух опытах, K (°С);
	Градуировочные коэффициенты преобразователя при средней температуре соответственно и , Вт/(кв.м·В).

Различие между средними температурами и должно быть не менее чем 40 K (°C).

За результат определения температурного коэффициента преобразователя принимают среднее арифметическое значение плотности, вычисленное по результатам не менее чем 10 опытов с различной средней температурой преобразователя.

Значение градуировочного коэффициента преобразователя теплового потока при температуре испытаний , Вт/(кв.м·мВ), находят по следующей формуле

где

(Значение градуировочного коэффициента преобразователя при температуре испытаний

Вт/(кв.м·мВ)

Тип и номер измерительного прибора


Вид ог- раждаю-		Показание прибора, мВ		Значение плотности теплового потока
щей конст-	Номер участка	Номер измерения	Среднее по участку	отсчитанное по шкале	действительное
рукции

Подпись оператора ___________________

Дата проведения измерений ___________

Текст документа сверен по:

официальное издание

Госстрой СССР -

М.: Издательство стандартов, 1988

I. Измерение плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции. ГОСТ 25380-82.

Тепловой поток — количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени. Тепловой поток измеряется в ваттах или ккал/ч (1 вт = 0,86 ккал/ч). Тепловой поток, отнесённый к единице изотермической поверхности, называетсяплотностью теплового потока или тепловой нагрузкой; обозначается обычно q, измеряется в Вт/м2 или ккал/(м2×ч). Плотность теплового потока — вектор, любая компонента которого численно равна количеству теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению взятой компоненты.

Измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции, производятся в соответствии с ГОСТ 25380-82 "Здания и сооружения. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции".

Плотность теплового потока отсчитывается по шкале специализированного прибора, в состав которого входит преобразователь теплового потока, или рассчитывается по результатам измерения э.д.с. на предварительно отградуированных преобразователях теплового потока.

Схема измерения плотности теплового потока приведена на чертеже.

1 — ограждающая конструкция; 2 —преобразователь теплового потока; 3 — измеритель э.д.с.;

tв, tн — температура внутреннего и наружного воздуха;

τн, τв, τ"в — температура наружной, внутренней поверхностей ограждающей конструкции вблизи и под преобразователем соответственно;

R1, R2 — термическое сопротивление ограждающей конструкции и преобразователя теплового потока;

q1, q2 — плотность теплового потока до и после закрепления преобразователя

II. Инфракрасное излучение. Источники. Защита.

Защита от инфракрасных излучений на рабочих местах.

Источником инфракрасного излучения (ИК) является любое нагре-тое тело, температура которого определяет интенсивность и спектр излучаемой электромагнитной энергии. Длина волны с максимальной энергией теплового излучения определяется по формуле:

λmах = 2,9-103 / T [мкм] (1)

где Т — абсолютная температура излучающего тела, К.

Инфракрасное излучение подразделяется на три области:

· коротковолновая (X = 0,7 — 1,4 мкм);

· средневолновая (к = 1,4 — 3,0 мкм):

· длинноволновая (к = 3,0 мкм — 1,0 мм).

Электрические волны инфракрасного диапазона оказывают в основном тепловое воздействие на организм человека. При этом необ-ходимо учитывать: интенсивность и длину волны с максимальной энер-гией; площадь излучаемой поверхности; длительность облучения за рабочий день и продолжительность непрерывного воздействия; интенсив-ность физического труда и подвижность воздуха на рабочем месте; качество спецодежды; индивидуальные особенности работающего.

Лучи коротковолнового диапазона с длиной волны λ ≤ 1,4 мкм об-ладают способностью проникать в ткань человеческого организма на несколько сантиметров. Такое ИК излучение легко проникает через ко-жу и черепную коробку в мозговую ткань и может воздействовать на клетки головного мозга, вызывая его тяжелые поражения, симптомами которых являются рвота, головокружение, расширение кровеносных со-судов кожи, падение кровеносного давления, нарушение кровообраще-ния и дыхания, судороги, иногда потеря сознания. При облучении ко-ротковолновыми ИК лучами наблюдается также повышение температуры легких, почек, мышц и других органов. В крови, лимфе, спинномозговой жидкости появляются специфические биологически активные вещества, наблюдается нарушение обменных процессов, из-меняется функциональное состояние центральной нервной системы.

Лучи средневолнового диапазона с длиной волны λ = 1,4 — 3,0 мкм задерживаются в поверхностных слоях кожи на глубине 0,1 — 0,2 мм. Поэтому их физиологическое воздействие на организм проявляется главным образом в повышении температуры кожи и нагреве организма.

Наиболее интенсивный нагрев кожной поверхности человека про-исходит при ИК излучении с λ > 3 мкм. Под его воздействием наруша-ется деятельность сердечно-сосудистой и дыхательной систем, а также тепловой баланс организма, что может привести к тепловому удару.

Интенсивность теплового излучения регламентируется, исходя из субъективного ощущения человеком энергии облучения. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования и осветитель-ных приборов не должна превышать: 35 Вт/м2 при облучении более 50% поверхности тела; 70 Вт/м2 при облучении от 25 до 50% поверхности тела; 100 Вт/м2при облучении не более 25%> поверхности тела. От от-крытых источников (нагретые металл и стекло, открытое пламя) интен-сивность теплового облучения не должна превышать 140 Вт/м2 при об-лучении не более 25% поверхности тела и обязательном использовании средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.

Нормы ограничивают также температуру нагретых поверхностей оборудования в рабочей зоне, которая не должна превышать 45 °С.

Температура поверхности оборудования, внутри которого температура близка к 100 0С, должна быть не выше 35 0С.

q = 0,78 х S х (T4 х 10-8 — 110) / r2 [Вт/м2] (2)

К основным видам защиты от инфракрасного излучения относятся:

1. защита временем;

2. защита расстоянием;

3. экранирование, теплоизоляция или охлаждение горячих поверх-ностей;

4. увеличение теплоотдачи тела человека;

5. индивидуальные средства защиты;

6. устранение источника тепловыделения.

Защита временем предусматривает ограничение времени пребыва-ния работающего в зоне действия излучения. Безопасное время пребы-вания человека в зоне действия ИК излучения зависит от его интенсив-ности (плотности потока) и определяется по табл.1.

Таблица 1

Время безопасного пребывания людей в зоне ИК излучения

Безопасное расстояние определяется по формуле (2) в зависимости от длительности пребывания в рабочей зоне и допустимой плотности ИК излучения.

Мощность ИК излучения можно уменьшить путем конструктор-ских и технологических решений (замена режима и способа нагрева из-делий и др.), а также покрытием нагревающихся поверхностей тепло-изолирующими материалами.

Различают экраны трех типов:

· непрозрачные;

· прозрачные;

· полупрозрачные.

В непрозрачных экранах энергия электромагнитных колебаний, взаимодействуя с веществом экрана, превращается в тепловую. При этом экран нагревается и, как всякое нагретое тело, становится источ-ником теплового излучения. Излучение противолежащей источнику по-верхностью экрана условно рассматривается как пропущенное излуче-ние источника. К непрозрачным экранам относятся: металлические, альфолевые (из алюминиевой фольги), пористые (пенобетон, пеностек-ло, керамзит, пемза), асбестовые и другие.

В прозрачных экранах излучение распространяется внутри них по законам геометрической оптики, что и обеспечивает видимость через экран. Эти экраны изготавливают из различных стекол, применяют так-же пленочные водяные завесы (свободные и стекающие по стеклу).

Полупрозрачные экраны объединяют свойства прозрачных и не-прозрачных экранов. К ним относятся металлические сетки, цепные за-весы, экраны из стекла, армированного металлической сеткой.

· теплоотражающие;

· теплопоглощающие;

· теплоотводящие.

Это деление достаточно условно, так как каждый экран обладает способностью отражать, по-глощать и отводить тепло. Отнесение экрана к той или иной группе оп-ределяется тем, какая его способность выражена сильнее.

Теплоотражающие экраны имеют низкую степень черноты поверх-ностей, вследствие чего значительную часть падающей на них лучистой энергии они отражают в обратном направлении. В качестве теплоотражающих материалов используют альфоль, листовой алюминий, оцинко-ванную сталь.

Теплопоглощающими называют экраны, выполненные из материа-лов с высоким термическим сопротивлением (малым коэффициентом теплопроводности). В качестве теплопоглощающих материалов исполь-зуют огнеупорный и теплоизоляционный кирпич, асбест, шлаковату.

