Теплофизические свойства материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор методов теплообмена и тепловых режимах в ограждениях зданий

2. Обзор методов расчета теплофизических свойств материалов. Метод регулярного теплового режима

3. Метод квазистационарного режима

4. Метод монотонного теплового режима

5. Метод температурных волн

6. Классификация погрешностей средств измерений

Заключение

Список использованной литературы

Введение

теплоизоляционный материал строительный

В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем, является поиск и создание точных, надежных и простых в реализации методов теплового расчета наружных ограждений и потерь теплоты через них, а также оценка теплофизических свойств (ТФС), используемых и вновь разрабатываемых строительных, теплоизоляционных, облицовочных материалов и изделий. Теплофизические свойства ограждений существенно влияют на тепловой и воздушный режим зданий различного назначения, а также на работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, потребляющих в настоящее время значительное количество тепловой энергии.

Проблемы энергосбережения и снижения потерь теплоты в окружающую среду существенно влияют на экологическую ситуацию, технико-экономические показатели и капитальные затраты на ограждения зданий. Для решения этих задач нужно знать теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость ограждений зданий. На некоторые изделия и материалы ограждений зданий паспортные данные есть, на другие - нет. Кроме того, фактические свойства материалов ограждений зданий могут изменяться в процессе эксплуатации и не соответствовать их сертификату. Поэтому при возведении объектов различного назначения в ходе строительства необходимо знание ТФС строительных, теплоизоляционных материалов и изделий, а в процессе эксплуатации здания необходимо проводить мониторинг ТФС ограждения. Информация о свойствах новых, разрабатываемых и используемых материалах позволяет корректно проводить тепловые расчеты систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, выбирать оптимальные варианты эксплуатации и контролировать энергосбережение в зданиях. Актуальной является и задача снижения уровня эксплуатационного энергопотребления при определении ТФС. Методы предсказания теплофизических свойств ограждений пока еще должного развития не получили, и главным источником информации остается эксперимент. Это требует разработки и внедрения неразрушающих методов расчета ограждений зданий и материалов, основанных на температурных и тепловых измерениях на поверхности, которые практически позволят оценить их влияние на энергосбережение здания. На этой основе разработаны методы определения ТФС (коэффициента теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости, термического сопротивления, теплоусвоения, тепловой активности и тепловой инерции) ограждений зданий и материалов, основанные на измерении температур и теплового потока на поверхностях ограждения без подвода тепловых или электрических источников теплоты.

1. Обзор методов теплообмена и тепловых режимах в ограждениях зданий

При нагреве или охлаждении ограждения здания (тела) наблюдается несколько характерных тепловых режимов, протекающих последовательно: начальный и упорядоченный - если граничные условия симметричные; начальный, упорядоченный и стационарный - если граничные условия несимметричные. Начальный тепловой период определяется исходным состоянием системы ограждения здания и описывается сложными математическими соотношениями.

Упорядоченный режим наступает по истечении некоторого отрезка времени от начала процесса, когда внешнее тепловое воздействие затронет в какой-то мере центральные участки объема ограждения. Обычно эта стадия, в отличие от начального теплового периода, описывается более простыми аналитическими выражениями.

Упорядоченный тепловой режим асимптотически подходит к равновесному термодинамическому состоянию (при симметричном распространении теплоты) или вписывается в стационарную стадию (при несимметричных краевых условиях).

Существует множество способов и методов раздельного и комплексного определения теплофизических свойств материала ограждения здания, использующих весь диапазон нагрева - от начального до стационарного. Все эти тепловые режимы широко применяют в инженерной практике, научных исследованиях и определении ТФС различных материалов.

Условия однозначности включают в себя геометрические, физические, временные и граничные условия.

Геометрические условия характеризуют геометрические и линейные размеры системы, в которой протекает процесс. Физические условия характеризуют физические характеристики среды и тела.

Временные или начальные условия характеризуют особенности протекания процесса во времени или распределение температуры внутри тела в начальный момент времени. Граничные условия характеризуют процессы теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Граничные условия задаются несколькими возможными случаями:

1 рода - задано распределение температуры на поверхности тела;

2 рода - задано распределение теплового потока на поверхности тела;

3 рода - задана температура окружающей среды и закон теплообмена между средой и поверхностью тела;

4 рода (условия сопряжения) - характеризуют процессы теплопроводности между соприкасающимися поверхностями различных тел, когда температура в точке сопряжения тел одинакова, но тепловые потоки разные.

