Приложение А (обязательное). Условия выполнения измерений теплофизических показателей

Приложение А
(обязательное)

Условия
выполнения измерений теплофизических показателей

А.1 Термины и определения

А.1.1 теплопроводность в точке Р: Величина, устанавливаемая в каждой точке среды Р, теплоперенос через которую осуществляется только кондукцией, и определяемая следующим соотношением между векторами q и grad(T):

.

Примечание - В общем случае теплопроводность представляет собой тензор, состоящий из девяти элементов, и не является постоянной величиной.

А.1.2 термически однородная среда: Среда, в которой теплопроводность не является функцией координаты точки внутри среды, но может зависеть от направления теплового потока, времени выхода на стационарный тепловой режим и средней температуры испытаний.

А.1.3 пористость : Отношение объема пор пористой среды к общему объему среды (пористая среда является неоднородной вследствие наличия, например, волокон, ячеек, зерен). Локальная пористость Р в точке , расположенной внутри образца, - средняя пористость, определяемая в элементе среды, окружающем точку P, если объем этого элемента мал по сравнению с объемом образца, недостаточно велик для того, чтобы полученное среднее значение пористости имело смысл.

А.1.4 однородная пористая среда: Среда, в которой локальная пористость не зависит от координат точки, в которой вычисляют ее значение.

Примечание - Большая часть материалов с высоким и средним термическим сопротивлением представляет собой пористую среду, т.е. является неоднородной (см. А.1.3) и, следовательно, не является термически однородной.

А.1.5 термически изотропная среда: Среда, в которой теплопроводность не зависит от направления теплового потока, но может зависеть от координат точки внутри среды, времени выхода на стационарный тепловой режим и средней температуры испытаний.

Примечание - Теплопроводность изотропной среды задается одним значением в каждой точке, а не матрицей значений.

А.1.6 термически стабильная среда: Среда, в которой теплопроводность не зависит от времени, но может зависеть от координат, температуры испытаний и направления теплового потока.

А.1.7 средняя теплопроводность образца: Показатель, определяемый при стационарном тепловом режиме на образце, который имеет форму плиты, ограниченной двумя параллельными плоскими изотермическими лицевыми гранями и адиабатическими боковыми гранями, перпендикулярными к лицевым граням. Образец изготовляют из термически однородного, изотропного материала (или анизотропного материала, ось симметрии которого перпендикулярна к лицевым граням образца).

Примечание - Теплопроводность материала образца стабильна только в пределах точности измерения и времени, необходимого для проведения измерения, и не зависит или линейно зависит от температуры.

А.1.8 коэффициент теплопередачи образца J: Величина, определяемая по формуле

.

(А.1)

Коэффициент теплопередачи характеризует образец, через который проходит тепловой поток, представляющий собой сочетание кондукционного и радиационного потоков.

Примечание - Определение термина может быть применено для описания результата любого испытания, проведенного при стационарном тепловом режиме на приборе с горячей охранной зоной или на приборе, оснащенном тепломером, на образце материала, тепловой поток через который представляет собой сочетание кондукционного, конвекционного и радиационного потоков. Коэффициент теплопередачи образца зависит от условий испытания, например от разности температур его лицевых граней, излучательной способности рабочих поверхностей плит прибора и толщины образца.

А.1.9 коэффициент теплопропускания материала : Величина, значение которой определяется по формуле

,

(A.2)

если отношение / не зависит от толщины d.

Примечание - Коэффициент теплопропускания не зависит от условий испытания и является теплофизическим показателем теплоизоляционного материала, тепловой поток через который представляет собой сочетание кондукционного и радиационного потоков. Коэффициент теплопропускания материала можно рассматривать как предельное значение коэффициента теплопередачи слоя материала большой толщины, через который проходит тепловой поток, представляющий собой сочетание кондукционного и радиационного потоков. Коэффициент теплопропускания может быть представлен как эквивалентная, кажущаяся или эффективная теплопроводность материала.

А.1.10 теплофизический показатель при стационарном тепловом режиме: Общий термин, под которым подразумевается один из следующих показателей: термическое сопротивление, коэффициент теплопередачи, теплопроводность, удельное термическое сопротивление, коэффициент теплопропускания, тепловая проводимость, средняя теплопроводность.

А.1.11 промежуток времени, по истечении которого через образец устанавливается стационарный тепловой поток: Продолжительность промежутка времени, по истечении которого значения измеряемого теплофизического показателя, вычисленные по результатам последовательных измерений, будут отличаться друг от друга менее чем на 1%, при этом эти значения не будут монотонно возрастать или убывать.

А.1.12 жесткий образец: Образец материала, не изменяющий заметно свою форму под воздействием давления, которое создается плитами нагревателя и холодильника в целях обеспечения равномерного теплового контакта рабочих поверхностей этих плит с лицевыми гранями образца.