Как теплоотводящие экраны наиболее широко применяются водя-ные завесы, свободно падающие в виде пленки, либо орошающие дру-гую экранирующую поверхность (например, металлическую), либо за-ключенные в специальный кожух из стекла или металла.

Э = (q - q3) / q (3)

Э = (t - t3) / t (4)

q3 — плотность потока ИК излучения с применением защиты, Вт/м2;

t — температура ИК излучения без применения защиты, °С;

t3 — темпера-тура ИК излучения с применением защиты, °С.

Поток воздуха, направленный непосредственно на работающего, позволяет увеличить отвод тепла от его тела в окружающую среду. Вы-бор скорости потока воздуха зависит от тяжести выполняемой работы и интенсивности ИК излучения, но она не должна превышать 5 м/с, так как в этом случае у работающего возникают неприятные ощущения (например, шум в ушах). Эффективность воздушных душей возрастает при охлаждении направляемого на рабочее место воздуха или при под-мешивании к нему мелко распыленной воды (водовоздушный душ).

В качестве индивидуальных средств защиты применяется спец-одежда из хлопчатобумажной и шерстяной тканей, из тканей с металли-ческим покрытием (отражающих до 90% ИК излучения). Для защиты глаз предназначены очки, щиты со специальными стеклами — свето-фильтрами желто-зеленого или синего цвета.

Лечебно-профилактические мероприятия предусматривают орга-низацию рационального режима труда и отдыха. Длительность переры-вов в работе и их частота определяются интенсивностью ИК излучения и тяжестью работы. Наряду с периодическими проверками проводятся медосмотры с целью профилактики профессиональных заболеваний.

III. Используемые контрольно-измерительные приборы.

Для измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции, и проверки свойств теплозащитных экранов нашими специалистами были разработаны приборы серии .

Область применения:

Приборы серии ИПП-2 нашли широкое применение в строительстве, научных организациях, на различных объектах энергетики и во многих других отраслях.

Измерение плотности теплового потока, как показателя теплоизоляционных свойств различных материалов, приборами серии ИПП-2 производят при:

Испытаниях ограждающих конструкций;

Определении тепловых потерь в водяных тепловых сетях;

Проведении лабораторных работ в ВУЗах (кафедры «Безопасность жизнедеятельности», «Промышленная экология» и др.).

На рисунке приведен опытный образец стенда "Определение параметров воздуха рабочей зоны и защита от тепловых воздействий" БЖЗ 3 (призводство ООО «Интос+»).

Стенд содержит источник теплового излучения в виде бытового рефлектора, перед которым устанавливается теплозащитный экран из различных материалов (ткань, металлический лист, набор цепей и др.). За экраном на различных расстояниях от него внутри модели помещения размещается прибор ИПП-2, измеряющий плотность теплового потока. Сверху над моделью помещения размещается вытяжной зонт с вентилятором. Измерительный прибор ИПП-2 имеет дополнительный датчик, позволяющий измерять температуру воздуха внутри помещения. Таким образом, стенд БЖЗ 3 позволяет количественно оценивать эффективность различных типов тепловой защиты и локальной вентиляционной системы.

Стенд позволяет измерять интенсивность теплового излучения в зависимости от расстояния до источника, определять эффективность защитных свойств экранов из различных материалов.

IV. Принцип действия и конструктивное исполнение прибора ИПП-2.

Конструктивно измерительный блок прибора выполняется в пластмассовом корпусе.

Принцип действия прибора основан на измерении перепада температур на «вспомогательной стенке». Величина температурного перепада пропорциональна плотности теплового потока. Измерение температурного перепада осуществляется с помощью ленточной термопары, расположенной внутри пластинки зонда, выступающей в роли «вспомогательной стенки».

В рабочем режиме прибором производится циклическое измерение выбранного параметра. Осуществляется переход между режимами измерения плотности теплового потока и температуры, а также индикации заряда аккумуляторов в процентах 0%…100%. При переходе между режимами на индикаторе отображается соответствующая надпись выбранного режима. Прибор также может производить периодическую автоматическую запись измеренных значений в энергонезависимую память с привязкой ко времени. Включение/выключение записи статистики, настройка параметров записи, считывание накопленных данных осуществляется с помощью программного обеспечения, поставляемого по заказу.

Особенности:

Возможность установки порогов звуковой и световой сигнализации. Пороги - это верхняя или нижняя границы допустимого изменения соответствующей величины. При нарушении верхнего или нижнего порогового значения прибор обнаруживает это событие и на индикаторе загорается светодиод. При соответствующей настройке прибора нарушение порогов сопровождается звуковым сигналом.

· Передача измеренных значений на компьютер по интерфейсу RS 232.

Достоинством прибора является возможность попеременного подключения к прибору до 8-ми различных зондов теплового потока. Каждый зонд (датчик) имеет свой индивидуальный калибровочный коэффициент (коэффициент преобразования Kq), показывающий, насколько напряжение с датчика изменяется относительно теплового потока. Данный коэффициент используется прибором для построения калибровочной характеристики зонда, по которой определяется текущее измеренное значение теплового потока.

Модификации зондов для измерения плотности теплового потока:

Зонды теплового потока предназначены для проведения измерений поверхностной плотности теплового потока по ГОСТ 25380-92.

Внешний вид зондов теплового потока

1. Зонд теплового потока прижимного типа с пружиной ПТП-ХХХП выпускается в следующих модификациях (в зависимости от диапазона измерения плотности теплового потока):

— ПТП-2.0П: от 10 до 2000 Вт/м2;

— ПТП-9,9П: от 10 до 9999 Вт/м2.

2. Зонд теплового потока в виде «монеты» на гибком кабеле ПТП-2.0.

Диапазон измерения плотности теплового потока: от 10 до 2000 Вт/м2.

Модификации зондов для измерения температуры:

Внешний вид зондов для измерения температуры

1. Погружные термопреобразователи ТПП-А-D-L на основе терморезистора Pt1000(термопреобразователи сопротивления) и термопреобразователи ТХА-А-D-L на основе термопары ХА (термопреобразователи электрические) предназначены для измерения температуры различных жидких и газообразных сред, а также сыпучих материалов.

Диапазон измерения температуры:

— для ТПП-А-D-L: от —50 до +150 °С;

— для ТХА-А-D-L: от —40 до +450 °С.

Габаритные размеры:

— D (диаметр): 4, 6 или 8 мм;

— L (длина): от 200 до 1000 мм.

2. Термопреобразователь ТХА-А-D1/D2-LП на основе термопары ХА(термопреобразователь электрический) предназначен для измерения температуры плоской поверхности.

Габаритные размеры:

— D1 (диаметр «металлического штыря»): 3 мм;

— D2 (диаметр основания - «пятачка»): 8 мм;

— L (длина «металлического штыря»): 150 мм.

3. Термопреобразователь ТХА-А-D-LЦ на основе термопары ХА (термопреобразователь электрический) предназначен для измерения температуры цилиндрических поверхностей.

Диапазон измерения температуры: от —40 до +450 °С.

Габаритные размеры:

— D (диаметр) - 4 мм;

— L (длина «металлического штыря»): 180 мм;

— ширина ленты - 6 мм.

В комплект поставки прибора для измерения плотности тепловой нагрузки среды входят:

2. Зонд для измерения плотности теплового потока.*

3. Зонд для измерения температуры.*

4. Программное обеспечение.**

5. Кабель для подключения к персональному компьютеру. **

6. Свидетельство о калибровке.

7. Руководство по эксплуатации и паспорт на прибор ИПП-2.

8. Паспорт на преобразователи термоэлектрические (температурные зонды).

9. Паспорт на зонд плотности теплового потока.

10. Сетевой адаптер.

* - Диапазоны измерения и конструкция зондов определяются на этапе заказа

** - Позиции поставляются по специальному заказу.

V. Подготовка прибора к работе и проведение измерений.

Подготовка прибора к работе.

Извлечь прибор из упаковочной тары. Если прибор внесен в теплое помещение из холодного, необходимо дать прибору прогреться до комнатной температуры в течение 2-х часов. Полностью зарядить аккумулятор в течение четырех часов. Поместить зонд в том месте, где будут производится измерения. Подключить зонд к прибору. Если предполагается работа прибора в комплексе с персональным компьютером, необходимо с помощью соединительного кабеля подключить прибор к свободному СОМ порту компьютера. Подключить к прибору сетевой адаптер и установить программное обеспечение в соответствии с описанием. Включить прибор коротким нажатием кнопки. При необходимости настроить прибор в соответствии с пунктом 2.4.6. Руководства по эксплуатации. При работе с персональным компьютером настроить сетевой адрес и скорость обмена прибора в соответствии с пунктом 2.4.8. Руководства по эксплуатации. Приступить к измерениям.

