Metode za določanje toplotne prevodnosti materialov. Merjenje toplotne prevodnosti

doma

Oskrba s hladno vodo

Za merjenje toplotne prevodnosti je bilo v preteklosti uporabljenih veliko metod. Trenutno so nekateri od njih zastareli, vendar je njihova teorija še vedno zanimiva, saj temeljijo na rešitvah enačb toplotne prevodnosti za enostavne sisteme, ki se pogosto srečujejo v praksi.

Najprej je treba opozoriti, da se toplotne lastnosti katerega koli materiala pojavljajo v različnih kombinacijah; če pa jih obravnavamo kot značilnosti materiala, jih je mogoče določiti iz različnih poskusov. Naštejemo glavne toplotne karakteristike teles in poskuse, iz katerih jih določamo: a) toplotno prevodnost, izmerjeno v stacionarnem načinu poskusa; b) toplotna kapaciteta na enoto prostornine, ki se meri s kalorimetričnimi metodami; c) vrednost, izmerjena v periodičnem stacionarnem načinu poskusov; d) toplotna difuzivnost x, izmerjena v nestacionarnem načinu poskusov. Dejansko večina poskusov, izvedenih v nestacionarnem režimu, načeloma omogoča tako definicijo kot definicijo

Tukaj na kratko opišemo najpogostejše metode in navedemo dele, v katerih so obravnavane. V bistvu so te metode razdeljene na tiste, pri katerih se meritve izvajajo v stacionarnem načinu (metode stacionarnega načina), s periodičnim segrevanjem in v nestacionarnem načinu (metode nestacionarnega načina); nadalje jih delimo na metode, ki se uporabljajo pri preučevanju slabih prevodnikov in pri preučevanju kovin.

1. Metode stabilnega načina; slabi vodniki. Pri tej metodi morajo biti pogoji glavnega poskusa, določeni v § 1 tega poglavja, natančno izpolnjeni, preučevani material pa mora imeti obliko plošče. V drugih različicah metode je mogoče raziskati material v obliki votlega valja (glej § 2 poglavja VII) ali votle krogle (glej § 2 poglavja IX). Včasih ima preučevani material, skozi katerega prehaja toplota, obliko debele palice, vendar se v tem primeru teorija izkaže za bolj zapleteno (glej §§ 1, 2 poglavje VI in § 3 poglavje VIII).

2. Termične metode ustaljenega stanja; kovine. V tem primeru se običajno uporablja kovinski vzorec v obliki palice, katerega konci se vzdržujejo pri različnih temperaturah. Polomejena palica je obravnavana v § 3 pogl. IV in palica končne dolžine - v § 5 Ch. IV.

3. Električne metode stacionarnega načina, kovine. V tem primeru se kovinski vzorec v obliki žice segreje s prehajanjem električnega toka skozenj, njegovi konci pa se vzdržujejo pri določenih temperaturah (glej § 11, poglavje IV in primer IX, § 3, poglavje VIII). Možno je uporabiti tudi primer radialnega toplotnega toka v žici, segreti z električnim tokom (glej primer V, §2, poglavje VII).

4. Metode stacionarnega načina premikanja tekočin. V tem primeru se meri temperatura tekočine, ki se giblje med dvema rezervoarjema, v katerih se vzdržuje različna temperatura (glej § 9, poglavje IV).

5. Metode periodičnega segrevanja. V teh primerih se pogoji na koncih palice ali plošče spreminjajo s časom po doseganju ustaljenega stanja, temperature se merijo na določenih točkah v vzorcu. Primer polneskončne palice je obravnavan v § 4 pogl. IV, za palico končne dolžine pa v § 8 istega poglavja. Podobna metoda se uporablja za določanje toplotne difuzivnosti tal pri temperaturnih nihanjih zaradi sončnega segrevanja (glej 12. poglavje II).

V zadnjem času so te metode začele igrati pomembno vlogo pri meritvah nizkih temperatur; prednost imajo tudi v tem, da lahko v teoriji relativno kompleksnih sistemov uporabimo metode, razvite za preučevanje električnih valovodov (glej poglavje 6, poglavje I).

6. Metode nestacionarnega načina. V preteklosti so bile metode prehodnega načina uporabljene nekoliko manj kot metode ustaljenega načina. Njihova pomanjkljivost je v težavah pri ugotavljanju, kako se dejanski mejni pogoji v eksperimentu ujemajo s pogoji, ki jih postulira teorija. Takšno neskladje je zelo težko upoštevati (na primer, ko govorimo o kontaktnem uporu na meji), in to je bolj pomembno za te metode kot za metode stacionarnega režima (glej poglavje 10, II. ). Hkrati imajo metode nestacionarnega režima določene prednosti. Tako so nekatere od teh metod primerne za zelo hitre meritve in za upoštevanje majhnih temperaturnih sprememb; poleg tega je mogoče številne metode uporabiti "in situ", ne da bi bilo treba vzorec prevažati v laboratorij, kar je zelo zaželeno, zlasti pri preučevanju materialov, kot so tla in kamnine. Večina starejših metod uporablja samo zadnji del grafa temperaturo v primerjavi s časom; v tem primeru je rešitev ustrezne enačbe izražena z enim eksponentnim členom. V § 7 pogl. IV, § 5 pogl. VI, § 5 pogl. VIII in § 5 pogl. IX obravnava primer hlajenja telesa preproste geometrijske oblike z linearnim prenosom toplote z njegove površine. V § 14 pogl. IV, obravnavan je primer nestacionarne temperature v žici, segreti z električnim tokom. V nekaterih primerih se uporablja celoten graf spremembe temperature v točki (glej § 10 poglavje II in § 3 poglavje III).

Do zdaj ni bila razvita enotna klasifikacija, ki je povezana z raznolikostjo obstoječih metod. Znane eksperimentalne metode za merjenje toplotne prevodnosti materialov delimo v dve veliki skupini: stacionarne in nestacionarne. V prvem primeru kakovost formule za izračun uporablja posebne rešitve enačbe toplotne prevodnosti

pod pogojem, v drugem - predvideno, kjer je T temperatura; f - čas; - koeficient toplotne difuzivnosti; l - koeficient toplotne prevodnosti; C - specifična toplotna zmogljivost; d je gostota materiala; - Laplaceov operater, zapisan v ustreznem koordinatnem sistemu; - specifična moč volumetričnega vira toplote.