Для экспериментального определения ТФС материалов (коэффициентов температуропроводности, теплопроводности, теплоемкости) применяют стационарные, нестационарные и комплексные методы. Стационарные методы основаны на законе теплопроводности.

При реализации стационарных методов исследуемому материалу - образцу придается форма пластины, цилиндрической полой трубы, сферической оболочки, внутри которых создается соответствующее одномерное температурное поле. Экспериментальное определение ТФС материалов сопровождается рядом побочных явлений: утечки теплоты через торцы, конвекция, излучение, скачок температуры на границе твердого тела и газа (жидкости). Для устранения тепловых потерь применяются разнообразные охранные нагреватели, кольца, колпачки. При использовании стационарных методов исследования в процессе нагрева исследуемых влажных строительных и теплоизоляционных материалов происходит перераспределение влаги, что искажает опытные данные.

Нестационарные методы определения ТФС материалов основаны на теории теплопроводности при нестационарном тепловом потоке. В нестационарных методах различают методы начальной стадии (число Фурье Fo ? 0,55) и методы регулярного режима (Fo ? 0,55). Методы регулярного режима в соответствии с могут быть подразделены на группы методов регулярного режима первого, второго и других видов. Из нестационарных методов для исследования ТФС материалов при температурах, близких к комнатным, наибольшее применение находят методы регулярного режима 1 рода, а при температурах от минус 50 до плюс 80 °С - методы монотонного режима.

Из теории теплофизических измерений известно, что нестационарные методы, с точки зрения оперативности, полноты получаемой информации об объектах исследования и простоты реализации экспериментальных установок, являются более перспективными. В нестационарных методах исследования теплофизических характеристик веществ по сравнению со стационарными снижены требования к тепловой защите, затрачивается меньше времени и тепловой энергии для проведения эксперимента. К недостаткам нестационарных методов следует отнести сложность расчетных уравнений и трудность оценки 10 соответствия действительных граничных условий в эксперименте с условиями, принятыми в теории.

Для экспериментального определения ТФС материалов также используют комплексные методы, которые в большинстве случаев основываются на теории начальной и упорядоченной стадии нестационарной теплопроводности. Комплексные методы позволяют определять одновременно из одного эксперимента, на одной установке и на одном образце несколько теплофизических свойств в широком интервале температур. При сохранении времени на проведение эксперимента комплексные методы позволяют получить более полную информацию о ТФС веществ. Если изготовление строго одинаковых по структуре образцов затруднительно (например, структура гетерогенных, анизотропных веществ), то осуществление эксперимента на одном образце комплексным методом существенно повышает точность определения ТФС исследуемого материала.

Экспериментальные методы определения ТФС материалов могут быть абсолютными и относительными. В абсолютных методах определение параметров осуществляется непосредственным измерением. В относительных методах определяемые параметры зависят от постоянной прибора и определяются путем тарировки по эталонному веществу, материалу или образцу. Наиболее перспективными для определения ТФС материалов являются и должны быть абсолютные методы исследований.

Для экспериментального определения ТФС материалов также используют температурные волны, распространяемые в полуограниченном пространстве - массиве ограждения здания. Это связано с тем, что многие явления природы подчиняются закону простого гармонического колебания. Только периоды таких колебаний для разных условий могут быть различными. Так, период наиболее резких колебаний температуры земли равен одному году. А для ограждающих конструкций жилого помещения он составляет одни сутки. Существуют примеры, когда температурные колебания исчисляются периодом в долях секунды. Большинство из них происходят по закону косинуса, однако, даже самые сложные колебания все равно могут быть описаны путем наложения косинусоид. Температурные колебания легко создаются в лабораторных условиях, что используется для определения ТФС материалов.

Среди перечисленных методов особое место в определении ТФС веществ занимают тепловые методы неразрушающего контроля и диагностики (ТМНК). Методы неразрушающего контроля позволяют определять качество исследуемых материалов и изделий, обладают высокой оперативностью и широкими функциональными возможностями.

