КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ( )

НЕСТАЦИОНАРНЫЙ (динамический) МЕТОД

ИТ- -400 0,1 5 -100 400 10 15

0,5 5,0

«Эталон􀂪, Актюбинск,

СССР

ИТЛ-С-

0,2 20 -150 400 5 20

5 40

«ЛТИХП􀂪, Ленинград,

СССР

ТСТ426 1 20 25 1500 300х200

«NETZSCH-Geraetebau-

Homepage􀂪, Германия

ТС-3000 0,1 400 -140 2200 10 10

0,7 4

«SINKU-RICO, INC􀂪,

Yokohama, Япония

*) D диаметр или поперечные размеры,

d толщина.

**) выделены рекордные значения по точности, диапазону измерений, пределам

диапазона температур, размерам образца.

Метрологические характеристики эталона:

- случайная погрешность – (0,3»1)%;

- систематическая погрешность – (0,6»2) % при изменении теплопроводности

от 0,1 до 20 Вт/(м К) в указанных выше диапазонах температур.

После утверждения эталона в области измерений теплопроводности

произошли значительные изменения. Стали интенсивно развиваться энергосберегающие

технологии, основанные на применении новых теплоизоляционных и строительных

материалов. В ГОСТ 7076-99 на метод определения теплопроводности такого типа

материалов и строительных изделий установлена погрешность рабочих средств

измерений, не превышающая 3 %. В существующей же поверочной схеме нижний предел

измерения составляет 0,1 Вт/(м К), а погрешность для рабочих средств измерений

превышает 5 %.

В качестве рабочих эталонов поверочная схема предусматривает использование

набора мер теплопроводности, нижнее значение диапазона теплопроводности которых

составляет при комнатных температурах 0,2 Вт/(м К) (полиметиметакрилат). Это

практически в 5-10 раз больше теплопроводности современных эффективных

теплоизоляторов.

Таким образом возникла крайняя необходимость расширения диапазона

воспроизведения и передачи размера единицы до 0,02»0,03 Вт/(м К) и обеспечить более

высокую точность измерений теплопроводности для рабочих средств измерений. В

настоящее время ВНИИМ им. Д.И. Менделеева завершает работы по созданию такого

эталона и соответствующей поверочной схемы.

Как следует из закона Ньютона (3), коэффициент теплоотдачи определяет

интенсивность (плотность) теплового потока q на поверхности твердого тела с

температурой Тп, которая соприкасается с движущейся средой (жидкостью или газом),

имеющей температуру Тс:

ср

a(8)

Коэффициент измеряется в ваттах на квадратный метр – кельвин (Вт/(м

К)).

Значение коэффициента теплоотдачи определяется многими факторами: формой,

состоянием и расположением поверхности, скоростью движения среды, ее физико-

химическими свойствами, значениями температур поверхности и среды. Поэтому

измерение , как правило, должно соответствовать условиям конкретной ситуации, при

которой происходит теплообмен.

Важно отметить, что для прозрачной среды, даже в диапазоне сравнительно низких

климатических температур, существенный вклад в тепловой поток вносит радиационная

составляющая теплообмена.

Одним из способов экспериментального определения коэффициента теплоотдачи

отопительных приборов (ОП) является измерение теплового потока или электрической

мощности Р, подводимых теплоносителем или электрическим током к отопительному

прибору, а также температур Тпповерхности и Тспо формуле

a(9)

где F – площадь поверхности ОП. Температуру Тпзадают термостатом или

изменением напряжения питания. Подводимую мощность Ропределяют по измерениям

тока и напряжения или теплосчетчиком. Температуру Тпизмеряют в нескольких точках

поверхности. Измеряют также температуру среды Тс. По измеренным значениям

рассчитывают среднее значение температуры Тп, а затем по формуле (9) среднее

значение . Обычно коэффициент теплоотдачи увеличивается с ростом температуры ОП

в среднем с 7,5 Вт/(м

К) при 30 C до 12 Вт/(м

К) при 110 C. Его значения существенно

зависят от выбора точек контроля температур на поверхности ОП и окружающей среды.