Prva skupina metod temelji na uporabi stacionarnega toplotnega režima; drugi - nestacionarni toplotni režim. Stacionarne metode za določanje koeficienta toplotne prevodnosti po naravi meritev so neposredne (tj. koeficient toplotne prevodnosti se neposredno določi) in se delijo na absolutne in relativne. Pri absolutnih metodah parametri, izmerjeni v poskusu, omogočajo pridobitev želene vrednosti koeficienta toplotne prevodnosti z uporabo formule za izračun. Pri relativnih metodah parametri, izmerjeni v poskusu, omogočajo pridobitev zahtevane vrednosti koeficienta toplotne prevodnosti z uporabo formule za izračun. Pri relativnih metodah izmerjeni parametri niso dovolj za izračun absolutne vrednosti. Tukaj sta možna dva primera. Prvi je spremljanje spremembe koeficienta toplotne prevodnosti glede na začetni, vzet kot enota. Drugi primer je uporaba referenčnega materiala z znanimi toplotnimi lastnostmi. V tem primeru se v formuli za izračun uporablja koeficient toplotne prevodnosti standarda. Relativne metode imajo nekaj prednosti pred absolutnimi metodami, saj so enostavnejše. Nadaljnjo delitev stacionarnih metod lahko izvedemo glede na naravo ogrevanja (zunanje, volumetrično in kombinirano) ter glede na vrsto izoterm temperaturnega polja v vzorcih (ploska, cilindrična, sferična). V podskupino metod z zunanjim ogrevanjem spadajo vse metode, ki uporabljajo zunanje (električne, volumetrične ipd.) grelnike in segrevanje površin vzorca s toplotnim sevanjem ali bombardiranjem z elektroni. Podskupina metod z volumetričnim segrevanjem združuje vse metode, ki uporabljajo segrevanje s tokom skozi vzorec, segrevanje preučevanega vzorca z nevtronskim ali z-sevanjem ali z mikrovalovnimi tokovi. Podskupina metod s kombiniranim segrevanjem lahko vključuje metode, ki hkrati uporabljajo zunanje in volumetrično segrevanje vzorcev ali vmesno segrevanje (na primer z visokofrekvenčnimi tokovi).

V vseh treh podskupinah stacionarnih metod je temperaturno polje

je lahko drugačna.

Ploščate izoterme nastanejo, ko je toplotni tok usmerjen vzdolž osi simetrije vzorca. Metode, ki uporabljajo ravne izoterme, v literaturi imenujemo metode z aksialnim ali vzdolžnim toplotnim tokom, same eksperimentalne postavitve pa imenujemo ploske naprave.

Cilindrične izoterme ustrezajo širjenju toplotnega toka vzdolž polmera valjastega vzorca. V primeru, ko je toplotni tok usmerjen vzdolž polmera sferičnega vzorca, nastanejo sferične izoterme. Metode, ki uporabljajo takšne izoterme, se imenujejo sferične, naprave pa sferične.

Za preučevanje toplotne prevodnosti snovi se uporabljata dve skupini metod: stacionarne in nestacionarne.

Teorija stacionarnih metod je enostavnejša in bolj razvita. Toda nestacionarne metode načeloma poleg koeficienta toplotne prevodnosti omogočajo pridobivanje informacij o toplotni difuzivnosti in toplotni kapaciteti. Zato se v zadnjem času veliko pozornosti posveča razvoju nestacionarnih metod za določanje termofizikalnih lastnosti snovi.

Tu so obravnavane nekatere stacionarne metode za določanje toplotne prevodnosti snovi.

a) Metoda ravne plasti. Z enodimenzionalnim toplotnim tokom skozi ravno plast se koeficient toplotne prevodnosti določi s formulo

kje d- debelina, T 1 in T 2 - temperature "vroče" in "hladne" površine vzorca.

Za preučevanje toplotne prevodnosti s to metodo je potrebno ustvariti toplotni tok blizu enodimenzionalnega.

Običajno se temperature ne merijo na površini vzorca, temveč na neki oddaljenosti od njih (glej sliko 2.), zato je treba v izmerjeno temperaturno razliko uvesti korekcije za temperaturno razliko v plasti grelnika in hladilnik, da se čim bolj zmanjša toplotna upornost kontaktov.

Pri preučevanju tekočin je treba za odpravo pojava konvekcije temperaturni gradient usmeriti vzdolž gravitacijskega polja (navzdol).

riž. 2. Shema ploskoplastnih metod za merjenje toplotne prevodnosti.

1 – preskusni vzorec; 2 - grelec; 3 - hladilnik; 4, 5 - izolacijski obroči; 6 – varnostni grelniki; 7 - termoelementi; 8, 9 - diferencialni termoelementi.

b) Jaegerjeva metoda. Metoda temelji na reševanju enodimenzionalne enačbe toplotne prevodnosti, ki opisuje širjenje toplote vzdolž palice, segrete z električnim tokom. Težava pri uporabi te metode je v nezmožnosti ustvarjanja strogih adiabatnih pogojev na zunanji površini vzorca, kar krši enodimenzionalnost toplotnega toka.

Formula za izračun je videti tako:

(14)

kje s- električna prevodnost preskusnega vzorca, U je padec napetosti med skrajnimi točkami na koncih palice, DT je temperaturna razlika med sredino palice in točko na koncu palice.

riž. 3. Shema Jaegerjeve metode.

1 - električna peč; 2 - vzorec; 3 - zatiči za pritrditev vzorca; T 1 ¸ T 6 - zaključne točke termoelementov.

Ta metoda se uporablja pri preučevanju električno prevodnih materialov.

v) Metoda cilindrične plasti. Preiskovana tekočina (razsuti material polni valjasto plast, ki jo tvorita dva koaksialna cilindra. Eden od valjev, najpogosteje notranji, je grelec (slika 4).

Slika 4. Shema metode valjaste plasti

1 - notranji cilinder; 2 - glavni grelec; 3 - plast preskusne snovi; 4 - zunanji cilinder; 5 - termoelementi; 6 - varnostni cilindri; 7 - dodatni grelniki; 8 - telo.

Podrobneje razmislimo o stacionarnem procesu toplotne prevodnosti v valjasti steni, katere temperatura zunanje in notranje površine je konstantna in enaka T 1 in T 2 (v našem primeru je to plast snovi v študiji 5). Določimo toplotni tok skozi steno pod pogojem, da je notranji premer valjaste stene d 1 = 2r 1, zunanji premer pa d 2 = 2r 2, l = const, toplota pa se širi le v radialni smeri. .