Все методы и реализующие их измерительные средства разделяются на две группы: контактные и бесконтактные. Использование контактных методов превалирует в способах исследования и определения ТФС веществ и материалов. Однако в последнее время отмечается рост бесконтактных методов и измерительных средств. Отличительной особенностью контактных методов является непосредственный контакт термоприемников с участком поверхности исследуемого объекта измерения для определения температурного поля в зоне теплового воздействия. Для этого используют погружаемые или непогружаемые термоприемники - термопреобразователи.

Закономерности распространения теплоты в твердых телах всегда привлекали внимание многих исследователей. Большой вклад в разработку методов определения теплофизических свойств материалов внесли: А.В. Лыков, В.Н. Богословский, Г.П. Бойков, Ю.В. Видин, В.В. Иванов, В.Н. Чернышов, Г.Н. Дульнев, Г.М. Кондратьев, В.В. Курепин, Е.С. Платунов, Л.П. Филиппов, П.В. Черпаков, А.Г. Шашков, А.М. Шкловер, Н.А. Ярышев и многие другие, в том числе зарубежные ученые Г. Карслоу, Д. Егер,О. Крейт, У. Блек, О. Кришер, Н. Эсдорн, Ли Тейлор, Э.М. Сперроу.

В работе уделено внимание основам теории теплообмена в ограждении здания при циклическом подводе теплоты к его поверхности, исследованиям плотности теплового потока на поверхности ограждения, расчетам накопления и расхода тепловой энергии в ограждении здания. Закономерности распространения температурных волн в полуограниченном пространстве - массиве ограждения здания включают в свою структуру весь комплекс теплофизических свойств материалов, из которых выполнено ограждение здания. Закономерности распространения температурных волн в полуограниченном пространстве также позволяют и определять весь комплекс ТФС ограждения здания.

2. Обзор методов расчета теплофизических свойств материалов. Метод регулярного теплового режима

Теория регулярного режима была разработана Г.М. Кондратьевым и в последующем углублена другими исследователями. Метод регулярного теплового режима получил весьма широкое распространение в теплотехнических лабораториях по определению ТФС строительных, теплоизоляционных, облицовочных твердых, сыпучих и порошковых материалов, для определения коэффициента температуропроводности коэффициента теплопроводности л, а также теплоемкости с материалов.

Для регулярного режима 1 рода, под которым принято понимать упорядоченную, свободную от начальных условий стадию охлаждения (нагрева) тела в среде с температурой t c = const и коэффициентом теплоотдачи б = const, изменение температуры во времени для любой точки тела описывается показательной функцией:

? = t - t c = АUe -mф,

где ? - избыточная температура тела;

t - температура в фиксирован-ной точке тела;

t c = const - температура окружающей среды;

А - коэффициент, зависящий от формы тела и начального распределения температур;

U - функция координат;

m - темп охлаждения (нагрева), величина постоянная и не зависящая от координат и времени ф.

Исследование и определение ТФС материалов при невысоких температурах обычно проводят на образцах простой формы.

Смысл эксперимента состоит в следующем: образец в форме пластины, шара, параллелепипеда или короткого цилиндра с начальной температурой t 0 в начальный момент времени погружается в жидкость с температурой t с, которая перемешивается с помощью мешалки и тем самым создается бесконечно большой коэффициент теплоотдачи б между жидкостью и телом. Коэффициент теплоотдачи, стремящийся к бесконечности, можно получить, если исследуемый образец поместить в кипящую воду.

Для определения темпа охлаждения по данным измерения температуры тела во времени строят график ln? = f (ф), в котором m представляет собой угловой коэффициент линейного участка, характеризующего регулярный режим.

Понятие «регулярный тепловой режим» может быть сформулирован так: это такой период нагрева (или охлаждения), когда натуральный логарифм избыточной температуры начинает изменяться во времени по закону прямой линии. Регулярная стадия опыта в телах простой формы с равномерным начальным распределением температур обычно наступает при значениях числа Fo ? 0,55.

Теория регулярного режима устанавливает зависимость темпа нагрева (охлаждения) тела от его физических характеристик, геометрической формы и размеров, а также условий теплообмена с окружающей средой.

К наиболее распространенным приборам, основанным на теории регулярного режима, относятся: a-калориметра, л-калориметра, калориметра двух и более точек, бикалориметра, микрокалориметра. В этих методах обработка опытных данных сводится к определению темпа нагрева или охлаждения m.