Ниже приведена схема переключений в режиме "Работа".

Подготовка и проведение измерений при теплотехнических испытаниях ограждающих конструкций.

1. Измерение плотности тепловых потоков проводят, как правило, с внутренней стороны ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Допускается проведение измерений плотности тепловых потоков с наружной стороны ограждающих конструкций в случае невозможности проведения их с внутренней стороны (агрессивная среда, флуктуации параметров воздуха) при условии сохранения устойчивой температуры на поверхности. Контроль условий теплообмена проводят с помощью термощупа и средств для измерения плотности теплового потока: при измерении в течение 10 мин. их показания должны быть в пределах погрешности измерений приборов.

2. Участки поверхности выбирают специфические или характерные для всей испытываемой ограждающей конструкции в зависимости от необходимости измерения локальной или усредненной плотности теплового потока.

3. Участки поверхности ограждающих конструкций, на которые устанавливают преобразователь теплового потока, зачищают до устранения видимых и осязаемых на ощупь шероховатостей.

4. Преобразователь плотно прижимают по всей его поверхности к ограждающей конструкции и закрепляют в этом положении, обеспечивая постоянный контакт преобразователя теплового потока с поверхностью исследуемых участков в течение всех последующих измерений.

5. При оперативных измерениях плотности теплового потока незакрепленную поверхность преобразователя склеивают слоем материала или закрашивают краской с той же или близкой степенью черноты с различием 0,1, что и у материала поверхностного слоя ограждающей конструкции.

6. Отсчетное устройство располагают на расстоянии 5-8 м от места измерения или в соседнем помещении для исключения влияния наблюдателя на значение теплового потока.

7. При использовании приборов для измерения э.д.с., имеющих ограничения по температуре окружающего воздуха, их располагают в помещении с температурой воздуха, допустимой для эксплуатации этих приборов, и подключение к ним преобразователя теплового потока производят при помощи удлинительных проводов.

8. Аппаратуру по п.7 подготавливают к работе в соответствии с инструкцией по эксплуатации соответствующего прибора, в том числе учитывают необходимое время выдержки прибора для установления в нем нового температурного режима.

Подготовка и проведение измерений

(при проведении лабораторных работ на примере лабораторной работы "Исследование средств защиты от инфракрасного излучения").

Подключить источник ИК излучения к розетке. Включить ис-точник ИК излучения (верхнюю часть) и измеритель плотности тепло-вого потока ИПП-2.

Установить головку измерителя плотности теплового потока на расстоянии 100 мм от источника ИК излучения и определить плотность теплового потока (среднее значение трех — четырех замеров).

Вручную переместить штатив вдоль линейки, установив головку измерителя на расстояниях от источника излучения, указанных в форме таблицы 1, и повторить измерения. Данные замеров занести в форму таблицу 1.

Построить график зависимости плотности потока ИК излучения от расстояния.

Повторить измерения по пп. 1 — 3 с различными Данные замеров занести в форму таблицы 1. Построить графики зависимости плотности потока ИК излучения от расстояния для каждо-го экрана.

Форма таблицы 1

Оценить эффективность защитного действия экранов по фор-муле (3).

Установить защитный экран (по указанию преподавателя), размес-тить на нем широкую щетку пылесоса. Включить пылесос в режим отбора воздуха, имитируя устройство вытяжной вентиляции, и спустя 2-3 минуты (после установления теплового режима экрана) определить интенсивность теплового излучения на тех же расстояниях, что и в п. 3. Оценить эффек-тивность комбинированной тепловой защиты по формуле (3).

Зависимость интенсивности теплового излучения от расстояния для заданного экрана в режиме вытяжной вентиляции нанести на общий график (см. п. 5).

Определить эффективность защиты, измеряя температуру для заданного экрана с использованием вытяжной вентиляции и без нее по формуле (4).

Построить графики эффективности защиты вытяжной вентиля-ции и без нее.

Перевести пылесос в режим "воздуходувки" и включить его. Направляя поток воздуха на поверхность заданного защитного экрана (режим душирования), повторить измерения в соответствии с пп. 7 — 10. Сравнить результаты измерений пп. 7-10.

Закрепить шланг пылесоса на одной из стоек и включить пыле-сос в режиме "воздуходувки", направив поток воздуха почти перпенди-кулярно тепловому потоку (немного навстречу) — имитация воздушной завесы. С помощью измерителя ИПП-2 измерить температуру ИК из-лучения без "воздуходувки" и с ней.

Построить графики эффективности защиты "воздуходувки" по формуле (4).

VI. Результаты измерений и их интерпретация

(на примере проведения лабораторной работы на тему «Исследование средств защиты от инфракрасного излучения» в одном из технических ВУЗов г. Москвы).

Стол. Электрокамин ЭКСП-1,0/220. Стойка для размещения сменных экранов. Стойка для установки измерительной головки. Измеритель плотности теплового потока ИПП-2М. Линейка. Пылесос Тайфун-1200.

Интенсивность (плотность потока) ИК излучения q определяется по формуле:

q = 0,78 х S х (T4 х 10-8 — 110) / r2 [Вт/м2]

где S — площадь излучающей поверхности, м2;

Т — температура излу-чающей поверхности, К;

r — расстояние от источника излучения, м.

Одним из наиболее распространенных видов защиты от ИК излу-чения является экранирование излучающих поверхностей.

Различают экраны трех типов:

· непрозрачные;

· прозрачные;

· полупрозрачные.

По принципу действия экраны подразделяются на:

· теплоотражающие;

· теплопоглощающие;

· теплоотводящие.

Таблица 1

Эффективность защиты от теплового излучения с помощью экра-нов Э определяется по формулам:

Э = (q - q3) / q

где q — плотность потока ИК излучения без применения защиты, Вт/м2;

q3 — плотность потока ИК излучения с применением защиты, Вт/м2.

Типы защитных экранов (непрозрачные):

1. Экран смешанный - кольчуга.

Э кольчуга = (1550 - 560) / 1550 = 0,63

2. Экран металлический с зачерненной поверхностью.

Э al+покр. = (1550 - 210) / 1550 = 0,86

3. Экран теплоотражающий алюминиевый.

Э al = (1550 - 10) / 1550 = 0,99

Построим график зависимости плотности потока ИК излучения от расстояния для каждого экрана.

Без защиты

Как мы видим, эффективность защитного действия экранов различается:

1. Минимальное защитное действие у смешанного экрана - кольчуга - 0,63;

2. Экран алюминиевый с зачерненной поверхностью - 0,86;

3. Наибольшим защитным действием обладает экран теплоотражающий алюминиевый - 0,99.

При оценке теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений и установлении реальных расходов тепла через наружные ограждающие конструкции используются следующие основные нормативные документы:

· ГОСТ 25380-82. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции.

При оценке теплотехнических качеств различных средств защиты от инфракрасного излучения используются следующие основные нормативные документы:

· ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования.

· ГОСТ 12.4.123-83. ССБТ. Средства защиты от инфракрасного излучения. Классификация. Общие технические требования.

· ГОСТ 12.4.123-83 «Система стандартов безопасности труда. Средства коллективной защиты от инфракрасных излучений. Общие технические требования».

ГОСТ 25380-2014

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ

Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции

Buildings and structures. Method of measuring density of heat flows passing through enclosing structures

МКС 91.040.01

Дата введения 2015-07-01

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-92 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2-2009 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила, рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены"

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным бюджетным учреждением "Научно- исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН) при участии ООО "СКБ Стройприбор"

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 "Строительство"

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 30 сентября 2014 г. N 70-П)

За принятие проголосовали:


Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97		Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
		Минэкономики Республики Армения
Беларусь		Госстандарт Республики Беларусь
Киргизия		Кыргызстандарт
		Молдова-Стандарт
		Росстандарт

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 октября 2014 г. N 1375-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 25380-2014 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2015 г.

5 ВЗАМЕН ГОСТ 25380-82

(Поправка. ИУС N 7-2015).