Za rešitev problema uporabimo enačbo (12). V cilindričnih koordinatah, ko ; enačba (12) po (10) vzame vit:

. (15)

Uvedemo zapis dT/dr= 0, dobimo

Po integraciji in potenciranju tega izraza ter prehodu na izvirne spremenljivke dobimo:

. (16)

Kot je razvidno iz te enačbe, je odvisnost T=f(r) logaritmična.

Integracijski konstanti C 1 in C 2 lahko določimo tako, da v to enačbo nadomestimo mejne pogoje:

pri r \u003d r 1 T = T 1 in T 1 \u003d C 1 ln r1+C2,

pri r=r2 T=T2 in T 2 \u003d C 1 ln r2+C2.

Rešitev teh enačb glede na Z 1 in Od 2 daje:

;

Zamenjava teh izrazov za Od 1 in Od 2 v enačbo (1b), dobimo

(17)

toplotni tok skozi območje valjaste površine polmera r dolžina pa je določena s Fourierovim zakonom (5)

Po zamenjavi dobimo

. (18)

Koeficient toplotne prevodnosti l pri znanih vrednostih Q, T 1 , T 2 , d 1 , d 2 , izračunano po formuli

. (19)

Za zatiranje konvekcije (v primeru tekočine) mora biti valjasta plast majhna debelina, običajno delci milimetra.

Zmanjšanje končnih izgub pri metodi valjaste plasti se doseže s povečanjem razmerja / d in varnostni grelniki.

G) metoda vroče žice. Pri tej metodi je relacija / d povečuje z zmanjševanjem d. Notranji cilinder je zamenjana s tanko žico, ki je bila hkrati grelec in uporni termometer (slika 5). Zaradi relativne preprostosti načrtovanja in podrobnega razvoja teorije je metoda ogrevane žice postala ena najbolj naprednih in natančnih. V praksi eksperimentalnih študij toplotne prevodnosti tekočin in plinov zavzema vodilno mesto.

riž. 5. Shema merilne celice po metodi ogrevane žice. 1 - merilna žica, 2 - cev, 3 - preskusna snov, 4 - tokovni kabli, 5 - potencialne pipe, 6 - zunanji termometer.

Pod pogojem, da se celoten toplotni tok iz odseka AB širi radialno in temperaturna razlika T 1 - T 2 ni velika, tako da lahko v teh mejah upoštevamo l = const, se toplotna prevodnost snovi določi s formulo

, (20)

kje Q AB = T×U AB je moč, razpršena na žici.

e) metoda žogice. Uporablja se v praksi preučevanja toplotne prevodnosti tekočin in razsutih materialov. Preučevana snov ima obliko sferične plasti, ki načeloma omogoča izključitev nenadzorovanih toplotnih izgub. Tehnično je ta metoda precej zapletena.

Ne glede na obseg gradnje je prvi korak razvoj projekta. Risbe odražajo ne le geometrijo konstrukcije, temveč tudi izračun glavnih toplotnih lastnosti. Če želite to narediti, morate poznati toplotno prevodnost gradbenih materialov. Glavni cilj gradnje je gradnja trajnih konstrukcij, trajnih konstrukcij, ki so udobne brez prevelikih stroškov ogrevanja. V zvezi s tem je izjemno pomembno poznati koeficiente toplotne prevodnosti materialov.

Opeka ima najboljšo toplotno prevodnost

Značilnosti indikatorja

Izraz toplotna prevodnost se nanaša na prenos toplotne energije iz bolj vročih predmetov na hladnejše. Izmenjava se nadaljuje, dokler ni doseženo temperaturno ravnovesje.

Prenos toplote je določen s dolžino časa, v katerem je temperatura v prostorih v skladu s temperaturo okolice. Manjši je ta interval, večja je toplotna prevodnost gradbenega materiala.
Za karakterizacijo toplotne prevodnosti se uporablja pojem koeficienta toplotne prevodnosti, ki kaže, koliko toplote preide skozi takšno in drugačno površino v takem in takšnem času. Višja kot je ta številka, večji je prenos toplote in zgradba se ohladi veliko hitreje. Tako je pri postavljanju konstrukcij priporočljivo uporabljati gradbene materiale z minimalno toplotno prevodnostjo.
V tem videoposnetku boste izvedeli o toplotni prevodnosti gradbenih materialov:
Kako določiti toplotne izgube
Glavni elementi stavbe, skozi katere uhaja toplota:
vrata (5-20%);
spol (10-20%);
streha (15-25%);
stene (15-35%);
okna (5-15%).

Stopnjo toplotnih izgub določimo s pomočjo termovizije. Rdeča označuje najtežja področja, rumena in zelena označujeta manjše toplotne izgube. Območja z najmanjšimi izgubami so označena z modro. Vrednost toplotne prevodnosti se določi v laboratoriju, materialu pa se izda certifikat kakovosti.
Vrednost toplotne prevodnosti je odvisna od naslednjih parametrov:
Poroznost. Pore kažejo na heterogenost strukture. Ko toplota prehaja skozi njih, bo hlajenje minimalno.
Vlažnost. Visoka raven vlažnosti izzove izpodrivanje suhega zraka s kapljicami tekočine iz por, zaradi česar se vrednost večkrat poveča.
Gostota. Večja gostota spodbuja bolj aktivno interakcijo delcev. Posledično se prenos toplote in uravnavanje temperature odvijata hitreje.

Koeficient toplotne prevodnosti
V hiši so toplotne izgube neizogibne, nastanejo pa, ko je temperatura zunaj okna nižja kot v prostorih. Intenzivnost je spremenljiva in je odvisna od številnih dejavnikov, od katerih so glavni naslednji:
Površina, ki sodeluje pri prenosu toplote.
Kazalnik toplotne prevodnosti gradbenih materialov in gradbenih elementov.
temperaturna razlika.

Grška črka λ se uporablja za označevanje toplotne prevodnosti gradbenih materialov. Merska enota je W/(m×°C). Izračun je narejen za 1 m² meter debele stene. Tu je predvidena temperaturna razlika 1°C.