Рост обусловлен интенсификацией свободной конвекции и возрастанием радиационной

составляющей теплообмена, которая достигает 70 % и возрастает с 5,5 до 8 Вт/(м

К).

Подобные методы используют для определения в лабораторных условиях. Для

измерений в реальной обстановке создают специальные измерители, например, типа

ИКТ и РКТП (ИТТФ), на основе контактных преобразователей теплового потока.

Измеритель представляет собой плоскую конструкцию, содержащую два одинаковых

ПТП, смонтированных на общей подложке, обеспечивающей условия изотермичности для

контактирующих с ней поверхностей ПТП. Внешние поверхности ПТП покрыты

металлическими пластинками с значениями коэффициентов излучения 1 = 0,95 и 2 =

0,1. Измеряемая тепломерами плотность теплового потока имеет разные значения из-за

различия радиационных составляющих теплообмена. Это позволяет рассчитать

коэффициент теплоотдачи, обусловленный только конвективным теплообменом.

Предел измерений плотности теплового потока – 1500 Вт/(м

К), диапазон

измерения коэффициентов теплоотдачи (теплообмена) – от 20 до 100 Вт/(м

К) при

температурах от минус 40 до плюс 130 C. Погрешность измерения не более 10 %.

Значение коэффициента зависит от очень большого числа влияющих факторов,

характеризующих конкретные условия теплообмена, таких как состояние и форма

поверхности, параметры среды, наличие гравитации и другие факторы.

Поэтому повышение достоверности и обеспечение единства измерений

коэффициента теплоотдачи в настоящее время, на наш взгляд, не столько связано с

созданием специальной поверочной схемы и соответствующих эталонов, сколько с

развитием метрологического обеспечения измерений плотности тепловых потоков и

температуры поверхности, а также методик выполнения измерений этой физической

величины.

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ( )Из закона Стефана-Больцмана (4)

следует, что интенсивность теплообмена излучением между телами определяется не

только разностью четвертых степеней их абсолютных температур, но и зависит от

коэффициентов теплового излучения поверхностей тел, участвующих в теплообмене.

Тело с большей температурой является источником излучения по отношению к телу с

меньшей температурой, которое выполняет функцию приемника излучения. Когда тело,

являясь приемником, поглощает все падающее на него излучение, оно выглядит черным.

Наибольшая «чернота􀂪 наблюдается у отверстия, которое выходит на поверхность тела

из полости, расположенной вблизи поверхности (рис.7). Наглядным примером такого

приемника излучения является зрачок глаза, который играет роль отверстия в полость

глазного яблока. Свойство поглощать все излучение, попадающее в отверстие полости,

находящейся при постоянной (в пространстве и времени) температуре, является одной из

особенностей таких «черных тел􀂪. Другая особенность заключается в том, что отверстие

полости «черного тела􀂪, являясь источником излучения, создает максимально большой

тепловой поток, по сравнению с излучением других тел, имеющих такую же температуру.

Коэффициент теплового излучения показывает близость интенсивности

излучения поверхности данного тела к интенсивности излучения «черного тела􀂪, для

которого значение принято равным 1. Таким образом является безразмерной

физической величиной, которая равна отношению плотностей потока теплового

излучения двух объектов, имеющих одинаковую температуру поверхности реального

тела (q ) и отверстия «черного􀂪 тела (q о):

)

Вт/м (

)

Вт/м (

, . (10 )

Таблица 4. Интегральные коэффициенты теплового излучения различных

материалов при 20 C.