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 7, 2015 год

Поправка внесена изготовителем базы данных

Введение

Создание стандарта на метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции, базируется на требованиях Федерального закона N 384-ФЗ от 30 декабря 2009 г . N 384-ФЗ* "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений", согласно которому здания и сооружения, с одной стороны, должны исключать в процессе эксплуатации нерациональный расход энергетических ресурсов, а с другой - не создавать условия для недопустимого ухудшения параметров среды обитания людей и условий производственно-технологических процессов.
_______________
* Текст документа соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Настоящий стандарт разработан с целью установления единого метода измерения в лабораторных и натурных условиях плотности тепловых потоков, проходящих через ограждения отапливаемых зданий и сооружений, позволяющего количественно оценить теплотехнические качества зданий и сооружений и соответствие их ограждающих конструкций нормативным требованиям, указанным в действующих нормативных документах, определить реальные потери тепла через наружные ограждающие конструкции, проверить проектные конструктивные решения и их реализацию в построенных зданиях и сооружениях.

Стандарт является одним из базовых стандартов, обеспечивающих параметрами энергетический паспорт и энергетический аудит эксплуатируемых зданий и сооружений.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает единый метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через однослойные и многослойные ограждающие конструкции жилых, общественных, производственных и сельскохозяйственных зданий и сооружений при экспериментальном исследовании и в условиях их эксплуатации.

Стандарт распространяется на ограждающие конструкции отапливаемых зданий, испытываемые в условиях климатических воздействий в климатических камерах и при натурных теплотехнических исследованиях в условиях эксплуатации.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.140-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерения теплопроводности твердых тел от 0,1 до 5 Вт/(м·К) в диапазоне температур от 90 до 500 К и от 5 до 20 Вт/(м·К) в диапазоне температур от 300 до 1100 К

ГОСТ 6651-2009 Термопреобразователи сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний

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

ГОСТ 8711-93 Приборы аналоговые показывающие электроизмерительные прямого действия и вспомогательные части к ним. Часть 2. Особые требования к амперметрам и вольтметрам

ГОСТ 9245-79 Потенциометры постоянного тока измерительные. Общие технические условия

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов по указателю "Национальные стандарты", составленному по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 тепловой поток , Вт : Количество теплоты, проходящее через конструкцию или среду в единицу времени.

3.2 плотность теплового потока (поверхностная) , Вт/м : Величина теплового потока, проходящего через единицу площади поверхности конструкции.

3.3 сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции , м ·°С/Вт : Сумма сопротивления тепловосприятию , термических сопротивлений слоев , сопротивления теплоотдаче ограждающей конструкции.

4 Основные нормативные положения

4.1 Сущность метода

4.1.1 Метод измерения плотности теплового потока основан на измерении перепада температуры на "дополнительной стенке" (пластинке), устанавливаемой на ограждающей конструкции здания. Этот температурный перепад, пропорциональный в направлении теплового потока его плотности, преобразуется в термоЭДС (термоэлектродвижущую силу) батареей термопар, расположенных в "дополнительной стенке" параллельно по тепловому потоку и соединенных последовательно по генерируемому сигналу. "Дополнительная стенка" (пластинка) и батарея термопар образуют преобразователь теплового потока.

4.1.2 Плотность теплового потока отсчитывается по шкале специализированного прибора ИТП-МГ 4.03 "Поток", в состав которого входит преобразователь теплового потока, или рассчитывается по результатам измерения термоЭДС на предварительно оттарированных преобразователях теплового потока.

Величина плотности теплового потока определяется по формуле

где - плотность теплового потока, Вт/м;

- коэффициент преобразования, Вт/м·мВ;

- величина термоэлектрического сигнала, мВ.

Схема измерения плотности теплового потока приведена на рисунке 1.

1 - измерительный прибор (потенциометр постоянного тока по ГОСТ 9245);

2 - подсоединение измерительного прибора к преобразователю теплового потока;

3 - преобразователь теплового потока; 4 - исследуемая ограждающая конструкция;

- плотность теплового потока, Вт/м

Рисунок 1 - Схема измерения плотности теплового потока

4.2 Аппаратура

4.2.1 Для измерения плотности тепловых потоков применяют прибор ИТП-МГ 4.03 "Поток" *.
________________
* См. раздел Библиография. - Примечание изготовителя базы данных.

Технические характеристики прибора ИТП-МГ 4.03 "Поток" приведены в приложении А.

4.2.2 При теплотехнических испытаниях ограждающих конструкций допускается проводить измерения плотности тепловых потоков при помощи отдельно изготовленных и оттарированных преобразователей теплового потока с термическим сопротивлением до 0,005-0,06 м·°С/Вт и приборов, измеряющих термоЭДС, генерируемую преобразователями.

Допускается применение преобразователя, конструкция которого приведена в ГОСТ 7076 .

4.2.3 Преобразователи теплового потока по 4.2.2 должны удовлетворять следующим основным требованиям:

материалы для "дополнительной стенки" (пластинки) должны сохранять свои физико-механические свойства при температуре окружающего воздуха от 243 до 343 К (от минус 30°С до плюс 70°С);

материалы не должны смачиваться и увлажняться водой в жидкой и парообразной фазах; отношение диаметра датчика к его толщине должно быть не менее 10;

преобразователи должны иметь охранную зону, расположенную вокруг батареи термопар, линейный размер которой должен составлять не менее 30% радиуса или половины линейного размера преобразователя;

преобразователь теплового потока должен быть оттарирован в организациях, которые в установленном порядке получили право на выпуск этих преобразователей;

в указанных выше условиях внешней среды тарировочные характеристики преобразователя должны сохраняться не менее одного года.

4.2.4 Тарировку преобразователей теплового потока по 4.2.2 допускается проводить на установке для определения теплопроводности по ГОСТ 7076 , в которой плотность теплового потока рассчитывают по результатам измерения температурного перепада на эталонных образцах материалов, аттестованных по ГОСТ 8.140 и установленных вместо испытуемых образцов. Метод тарировки преобразователя теплового потока приведен в приложении Б.

4.2.5 Проверка преобразователя производится не реже одного раза в год, как это указано в 4.2.3, 4.2.4.

4.2.6 Для измерения термоЭДС преобразователя теплового потока допускается использовать переносной потенциометр ПП-63 по ГОСТ 9245 , цифровые вольтамперметры В7-21, Ф30 по ГОСТ 8711 или другие измерители термоЭДС, расчетная погрешность которых в области измеряемых термоЭДС преобразователя теплового потока не превышает 1% и входное сопротивление которых не менее чем в 10 раз превышает внутреннее сопротивление преобразователя.

При теплотехнических испытаниях ограждающих конструкций с использованием отдельных преобразователей предпочтительно применять автоматические регистрирующие системы и приборы.

4.3 Подготовка к измерению

4.3.1 Измерение плотности тепловых потоков проводят, как правило, с внутренней стороны ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Допускается проведение измерения плотности тепловых потоков с наружной стороны ограждающих конструкций в случае невозможности их проведения с внутренней стороны (агрессивная среда, флуктуации параметров воздуха) при условии сохранения устойчивой температуры на поверхности. Контроль условий теплообмена проводят с помощью термощупа и средств для измерения плотности теплового потока: при измерении в течение 10 мин их показания должны быть в пределах погрешности измерений приборов.

4.3.2 Участки поверхности выбирают специфические или характерные для всей испытываемой ограждающей конструкции в зависимости от необходимости измерения локальной или усредненной плотности теплового потока.

Выбранные на ограждающей конструкции участки для измерений должны иметь поверхностный слой из одного материала, одинаковой обработки и состояния поверхности, иметь одинаковые условия по лучистому теплообмену и не должны находиться в непосредственной близости от элементов, которые могут изменить направление и значение тепловых потоков.

4.3.3 Участки поверхности ограждающих конструкций, на которые устанавливают преобразователь теплового потока, зачищают до устранения видимых и осязаемых на ощупь шероховатостей.

4.3.4 Преобразователь плотно прижимают по всей его поверхности к ограждающей конструкции и закрепляют в этом положении, обеспечивая постоянный контакт преобразователя теплового потока с поверхностью исследуемых участков в течение всех последующих измерений.

При креплении преобразователя между ним и ограждающей конструкцией не допускается образование воздушных зазоров. Для их исключения на участке поверхности в местах измерений наносят тонкий слой технического вазелина, перекрывающий неровности поверхности.

Преобразователь может быть закреплен по его боковой поверхности при помощи раствора строительного гипса, технического вазелина, пластилина, штанги с пружиной и других средств, исключающих искажение теплового потока в зоне измерения.

