ДСТУ ISO 8301:2007 Теплоизоляция. Определение теплового сопротивления и связанных с ним характеристик в стационарном режиме прибором с преобразователем теплового потока (ISO 8301:1991, IDT)

НАЦІОНАЛЬНИЙ СТАНДАРТ УКРАЇНИ

Теплоізоляція
ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОВОГО ОПОРУ ТА ПОВ’ЯЗАНИХ ІЗ НИМ ХАРАКТЕРИСТИК В УСТАЛЕНОМУ РЕЖИМІ
ПРИЛАДОМ ІЗ ПЕРЕТВОРЮВАЧЕМ ТЕПЛОВОГО ПОТОКУ

(ISO 8301:1991, IDТ)
ДСТУ ISO 8301:2007

Київ
ДЕРЖСПОЖИВСТАНДАРТ УКРАЇНИ
2011

ПЕРЕДМОВА

1 ВНЕСЕНО: Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України

ПЕРЕКЛАД І НАУКОВО-ТЕХНІЧНЕ РЕДАГУВАННЯ: Л. Воробйов, канд. техн. наук; Т. Грищенко, д-р техн. наук (науковий керівник); Л. Декуша, канд. техн. наук; А. Єрьоміна; Л. Мурована

2 НАДАНО ЧИННОСТІ: наказ Держспоживстандарту України від 30 липня 2007 р. № 168 з 2009-01-01

3 Національний стандарт відповідає ISO 8301:1991 Thermal insulation — Determination of steady- state thermal resistance and related properties — Heat flow meter apparatus (Теплоізоляція. Визначення теплового опору та пов’язаних із ним характеристик. Прилад із перетворювачем теплового потоку)

Ступінь відповідності — ідентичний (IDT)

Переклад з англійської (еn)

4 УВЕДЕНО ВПЕРШЕ

ЗМІСТ

Національний вступ

Вступ до ISO 8301:1991

1 Загальні положення

1.1 Сфера застосування

1.2 Нормативні посилання

1.3 Терміни та визначення понять

1.4 Одиниці фізичних величин та їх познаки

1.5 Основні параметри

1.6 Принцип дії приладу

1.7 Обмеження щодо приладу

1.8 Обмеження щодо зразків

2 Прилад та його градуювання

2.1 Загальні положення

2.2 Конструкція приладу

2.3 Рекомендації щодо конструкції приладу

2.4 Градуювання

2.5 Перевірка технічних характеристик

3 Методика проведення випробування

3.1 Загальні положення

3.2 Зразки для випробування

3.3 Метод випробовування

3.4 Методики, що потребують багатьох вимірювань

3.5 Обчислювання

3.6 Протокол випробування

Додаток А Граничні значення технічних характеристик приладу і умови випробування

Додаток В Перетворювачі теплового потоку (ПТП)

Додаток С Рекомендації щодо оцінювання максимальної товщини зразка в приладі з ПТП 

Додаток D Термопари

Додаток Е Бібліографія

Додаток НА Перелік національних стандартів, згармонізованих з міжнародними стандартами, на які є посилання в цьому стандарті

Додаток НБ Бібліографія

НАЦІОНАЛЬНИЙ ВСТУП

Цей стандарт є тотожний переклад ISO 8301:1991 Thermal insulation — Determination of steady-state thermal resistance and related properties — Heat flow meter apparatus (Теплоізоляція. Визначення теплового опору та пов’язаних із ним характеристик. Прилад із перетворювачем теплового потоку).

Відповідальний за цей стандарт — Інститут технічної теплофізики НАН України.

До стандарту внесено такі редакційні зміни:

— слова «цей міжнародний стандарт» замінено на «цей стандарт»;

— структурні елементи цього стандарту: «Титульний аркуш», «Передмову», «Національний вступ», першу сторінку, «Терміни та визначення понять» і «Бібліографічні дані» — оформлено згідно з вимогами національної стандартизації України;

— англійське словосполучення «heat flow meter» відповідно до прийнятої в ДСТУ 3756 і ДСТУ 4035 термінології скрізь по тексту стандарту перекладено як «перетворювач теплового потоку» з відповідним скороченням — ПТП;

— виправлено помилки і неточності оригіналу, а саме:

а) у 1.3.5 в познаці одиниці фізичної величини — коефіцієнта перенесення зразка замість «Вт (м · К)» наведено «Вт/(м · К)»;

б) у 1.4:

1) сполуку познак «d, d''» виправлено на «d', d''»;

2) у познаці «ρ_S» підрядковий індекс «s» виправлено на «с», тобто замість «ρ_S» наведено «ρ_с».