Установка а-калориметр представляет собой тонкостенный металлический стакан (сосуд), выполненный из металла (медь, латунь и т.п.) с высоким коэффициентом теплопроводности, наполненный исследуемым материалом и имеющим дифференциальную термопару.

Предварительно нагрев а-калориметра осуществляется в сушильном шкафу с электрическим нагревателем. Затем нагретый a-калориметр переносят в жидкостный термостат, где происходит его охлаждение в непрерывно перемешиваемой жидкой среде при б > ? и имеющей на протяжении всего опыта постоянное значение температуры t с = const. Возможно также и нагрев a-калориметра в среде кипящей воды при t с = const = 100 °С.

Строительные и теплоизоляционные материалы часто покрывают слоем эпоксидной смолы, что также позволяет избежать проникновения влаги внутрь исследуемого материала. Погрешность измерений составляет 4…7%.

Преимущества метода:

1) метод абсолютен, не требует эталонов с известными тепловыми характеристиками;

2) обеспечивает достаточно высокую точность эксперимента;

3) опыт идет непродолжительное время, а формулы для обработки экспериментальных результатов имеют простой вид.

Недостатки метода:

1) для эксперимента необходима капельная среда (жидкость);

2) опыт соответствует теории только при условии, когда температура окружающей среды t с на протяжении всего опыта остается постоянной;

3) во избежание смачивания образца и проникновения влаги внутрь исследуемого материала его помещают в герметично закрытый стакан или его поверхность покрывают эпоксидной смолой или лаком;

4) опыты с сыпучими материалами приходится производить в специальных условиях (герметично закрытом стакане);

5) обязательно обеспечивать большой коэффициент теплоотдачи.

3. Метод квазистационарного теплового режима

Метод квазистационарного теплового режима устанавливается при нагреве тел постоянным во времени потоком теплоты (граничные условия 2 рода). На закономерностях квазистационарного теплового режима основано большое число методов по изучению теплофизических свойств материалов. Методы базируются на решении линейного уравнения теплопроводности для пластины, цилиндра, шара в случае нагрева их постоянным тепловым потоком или в среде с постоянной скоростью изменения температуры.

Если на поверхности тела действует постоянный тепловой поток, то температурное поле по его сечению принимает вид ? ? = µ? +ф + =1F по 2 nn eA b k T. По истечении некоторого отрезка времени (ф > ф) бесконечный ряд становится очень малым в сравнении с двумя первыми членами и им можно пренебречь. Тогда оставшийся температурный комплекс Ф имеет вид

ф + = b k T Ф,

где k - начальная температура тела;

b - скорость нагрева, К/с.

Для экспериментального исследования и определения теплофизических характеристик материалов удается создать квазистационарный нагрев с достаточно высокой точностью. Так, если неограниченную пластину толщиной 2r нагревать постоянным тепловым потоком, то по истечении некоторого отрезка времени наступает так называемый квазистационарный тепловой режим. Температура на поверхности тела t начинает изменяться во времени по закону прямой линии. В процессе проведения опыта образец, выполненный в форме пластины, цилиндра или шара, нагревается с постоянной скоростью (постоянным тепловым потоком на поверхности) и замеряется температура тела вблизи поверхности и на оси. Можно замерять непосредственно и время запаздывания. На основании измерений строится график зависимости t = f (ф) для двух фиксированных точек, из которых определяются ТФС.

На основе этого абсолютного метода разработан ряд сравнительных методов нагрева с постоянной скоростью.

Преимущества метода:

1) простота окончательного выражения для обработки экспериментальных данных;

2) быстрота проведения опыта.

Недостатки метода:

1) требуется качественная торцевая тепловая изоляция для того, чтобы образец соответствовал понятию «неограниченная пластина»;

2) необходимость проведения замеров температуры на поверхности нагревательного элемента, который обладает своей теплоемкостью и теплопроводностью, что вносит значительные погрешности в результаты опыта.