4.3.5 При оперативных измерениях плотности теплового потока на незакрепленную поверхность преобразователя наклеивают тонкий слой материала ограждения, на котором крепится преобразователь, или закрашивают краской с той же или близкой степенью черноты с различием 0,1, что и у материала поверхностного слоя ограждающей конструкции.

4.3.6 Отсчетное устройство располагают на расстоянии от 5 до 8 м от места измерения или в соседнем помещении для исключения влияния наблюдателя на значение теплового потока.

4.3.7 При использовании приборов для измерения термоЭДС, имеющих ограничения по температуре окружающего воздуха, их располагают в помещении с температурой воздуха, допустимой для эксплуатации этих приборов, и подключение к ним преобразователей теплового потока производят при помощи удлинительных проводов.

При проведении измерения прибором ИТП-МГ 4.03 "Поток" преобразователи теплового потока и измерительное устройство располагают в одном помещении независимо от температуры воздуха в помещении.

4.3.8 Аппаратуру по 4.3.7 подготавливают к работе в соответствии с инструкцией по эксплуатации соответствующего прибора, в том числе учитывают необходимое время выдержки прибора для установления в нем нового температурного режима.

4.4 Проведение измерений

4.4.1 Измерение плотности теплового потока проводят:

при использовании прибора ИТП-МГ 4.03 "Поток" после восстановления условий теплообмена в помещении вблизи контрольных участков ограждающих конструкций, искаженных при выполнении подготовительных операций, и после восстановления непосредственно на исследуемом участке прежнего режима теплообмена, нарушенного при креплении преобразователей;

при теплотехнических испытаниях с использованием преобразователей теплового потока по 4.2.2 - после наступления нового установившегося теплообмена под преобразователем.

После выполнения подготовительных операций по 4.3.2-4.3.5 при использовании прибора ИТП-МГ 4.03 "Поток" режим теплообмена на участке измерения восстанавливается ориентировочно через 5-10 мин, при использовании преобразователей теплового потока по 4.2.2 - через 2-6 ч.

Показателем завершения переходного режима теплообмена и возможности проведения измерений плотности теплового потока может считаться повторяемость результатов измерения плотности тепловых потоков в пределах установленной погрешности измерения.

4.4.2 При измерении теплового потока в ограждающей конструкции с термическим сопротивлением менее 0,6 (м·°С)/Вт одновременно измеряют с помощью термопар температуру ее поверхности на расстоянии 100 мм от преобразователя , под ним и температуру внутреннего и наружного воздуха на расстоянии 100 мм от стены.

4.5 Обработка результатов измерений

4.5.1 При использовании приборов ИТП-МГ 4.03 "Поток" значение плотности теплового потока (Вт/м) фиксируется на экране дисплея электронного блока прибора и используется для теплотехнических расчетов или заносится в архив измеренных значений для последующего использования в аналитических исследованиях.

4.5.2 При использовании отдельных преобразователей и милливольтметров для измерения термоЭДС плотность теплового потока, проходящего через преобразователь, , Вт/м, рассчитывают по формуле (1).

4.5.3 Определение коэффициента преобразования с учетом температуры испытаний производят по приложению Б.

4.5.4 Значение плотности теплового потока , Вт/м, при измерении по 4.2.2 вычисляют по формуле

где - температура наружного воздуха напротив преобразователя, °С;

и - температура поверхности на участке измерения возле преобразователя теплового потока и под ним соответственно, °С.

4.5.5 Результаты измерения по 4.5.2 записывают по форме, приведенной в приложении В.

4.5.6 За результат измерения плотности теплового потока принимают среднее арифметическое значение результатов пяти измерений при одном положении преобразователя теплового потока на ограждающей конструкции.

Приложение А (справочное). Технические характеристики прибора ИТП-МГ 4.03 "Поток"

Приложение А
(справочное)

Конструктивно измеритель плотности теплового потока и температуры ИТП-МГ 4.03 "Поток" выполнен в виде электронного блока и соединенных с ним посредством кабелей модулей, к каждому из которых, в свою очередь, подсоединены посредством кабелей 10 датчиков теплового потока и/или температуры (см. рисунок А.1).

Принцип действия, положенный в основу измерителя, заключается в измерении термоЭДС контактных термоэлектрических преобразователей теплового потока и сопротивления датчиков температуры.

Преобразователь теплового потока представляет собой гальваническую медьконстантановую термобатарею из нескольких сот последовательно соединенных термопар, сложенных бифилярно в спираль, залитую эпоксидным компаундом с различными добавками. Преобразователь теплового потока имеет два вывода (по одному от каждого конца чувствительного элемента).

Работа преобразователя основана на принципах "дополнительной стенки" (пластинки). Преобразователь закрепляется на теплообменной поверхности исследуемого объекта, образуя дополнительную стенку. Тепловой поток, проходящий через преобразователь, создает в нем градиент температур и соответствующий термоэлектрический сигнал.

В качестве выносных датчиков температуры в измерителе применяются платиновые преобразователи сопротивления по ГОСТ 6651 , обеспечивающие измерение поверхностных температур путем их крепления на исследуемые поверхности, а также температур воздуха и сыпучих сред методом погружения.

1. Предел измерения:

- плотности теплового потока: - 10-999 Вт/м;

- температуры - от минус 30°С до 100°С.

2. Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности при измерении:

- плотности теплового потока: ±6%;

- температуры: ±0,2°С.

3. Пределы допускаемой дополнительной относительной погрешности при измерении:

- плотности теплового потока, вызванной отклонением температуры преобразователей теплового потока от 20°С: ±0,5%;

- температуры, вызванной отклонением температуры электронного блока и модулей от 20°С: ±0,05°С.

4. Термическое сопротивление преобразователей:

- плотности теплового потока не более 0,005 м·°С/Вт;

- температуры не более 0,001 м·°С/Вт.

5. Коэффициент преобразования преобразователей теплового потока не более 50 Вт/(м·мВ).

6. Габаритные размеры не более:

- электронного блока 175x90x30 мм;

- модуля 120x75x35 мм;

- датчиков температуры диаметром 12 мм и толщиной 3 мм;

- преобразователей теплового потока (прямоугольных): от пластин 10x10 мм толщиной 1 мм до пластин 100x100 мм толщиной 3 мм;

- преобразователей теплового потока (круглых) от пластин диаметром 18 мм толщиной 0,5 мм до пластин диаметром 100 мм толщиной 3 мм.

7. Масса не более:

- электронного блока 0,25 кг;

- модуля с десятью преобразователями (с кабелем длиной 5 м) 1,2 кг;

- единичного преобразователя температуры (с кабелем длиной 5 м) 0,3 кг;

- единичного преобразователя теплового потока (с кабелем длиной 5 м) 0,3 кг.

Рисунок А.1 - Схема кабельных присоединений преобразователей теплового потока и датчиков температуры измерителя ИТП-МГ 4.03 "Поток"

Приложение Б (рекомендуемое). Метод тарировки преобразователя теплового потока

Изготовленный преобразователь теплового потока подвергают тарировке на установке для определения теплопроводности строительных материалов по ГОСТ 7076 , в которой вместо испытуемого образца устанавливают тарируемый преобразователь теплового потока и эталонный образец материала по ГОСТ 8.140 .

При тарировке пространство между термостатирующей плитой установки и эталонным образцом за пределами преобразователя должно быть заполнено материалом, близким по теплофизическим свойствам к материалу преобразователя, с тем, чтобы обеспечить одномерность проходящего через него теплового потока на рабочем участке установки. Измерение термоЭДС на преобразователе и эталонном образце осуществляется одним из приборов, перечисленных в 4.2.6.

Коэффициент преобразования , Вт/(м·мВ) при данной средней температуре опыта находят по результатам измерений плотности теплового потока и термоЭДС по следующему соотношению

где - значение плотности теплового потока в опыте, Вт/м;

- вычисленное значение термоЭДС, мВ.

Плотность теплового потока рассчитывают по результатам измерения температурного перепада на эталонном образце по формуле

где - теплопроводность материала эталона, Вт/(м·°С);

, - температура верхней и нижней поверхностей эталона, соответственно, °С;

Толщина эталона, м.

Среднюю температуру в опытах при тарировке преобразователя теплового потока рекомендуется выбирать в интервале от 243 до 373 К (от минус 30°С до плюс 100°С) и выдержать ее с отклонением не более ±2°С.

За результат определения коэффициента преобразования принимают среднее арифметическое значение величин, вычисленных по результатам измерений не менее чем 10 опытов. Число значащих цифр в значении коэффициента преобразования берется в соответствии с погрешностью измерения.