Študija primera
Običajno so materiali razdeljeni na toplotnoizolacijske in strukturne. Slednji imajo najvišjo toplotno prevodnost, iz njih so zgrajene stene, stropi in druge ograje. Glede na tabelo materialov mora biti pri gradnji armiranobetonskih sten, da se zagotovi nizka izmenjava toplote z okoljem, njihova debelina približno 6 m. stavba bo obsežna in draga.
V primeru napačnega izračuna toplotne prevodnosti pri načrtovanju bodo prebivalci bodoče hiše zadovoljni le z 10% toplote iz virov energije. Zato je hiše iz standardnih gradbenih materialov priporočljivo dodatno izolirati.

Pri pravilni hidroizolaciji izolacije visoka vlažnost ne vpliva na kakovost toplotne izolacije, odpornost stavbe na prenos toplote pa bo postala veliko večja.

Najboljša možnost je uporaba grelnika
Najpogostejša možnost je kombinacija nosilne konstrukcije iz visoko trdnih materialov z dodatno toplotno izolacijo. Na primer:
Okvirna hiša. Med stebri je nameščena izolacija. Včasih je ob rahlem zmanjšanju prenosa toplote potrebna dodatna izolacija zunaj glavnega okvirja.
Konstrukcija standardnih materialov. Ko so stene opečne ali opečne, se izolacija izvede od zunaj.

Gradbeni materiali za zunanje stene
Stene so danes zgrajene iz različnih materialov, a najbolj priljubljeni ostajajo: les, opeka in gradniki. Glavna razlika je gostota in toplotna prevodnost gradbenih materialov. Primerjalna analiza vam omogoča, da najdete zlato sredino v razmerju med temi parametri. Večja kot je gostota, večja je nosilnost materiala in s tem celotne strukture. Toda toplotna upornost postane manjša, to pomeni, da se stroški energije povečajo. Običajno je pri manjši gostoti poroznost.
Koeficient toplotne prevodnosti in njegova gostota.
Izolacija sten
Grelniki se uporabljajo, kadar ni dovolj toplotne odpornosti zunanjih sten. Običajno za ustvarjanje udobne mikroklime v prostorih zadostuje debelina 5-10 cm.
Vrednost koeficienta λ je podana v naslednji tabeli.
Toplotna prevodnost meri sposobnost materiala, da prevaja toploto skozi sebe. Močno je odvisno od sestave in strukture. Gosti materiali, kot so kovine in kamen, so dobri prevodniki toplote, medtem ko so materiali z nizko gostoto, kot sta plin in porozna izolacija, slabi prevodniki.

ZVEZNA AGENCIJA ZA TEHNIČNO REGULACIJO IN METROLOGIJO

NACIONALNI

STANDARD

RUSKI

FEDERACIJA

KOMPOZITI

Uradna izdaja

Strshdfttftsm

GOST R 57967-2017

Predgovor

1 PRIPRAVILO Zvezno državno enotno podjetje "Vseruski raziskovalni inštitut za letalske materiale" skupaj z Avtonomno nekomercialno organizacijo "Center za racionalizacijo, standardizacijo in klasifikacijo kompozitov" s sodelovanjem Združenja pravnih oseb "Zveza proizvajalcev kompozitov" " na podlagi uradnega prevoda v ruski jezik angleške različice, določene v odstavku 4 standarda, ki ga izpolnjuje TC 497

2 UVODIL Tehnični odbor za standardizacijo TK 497 "Kompoziti, strukture in izdelki iz njih"

3 ODOBREN IN Uveden Z Odredbo št. 1785-st z dne 21. novembra 2017 Zvezne agencije za tehnično regulacijo in meroslovje

4 Ta standard je spremenjen iz standardne preskusne metode ASTM E1225-13 za toplotno prevodnost trdnih snovi z uporabo Guard ed-Comparative-Longitudinal Heat Flow Technique", MOD) s spremembo njegove strukture, da se uskladi s pravili, določenimi v GOST 1.5- 2001 (pododdelka 4.2 in 4.3).

Ta standard ne vključuje klavzul 5. 12. pododstavkov 1.2, 1.3 uporabljenega standarda ASTM. ki jih v ruski nacionalni standardizaciji ni primerno uporabljati zaradi njihove redundance.

Navedene klavzule in pododstavki, ki niso vključeni v glavni del tega standarda, so podani v dodatnem dodatku DA.

Ime tega standarda je bilo spremenjeno glede na ime določenega standarda ASTM, da bi ga uskladili z GOST R 1.5-2012 (pododdelek 3.5).

Primerjava strukture tega standarda s strukturo navedenega standarda ASTM je podana v dodatni prilogi DB.

Informacije o skladnosti referenčnega nacionalnega standarda s standardom ASTM. se uporablja kot referenca v uporabljenem standardu ASTM. so podane v dodatni prilogi DV

5 PREDSTAVLJENO PRVIČ

Pravila za uporabo tega standarda so določena v členu 26 Zveznega zakona z dne 29. junija 2015 N9 162-FZ "O standardizaciji v Ruski federaciji". Informacije o spremembah tega standarda so objavljene v letnem (od 1. januarja tekočega leta) informacijskem indeksu "Nacionalni standardi", uradno besedilo sprememb in pol leta pa v mesečnem indeksu informacij "Nacionalni standardi". V primeru revizije (zamenjave) ali preklica tega standarda bo ustrezno obvestilo objavljeno v naslednji številki mesečnega informativnega indeksa "Nacionalni standardi". Ustrezne informacije. obvestila in besedila so objavljeni tudi v sistemu javnih obveščanja - na uradni spletni strani Zvezne agencije za tehnično regulacijo in meroslovje na internetu ()

Tega standarda ni mogoče v celoti ali delno reproducirati, razmnoževati in distribuirati kot uradno publikacijo brez dovoljenja Zvezne agencije za tehnično regulacijo in meroslovje.

