Приложение С (справочное). Упрощенные методики испытания образцов, толщина которых превышает максимальную толщину, допустимую при испытаниях на имеющемся приборе

Приложение С
(справочное)

Упрощенные методики
испытания образцов, толщина которых превышает максимальную толщину, допустимую при испытаниях на имеющемся приборе

В настоящем приложении приведены методики испытания образцов изделий, толщина которых превышает максимальную толщину, допустимую при проведении испытаний на имеющемся приборе (см. рисунок С.1).

С.1 Общие положения

С.1.1 Методики включают в себя:

a) предварительные методики оценки эффекта толщины, см. С.2;

b) методики, применяемые, если эффект толщины значителен, см. С.3:

1) методики предварительного определения параметров материала (предварительные измерения),

2) методики оценки отклонения характеристик изделия от средних значений (текущие измерения); число измерений при проведении испытаний по этим методикам ограничено.

С.1.2 Предварительные измерения проводят с целью определения параметров материала, которые являются общими для одной группы или одного вида материала, одной группы или одного вида изделий. Значения отдельных параметров могут быть указаны в стандарте на изделие конкретного вида или определены в начале производства изделия.

С.1.3 Текущие измерения проводят с целью определения изменений характеристик изделий при их изготовлении. Порядок проведения текущих измерений должен быть указан в стандартах на изделия конкретных видов.

С.1.4 Специальные методики для изделий, плотность которых изменяется по толщине, приведены в С.3.2.1.2 для минераловатных изделий и в С.3.2.2.3 - для изделий, плотность которых резко увеличивается в направлении обеих лицевых граней (изделия из пенопласта с уплотненным наружным слоем, образованным в процессе изготовления).

С.2 Методики оценки эффекта толщины

С.2.1 Методики оценки эффекта толщины включают в себя две группы: по методикам первой группы проводят одно измерение, по методикам второй группы - большее число измерений.

С.2.2 Предварительная оценка эффекта толщины

Эффект толщины не является значимым, если , учитывая, что погрешность испытания, как правило, больше 2%, если в стандарте на изделие не оговорено иное.

Дальнейшие испытания проводить не следует, если при минимальной толщине изделия выполняется условие или (считают, что теплоперенос через материал изделия является чисто кондукционным и материал характеризуется коэффициентом теплопропускания , см. 5.3).

Если выполняется условие 0,01 < 1 - L < 0,03, то рекомендуется фактическую значимость эффекта толщины определять экспериментально (см. С.2.3).

При проведении предварительной оценки предполагается, что уравнения (1) или (В.1) приложения В и уравнение (2) справедливы, при этом термическое сопротивление можно вычислить (если известны необходимые параметры материала) по формуле (В.8) - для волокнистых изделий, по формуле (В.15) - для изделий из пенопласта и теплоизоляционных пробковых плит.

С.2.2.1 Оценка эффекта толщины с помощью графиков или таблиц

Для материалов, в которых воздух заключен в порах, образованных матрицей, строят график зависимости параметра эффекта толщины от коэффициента теплопередачи и характеристик образца (толщины, параметра ослабления и плотности).

Пример - Из таблицы 1 следует, что для изделия толщиной 40 мм коэффициент теплопередачи при температуре 10°С равен 45 , что составляет 0,970-0,973 коэффициента теплопропускания, т.е. эффект толщины равен приблизительно 3%. Следовательно, эффект толщины значителен.

С.2.2.2 Расчетный метод оценки эффекта толщины

Для теплоизоляционных материалов, в которых воздух заключен в порах, образованных матрицей, более точная оценка термического сопротивления может быть получена, если известно значение коэффициента теплопередачи, измеренное при относительно большой толщине образца и которое в начале расчета принимают равным коэффициенту теплопропускания; .

Для расчета из правой части уравнения (В.10) для волокнистых изделий или уравнения (В.17) - для изделий из пенопласта и теплоизоляционных пробковых плит вычитают кондукционную составляющую коэффициента теплопропускания (см. В.2.2 приложения В для волокнистых изделий, В.2.3 приложения В - для изделий из пенопласта и теплоизоляционных пробковых плит), получая значение члена С/р, равное радиационной составляющей коэффициента теплопропускания.