Температурный коэффициент преобразователя , °С, находят по результатам измерений термоЭДС в тарировочных опытах при различных средних температурах преобразователя по соотношению

где , - средние температуры преобразователя в двух опытах, °С;

, - коэффициенты преобразования при средней температуре соответственно и , Вт/(м·мВ).

Различие между средними температурами и должно быть не менее чем 40°С.

За результат определения температурного коэффициента преобразователя принимают среднее арифметическое значение плотности, вычисленное по результатам не менее чем 10 опытов с различной средней температурой преобразователя. Значение коэффициента преобразования преобразователя теплового потока при температуре испытаний , Вт/(м·мВ), находят по следующей формуле

где - коэффициент преобразования, найденный при температуре тарировки, Вт/(м·мВ);

- температурный коэффициент изменения тарировочного коэффициента преобразователя теплового потока, °С;

- разность между температурами преобразователя при измерении и при тарировке, °С.

Приложение В (рекомендуемое). Форма записи результатов измерения тепловых потоков, проходящих через ограждающую конструкцию


Наименование объекта, на котором проводят измерения

Тип и номер преобразователя теплового потока

Коэффициент преобразования

при температуре тарировки

Температурный коэффициент преобразователя

Температуры наружного и внутреннего воздуха ,

Температуры поверхности ограждающей конструкции вблизи
преобразователя и под ним

Значение коэффициента преобразования при температуре
испытаний

Тип и номер измерительного прибора

Таблица В.1


Вид ограждающей конструкции	Номер участка	Показания прибора, мВ		Значение плотности теплового потока
		Номер измерения	Среднее по участку	отсчитанное по шкале	действи- тельное


Подпись оператора

Дата проведения измерений

Библиография

Государственный реестр средств измерений Российской Федерации*. Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии и стандартизации. М., 2010
________________
* Документ не приводится. За дополнительной информацией обратитесь по ссылке . - Примечание изготовителя базы данных.

УДК 669.8.001.4:006.354 МКС 91.040.01

Ключевые слова: теплопередача, тепловой поток, сопротивление теплопередаче, термическое сопротивление, термоэлектрический преобразователь теплового потока, термопара
_________________________________________________________________________________________

Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2015

1 Основные понятия и определения - температурное поле, градиент, тепловой поток, плотность теплового потока (q, Q), закон Фурье.

Температурное поле – совокупность значений температуры во всех точках изучаемого пространства для каждого момента времени..gif" width="131" height="32 src=">

Количество теплоты, Вт, проходящей в единицу времени через изотермическую поверхность площадью F, называется тепловым потоком и определяется из выражения: https://pandia.ru/text/78/654/images/image004_12.gif" width="15" height="32">, Вт/м2, называется плотностью теплового потока : .

Связь между количеством теплоты dQ, Дж, которое за время dt проходит через элементарную площадку dF, расположенную на изотермической поверхности, и градиентом температуры dt/dn устанавливается законом Фурье: .

2. Уравнение теплопроводности, условия однозначности.

Дифференциальное уравнение теплопроводности выведено со следующими допущениями:

Тело однородно и изотропно;

Физические параметры постоянны;

Деформация рассматриваемого объема, связанная с изменением температуры, очень мала по сравнению с самим объемом;

Внутренние источники теплоты в теле, которые в общем случае могут быть заданы как , распределены равномерно.

https://pandia.ru/text/78/654/images/image009_5.gif" width="195" height="45 src=">.

Дифференциальное уравнение теплопроводности устанавливает связь между временным и пространственным изменениями температуры в любой точке тела, в которой происходит процесс теплопроводности.

Если принять теплофизические характеристики постоянными, что предполагалось при выводе уравнения, то дифур принимает вид: https://pandia.ru/text/78/654/images/image011_4.gif" width="51" height="44"> - коэффициент температуропроводности.

и , где - оператор Лапласса в декартовой системе координат.

Тогда .

Условия однозначности или краевые условия включают в себя:

Геометрические условия,

3. Теплопроводность в стенке (граничные условия 1-ого рода).

Теплопроводность однослойной стенки.

Рассмотрим однородную плоскую стенку толщиной d. На наружных поверхностях стенки поддерживаются постоянные во времени температуры tc1 и tc2. Теплопроводность материала стенки постоянна и равна l.

При стационарном режиме , кроме того, температура изменяется только в направлении, перпендикулярном плоскости стеки (ось 0х): ..gif" width="129" height="47">

Определим плотность теплового потока через плоскую стенку. В соответствии с законом Фурье с учетом равенства (*) можно написать: .

Следовательно (**).

Разность значений температуры в уравнении (**) называется температурным напором . Из этого уравнения видно, что плотность теплового потока q изменяется прямо пропорционально теплопроводности l и температурному напору Dt и обратно пропорционально толщине стенки d.

Отношение называется тепловой проводимостью стенки, а обратная ему величина https://pandia.ru/text/78/654/images/image023_1.gif" width="213" height="25">.

Теплопроводность l следует брать при средней температуре стенки.

Теплопроводность многослойной стенки.

Для каждого слоя:; ; https://pandia.ru/text/78/654/images/image027_1.gif" width="433" height="87 src=">

Для сравнения теплопроводящих свойств многослойной плоской стенки со свойствами однородных материалов вводят понятие эквивалентной теплопроводности. Это – теплопроводность однослойной стенки, толщина которой равна толщине рассматриваемой многослойной стенки, т. е..gif" width="331" height="52">

Отсюда имеем:

4. Теплопередача через плоскую стенку (граничные условия 3-его рода).

Передача теплоты от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку любой формы называется теплопередачей. Особенности протекания процесса на границах стенки при теплопередаче характеризуется граничными условиями III рода, которые задаются значениями температуры жидкости с одной и другой стороны стенки, а также соответствующими значениями коэффициентов теплоотдачи.

Рассмотрим стационарный процесс теплопередачи через бесконечную однородную плоскую стенку толщиной d. Задана теплопроводность стенки l, температуры окружающей среды tж1 и tж2, коэффициенты теплоотдачи a1 и a2. Необходимо найти тепловой поток от горячей жидкости к холодной и температуры на поверхностях стенки tc1 и tc2. Плотность теплового потока от горячей среды к стенке определится уравнением: . Этот же тепловой поток передается путем теплопроводности через твердую стенку: и от второй поверхности стенки к холодной среде: DIV_ADBLOCK119">

Тогда https://pandia.ru/text/78/654/images/image035_0.gif" width="128" height="75 src="> – коэффициент теплопередачи, числовое значение k выражает количество теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени пр разности температур между горячей и холодной средой 1К и имеет туже единицу измерения , что и коэффициент теплоотдачи, Дж/(с*м2К) или Вт/(м2К).

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи называется термическим сопротивлением теплопередаче: .

https://pandia.ru/text/78/654/images/image038_0.gif" width="37" height="25">термическое сопротивление теплопроводности.

Для многослойной стенки .

Плотность теплового потока через многослойную стенку: .

Тепловой поток Q, Вт, проходящий через плоскую стенку с площадью поверхности F, равен: .

Температура на границе любых двух слоев при граничных условиях III рода может быть определена по уравнению . Также можно определить температуру графическим методом.

5. Теплопроводность в цилиндрической стенке (граничные условия 1-ого рода).

Рассмотрим стационарный процесс теплопроводности через однородную цилиндрическую стенку (трубу) длиной l с внутренним радиусом r1 и наружным r2. Теплопроводность материала стенки l – величина постоянная. На поверхности стенки заданы постоянные температуры tc1 и tc2.

В случае (l>>r) изотермические поверхности будут цилиндрическими, а температурное поле одномерным. Т. е. t=f(r), где r – текущая координата цилиндрической системы, r1£r£r2..gif" width="113" height="48">.

Введение новой переменной позволяет привести уравнение к виду:https://pandia.ru/text/78/654/images/image047.gif" width="107" height="25">, имеем:

https://pandia.ru/text/78/654/images/image049.gif" width="253" height="25 src=">.

Подставляя значения С1 и С2 в уравнение , получим:

https://pandia.ru/text/78/654/images/image051.gif" width="277" height="25 src=">.

Это выражение представляет собой уравнение логарифмической кривой. Следовательно, внутри однородной цилиндрической стенки при постоянном значении теплопроводности температура изменяется по логарифмическому закону.

Для нахождения количества теплоты, проходящего через цилиндрическую стенку поверхность площадью F в единицу времени, можно воспользоваться законом Фурье:

Подставляя в уравнение закона Фурье значение градиента температуры согласно уравнению получим: (*) ® величина Q зависит не от толщины стенки, а от отношения его внешнего диаметра к внутреннему.