GOST R 57967-2017

1 področje uporabe ................................................ ....................ena

3 Izrazi, definicije in označbe .............................................. ... ...... ena

4 Bistvo metode ................................................. ...................................2

5 Oprema in materiali.................................................. ........................................4

6 Priprava na testiranje ................................................. ........................enajst

7 Testiranje ................................................................ .................................................12

8 Obdelava rezultatov testa ................................................ ....................................trinajst

9 Poročilo o preskusu ................................................. ................ ..................trinajst

Priloga DA (informativno) Izvirno besedilo strukturnih elementov ni vključeno

uporabljen standard ASTM ................................................. ..15

Priloga DB (informativna) Primerjava strukture tega standarda s strukturo

v njem uporabljen standard ASTM ................................................. ... 18

Priloga DV (informativna) Informacije o skladnosti referenčnega nacionalnega standarda s standardom ASTM. se uporablja kot referenca v uporabljenem standardu ASTM ........................................ .............................................devetnajst

GOST R 57967-2017

NACIONALNI STANDARD RUSKE FEDERACIJE

KOMPOZITI

Določanje toplotne prevodnosti trdnih snovi z metodo stacionarnega enodimenzionalnega toplotnega toka z zaščitnim grelnikom

Kompoziti. Določanje toplotne prevodnosti soHds s stacionarnim enodimenzionalnim toplotnim tokom

s tehniko zaščitnega grelca

Datum uvedbe - 01.06.2018

1 področje uporabe

1.1 Ta mednarodni standard določa določanje toplotne prevodnosti homogenih neprozornih trdnih polimernih, keramičnih in kovinskih kompozitov z enodimenzionalno metodo toplotnega toka v ustaljenem stanju z zaščitnim grelcem.

1.2 Ta mednarodni standard je namenjen uporabi pri preskušanju materialov z učinkovito toplotno prevodnostjo v območju od 0,2 do 200 W/(m-K) v temperaturnem območju od 90 K do 1300 K.

1.3 Ta standard se lahko uporablja tudi za materiale z učinkovito toplotno prevodnostjo zunaj določenih območij z nižjo natančnostjo.

2 Normativne reference

Ta standard uporablja normativne reference na naslednje standarde:

GOST 2769 Površinska hrapavost. Parametri in značilnosti

GOST R 8.585 Državni sistem za zagotavljanje enotnosti meritev. Termoelementi. Nazivne statične pretvorbene značilnosti

Opomba - Pri uporabi tega standarda je priporočljivo preveriti veljavnost referenčnih standardov v javnem informacijskem sistemu - na uradni spletni strani Zvezne agencije za tehnično regulacijo in meroslovje na internetu ali v skladu z letnim indeksom informacij "Nacionalni standardi" , ki je izšel s 1. januarjem tekočega leta, in o izdajah mesečnega informacijskega indeksa »Nacionalni standardi« za tekoče leto. Če je bil referenčni standard brez datuma zamenjan, se priporoča, da se uporabi trenutna različica tega standarda, pri čemer se upoštevajo vse spremembe te različice. Če se referenčni standard, na katerega je podana datirana referenca, zamenja, je priporočljiva uporaba različice tega standarda z letom odobritve (prevzema), ki je navedena zgoraj. Če se po odobritvi tega standarda spremeni referenčni standard, na katerega je podan datirani estrih, kar vpliva na določbo, na katero se sklicuje, potem je priporočljivo uporabiti to določbo brez upoštevanja te spremembe. Če je referenčni standard razveljavljen brez zamenjave, se priporoča, da se določba, v kateri se sklicuje nanj, uporabi v delu, ki ne vpliva na to referenco.

3 Izrazi, definicije in simboli

3.1 V tem standardu so uporabljeni naslednji izrazi z ustreznimi definicijami:

3.1.1 toplotna prevodnost /.. W/(m K)

Uradna izdaja

GOST R 57967-2017

3.1.2 navidezna toplotna prevodnost predstavljajo navidezno ali učinkovito toplotno prevodnost.

3.2 8 tega standarda se uporabljajo naslednje oznake:

3.2.1 X M (T), W / (m K) - toplotna prevodnost referenčnih vzorcev glede na temperaturo.

3.2.2 Eci, W/(m K) - toplotna prevodnost zgornjega referenčnega vzorca.

3.2.3 Xjj'. 8t/(m K) - toplotna prevodnost spodnjega referenčnega vzorca.

3.2.4 edT), W / (m K) - toplotna prevodnost preskusnega vzorca, po potrebi popravljena za prenos toplote.

3.2.5 X "$ (T), W / (m K) - toplotna prevodnost preskusnega vzorca, izračunana brez popravka za prenos toplote.

3.2.6 >y(7), W/(m K) - toplotna prevodnost izolacije glede na temperaturo.

3.2.7 T, K - absolutna temperatura.

3.2.8 Z, m - razdalja, merjena od zgornjega konca embalaže.

3.2.9 /, m - dolžina preskusnega vzorca.

3.2.10 G (, K - temperatura pri Z r

3.2.11 q", W / m 2 - toplotni tok na enoto površine.

3.2.12 ZX LT itd. - odstopanja X. G. itd.

3.2.13 g A, m je polmer preskusnega vzorca.

3.2.14 g in, m - notranji polmer zaščitne lupine.

3.2.15 f 9 (Z), K - temperatura zadrževalne lupine, odvisno od razdalje Z.

4 Bistvo metode

4.1 Splošna shema metode enodimenzionalnega toplotnega toka v ustaljenem stanju z uporabo varnostnega grelnika je prikazana na sliki 1. Testni vzorec z neznano toplotno prevodnostjo X s . z ocenjeno toplotno prevodnostjo X s // s . pod obremenitvijo med dvema referenčnima primerkoma s toplotno prevodnostjo X m z enako površino preseka in toplotno prevodnostjo X^//^. Zasnova je paket, sestavljen iz diskovnega grelnika s testnim vzorcem in referenčnimi vzorci na vsaki strani med grelcem in hladilnim telesom. V testnem paketu se ustvari temperaturni gradient, toplotne izgube se zmanjšajo na minimum z uporabo vzdolžnega zaščitnega grelnika, ki ima približno enak temperaturni gradient. Skozi vsak vzorec teče približno polovica energije. V ravnotežnem stanju se koeficient toplotne prevodnosti določi iz izmerjenih temperaturnih gradientov* preskusnega vzorca in ustreznih referenčnih vzorcev ter toplotne prevodnosti referenčnih materialov.