Методы, основанные на теории квазистационарного режима, позволяют определять теплофизические характеристики в широком интервале температур. Однако при исследовании ТФС материалов греющий поток на поверхности тела должен в течение длительного промежутка времени сохранять постоянное значение. Реализация таких режимов нагрева, очевидно, не может быть осуществлена без специальной регулирующей аппаратуры. Кроме того, необходимо достичь таких условий опыта, когда вся теплота от основных электрических нагревателей полностью уходила бы внутрь образца. Эсдорн и Кришер предложили установку в форме «многослойного пирога», где плоские образцы из одного и того же материала чередуются с плоскими тонкими электрическими нагревателями. Измерения температур производят в центральном образце и середине пакета. Чем больше слоев, тем продолжительнее квазистационарная часть процесса. Кроме того, в пакете необходимо учитывать теплоту, идущую на нагрев самого нагревателя. Таким образом, квазистационарные методы, несмотря на ряд их явных преимуществ перед другими, в общем случае использовать затруднительно, так как требуется громоздкая, дорогостоящая экспериментальная установка.

4. Метод монотонного теплового режима

Методы монотонного теплового режима основываются на закономерностях приближенного анализа нелинейного уравнения теплопроводности. Под монотонным тепловым режимом принято понимать плавный разогрев или охлаждение тел в широком диапазоне изменения температуры со слабопеременным полем скорости внутри образца.

Методы монотонного теплового режима позволяют из одного опыта получить температурную зависимость исследуемого параметра во всем интервале нагрева образца и носят иногда название динамических методов. Из методов монотонного режима для определения коэффициента теплопроводности л материалов используется метод тонкой пластины. Метод тонкой пластины основан на закономерностях монотонного разогрева исследуемого образца в режиме, когда его температурное поле остается близким к стационарному режиму и использует расчетные уравнения для коэффициента л, приведенные в.

В качестве образцов используются диски диаметром 10…20 мм и толщиной 0,5…10 мм. Испытуемый образец помещается внутри металлического ядра л-калориметра (ДК-л-400), окруженного теплозащитной оболочкой, и монотонно разогревается вместе с ним. При реализации метода обычно используется вторая пластина (стержень) с известной теплоемкостью, выполненная из металла с высокой теплопроводностью и контактирующая с поверхностью исследуемой пластины, благодаря чему обеспечивается совместный их разогрев. Условия опыта создаются такими, при которых перепад температуры в стержне остается малым по сравнению с перепадом в образце и скорость разогрева стержня практически совпадает со скоростью разогрева для контактирующей грани образца.

Для определения коэффициента температуропроводности материалов применяют метод непрерывного нагрева, аксиального или радиального разогрева. Метод непрерывного нагрева основан на закономерностях квазистационарного режима при монотонном изменении температуры образца, когда b ? const.

Схемы измерительных участков и порядок проведения опытов при исследовании коэффициента температуропроводности а материалов в воздушной, гелиевой среде и в условиях вакуума.

Вышеприведенный метод получил дальнейшее развитие в варианте метода радиального и аксиального разогрева в монотонном режиме для определения температуропроводности твердых теплоизоляторов и полупроводников. Исследования проводятся на установках, основной рабочей частью которых служат а-калориметры (ДК-ас-400; ДК-а-1000) соответствующих конструкций.

Метод с-калориметра (контактного тепломера) основан на закономерностях монотонного разогрева исследуемого образца, когда его температурное поле остается близким к стационарному (скорость разогрева составляет от 0,02 до 0,2 К/с). Метод может реализоваться в сравнительном и абсолютном вариантах и используется для исследования теплоемкости различных теплоизоляционных материалов (применим также к металлам, полупроводникам) до температур 400 °С.

Реальные условия выполнения экспериментов методом монотонного теплового режима не совпадают с теоретическими предпосылками, поэтому необходимо всегда вносить поправки ?у?: на нелинейность, контактное сопротивление, боковой теплообмен.

Исключение этих поправок конструктивным путем значительно усложняет схему приборов, включающую в себя узлы электропитания, водяного охлаждения, тепловых и температурных измерений, а в установках радиального разогрева ? и форвакуумный насос для создания вакуума.

5. Методы температурных волн

Особого внимания заслуживают методы измерений, основанные на использовании периодического нагрева температурными волнами. Изучение распространения плоских и квазиплоских (цилиндрических, сферических) температурных волн позволило использовать данное явление для определения теплофизических характеристик твердых материалов. Задачи такого типа решены А.В. Лыковым.