Материалы Материалы

Алюминий полированный 0,03 Асбест листовой 0,96

Золото – « – 0,02 Бумага белая

- черная

- черная матовая

0,7

0,90

0,94

Медь – « –

- окисленная до черноты

0,025 Водяная пленка на металле 0,98

0,9 Дерево 0,5 0,9

Никель полированный

- окисленный

- электролитический

0,06

0,55

Известь

Кирпич

Краски масляные

Мрамор полированный

Сажа

0,3 0,4

0,9

0,90 0,95

0,93

0,96 Платина полированная 0,03

Серебро – « – 0,02 Стекло

оконное толщиной от 0,75 0,92

Сталь окисленная

- листовая

- оцинкованная

0,85

0,55

0,28

2 до 10 мм

«К- glass􀂪 0,23

Пленка

«Solar-quard􀂪

«Heatmirror􀂪

0,35

0,07

Коэффициент теплового излучения определяется сложной композицией объемных

свойств материалов и состояния их поверхности. В частности, чистота обработка

поверхности, которая характеризуется наличием и глубиной микронеровностей,

выполняющих функцию миниатюрных «черных тел􀂪, сильно сказываются на значениях

. Для исключения фактора состояния поверхности и приближения значений к объемным

свойствам материалов их поверхность подвергают тщательной обработке. Это приводит к

минимизации значений для данного материала.

Важно отметить, что плотность потока излучения «черного тела􀂪 не зависит от

свойств материала, из которого оно изготовлено. Поэтому одним из способов

определения реальных поверхностей для целей измерения их действительной

температуры пирометрами, тепловизорами и другими средствами радиационной

термометрии является сравнение плотностей потока излучения q с поверхности тела и

q оиз отверстия в специально изготовленной полости, расположенной вблизи

поверхности тела. Коэффициент рассчитывают по формуле (10).

Излучение абсолютно «черного тела􀂪 описывается несколькими

фундаментальными законами, устанавливающими, в частности, зависимость плотности

интегрального по спектру потока теплового излучения от его абсолютной температуры

(закон Стефана-Больцмана), распределение интенсивности этого потока по спектру

излучения (закон Планка) и по направлениям (закон Ламберта).

Плотность теплового потока излучения нечерного, реального тела в большей или

меньшей степени не подчиняется этим законам и зависит от его температуры, длины

волны или диапазона длин волн, а также от состояния и формы излучающей поверхности.

Поэтому, если рассматривать тепловое излучение реального тела в очень узком диапазоне

длин волн, то близость интенсивности такого излучения к излучению «черного тела􀂪 при

тех же длинах волн характеризуют монохроматическим коэффициентом теплового

излучения . Если аналогично рассматривать весь спектр излучения, то он

характеризуется интегральным коэффициентом теплового излучения t . Для

характеристики излучения, идущего по всем направлениям от реально нагретой

поверхности, используют термин полусферический коэффициент теплового излучения h ,

а идущего перпендикулярно к излучающей поверхности – нормальный коэффициент

теплового излучения п.

Сочетание этих понятий дает три важных для практических применений

коэффициента теплового излучения: th интегральный полусферический, tп

интегральный нормальный и пмонохроматический нормальный.

Коэффициент th определяет теплообменные свойства поверхностей материалов, а

коэффициенты n , tn используют для введения поправок на «нечерноту􀂪 тел при

измерениях температуры нагретых поверхностей монохроматическими или

радиационными пирометрами. Таким образом, например, в теплосбережении расчет

тепловых потоков с поверхностей стен ведут на основе справочных данных по th , а

результаты измерений температуры поверхности этого же объекта основаны на данных

по n (измерения монохроматическим пирометрами или тепловизорами) или tn

(измерения радиационными пирометрами).

Насколько же отличаются эти коэффициенты th и tn для одного и того же

вещества (материала)? Однозначного ответа нет, прежде всего, из-за плохой

сопоставимости данных, полученных на разных измерительных установках, разными

методами и на различных образцах. Погрешность таких измерений обычно составляет

более 5%. Для наиболее изученных полированных металлов, таких как вольфрам, тантал,

молибден, платина и никель расхождения th и tn составляют до 20% при сравнительно

низких температурах и, как правило, менее 5% при температурах, близких к плавлению

этих металлов.