Рассчитывают соотношение , где .

Пример - Коэффициент теплопропускания минераловатного мата плотностью 11  при температуре 10°С равен 0,045 . Теплопроводность воздуха при этой температуре равна 0,0250 ; В = 0,0015 , и, следовательно, суммарная кондукционная теплопроводность воздуха в порах изделия и матрицы мата равна 0,0250(1 + ) = 0,0250 х 1,0165= 0,0254.

Вычитая из значения коэффициента теплопропускания 0,045 cуммарную кондукционную теплопроводность 0,0254, получим = 0,045 - 0,0254 = 0,0196 . Если предположить, что излучательная способность = 0,92, F = 0,5 и при температуре 10°C , то .

Подставив значения в формулу (В.8), получим

.

При минимальной толщине образца = 50 мм = 0,027/(0,050/0,45) = 0,024, т.е. составляет 2,4% термического сопротивления, значение которого определяется значением коэффициента теплопропускания.

Эффект толщины значителен, следует руководствоваться методиками, изложенными в С.3.

С.2.2.3 Специальные методики оценки эффекта толщины

Для изделий, лицевые грани которых уплотнены (например, для экструдированных пенополистирольных плит), характеристики среднего слоя материала изделия должны быть учтены при предварительном вычислении термического сопротивления .

Для минераловатных изделий, имеющих градиент плотности по толщине, при предварительной оценке эффекта толщины путем вычислений значения или применяя данные, приведенные в таблице 1, следует учитывать характеристики однородного материала, плотность которого равна минимальной плотности неоднородного материала изделия.

С.2.3 Методики измерения и для оценки эффекта толщины

Приведенную методику применяют для определения термического сопротивления неоднородных изделий методом интерполяции при любой толщине образца, большей , а также при испытании изделий, значение параметра эффекта толщины которых необходимо учитывать при определении термического сопротивления.

Пример применения методики при проведении измерений на приборе, оснащенном тепломером и предназначенном для испытания одного образца, приведен ниже:

- вырезают комплект из трех образцов S1, S2 и S3 равной толщины, значение которой не превышает одной третьей максимально допустимой толщины образца при испытании на имеющемся приборе, например, от 30 до 50 мм (см. рисунок С.2);

- каждый образец испытывают отдельно;

- проводят три испытания на парах образцов S1 + S2, S2 + S3 и S3 + S1.

Толщина каждой совместно испытываемой пары образцов должна в два раза превышать толщину одного образца;

- проводят три дополнительных испытания составных образцов, состоящих из трех образцов S1 + S2 + S3, S2 + S3 + S1 и S3 + S1 + S2. Толщина каждого составного образца должна в три раза превышать толщину одного образца;

- вычисляют коэффициенты уравнения линейной регрессии на основе девяти экспериментально полученных значений.

При проведении измерений на приборе с горячей охранной зоной, предназначенном для одновременного испытания двух образцов, используют два комплекта из трех образцов.

Методики предварительного испытания образцов минераловатных изделий, имеющих градиент плотности по толщине, приведены в С.3.2.1.2.

С.3 Методики, применяемые, если эффект толщины значителен

С.3.1 Применение табличных данных

Если эффект толщины, вычисленный или определенный экспериментально по методике, изложенной в С.2.3, значителен (1 - L > 0,02, если в стандарте на изделие не указано иное), то по результатам предварительных испытаний следует определить, являются ли данные, приведенные в таблицах 1-4, достаточными, чтобы по результатам испытания только одного слоя материала можно было определить путем экстраполирования коэффициент теплопередачи образца при его полной толщине.

Примечание - В других случаях могут быть применены описанные ниже методики.

С.3.2 Экспериментальные методики

Экспериментальные методики допускают, что толщина образца может превышать толщину, максимальную допустимую для имеющегося прибора, эффект толщины значителен, а погрешность результата при применении табличных данных или проведении вычислений превышает 1% наименьшего ожидаемого значения термического сопротивления образца.

Экспериментальные методики могут быть также применены, если эффект толщины значителен, но максимальная толщина изделия не превышает толщину образца, максимальную допустимую при испытании его на имеющемся приборе. В этом случае экспериментальные методики применяют для определения характеристик материала образца и исключения проведения измерений при каждом значении толщины изделия.