4.2 Na vrečko uporabite silo, da zagotovite dober stik med vzorci. Paket je obdan z izolacijskim materialom s toplotno prevodnostjo.Izolacija je zaprta v zaščitno lupino * s polmerom r 8, ki se nahaja pri temperaturi T d (2). Vzpostavite temperaturni gradient v vreči tako, da vzdržujete zgornji del pri temperaturi T t in spodnji del pri temperaturi T in. Temperatura T 9 (Z) je običajno linearni temperaturni gradient, ki približno ustreza gradientu, določenemu v preiskovanem paketu. Izotermični varnostni grelec s temperaturo T ? (Z). enaka povprečni temperaturi preskusnega vzorca. Zaradi možnih velikih toplotnih izgub, zlasti pri povišanih temperaturah, ni priporočljiva uporaba izvedbe merilne celice instrumenta brez zaščitnih grelnikov. V stanju dinamičnega ravnovesja se temperaturni gradienti vzdolž odsekov izračunajo iz izmerjenih temperatur vzdolž dveh referenčnih vzorcev in preskusnega vzorca. Vrednost X "s brez upoštevanja popravka za prenos toplote se izračuna po formuli (simboli so prikazani na sliki 2).

T 4 -G 3 2 U 2 -Z, Z e -Z 5

kjer je Г, - temperatura pri Z,. K T 2 - temperatura pri Z 2, K G 3 - temperatura pri Z 3. Za

GOST R 57967-2017

Г 4 - temperatura pri Z 4 . TO;

Г 5 - temperatura pri Z s . ZA:

Г в - temperatura pri Z e. ZA:

Z, - koordinata 1. temperaturnega senzorja, m;

Zj - koordinata 2. temperaturnega senzorja, m;

Z 3 - koordinata 3. temperaturnega senzorja, m;

Z 4 - koordinata 4. temperaturnega senzorja, m;

Z 5 - koordinata 5. temperaturnega senzorja, m;

Z e - koordinata 6. temperaturnega senzorja, m.

Takšna shema je idealizirana, saj ne upošteva prenosa toplote med embalažo in izolacijo na vsaki točki ter enakomernega prenosa toplote na vsakem vmesniku med referenčnimi vzorci in preskusnim vzorcem. Napake, ki jih povzročata ti dve predpostavki, se lahko zelo razlikujejo. Zaradi teh dveh dejavnikov je treba to preskusno metodo omejiti. če želite doseči zahtevano natančnost.

1 - temperaturni gradient v zaščitni lupini; 2 - temperaturni gradient v embalaži; 3 - termoelement: 4 - spona.

S - zgornji grelec. b - zgornji referenčni vzorec: 7 - spodnji referenčni vzorec, c - spodnji grelec: c - hladilnik. 10 - zgornji varnostni grelec: I - varnostni grelec

Slika 1 - Diagram tipičnega preskusnega paketa in zadrževalnega prostora, ki prikazuje ujemanje temperaturnih gradientov

GOST R 57967-2017

7 b

Hladilnik

Oa oimshprmi

Izolacija; 2 - varnostni grelec. E - kovinska ali keramična zaščitna lupina: 4 - grelec. S - referenčni vzorec, b - preskusni vzorec, x - približna lokacija termoelementov

Slika 2 - Shema metode enodimenzionalnega stacionarnega toplotnega toka z uporabo varnostnega grelnika z navedbo možnih lokacij za namestitev temperaturnih senzorjev

5 Oprema in materiali

5.1 Referenčni vzorci

5.1.1 Za referenčne vzorce je treba uporabiti referenčne materiale ali referenčne materiale z znanimi vrednostmi toplotne prevodnosti. V tabeli 1 so navedeni nekateri splošno priznani referenčni materiali. Slika 3 prikazuje primer spremembe v >. m s temperaturo * tura.

GOST R 57967-2017

Typlofoaodoost, EGL^m-K)

Slika 3 - Referenčne vrednosti toplotne prevodnosti referenčnih materialov

OPOMBA Material, izbran za referenčne vzorce, mora imeti toplotno prevodnost, ki je najbližja toplotni prevodnosti materiala, ki se meri.

5.1.2 Tabela 1 ni izčrpna in kot referenca se lahko uporabijo drugi materiali. Referenčni material in vir vrednosti X m je treba navesti v poročilu o preskusu.

Tabela 1 – Referenčni podatki za značilnosti referenčnih materialov

GOST R 57967-2017

Konec tabele 1

Tabela 2 - Toplotna prevodnost elektrolitskega železa

Temperatura. Za	Toplotna prevodnost. W/(m K)

GOST R 57967-2017

Tabela 3 - Toplotna prevodnost volframa

Temperatura, K	Toplotna prevodnost. 6t/(mK)

GOST R 57967-2017

Tabela 4 - Toplotna prevodnost avstenitnega jekla

Temperatura. Za	Toplotna prevodnost, W/(m K)

GOST R 57967-2017

Konec tabele 4

5.1.3 Zahteve za vse referenčne materiale vključujejo stabilnost lastnosti v celotnem temperaturnem območju delovanja, združljivost z drugimi komponentami merilne celice instrumenta, enostavno pritrditev temperaturnega senzorja in natančno znano toplotno prevodnost. Ker so napake zaradi toplotnih izgub za določeno povečanje k sorazmerne s spremembo k in Jk s , je treba za referenčne vzorce uporabiti referenčni material c). m najbližje >. s .

5.1.4 Če je toplotna prevodnost preskusnega vzorca k s med vrednostmi koeficienta toplotne prevodnosti dveh referenčnih materialov, je treba uporabiti referenčni material z višjo toplotno prevodnostjo k u. za zmanjšanje splošnega padca temperature vzdolž embalaže.

5.2 Izolacijski materiali

Kot izolacijski materiali se uporabljajo praškasti, dispergirani in vlaknati materiali za zmanjšanje radialnega toplotnega toka v obročasti prostor, ki obdaja embalažo, in toplotnih izgub vzdolž embalaže. Pri izbiri izolacije je treba upoštevati več dejavnikov:

Izolacija mora biti stabilna v pričakovanem temperaturnem območju, imeti nizko toplotno prevodnost k in biti enostavna za rokovanje;

Izolacija ne sme onesnažiti komponent merilne celice instrumenta, kot so temperaturni senzorji, mora biti nizko toksična in ne sme prevajati električne energije.

Običajno se uporabljajo prah in trdne snovi, saj jih je enostavno stisniti. Uporabite lahko preproge iz vlaken nizke gostote.

5.3 Temperaturni senzorji

5.3.1 Vsaj dva temperaturna senzorja morata biti nameščena na vsak referenčni vzorec in dva na preskusni vzorec. Če je mogoče, morata referenčni vzorci in preskusni vzorec vsebovati po tri temperaturna tipala. Dodatni senzorji so potrebni za potrditev linearnosti porazdelitve temperature vzdolž paketa ali za odkrivanje napake zaradi nekalibriranega temperaturnega senzorja.