Таке виправлення виконано ще у 3.5.1.1;

в) у 2.3.2 у символі до «зовнішньої сторони ПТП» вилучено підрядковий індекс, тобто замість «L_s» наведено «L».

— у розділі 1 наведено національне пояснення, виділене в тексті рамкою;

— у розділах 1 і 2 та додатках В і D наведено національні примітки, виділені в тексті рамкою.

ISO 7345, ISO 9251, ISO 9288, ISO 9346, на які є посилання в цьому стандарті, впроваджено в Україні як національні стандарти. Перелік їх, а також ДСТУ 2681-94, ДСТУ 2837-94 (ГОСТ 2837-94), ДСТУ 3756, ДСТУ 4035, ГОСТ 8.140 та РМГ 29-99, на які є посилання у національних поясненнях, наведено в додатку НА.

Перелік посилань на вітчизняні джерела інформації наведено в додатку НБ.

ISO 8302 та ISO 9229, на які є посилання в цьому стандарті, не впроваджено в Україні як національні стандарти, і чинних замість них документів немає. Копії їх можна отримати в Головному фонді нормативних документів.

ВСТУП до ISO 8301:1991

0.1 Структура документу

У цьому стандарті виокремлено три розділи, в яких надано всебічну інформацію, необхідну для застосування приладу з перетворювачем теплового потоку ПТП:

Розділ 1 Загальні положення;

Розділ 2 Прилад та його градуювання;

Розділ 3 Методика проведення випробування.

Для проведення випробування користувач методу повинен насамперед ознайомитися з розділом 3, проте для отримання точніших результатів необхідно також застосувати інші розділи.

Особливу увагу треба приділити загальним вимогам.

Розділ 2 призначений для розробника приладу, якому для створення надійного приладу потрібно ознайомитися також з іншими розділами.

0.2 Теплообмін і вимірювані характеристики

Значну частину випробування проводять на оптично прозорих пористих матеріалах. У цьому разі фактичний теплообмін у них може відбуватися внаслідок різних складників теплообміну:

— теплового випромінення;

— теплопровідності в твердій та газоподібній фазах;

— конвекції (у деяких експлуатаційних режимах), а також їх взаємодії, разом з масообміном, особливо у вологих матеріалах. Отже, теплопередавальна характеристика, яку часто не зовсім правильно називають «коефіцієнтом теплопровідності» і яку обчислюють за визначеною формулою і результатами вимірювання значень густини теплового потоку, різниці температури і розмірів зразка, може бути не характерною для самого матеріалу. Тому цю характеристику, відповідно до ISO 9288, потрібно називати «коефіцієнтом перенесення», оскільки вона може залежати від умов випробування (коефіцієнт перенесення часто називають позірною або ефективною теплопровідністю). Коефіцієнт перенесення може суттєво залежати від товщини зразка та/або від різниці значень температури за однакової середньої температури випробування.

Теплове випромінення — перша причина залежності коефіцієнта перенесення від товщини зразка. Отже, на результати вимірювання впливають не лише характеристики матеріалу, але й терморадіаційні характеристики поверхонь, що обмежують зразок. Отже, тепловий опір — це характеристика, що краще описує тепловий режим зразка, якщо це супроводжується інформацією щодо обмежувальних поверхонь.

Якщо можливе виникнення конвекції всередині зразка (наприклад, у легкій мінеральній ваті за низької температури), то орієнтація приладу, товщина зразка й різниця температури можуть впливати і на коефіцієнт перенесення, і на тепловий опір. У таких випадках принаймні потрібно цілком визначити геометрію і граничні умови досліджуваного зразка, навіть якщо інформація про проведення випробування докладно не враховує ці умови випробування. Крім того, необхідні достатні знання для оцінювання таких результатів вимірювання, особливо для практичного застосування вимірюваних значень.