С.3.2.1 Методики испытания минераловатных изделий

Если эффект толщины предположительно значителен, то минераловатные изделия имеют градиент плотности по толщине (методика приведена в С.3.2.1.2). Для однородных материалов может быть использована методика, приведенная в С.3.2.1.1.

С.3.2.1.1 Методики испытания однородных минераловатных изделий

С.3.2.1.1.1 Предварительные испытания для определения характеристик материала

Предварительные испытания однородных минераловатных изделий проводят, если необходимо ограничить число измерений, проводимых для определения характеристик материала, от которых зависит изменение технических показателей изделия (например, плотности). При этом должно быть проанализировано уравнение (В.10) или (В.17) приложения В, для радиационной составляющей теплопроводности - формула (В.5) приложения В.

Коэффициент теплопропускания определяют как сумму трех составляющих: параметра кондукционной составляющей теплопроводности воздуха А, кондукционной составляющей теплопроводности матрицы изделия или и радиационной составляющей теплопроводности . Кондукционная и радиационная составляющие теплопроводности материала зависят от плотности материала образца (см. В.2 приложения В). Если значение параметра А известно [например, вычислено по формуле (В.11) приложения В для воздуха], то для определения параметров В и должны быть известны не менее двух значений коэффициента теплопропускания при одной произвольной средней температуре образца и при двух различных значениях плотности.

Применяют следующую методику:

- изделия разрезают на такое число образцов одинаковой толщины, чтобы толщина одного образца не превышала толщину образца, максимальную допустимую при испытании его на имеющемся приборе (например, из изделия толщиной 300 мм вырезают три образца толщиной 100 мм каждый);

- каждый образец испытывают отдельно при его толщине и плотности;

- образцы укладывают стопкой и последовательно подвергают сжатию до трех или четырех значений толщины, максимальная из которых равна двум третьим первоначальной общей толщины стопки, минимальная - одной трети (см. рисунок С.2).

Проводят испытания одного и того же материала при различных значениях его плотности, определяя значения термического сопротивления R по формуле (1) или коэффициента теплопередачи J по формуле (2) или (В.7) приложения В.

Максимальная допустимая степень сжатия образцов должна быть приведена в стандарте на изделие конкретного вида;

- методом наименьших квадратов определяют зависимость коэффициента теплопропускания от характеристик материала, используя уравнения (1) и (В.10) или (В.17) приложения В, и термического сопротивления , используя уравнение (В.8) или (В.2) приложения В для образцов с очень низкой плотностью и небольшой толщиной.

В уравнении (В.8) приложения В - общая полусферическая излучательная способность рабочих поверхностей плит прибора, - параметр ослабления, - плотность материала. Параметры F и определяют, используя уравнения (В.4). Параметр Е - измененный параметр ослабления, определение которого может быть задано уравнением (В.6) приложения В;

- вычисляют термическое сопротивление образца требуемой толщины, используя уравнения интерполяции и параметры материала, определенные методом наименьших квадратов.

Примечание - Учитывая, что значимость параметра кондукционной составляющей теплопроводности материала В мала, а изменения параметра материала F незначительны, то изменение характеристик материала при известном значении параметра А может зависеть только от изменения параметра и испытывать в сжатом состоянии следует небольшое число образцов, чтобы получить средние значения параметров, характерные для данного изделия.

С.3.2.1.1.2 Текущие испытания

Испытывают отдельные слои изделия при их исходной плотности. По результатам испытаний определяют значение параметра . По формулам (1) и (В.8) приложения В вычисляют термическое сопротивление образца при его полной толщине.

С.3.2.1.2 Методики испытания минераловатных изделий, имеющих градиент плотности по толщине

Для испытания минераловатных изделий, имеющих градиент плотности по толщине, применяют следующую методику:

- минераловатное изделие разрезают на образцы одинаковой толщины. Толщина образцов не должна превышать максимальную допустимую толщину образца при испытании на имеющемся приборе и должна быть не менее одной трети этой толщины (например, изделие толщиной 240 мм разрезают на три образца толщиной 80 мм каждый).