Кроме того есть основание считать, что это расхождение становится малым при

больших значениях коэффициентов th и tn . Следовательно, для большинства

строительных материалов, имеющих значение коэффициентов теплового излучения,

близкие к 0,9, это правило выполняется, хотя точного подтверждения этому нет. Таким

образом сложившаяся ситуация показывает, что единственным надежным способом

определения являются не «справочные данные􀂪, которые сами по себе приведены

зачастую с большой погрешностью и не гарантируют надежной идентификации

поверхностей различных материалов, а измерение реальных поверхностей. Рассмотрим

основные методы таких измерений.

Калориметрический методпредназначен для измерений интегрального

полусферического коэффициента теплового излучения th и основан на закономерностях

теплообмена, в которых участвуют два тела, имеющие разные температуры.

Интенсивность теплообмена ( плотность теплового потока) зависит не только от

коэффициентов теплового излучения и разности четвертых степеней абсолютных

температурТ1 и Т2 этих тел (4), но и от взаимного расположения и формы этих тел. Для

измерении th , нагретый образец помещают в замкнутую оболочку, находящуюся при

значительно более низкой температуре (Т1

Т2

) и имеющую значительно большую

площадь поверхности, чем образец. В этом случае интенсивность теплообмена

определяется коэффициентом th только образца. При этом, кроме того, вторым

слагаемым в формуле (4) можно пренебречь и получить формулу для определения th

калориметрическим методом:

th = q / Т1

. (11)

Схема тепловой ячейки для реализации метода приведена на рис.8. Поток

теплового излучения плотностью q создается нагревателем 1, расположенным внутри

термостатированного блока 2. При наступлении стационарного температурного режима

(dТ1 / d = 0) тепловой поток, идущий от нагревателя, рассеивается с поверхности образца

3 к стенкам корпуса вакуумной камеры 4, температура Т2 , которой поддерживается

значительно более низкой, чем Т1 , например, при температуре кипящего азота ( 196

С).

Значение теплового потока определяют по измерениям сигнала тепломера 5. При

использовании для этой цели тепломера метод называют теплометрическим.

В термостатированном блоке расположен основной термопреобразователь 6 –

носитель температурной шкалы, который с учетом поправки, определяемой

дифференциальной термопарой 7 измеряет значения температуры поверхности образца.

Для этого один измерительный спай термопары располагают на поверхности образца,

другой спай – на поверхности термопреобразователя.

Измерительные установки, реализующие калориметрический метод, были созданы

в СНИИМ с целью создания исходных средств для метрологического обеспечения

измерений в диапазоне температур от 100 до 650 С. С помощью этих установок

исследованы температурные зависимости целого ряда материалов и покрытий в

диапазоне значений от 0,1 до 0,95 с погрешностью 1 2,5 %.

Результат исследований рекомендация нескольких материалов и покрытий в

качестве стандартных образцов . Кроме того была предложена государственная

поверочная схема для средств измерений , первая редакция которой была согласована в

начале 90-х годов. Однако прекращение в этот период серийного выпуска единственного

отечественного прибора для измерений терморадиометра ТРМ, сокращение работ по

созданию и исследованию свойств новых конструкционных материалов приостановило

внедрение поверочной схемы.

В настоящее время решение вопросов энергосбережения все более настоятельно

требует надежных данных по строительных, теплоизоляционных и отделочных

материалов, а также различных покрытий. В связи с этим создание современных

технических средств приборного и метрологического обеспечения измерений

становится вновь актуальным.

Заключение.Из большого числа сфер применения измерений параметров

теплообмена, в статье рассмотрены лишь методы и средства, ориентированные, в

основном, на решении вопросов энергосбережения. Именно в этой сфере измерениям

законодательно придается особый статус, в соответствии с которым они подлежат

обязательному Государственному метрологическому контролю и надзору. Большая часть

материалов статьи основана на результатах работ ФГУП «СНИИМ􀂪, в котором уже

длительное время занимаются вопросами развития метрологического обеспечения

измерений в энергоресурсосбережении. Автор выражает благодарность всем сотрудникам

института, оказавшим содействие в подготовке этой публикации.