Вплив вологості зразка на теплообмін у процесі вимірювання також дуже складне питання. Відповідно до стандартних методик необхідно досліджувати лише сухі зразки. Вимірювання вологих матеріалів потребують додаткових застережень, докладно не розглянутих у цьому стандарті.

Знання згаданих вище фізичних принципів також є надзвичайно важливим у разі, якщо теплопередавальні характеристики, визначені за цією методикою випробування, застосовують для прогнозування теплового режиму специфічного матеріалу в натурних умовах, навіть якщо інші чинники, наприклад, оброблення поверхні, можуть впливати на цей режим.

0.3 Необхідне готування

Проектування і подальше правильне експлуатування приладу з перетворювачем теплового потоку (див. 1.6.1 і 2.2.2) з одержанням правильних результатів та аналізуванням експериментальних даних — складна задача, що потребує значної уваги. Проектувальники, оператори і користувачі даних, отриманих за допомогою приладу з перетворювачем теплового потоку, повинні бути обізнані з механізмами теплообміну в досліджуваних матеріалах, виробах і системах, а також мати досвід стосовно електричних і температурних вимірювань, особливо за низьких рівнів сигналу. Крім того, необхідна достатня лабораторна практика щодо загальних методик випробування.

Глибина знань у кожній із зазначених галузей може бути різною для проектувальника, оператора й користувача даних.

0.4 Конструкція, розмір і національні стандарти

У світі безліч різних конструкцій приладів із перетворювачем теплового потоку, які відповідають національним стандартам. Тривають дослідження приладу для вдосконалення його конструкції і методики вимірювання. Отже, нераціонально встановлювати особливу конструкцію або розмір приладу, тим більше, що загальні вимоги можуть суттєво змінюватися.

0.5 Рекомендації

Проектувальник нового обладнання може вибирати характеристики приладу в широких діапазонах температури і геометричних розмірів приладу, оскільки були створені різні форми для того, щоб отримувати порівнювані результати. Проектувальникам нового приладу рекомендовано опрацювати відповідну літературу, зазначену в додатку Е. Після завершення виготовлення приладу рекомендовано поградуювати його на одному доступному еталонному матеріалі або декількох матеріалах з різними значеннями теплового опору. Цей стандарт виокремлює лише обов’язкові вимоги, необхідні для проектування й експлуатування приладу з перетворювачем теплового потоку із забезпеченням достовірних результатів. У додатку А надано зведену таблицю, що містить граничні значення характеристик приладу й умов випробування. Також вона містить рекомендовані методики і пропонує розміри зразків, що дає змогу розширити діапазон вимірювання і сприяє поліпшенню міжлабораторних порівнянь і спільних програм вимірювань.

НАЦІОНАЛЬНИЙ СТАНДАРТ УКРАЇНИ

ТЕПЛОІЗОЛЯЦІЯ
ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОВОГО ОПОРУ ТА ПОВ’ЯЗАНИХ ІЗ НИМ ХАРАКТЕРИСТИК В УСТАЛЕНОМУ РЕЖИМІ
ПРИЛАДОМ ІЗ ПЕРЕТВОРЮВАЧЕМ ТЕПЛОВОГО ПОТОКУ

ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И СВЯЗАННЫХ С НИМ ХАРАКТЕРИСТИК В СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ
ПРИБОРОМ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

THERMAL INSULATION
DETERMINATION OF STEADY-STATE THERMAL RESISTANCE AND RELATED PROPERTIES HEAT FLOW METER APPARATUS

Чинний від 2009-01-01

1 ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

1.1 Сфера застосування

Цей стандарт визначає метод із застосуванням перетворювача теплового потоку (див. 2.2.2) для вимірювання в усталеному режимі теплообміну на поверхні зразка у вигляді пластини й обчислювання теплопередавальних характеристик зразків.

Цей метод є вторинним або відносним, тому що вимірюють теплові опори досліджуваних зразків відносно теплового опору еталонного зразка (-ів).

Національна примітка

У вітчизняній науково-технічній літературі та нормативній документації згідно з ДСТУ 2681-94 та РМГ 29-99 замість словосполучення «еталонний зразок» застосовують такі: «еталон» або «робочий еталон». Тому за текстом цього стандарту далі застосовано термін «еталон».

Протоколи, що відповідають методу випробування за цим стандартом, повинні стосуватися зразків із тепловим опором більше ніж 0,1 м² · К/Вт, за умови, що не перевищуються межі їх товщини, зазначені в 1.7.2.