Рекомендуется разрезать изделие на нечетное число слоев так, чтобы один слой был обязательно вырезан из центральной части изделия. Чем больше толщина слоя, включая максимальную допустимую толщину для имеющегося прибора, тем меньше вероятность того, что эффект толщины является значимым для этого слоя.

Если эффект толщины ожидается значимым или известно, что эффект толщины значителен, то измерения следует проводить на слоях небольшой толщины. В этом случае измерения проводят на образцах, составленных из двух или трех слоев;

- измеряют плотность каждого слоя. Относят плотность каждого слоя к координате, соответствующей его центру. Начало координат совмещают с центром образца. Методом наименьших квадратов определяют параметры и k , см. уравнение (В.12) приложения В.

Ниже приведены примеры применения методики испытания минераловатных изделий, имеющих градиент плотности по толщине.

Пример 1 - Образец толщиной 240 мм разрезают на три слоя толщиной 80 мм и измеряют их плотности: 11,70; 14,10 и 20,30 . Измеренные значения плотности относят к координатам минус 80, 0 и плюс 80. Методом линейной регрессии применительно к уравнению (В.12) приложения В получают выражение = 15,37(1 + 0,0538х), , где х - координата, мм.

Вычисляют плотность на двух противоположных лицевых гранях образца, имеющих координаты минус d/2 и плюс d/2. Если полученные значения отличаются от средней плотности образца менее чем на 20%, то значение термического сопротивления, вычисленное по формуле (В.14), отличается менее чем на 1% от значения термического сопротивления, вычисленного по формуле .

Пример 2 - Для образца, описанного в предыдущем примере, при х = минус 120 мм = 8,92 , при х = плюс 120 мм = 21,82 . Указанные значения отличаются на 42% от средней плотности образца, поэтому расчеты термического сопротивления следует проводить по уравнению (В.13) приложения В.

Измеряют коэффициент теплопередачи слоя, имеющего наименьшую плотность, и вычисляют его термическое сопротивление в соответствии с С.2.2.2 с целью принятия предварительного решения о значимости эффекта толщины для слоев образца, подлежащих испытанию. Продолжают испытание в соответствии с С.3.2.1.2.1, если эффект толщины незначителен, или С.3.2.1.2.2, если эффект толщины значителен.

С.3.2.1.2.1 Методика испытания, если эффект толщины незначителен

Если эффект толщины незначителен, то испытание продолжают следующим образом:

- измеряют термическое сопротивление одного или двух слоев, вырезанных из средней части образца;

- вычисляют кондукционную составляющую теплопроводности материала образца , значение которой определяется кондукционным теплопереносом через газ в порах и матрицу изделия, в соответствии с С.2.2 при плотности, равной средней плотности образца (в приведенных выше примерах 15,37 ). По уравнению (В.12) приложения В вычисляют координату , плотность образца в которой равна плотности среднего слоя этого образца (в приведенных выше примерах плотность среднего слоя равна 14,10 и, следовательно, мм). Вычисляют координаты и граней слоя толщиной 80 мм, центр которого находится в точке с координатой (в приведенных выше примерах = минус 63,6 мм и = плюс 16,4 мм). По формулам (В.13) и (В.3)-(В.5) вычисляют значение параметра , который характеризует испытуемый образец;

- проводят предварительные расчеты по формулам (В.3) и (В.5) приложения В, используя значение , вычисляют термическое сопротивление образца по формуле (В.13) приложения В, принимая = -d/2 и = +d/2.

Примечание - Если (kd/2) < 0,2, то расчеты проводят, используя уравнение .

В стандартах на изделия конкретных видов должно быть указано, предназначена ли описанная выше методика как для предварительных, так и для текущих испытаний или только для текущих испытаний.

Предварительные испытания включают в себя:

- измерение термического сопротивления всех слоев образца;

- определение координаты, соответствующей плотности среднего слоя (см. выше);

- определение кондукционной составляющей теплопроводности материала и параметра методом наименьших квадратов по измеренным значениям термического сопротивления слоев образца, выраженного уравнением (В.13) приложения В. Порядок определения координат соответствующих слоев приведен выше.