Метод режима температурных волн находит применение при определении коэффициента температуропроводности а теплоизоляционных материалов в варианте радиального нагрева цилиндрического образца. Метод радиального нагревания основан на зависимости между значениями максимальных амплитуд гармонических колебаний температуры в двух фиксированных точках цилиндрического образца и коэффициентом температуропроводности исследуемого материала, выраженной отношением

а = (щ r2) / Pd,

где щ = 2рf;

f - частота колебаний температуры;

r - радиальное расстояние;

Pd - критерий, зависящая от отношения Аr / А 0;

Аr- максимальная амплитуда температуры на расстоянии r от оси по радиусу образца;

А 0 - максимальная амплитуда температуры на оси образца.

Образец цилиндрической формы с термопарами в его продольных отверстиях по оси и ближе к поверхности помещается в электрическую печь, нагреватель которой включается и выключается через равные промежутки времени (с помощью вариатоpa). После установления регулярного режима определяются амплитуды колебаний Аr и А0, по отношению которых с использованием заранее известной теоретической зависимости Аr / А0= f(Рd) определяется значение числа Pd, а затем рассчитывается коэффициент а. В точных измерениях для определения амплитуд первой гармоники используется гармонический анализ. Метод использовался для исследований фторопласта, эбонита и других материалов. Информация об изменении фазы и амплитуды температурных волн вдоль образца дает возможность получать сведения о температуропроводности материала, а погрешность измерений в зависимости от конструкции опытных образцов оценивается в 5%. Известен метод комплексного определения тепловых свойств веществ. Метод регулярного теплового режима 3 рода или температурных волн может быть комплексным и динамическим. Исследования в этом случае должны проводиться в процессе монотонного изменения средней температуры образца во времени. Однако при экспериментальном осуществлении периодического закона наложение монотонно возрастающей составляющей температуры на синусоиду требует большого количества времени. Этого можно избежать, если использовать два одинаковых образца с плоскими нагревателями, которые помещаются в печь. Один образец с нагревателем является основным, второй - вспомогательным. В основном нагревателе ток изменяется по закону

щф = 5,0 sin maxI I,

где I, I max - соответственно мгновенное и амплитудное значение тока. Во вспомогательном (компенсационном) нагревателе мощность, выделяемая единицей поверхности, должна быть равна средней по времени мощности основного нагревателя, т.е. 12max5,0 ? = RF I W

В обоих образцах в точках внутри образцов, расположенных соответственно на одинаковых расстояниях от нагревателей, помещаются спаи дифференциальных термопар. Средняя монотонно изменяющаяся температура образца измеряется термопарой, холодный спай которой помещается в сосуд с тающим льдом. Запись термо-ЭДС термопар осуществляется электронным быстродействующим самопишущим потенциометром.

Основным недостатком данного способа является малая точность измерения температуропроводности и теплопроводности, обусловленная динамическими погрешностями из-за влияния значения теплоемкости и периодической составляющей мощности нагревателя, амплитудных (максимальных) периодических составляющих температур, потерями теплоты за счет теплообмена с окружающей средой, контактным сопротивлением между образцами и нагревателем.

Кроме того, требуется помещения дифференциальных термопар внутрь исследуемого образца, что нарушает его целостность.

В экспериментах с нагревом торцевой поверхности образца путем электронной бомбардировки коэффициент температуропроводности а определяется по сдвигу фаз между колебаниями анодного тока и колебаниями температуры на обратной поверхности тонкого образца. Все испытания при температурных волнах проводятся на установке, в которую входит нагреватель, возбуждающий периодические тепловые воздействия на образец той или иной формы. Регулировка мощности осуществляется с помощью автоматических устройств. Нагреватели должны иметь малую инерционность и создавать достаточный тепловой поток. Существенным в проведении экспериментов является исключение лучистой составляющей или учет ее с помощью поправочных коэффициентов.

6. Классификация погрешностей средств измерений

Для измерений температуры среды, веществ и определения ТФС материалов ограждений зданий необходимо иметь измерительный комплекс, функциональная схема которого включает следующие элементы.

1. Датчики, находящиеся в контакте с исследуемой средой (телом) и являющиеся своего рода «преобразователями» температуры в иной физический параметр, подлежащий измерению. Для измерения температур используют термопары (типа ТХК) или термопреобразователи сопротивления (типа ТСП, ТСМ).