1.1.2 Якщо зразки відповідають вимогам, зазначеним у 1.8.1, то результати вимірювання має бути подано як теплова провідність і тепловий опір зразка.

1.1.3 Якщо зразки відповідають вимогам 1.8.2, то результати вимірювання має бути подано як середній коефіцієнт теплопровідності досліджуваного зразка.

1.1.4 Якщо зразки відповідають вимогам 1.8.3, то результати вимірювання має бути подано як коефіцієнт теплопровідності або теплова проникність досліджуваного матеріалу.

1.2 Нормативні посилання

Наведені нижче нормативні документи мають положення, які через посилання в цьому тексті становлять положення цього національного стандарту. На час опублікування цього стандарту зазначені нормативні документи були чинними. Усі нормативні документи підлягають перегляду, і учасникам угод, базованих на цьому стандарті, рекомендовано застосовувати найновіші видання нормативних документів, наведених нижче. Члени ІЕС та ISO впорядковують каталоги чинних міжнародних стандартів.

ISO 7345:1987 Thermal insulation — Physical quantities and definitions

ISO 8302:1991 Thermal insulation — Determination of steady-state thermal resistance and related properties — Guarded hot plate apparatus

ISO 9229 Thermal insulation — Thermal insulating materials and products — Vocabulary

ISO 9251:1987 Thermal insulation — Heat transfer conditions and properties of materials — Vocabulary

ISO 9288:1989 Thermal insulation — Heat transfer by radiation — Physical quantities and definitions

ISO 9346:1987 Thermal insulation — Mass transfer — Physical quantities and definitions.

НАЦІОНАЛЬНЕ ПОЯСНЕННЯ

ISO 7345:1987 Теплоізоляція. Фізичні величини та визначення понять

ISO 8302:1991 Теплоізоляція. Визначення теплового опору та пов’язаних із ним характеристик в усталеному режимі. Прилад із захищеною гарячою пластиною

ISO 9229 Теплоізоляція. Матеріали, вироби та системи. Словник термінів.

ISO 9251:1987 Теплоізоляція. Режими теплообміну і властивості матеріалів. Словник термінів

ISO 9288:1989 Теплоізоляція. Радіаційний теплообмін. Фізичні величини та визначення понять

ISO 9346:1987 Теплоізоляція. Масообмін. Фізичні величини та визначення понять.

1.3 Терміни та визначення понять

У цьому стандарті вжито такі терміни та їх визначення.

1.3.1 термічно гомогенне середовище (thermally homogeneous medium)

Середовище, в якому коефіцієнт теплопровідності λ не є функцією від координат точки всередині середовища, але може залежати від напрямку, часу й температури

1.3.2 термічно ізотропне середовище (thermally isotropic medium)

Середовище, в якому коефіцієнт теплопровідності λ не є функцією від напрямку, але може залежати від координат точки всередині середовища, часу й температури (λ визначають єдиною сталою λ у кожній точці)

1.3.3 термічно стабільне середовище (thermally stable medium)

Середовище, в якому коефіцієнт теплопровідності λ або λ не є функцією від часу, але може залежати від координат, температури і, якщо доцільно, від напрямку

1.3.4 середній коефіцієнт теплопровідності зразка (mean thermal conductivity of a specimen)

Характеристика, яку визначають в усталеному режимі для тіла, що має форму пластини, обмеженої двома паралельними пласкими ізотермічними поверхнями й адіабатними межами, перпендикулярними поверхням, що робить матеріал термічно гомогенним, ізотропним (або анізотропним із віссю симетрії, перпендикулярною поверхням), стабільним лише в границях точності вимірювань і межах часу, потрібного для його досягнення, а також з коефіцієнтів теплопровідності λ або λ — сталими або лінійно залежними від температури

1.3.5 коефіцієнт перенесення зразка (transfer factor of a specimen)

Він залежить від умов експерименту і характеризує зразок стосовно комбінованого кондуктивно-радіаційного теплообміну. На нього часто посилаються як на виміряну, еквівалентну, явну або ефективну теплопровідність зразка

2 ПРИЛАД ТА ЙОГО ГРАДУЮВАННЯ

2.1 Загальні положення

Рекомендації щодо конструкції приладу, подані в цьому розділі, повинні бути цілком зрозумілими для користувача цієї методики випробування. Обов’язково потрібно дотримуватися цих рекомендацій під час конструювання приладу, крім того, користувачеві також необхідно перевірити, чи було устатковання виготовлено відповідно до стандарту. Інакше під час вимірювання можуть виникнути значні похибки.