С.3.2.1.2.2 Методика испытания, если эффект толщины значителен

Если эффект толщины значителен, то может быть применена методика, приведенная в С.3.2.1.2.1, при этом по формуле (В.14) приложения В вычисляют термическое сопротивление образца и одного слоя образца. Значения и вычисляют по формуле (В.8) приложения В, подставляя в нее значения плотности поверхностных слоев лицевых граней образца, координаты которых минус d/2 и плюс d/2, или значения плотности поверхностных слоев лицевых граней слоя, координаты которых и . - термическое сопротивление образца или отдельного слоя, вычисленное по формуле (В.13). При вычислении термических сопротивлений и значение параметра F может быть принято равным 0,50. На предварительном этапе параметр F может быть также определен методом наименьших квадратов.

С.3.2.2 Методики испытания изделий из пенопласта и теплоизоляционных пробковых плит

С.3.2.2.1 Методики испытания однородных изделий (кроме изделий из пенополистирола, изготовленного методом формования из гранул, и теплоизоляционных пробковых плит)

Если по результатам оценок, выполненных в соответствии с С.2, испытания необходимо продолжить, то могут быть применены описанные ниже методики.

Для многих видов материалов, рассматриваемых в настоящем разделе, например, для пенополистирола, изготовленного методом формования, толщина образцов может быть менее толщины .

С.3.2.2.1.1 Предварительные испытания

Для проведения предварительных испытаний применяют следующую методику:

- измеряют термическое сопротивление слоя изделия, толщина которого равна максимально допустимой толщине образца при испытании на имеющемся приборе;

- постепенно уменьшают толщину слоя, отрезая от него слои толщиной от 10 до 20 мм; измеряют термическое сопротивление оставшегося слоя;

- методом наименьших квадратов определяют параметры материала по измеренным значениям термического сопротивления.

Термическое сопротивление изделий из пенопласта и теплоизоляционных пробковых плит вычисляют по формуле (В.15) приложения В.

Параметр Z = 1 для плит из пенопласта (кроме плит из пенополистирола, изготовленных методом формования из гранул) и теплоизоляционных пробковых плит. Параметры , А, В и F (F стремится к нулю в большинстве случаев) вычисляют методом наименьших квадратов. Если поры материала заполнены воздухом, то А - фиксированный параметр, который вычисляют, используя формулу (В.10) приложения В.

С.3.2.2.1.2 Текущие испытания

Для проведения текущих испытаний изделие разрезают на слои, как указано в С.3.2.1.1, вычисляют значение параметра , затем на основе полученного значения параметра и параметров, определенных при предварительных испытаниях, вычисляют термическое сопротивление и коэффициент теплопередачи J изделия.

С.3.2.2.2 Методика испытания плит из пенополистирола и теплоизоляционных пробковых плит

Методика аналогична изложенной в С.3.2.2.1, при этом параметр А является теплопроводностью воздуха, F - стремится к нулю, Z - зависит от толщины образца и среднего диаметра вспученных гранул или зерен. Эмпирическое соотношение Z = 0,75 - 0,25 tanh (d/3 ), где - средний диаметр вспученных гранул или зерен, удовлетворительно описывает зависимость Z от .

Неизвестные параметры , В и определяют методом наименьших квадратов при проведении предварительных испытаний.

С.3.2.2.3 Методика испытания изделий из экструдированного пенопласта с уплотненным наружным слоем лицевых граней

Если изделие, изготовленное из экструдированного пенопласта, имеет уплотненный наружный слой, плотность которого значительно больше плотности его средней части, а поверхности наружного слоя покрыты пленкой, то следует испытать материал средней части изделия и провести расчеты в соответствии с С.2.2.2.

Если по результатам расчетов необходимо продолжить испытания, то может быть применена следующая методика:

- определяют термическое сопротивление средней части изделия, как указано выше для однородных ячеистых изделий,

- оценивают термическое сопротивление изделия как сумму термических сопротивлений n слоев, на которые было разрезано изделие, уменьшенное на значение произведения . Если в процессе разрезания изделия на слои часть материала превращена в опилки, то это учитывают в соответствии с требованиями 5.3.