Термопары с термочувствительным элементом (определенной градуировки), термоэлектрические преобразователи или термоприемники (ТП) подключают к входам прибора - блоку обработки данных.

2. Блок обработки данных может включать в себя регистрирующие или показывающие приборы, цифровые фильтры, вычислители или логические устройства, аналого-цифровые преобразователи, аналоговые модули входа, адаптеры интерфейса, а также ЭВМ.

3. Термоэлектродные или компенсационные провода, которые передают сигналы от термопар к прибору и изготовлены из тех же материалов (либо с аналогичными термоэлектрическими характеристиками), что и термопара.

При определении и исследовании ТФС материалов и изделий основными параметрами измерений являются: температура, текущее время, геометрические размеры образца и расстояние между фиксированными точками тела, где установлены датчики температур.

Любые измерительные системы не могут обеспечить определение действительного значения температуры элементарного объема исследуемого объекта, поскольку физические принципы и исходные условия проведения измерений в той или иной степени оказываются нарушенными

Результат экспериментального измерения температуры Tэ будет отличаться от ее действительного значения Tд на величину, называемую абсолютной погрешностью измерения температуры

?T = Tэ? Tд

Абсолютную погрешность измерения температуры LT можно разделить на три составляющие: методическую LTм, инструментальную LTи и погрешность наблюдения LTн:

LT = LTм+ LT и + LTн.

Любая погрешность измерения может выражаться в долях действительного значения измеряемой величины и называется относительной погрешностью измерения.

Методическая погрешность измерения температуры LTм возникает из-за неточности выполнения методики измерений, недостаточной изученности явлений теплообмена между исследуемым объектом и термоприемником. Методические погрешности при исследовании ТФС материалов, связанные с неточностью реализации теоретических предпосылок, могут быть вызваны следующими условиями: временем наступления теплового режима, неодномерностью температурного поля, изменением ТФС веществ от температуры и др.

Инструментальная (приборная) погрешность измерения температуры LTи возникает из-за несовершенства средств измерения температуры и использования этих средств в условиях, отличающихся от нормальных. Приборную погрешность снижают путем применения современных контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации, а также ЭВМ.

Погрешность регистрации наблюдения LTн определяется квалификацией и особенностями наблюдателя и возникает в результате неправильного отсчета и снятия показаний, расшифровки записей и результатов регистрации. Как правило, эта составляющая погрешности при исключении ошибок экспериментатора незначительна по сравнению с LTм и LTи.

Кроме того, погрешность LT разделяют на систематическую LTсист и случайную LTсл:

LT = LTсист + LTсл

Систематической погрешностью измерения температуры LTсист называют составляющую погрешности измерения, которая остается постоянной или закономерно изменяется в процессе измерений (либо при их повторении).

Систематическую погрешность оценивают расчетным путем или экспериментально, а затем вводят соответствующую поправку в результат измерения температуры либо самого метода.

Случайная погрешность измерения температуры LTсл заранее не предсказуема и изменяется случайным образом при повторных измерениях температуры теми же средствами измерения. Закономерности проявления случайной погрешности и ее оценка могут быть выявлены при многократных наблюдениях температуры с последующей статистической обработкой результатов измерений. В полученное значение случайной погрешности LTсл войдет и та часть систематической погрешности, которая из-за сложности и приближенности оценки LTсист не могла быть ранее учтена. Измеряемая температура среды, веществ, материалов и изделий может быть стационарной (постоянной) или нестационарной (изменяться во времени). В зависимости от этого погрешность измерения температуры подразделяют на статическую LTст и динамическую LTдин.

Погрешность измерения нестационарной температуры включает в себя статическую LTст и динамическую составляющую LTдин:

LT = LTст + LTдин

Погрешность измерения стационарной температуры включает в себя только статическую LTст, а динамическая составляющая LTдин= 0.

Статическая составляющая погрешности LTст зависит от многих факторов: измерения температуры твердых тел, жидкостей, газов, движущихся сред или высокоскоростных потоков. Монтажа ТП на поверхности или внутри тела (материала, изделия, массива), с высокой или низкой теплопроводностью, при установке ТП в пазу, цилиндрическом канале или с использованием защитных экранов, применения непогружаемых ТП контактным или бесконтактным способом.