Если отнеси тепловой поток, отнесенный к единице длины цилиндрической стенки, то уравнение (*) можно записать в виде https://pandia.ru/text/78/654/images/image056.gif" width="67" height="52 src="> есть термическое сопротивление теплопроводности цилиндрической стенки.

Для многослойной цилиндрической стенкиhttps://pandia.ru/text/78/654/images/image058.gif" width="225" height="57 src=">.

6. Теплопередача через цилиндрическую стенку (граничные условия 3-его рода).

Рассмотрим однородную цилиндрическую стенку большой длины с внутренним диаметром d1, наружным диаметром d2 и постоянной теплопроводностью. Заданы значения температуры горячей tж1 и холодной tж2 среды и коэффициенты теплоотдачи a1 и a2. для стационарного режима можно записать:

https://pandia.ru/text/78/654/images/image060.gif" width="116" height="75 src=">.gif" width="157" height="25 src=">

где - линейный коэффициент теплопередачи, характеризует интенсивность передачи теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку; численно равен количеству теплоты, которое проходит от одной среды к ругой через стенку трубы длиной 1м в единицу времени при разности температур между ними в 1К.

Величина, обратная линейному коэффициенту теплопередачи, называется линейным термическим сопротивлением теплопередаче.

Для многослойной стенки линейное термическое сопротивление теплопередаче складывается из линейных сопротивлений теплоотдаче и суммы линейных термических сопротивлений теплопроводности слоев.

Температуры на границе между слоями: https://pandia.ru/text/78/654/images/image065.gif" width="145" height="29">;; https://pandia.ru/text/78/654/images/image068.gif" width="160" height="25 src=">

где – коэффициент теплопередачи для шаровой стенки .

Величина, обратная коэффициенту теплопередачи шаровой стенки, называется термическим сопротивлением теплопередаче шаровой стенки.

Граничные условия I рода.

Пусть имеется шар с радиусами внутренней и внешней поверхности r1 и r2, постоянной теплопроводностью и с заданными равномерно распределенными температурами поверхностей tc1 и tc2.

При этих условиях температура зависит только от радиуса r. По закону Фурье тепловой поток сквозь шаровую стенку равен: .

Интегрирование уравнения дает следующее распределение температуры в шаровом слое:

https://pandia.ru/text/78/654/images/image073.gif" width="316" height="108">;

Следовательно , d - толщина стенки.

Распределение температуры: ® при постоянной теплопроводности температура в шаровой стенке изменяется по закону гиперболы.

8. Термические сопротивления.

Однослойная плоская стенка:

Граничные условия 1го рода

Отношение называется тепловой проводимостью стенки, а обратная ему величина https://pandia.ru/text/78/654/images/image036_0.gif" width="349" height="55">.

Однослойная цилиндрическая стенка:

Граничные условия 1го рода

Величина https://pandia.ru/text/78/654/images/image076.gif" width="147" height="56 src=">)

Граничные условия 3го рода

Линейное термическое сопротивление теплопередаче: https://pandia.ru/text/78/654/images/image078.gif" width="249" height="53">(многослойная стенка)

9. Критический диаметр изоляции.

Рассмотрим случай когда труба покрыта однослойной тепловой изоляцией с наружным диаметром d3. считая заданными и постоянными коэффициенты теплоотдачи a1 и a2, температуры обеих жидкостей tж1 и tж2, теплопроводности трубы l1 и изоляции l2.

Согласно уравнению , выражение для линейного термического сопротивления теплопередаче через двухслойную цилиндрическую стенку имеет вид: https://pandia.ru/text/78/654/images/image080.gif" width="72" height="52 src="> будет возрастать, а член – уменьшаться. Иными словами, увеличения наружного диаметра изоляции влечет за собой увеличение термического сопротивления теплопроводности изоляции и уменьшение термического сопротивления теплоотдаче на ее наружной поверхности. Последнее обусловлено увеличением площади наружной поверхности.

Экстремум функции Rl – – критический диаметр обозначается как dкр. Служит показателем пригодности материала к использованию его в качестве тепловой изоляции для трубы с заданным наружным диаметром d2 при заданном коэффициенте теплоотдачи a2.

10. Выбор тепловой изоляции по критическому диаметру.

См. вопрос 9. диаметр изоляции должен превышать критический диаметр изоляции.

11. Теплопередача через оребренную стенку. Коэффициент оребрения.

Рассмотрим оребренную стенку с толщиной d и теплопроводностью l. С гладкой стороны площадь поверхности равна F1, а с оребренной – F2. заданы постоянные во времени температуры tж1 и tж2, а также коэффициенты теплоотдачи a1 и a2.

Обозначим температуру гладкой поверхности tc1. Предположим, что температура поверхностей ребер и самой стенки одинакова и равна tc2. Такое предположение, вообще говоря, не соответствует действительности, но упрощает расчеты и им часто пользуются.

При tж1 > tж2 для теплового потока Q можно написать следующие выражения:

;;https://pandia.ru/text/78/654/images/image086.gif" width="148" height="28 src=">

где – коэффициент теплопередачи для оребренной стенки .

При расчете плотности теплового потока на единицу неоребренной поверхности стенки получим: . k1 – коэффициент теплопередачи, отнесенный к неоребренной поверхности стенки.

Отношение площади оребренной поверхности к площади гладкой поверхности F2/F1 называется коэффициентом оребрения.

12. Нестационарная теплопроводность. Направляющая точка. Физический смысл Bi, Fo.

Нестационарная теплопроводность – процесс при котором температура в заданной точке твердого тела изменяется во времению совокупность указанных температур образует нестационарное температурное поле, нахождение которого и является основной задачей нестационарной теплопроводности. Процессы нестационарной теплопроводности имеют большое значение для отопления, вентиляции , кондиционирования воздуха, теплоснабжения и теплогенерирующих установок. Ограждения зданий испытывают изменяющиеся во времени тепловые воздействия как со стороны наружного воздуха, так и со стороны помещения таким образом в массиве ограждающей конструкции осуществляется процесс нестационарной теплопроводности. Задачу об отыскании трехмерного температурного поля можно сформулировать в соответствии принципами, изложенными в разделе «математическая формулировка задач теплообмена». Формулировка задачи включает уравнение теплопроводности: , где – коэффициент температуропроводности м2/с, а также условия однозначности, позволяющие выделить единственное решение из множества решений уравнения, различающихся значением констант итегрирования.

Условия однозначности включают начальные и граничные условия. Начальные условия задают значения искомой функции t в начальный момент времени по всей области D. В качестве области D, в которой необходимо найти температурное поле, будем рассматривать прямоугольный параллелепипед с размерами 2d, 2ly, 2lz, например, элемент строительной конструкции. Тогда начальные условия можно записать в виде: при t =0 и - d£х£d; - ly£у£ly; -lz£z£lz имеем t = t(x, y, z,0) = t0(x, y, z). Из этой записи видно, что начало декартовой сстемы координат расположено в центре симметрии параллелепипеда.

Граничные условия сформулируем в форме граничных условий III рода, часто встречающихся на практике. Граничные условия III рода задают для любого момента времени на границах области D коэффициент теплоотдачи и температуру окружающей среды. В общем случае на различных участках поверхности S области D эти величины могут быть различными. Для случая одинакового коэффициента теплоотдачи a на всей поверхности S и всюду одинаковой температуры окружающей среды tж граничные условия III рода при t >0 можно записать в виде: ; ;

где . S – поверхность, ограничивающая область D.

Температура в каждом из трех уравнений берется на соответствующей грани параллелепипеда.

Рассмотрим аналитическое решение сформулированной выше задачи в одномерном варианте, т. е. при условии ly, lz »d. В этом случае требуется найти температурное поле вида t = t(x, t). Запишем формулировку задачи:

уравнение ;

начальное условие: при t = 0 имеем t(x, 0) = t0 = const;

граничное условие: при x = ±d, t > 0 имеем https://pandia.ru/text/78/654/images/image095.gif" width="141" height="27">. Задача состоит в том, чтобы получить конкретную формулу t = t(x, t), позволяющую найти температуру t в любой точке пластины в произвольный момент времени.

Сформулируем задачу в безразмерных переменных, это позволит сократить записи и сделает решение более универсальным. Безразмерная температура равна , безразмерная координата равна Х = х/d..gif" width="149" height="27 src=">.gif" width="120" height="25">, где – число Био .