Як зазначено в 1.6, загальний вид приладу з ПТП зі встановленим у ньому зразком (зразками) показано на рисунку 1; прилад містить нагрівальний елемент, один або два ПТП, один або два зразки й охолоджувальний елемент.

Схему а) на рисунку 1 називають «асиметричною з одним зразком»; ПТП може бути розміщено за будь-яким елементом (нагрівальним або охолоджувальним). Схему b) називають «симетричною з одним зразком»; а схему с) — «симетричною з двома зразками»; у цьому випадку зразки повинні бути значною мірою ідентичні й вирізані з одного вибраного матеріалу.

Кожна зі схем буде давати під час застосовування еквівалентні результати з урахуванням обмежень, установлених цією методикою. На практиці кожна методика має певні переваги. Короткий огляд подано в додатку В. Якщо необхідне застосування більше одного приладу з ПТП, то можливе виготовлення подвійного приладу з використанням другої сторони нагрівального елемента й додатковим ПТП і охолоджувальним елементом. Приклади звичайного і подвійного приладу розглянуті в [2]—[7] і [16], також див. рисунок 1, схеми d) і е).

а) Асиметрична схема з одним зразком

b) Симетрична схема з одним зразком

с) Симетрична схема з двома зразками

d) Подвійний прилад

е) Подвійний прилад

Познаки:

U',U" — нагрівальний і охолоджувальний елементи;

Н,Н',Н" — ПТП.

2.2 Конструкція приладу

Робочі поверхні нагрівального й охолоджувального елементів, а також ПТП (тобто поверхні, що контактують зі зразками), повинні бути пофарбовані або оброблені іншим спосібом для того, щоб коефіцієнт інтегрального напівсферичного теплового випромінення перевищував 0,8 у робочому діапазоні значень температури.

2.2.1 Нагрівальний і охолоджувальний елементи

2.2.1.1 Загальний опис

Нагрівальний і охолоджувальний елементи повинні бути виконані з дотримуванням умови ізотермічності робочих поверхонь. Цього можна досягти за допомогою електричної обмотки однакової потужності, розташованої між двома металевими пластинами, або примусовою циркуляцією рідини зі сталою температурою між пластинами або поєднанням обох цих методів, або ж за допомогою інших аналогічних засобів (див. [2]). Особливу увагу необхідно приділити проектуванню металевих пластин, що нагріваються рідиною. У разі несприятливої ситуації спочатку потрібно визначити теплове навантаження, потім експериментально визначити витрату рідини; у цьому разі оцінюють різницю значень температури рідини на вході і виході пластин, щоб контролювати значення витрати рідини. Для багатьох варіантів шляху рідини ця різниця значень температури є більшою, ніж будь-яка температурна неоднорідність пластини. Найкращі результати отримані для випадку спірального противотоку рідини (див. рисунок 2).

Однак у цьому разі тепловий опір між рідиною і металевою пластиною повинен бути досить високим, інакше неоднорідність температури пластини може бути ще вищою, ніж різниця значень температури рідини на вході і виході. Інформацію про конструкції металевої пластини, що нагрівається або охолоджується рідиною, див. у [9] і [14]. Температурна однорідність робочих поверхонь нагрівального або охолоджувального елементів у приладі з ПТП може бути ще більш критичною, ніж у приладі з захищеною гарячою пластиною, тому що деякі прилади з ПТП можуть бути чутливі до різниці значень температури на їхніх робочих поверхнях (див. 2.2.2.3).

Робоча поверхня нагрівального й охолоджувального елементів має бути виконана з металу з високим коефіцієнтом теплопровідності і гладко оброблена відповідно до площинності в межах 0,025 %.

Охолоджувальний елемент повинен мати таку конструкцію, щоб дотримувалась умова ізотермічності робочої поверхні принаймні такого самого розміру, як робоча поверхня нагрівального елемента.

Нагрівальний і охолоджувальний елементи можуть бути ідентичними.