5.3.2 Tip temperaturnega senzorja je odvisen od velikosti merilne celice instrumenta, temperaturnega območja in okolja v merilni celici instrumenta, ki ga določajo izolacija, referenčni vzorci, preskusni vzorec in plin. Za merjenje temperature lahko uporabimo katerikoli senzor z zadostno natančnostjo, merilna celica naprave pa mora biti dovolj velika, da je motnja toplotnega toka iz temperaturnih senzorjev zanemarljiva. Običajno se uporabljajo termoelementi. Njihova majhna velikost in enostavnost pritrditve sta očitni prednosti.

5.3.3 Termoelementi morajo biti izdelani iz žice s premerom največ 0,1 mm. Vse hladne spoje je treba vzdrževati pri konstantni temperaturi. Ta temperatura se vzdržuje z ohlajeno gnojevko, termostatom ali elektronsko kompenzacijo referenčne točke. Vsi termoelementi morajo biti izdelani iz kalibrirane žice ali žice, ki jo je dobavitelj potrdil, da izpolnjuje meje napak, določene v GOST R 8.585.

5.3.4 Metode pritrditve termoelementov so prikazane na sliki 4. Notranje kontakte v kovinah in zlitinah lahko pridobimo z varjenjem posameznih termoelementov na površine (slika 4a). Spojke termoelementov, ki so zavarjeni v čelno ali s kroglicami, je mogoče togo pritrditi z udarjanjem, cementiranjem ali varjenjem v ozke utore ali majhne luknje (slike 4b, 4c in 4

5.3.5 Na sliki 46 je termoelement v radialni reži, medtem ko je na sliki 4c termoelement potegnjen skozi radialno luknjo v materialu. 8 primer uporabe termoelementa v zaščitnem plašču ali termoelementa, katerega oba termočlena sta v električnem izolatorju z dvema

GOST R 57967-2017

luknje, lahko uporabite nosilec za termoelement, prikazan na sliki 4d. V zadnjih treh primerih je treba termoelement toplotno prilepiti na trdno površino z ustreznim lepilom ali visokotemperaturnim lepilom. Vsi štirje postopki, prikazani na sliki 4, bi morali vključevati žice za kaljenje na površinah, ovijanje žic v izotermičnih območjih, toplotno ozemljitvene žice na varovalu ali kombinacijo vseh treh.

5.3.6 Ker netočnost lokacije temperaturnega senzorja vodi do velikih napak. posebno pozornost je treba nameniti določanju pravilne razdalje med senzorji in izračunu možne napake, ki je posledica morebitne netočnosti.

c - notranji sirni čevelj z ločenimi termoelementi, privarjenimi na preskusni vzorec ali referenčne vzorce tako, da signal prehaja skozi material. 6 - radialni utor na ravni površini za pritrditev gole žice ali senzorja termoelementa, izoliranega s keramiko; c majhna radialna luknja, izvrtana skozi preskušanec ali referenčne kose, in neizoliran (dovoljeno, če je material električni izolator) ali izoliran termoelement, ki je vstavljen skozi luknjo: d majhna radialna luknja, izvrtana skozi preskušanec ali referenčne kose, in termočlen, nameščen glede luknje

Slika 4 - Montaža termoelementov

OPOMBA V vseh primerih je treba termoelemente termično utrditi ali toplotno ozemljiti na zadrževalni prostor, da se zmanjša napaka pri merjenju zaradi toplotnega toka v ali iz vročega spoja.

5.4 Sistem nalaganja

5.4.1 Preskusna metoda zahteva enakomeren prenos toplote čez vmesnik med referenčnimi vzorci in preskusnim vzorcem, ko so temperaturni senzorji znotraj rk vmesnika. Da bi to naredili, je potrebno zagotoviti enotno kontaktno odpornost.

GOST R 57967-2017

Sprememba v sosednjih območjih referenčnih vzorcev in preskusnega vzorca, ki se lahko ustvari z uporabo aksialne obremenitve v kombinaciji s prevodnim medijem na vmesnikih. Ni priporočljivo izvajati meritev v vakuumu, razen če je to potrebno za zaščitne namene.

5.4.2 Pri preskušanju materialov z nizko toplotno prevodnostjo se uporabljajo tanki preskusni vzorci, zato je treba temperaturne senzorje namestiti blizu površine. V takih primerih je treba na vmesnike vnesti zelo tanek sloj visoko toplotno prevodne tekočine, paste, mehke kovinske folije ali zaslona.

5.4.3 Zasnova merilnega instrumenta mora zagotoviti sredstva za ustvarjanje ponovljive in konstantne obremenitve vzdolž embalaže, da se čim bolj zmanjšajo vmesni upori na vmesnikih med referenčnimi vzorci in preskusnim vzorcem. Obremenitev se lahko izvaja pnevmatsko, hidravlično, z vzmetnim delovanjem ali s pozicioniranjem bremena. Zgornji mehanizmi uporabe obremenitve so konstantni, ko se temperatura embalaže spreminja. V nekaterih primerih je lahko tlačna trdnost preskusnega vzorca tako nizka, da mora biti uporabljena sila omejena s težo zgornjega referenčnega vzorca. Pri tem je treba posebno pozornost nameniti napakam, ki lahko nastanejo zaradi slabega stika, za kar morajo biti temperaturni senzorji nameščeni stran od morebitnih motenj toplotnega toka na vmesnikih.

5.5 Zaščitna lupina

5.5.1 Paket, sestavljen iz preskusnega vzorca in referenčnih vzorcev, mora biti zaprt v zaščitni ovoj s pravilno krožno simetrijo. Zaščitni ovoj je lahko kovinski ali keramičen, njen notranji polmer pa mora biti tak, da je razmerje r^r A v območju od 2,0 do 3,5. Zaščitna lupina mora vsebovati vsaj en zaščitni grelec za nadzor temperaturnega profila vzdolž ovoja.

5.5.2 Zadrževalni prostor mora biti zasnovan in upravljan tako, da je temperatura njegove površine bodisi izotermna in približno enaka povprečni temperaturi preskusnega vzorca, ali pa ima približen linearni profil, ki se ujema na zgornjem in spodnjem koncu zadrževalnega prostora z ustrezne položaje vzdolž paketa. V vsakem primeru morajo biti za merjenje temperaturnega profila na zaprtem prostoru na vnaprej usklajenih točkah nameščeni vsaj trije temperaturni senzorji (glej sliko 2).