Формулировка задачи в безразмерном виде содержит единственный параметр – число Био, которое в данном случае является критерием, так как составлено только из величин, входящих в условие однозначности. Использование числа Био связано с нахождением температурного поля в твердом теле, поэтому в знаменателе Bi – теплопроводность твердого тела. Bi – наперд заданный параметр и является критерием.

Если рассматривать 2 процесса нестационарной теплопроводности с одинаковыми числами Био, то, согласно третьей теореме подобия, эти процессы подобны. Это значит, что в сходственных точках (т. е. при Х1=Х2; Fo1=Fo2) безразмерные температуры будут численно равны: Q1=Q2. следовательно, произведя один расчет в безразмерном виде, мы получим результат, справедливый для класса подобных явлений, которые могут различаться размерными параметрами a, l, d, t0 и tж.

13. Нестационарная теплопроводность для неограниченной плоской стенки.

См вопрос 12.

17. Уравнение энергии. Условия однозначности.

Уравнение энергии описывает процесс переноса теплоты в материальной среде. При этом ее распространение связано с превращением в другие формы энергии. Закон сохранения энергии применительно к процессам ее превращения формулируется в виде первого закона термодинамики, который и является основой для вывода уравнения энергии. Среда, в которой распространяется теплота, предполагается сплошной; она может быть неподвижной или движущейся. Поскольку случай движущейся среды является более общим, используем выражение первого закона термодинамики для потока: (17.1) , где q – подводимая теплота, Дж/кг; h – энтальпия, Дж/кг; w – скорость среды в рассматриваемой точке, м/с; g – ускорение свободного падения; z – высота, на которой расположен рассматриваемый элемент среды, м; lтр – работа против сил внутреннего трения, Дж/кг.

В соответствии с уравнением 17.1 подводимая теплота затрачивается на увеличение энтальпии, кинематической энергии и потенциальной энергии в поле сил тяжести, а также на совершение работы против вязких сил..gif" width="265 height=28" height="28">(17.2) .

Т. к. (17.3) .

Подсчитаем количество подводимой и отводимой теплоты в единицу времени для элемента среды в виде прямоугольного параллелепипеда, размеры которого достаточно малы для того, чтобы в его пределах можно было бы предположить линейное изменение плотности теплового потока..gif" width="236" height="52">; их разность равна .

Проводя аналогичную операцию для осей 0y и 0z, получим соответственно разности: https://pandia.ru/text/78/654/images/image112.gif" width="93" height="47 src=">. Просуммировав все три разности получим результирующее количество теплоты, подводимое(или отводимое) в элемент за единицу времени.

Ограничимся случаем потока с умеренной скоростью, тогда количество подведенной теплоты равно изменению энтальпии. Если предположить, что элементарный параллелепипед неподвижно зафиксирован в пространстве и его грани проницаемы для потока, то указанное соотношение можно представить в виде: https://pandia.ru/text/78/654/images/image114.gif" width="18" height="31"> – быстрота изменения энатльпии в неподвижной точке пространства, охватываемой элементарным параллелепипедом; знак «минус» введен для согласования переноса теплоты и изменения энтальпии: результирующий приток теплоты<0 должен вызывать увеличение энтальпии.

(17.10) .

Вывод уравнения энергии завершается подстановкой выражений (17.6) и (17.10) в уравнение (17.4). поскольку эта операция имеет формальный характер, проведем преобразования только для оси 0х: (17.11) .

При постоянных физических параметрах среды получаем следующее выражение для производной: (17.12) . Получив аналогичные выражения для проекций на другие оси, составим из них сумму, заключенную в скобки в правой части уравнения (17.4). И после некоторых преобразований получим уравнение энергии для несжимаемой среды при умеренных скоростях течения:

(17.13) .

Левая часть уравнения характеризует скорость изменения температуры движущейся частицы жидкости. Правая часть уравнения представляет собой сумму производных вида и определяет, следовательно, результирующий подвод (или отвод) теплоты за счет теплопроводности.

Таким образом уравнение энергии имеет явный физический смысл: изменение температуры движущейся индивидуальной частицы жидкости (левая часть) определяется притоком теплоты в эту частицу от окружающей ее жидкости за счет теплопроводности (правая часть).

Для неподвижной среды конвективные члены https://pandia.ru/text/78/654/images/image128.gif" width="168" height="51">.gif" width="76" height="20 src=">.

Условия однозначности.

Дифференциалные уравнения имеют бесконечное множество решений, формально этот факт отражается в наличии произвольных постоянных интегрирования. Для решения конкретной инженерной задачи к уравнениям следует добавить некоторые дополнительные условия, связанные с существом и отличительными признаками этой задачи.

Поля искомых функций – температуры, скорости и давления – находят в определенной области, для которой должны быть заданы форма и рзмеры, и вопределенном интервале времени. Для выведения единственного решения задачи из множества возможных необходимо задать значения искомых функций: в начальный момент времени во всей рассматриваемой области; в любой момент времени на границах рассматриваемой области.

Количество тепла, проходящее через данную поверхность в единицу времени, называется тепловым потоком Q , Вт .

Количество тепла, через единицу поверхности в единицу времени, называется плотностью теплового потока или удельным тепловым потоком и характеризует интенсивность теплообмена.

Плотность теплового потока q , направлена по нормали к изотермической поверхности в сторону, обратную градиенту температуры, т. е. в сторону уменьшения температуры.

Если известно распределение q по поверхности F , то полное количество тепла Q τ , прошедшее через эту поверхность за время τ , найдется по уравнению:

а тепловой поток:

Если величина q постоянна по рассматриваемой поверхности, то:

Закон Фурье

Этот закон устанавливает величину теплового потока при переносе тепла посредством теплопроводности. Французский ученый Ж. Б. Фурье в 1807 году установил, что плотность теплового потока через изотермическую поверхность пропорциональна градиенту температуры:

Знак минус в (9.6) указывает, что тепловой поток направлен в сторону, обратную градиенту температуры (см. рис. 9.1.).

Плотность теплового потока в произвольном направлении l представляет проекцию на это направление теплового потока в направлении нормали:

Коэффициент теплопроводности

Коэффициент λ , Вт/(м·К), в уравнении закона Фурье численно равен плотности теплового потока при падении температуры на один Кельвин (градус) на единицу длины. Коэффициент теплопроводности различных веществ зависит от их физических свойств. Для определённого тела величина коэффициента теплопроводности зависит от структуры тела, его объёмного веса, влажности, химического состава, давления, температуры. В технических расчётах величину λ берут из справочных таблиц, причём надо следить за тем, чтобы условия, для которых приведено в таблице значение коэффициента теплопроводности, соответствовали условиям рассчитываемой задачи.

Особенно сильно зависит коэффициент теплопроводности от температуры. Для большинства материалов, как показывает опыт, эта зависимость может быть выражена линейной формулой:

где λ o - коэффициент теплопроводности при 0 °С;

β - температурный коэффициент.

Коэффициент теплопроводности газов , а в особенности паров сильно зависит от давления. Численное значение коэффициента теплопроводности для различных веществ меняется в очень широких пределах - от 425 Вт/(м·К) у серебра, до величин порядка 0,01 Вт/(м·К) у газов. Это объясняется тем, что механизм передачи теплоты теплопроводностью в различных физических средах различен.

Металлы имеют наибольшее значение коэффициента теплопроводности. Теплопроводность металлов уменьшается с ростом температуры и резко снижается при наличии в них примесей и легирующих элементов. Так, теплопроводность чистой меди равна 390 Вт/(м·К), а меди со следами мышьяка - 140 Вт/(м·К). Теплопроводность чистого железа 70 Вт/(м·К), стали с 0,5 % углерода - 50 Вт/(м·К), легированной стали с 18 % хрома и 9 % никеля - только 16 Вт/(м·К).

Зависимость теплопроводности некоторых металлов от температуры показана на рис. 9.2.

Газы имеют невысокую теплопроводность (порядка 0,01...1 Вт/(м·К)), которая сильно возрастает с ростом температуры.

Теплопроводность жидкостей ухудшается с ростом температуры. Исключение составляют вода и глицерин . Вообще коэффициент теплопроводности капельных жидкостей (вода, масло, глицерин) выше, чем у газов, но ниже, чем у твердых тел и лежит в пределах от 0,1 до 0,7 Вт/(м·К).

Рис. 9.2. Влияние температуры на коэффициент теплопроводности металлов

КАТЕГОРИИ