Существенно влияют на статическую составляющую погрешности LTст направление теплового воздействия на исследуемый объект (нагрев или охлаждение), теплообмен между отдельными элементами ТП, теплоотдача излучением ТП и его окружением в газообразных, частично прозрачных и других объектах, влияние внутренних источников теплоты, характер изменения температуры внутри ТП и в зоне его расположения. Для непогружаемых контактных термоприемников статическая составляющая погрешности LTст зависит от процесса переноса теплоты через зону механического контакта двух твердых тел или деталей. На эффективность передачи теплоты в зоне контакта оказывают влияние такие факторы, как физические свойства материалов, из которых выполнены термопара и исследуемый материал, свойства среды, заполняющей пространство между соприкасающимися поверхностями, чистота обработки и характер микрорельефа указанных поверхностей, сила сжатия и температура в зоне контакта. Так, термическое сопротивление контакта понижается с увеличением нагрузки на соприкасающиеся поверхности, увеличением частоты обработки контактных поверхностей, повышением температуры в зоне раздела. Для непогружаемых контактных термоприемников статическая составляющая погрешности LTст учитывается независимо от характера теплового режима (стационарный или нестационарный).

Динамическая составляющая погрешности LTдин вызвана скоростью изменения исследуемой величины (температуры) Tд от времени ф, и невозможностью из-за инерционных свойств ТП регистрации мгновенных значений нестационарной температуры средствами измерения.

Каждый из применяемых приборов функциональной схемы комплекса вносит в результат измерения дополнительную инструментальную погрешность, зависящую от особенностей конструкции и принципа действия. Результирующая погрешность всего измерительного комплекса определяется суммой погрешностей каждого элемента, который может иметь свои погрешности. Суммирование всех составляющих погрешностей определяет методическую погрешность LTм измерительного комплекса. Количественный анализ методических погрешностей в конечном итоге заключается в обосновании и выборе математической модели, определяющей процесс теплового взаимодействия объекта исследования с ТП.

Принимая меры защиты (хороший тепловой контакт термопар с телом, установка ТП в изотермической поверхности, увеличение числа измерений, применение совершенных контрольно-измерительных приборов), можно уменьшить инструментальную, случайную и статическую погрешности до необходимого минимального значения. Если это удается сделать, то единственным фактором оказывается тепловое воздействие исследуемого объекта. Если тепловое воздействие объекта изменяется во времени (нестационарные процессы), то остается лишь одна составляющая методической погрешности, обусловленная тепловой инерционностью или динамической погрешностью ТП.

Однако внести дополнительную динамическую составляющую погрешности может и любой из перечисленных выше источников измерительного комплекса, если интенсивность его воздействия с течением времени достаточно велика. Анализ источников погрешностей показывает, что основные погрешности измерений ТФС материалов имеют тепловую природу, так как быстродействие современных регистрирующих приборов (особенно электронных) исчисляется долями секунд, а процесс теплообмена между ТП и средой может занимать значительно большее время.

Заключение

На основании выполненного обзора методов теплообмена, тепловых режимов и анализа экспериментальных методов определения теплофизических свойств веществ определены приоритетные направления и разработаны научно-технические основы экспериментального определения теплофизических свойств ограждений зданий и строительных материалов, существенно влияющих на работу систем отопления, охлаждения и вентиляции.

Разработаны теоретические основы метода расчета теплообмена в ограждении здания при циклическом подводе теплоты к его поверхности, основанные на естественном перепаде температуры и теплового потока на поверхности ограждения здания, без нарушения целостности ограждения здания и без подвода и использования внешних или внутренних тепловых и электрических источников теплоты.

Приведены метрологические характеристики и погрешности при экспериментальном определении ТФС материалов ограждений зданий.

Список использованной литературы

1. Фокин В.М., Ковылин А.В., Чернышов В.Н. Энергоэффективные методы определения теплофизических свойств строительных материалов и изделий. - М.: Издательский дом «Спектр», 2011. - 156 с. - 400 экз. - ISBN 978-5-904270-90-2.

2. Фокин В.М., Чернышов В.Н. Неразрушающий контроль теплофизических характеристик строительных материалов: Монография. - М.: Машиностроение, 2004. - 212 с.

Размещено на Allbest.ru

...