5.6 Merilna oprema

5.6.1 Kombinacija temperaturnega senzorja in merilnega instrumenta, ki se uporablja za merjenje izhodne moči senzorja, mora biti ustrezna, da zagotovi natančnost merjenja temperature ± 0,04 K in absolutno napako manj kot ± 0,5 %.

5.6.2 Merilna oprema za to metodo mora vzdrževati zahtevano temperaturo in meriti vse ustrezne izhodne napetosti s natančnostjo, sorazmerno s točnostjo merjenja temperature temperaturnih senzorjev.

6 Priprava na testiranje

6.1 Zahteve za preskusne vzorce

6.1.1 Preskusni kosi, preizkušeni s to metodo, niso omejeni na geometrijo sladkarij. Najbolj prednostna je uporaba cilindričnih ali prizmatičnih vzorcev. Območja prevodnosti preskusnega vzorca in referenčnega vzorca so enaka do 1 %, pri izračunu rezultata pa se upošteva vsaka razlika v površini. Za cilindrično konfiguracijo se polmeri preskusnega in referenčnega primerka ujemajo v mejah ± 1 %. in polmer vzorca, ki se preskuša, r A, mora biti tak, da je r B fr A med 2,0 in 3,5. Vsaka ravna površina preskusnega in referenčnega vzorca mora biti ravna s površinsko hrapavostjo največ R a 32 v skladu z GOST 2789. normale na vsako površino morajo biti vzporedne z osjo vzorca z natančnostjo ± 10 min.

OPOMBA V nekaterih primerih ta zahteva ni potrebna. Nekateri instrumenti so lahko na primer sestavljeni iz referenčnih vzorcev in testnih vzorcev z visokimi vrednostmi >. m in >. s . kjer so napake zaradi toplotnih izgub pri dolgih odsekih zanemarljive. Takšni odseki so lahko dovolj dolgi, da to omogočajo

GOST R 57967-2017

ki naj se uporablja za montažo temperaturnih senzorjev na zadostni razdalji od kontaktnih točk, s čimer se zagotovi enakomernost toplotnega toka. Dolžina vzorca, ki se preskuša, se izbere na podlagi poznavanja polmera in toplotne prevodnosti. Kdaj). in višjo od toplotne prevodnosti nerjavnega jekla, se lahko uporabijo dolgi preskusni vzorci dolžine 0 g A » 1. Tako dolgi preskusni vzorci omogočajo uporabo velikih razdalj med temperaturnimi senzorji, kar zmanjša napako zaradi netočnosti v lokacijo senzorja. Kdaj). m nižje od toplotne prevodnosti nerjavnega jekla, je treba dolžino preskusnega vzorca zmanjšati, saj postane merilna napaka zaradi toplotne izgube prevelika.

6.1.2 Razen če je v normativnem dokumentu ali tehnični dokumentaciji za material določeno drugače. za testiranje se uporabi en preskusni vzorec.

6.2 Nastavitev strojne opreme

6.2.1 Umerjanje in preverjanje opreme se izvaja v naslednjih primerih:

Po montaži strojne opreme:

Če je razmerje med X m in X s manjše od 0,3. ali več kot 3. in ni mogoče izbrati vrednosti toplotne prevodnosti;

Če je oblika preskušanca zapletena ali je preskušanec majhen:

če so bile izvedene spremembe geometrijskih parametrov merilne celice naprave;

Če je bilo odločeno za uporabo drugih referenčnih materialov ali izolacije od tistih, ki so navedeni v oddelkih 6.3 in 6.4:

Če je oprema predhodno delovala na dovolj visoko temperaturo, da se lahko spremenijo lastnosti komponent, kot npr. na primer občutljivost termoelementa.

6.2.2 Ta preverjanja se izvedejo s primerjavo vsaj dveh referenčnih materialov, kot sledi:

Izberite referenčni material, katerega toplotna prevodnost je najbližja pričakovani toplotni prevodnosti preskusnega vzorca:

Toplotna prevodnost X preskusnega vzorca, izdelanega iz referenčnega materiala, se izmeri z uporabo referenčnih vzorcev, izdelanih iz drugega referenčnega materiala, ki ima vrednost X, ki je najbližja vrednosti preskusnega vzorca. Na primer, test se lahko izvede na vzorcu steklokeramike. z uporabo referenčnih vzorcev iz nerjavnega jekla. Če se izmerjena toplotna prevodnost vzorca po uporabi korekcije prenosa toplote ne ujema z vrednostjo v tabeli 1, je treba določiti vire napake.

7 Testiranje

7.1 Referenčne vzorce izberite tako, da je njihova toplotna prevodnost enakega reda velikosti, kot se pričakuje za preskusni vzorec. Potem ko so zahtevane referenčne vzorce opremili s temperaturnimi senzorji in jih namestili v merilno celico, je preskusni vzorec opremljen s podobnimi sredstvi. Preskusni vzorec se vstavi v vrečko tako, da je nameščen med referenčnimi vzorci in je v stiku s sosednjimi referenčnimi primerki za vsaj 99 % vsake površine. Za zmanjšanje površinske odpornosti lahko uporabite mehko folijo ali druge kontaktne medije. Če je treba merilno celico med preskusom zaščititi pred oksidacijo ali če meritev zahteva poseben tlak plina ali plina za regulacijo X /t, se merilna celica napolni in izprazni z delovnim plinom pri nastavljenem tlaku. Za nalaganje embalaže je treba uporabiti silo, potrebno za zmanjšanje učinkov neenakomerne toplotne upornosti na vmesniku.

7.2 Vklopite zgornji in spodnji grelnik na obeh koncih vrečke in nastavite, dokler. medtem ko je temperaturna razlika med točkama 2, in Zj. Z3 in Z4. in Z s in 2^ ne sme biti večja od 200-kratne napake temperaturnega senzorja, vendar ne večja od 30 K. in preskusni vzorec ne sme biti pri povprečni temperaturi, potrebni za meritev. Kljub. da natančen temperaturni profil vzdolž plašča ni potreben za 3. moč grelnikov plašča se krmili, dokler temperaturni profil vzdolž plašča ni T g )

Razdelki