А.1.13 температура помещения: Общий термин, применяемый для обозначения средней температуры испытуемого образца, при которой человек чувствует себя комфортно в помещении, если температура в помещении равна этой температуре.

А.1.14 температура окружающей среды: Общий термин, применяемый для обозначения температуры у боковых граней образца или прибора.

Примечание - Температура окружающей среды - температура внутри кожуха прибора или температура воздуха в лаборатории, в которой находится прибор, если он не оснащен кожухом.

А.1.15 оператор: Лицо, ответственное за проведение испытания и представление результатов в отчете об испытаниях.

А.1.16 пользователь данными: Лицо, применяющее полученные результаты испытания в целях оценки теплофизических показателей материала или всей системы, частью которой является этот материал.

А.1.17 конструктор: Лицо, разрабатывающее конструктивное решение прибора с заданными техническими характеристиками при определенных условиях испытаний, а также методику проверки соответствия технических характеристик прибора требованиям технического задания на его разработку.

А.2 Условия и принципы выполнения измерений

А.2.1 В настоящем разделе приведены условия, при которых требования к проведению измерений на имеющемся приборе, приведенные в настоящем стандарте, могут быть выполнены.

А.2.2 Образцы, подвергаемые испытанию в соответствии с требованиями настоящего стандарта, должны иметь однородную пористую структуру. Наибольший размер пор, зерен или любых других неоднородностей не должен быть более 1/10 толщины образца.

А.2.3 Для неоднородных образцов, состоящих из отдельных слоев, средняя теплопроводность каждого слоя не должна превышать среднюю теплопроводность любого другого слоя образца более чем в два раза. Измерение теплопроводности каждого слоя не является обязательным при условии, что погрешность измерения близка прогнозируемой погрешности измерения теплофизических показателей однородных образцов.

А.2.4 Анизотропные образцы, удовлетворяющие критериям однородности, могут быть испытаны в соответствии с требованиями настоящего стандарта, если их теплопроводность, измеренная в направлении, параллельном лицевым граням образца, отличается от теплопроводности, измеренной в направлении, перпендикулярном лицевым граням образца, и наоборот, не более чем в два раза.

А.2.5 Если выполняется условие с учетом боковых теплопотерь, то максимальная толщина образца, боковые грани которого не теплоизолированы, не должна превышать значений, приведенных в графе 4 таблицы А.1, при указанных в данной таблице размерах плит прибора.

Температурное соотношение у боковых граней образца определяют по формуле

,

(А.3)

где - температура боковых граней образца (предположительно одинаковая по всем граням);

и - температура горячей и холодной лицевых граней образца соответственно.

Примечания

1 При значении е = 0,25 и разности температур горячей и холодной лицевых граней образца, равной 20 К, температура боковых граней испытуемого образца должна быть на 5 К ниже средней температуры образца.

2 Погрешность, обусловленная боковыми теплопотерями, равна нулю для однородных изотропных образцов, если значение е близко к 0,5. Погрешность максимальна при е = 0,25 в диапазоне . При любом другом значении е до 0,75 включительно погрешность, обусловленная боковыми теплопотерями образца, меньше.

При наличии теплоизоляции между боковыми гранями образца и кожухом прибора, соприкасающегося с воздухом лаборатории, температура боковых граней образца равна температуре воздуха лаборатории. Если температура воздуха лаборатории значительно отличается от средней температуры образца, то значение температурного соотношения е может заметно выходить за пределы интервала 0,25 - 0,75.

3 Если средняя температура образца равна 50°С, разность температур горячей и холодной лицевых граней образца 20°С, температура воздуха лаборатории 20°С, то температурное соотношение е = -1. В этом случае данные, приведенные в таблице А.1, не могут быть использованы.

При наличии в приборе с горячей охранной зоной дополнительной наружной плоской охранной зоны максимальное допустимое значение толщины образца определяют исходя из условия, что внешняя граница горячей охранной зоны должна совпадать с внешней границей дополнительной охранной зоны.

Для приборов, оснащенных охранной зоной градиентного типа или системой теплоизоляции боковых граней образца, значение погрешности вследствие боковых теплопотерь определяют на основании расчетов или систематических экспериментальных исследований на приборах данного типа.

Для прибора, оснащенного тепломером, предназначенного для испытания одного образца по симметричной схеме, максимальная допустимая толщина образца может быть увеличена на 50%, если теплоперенос через образец является чисто кондукционным.

Для материалов низкой плотности (менее 20 ), для которых доля радиационного теплового потока в общем тепловом потоке значительна, не рекомендуется увеличивать максимальную допустимую толщину образца.

Таблица А.1 - Минимальные и максимальные допускаемые значения толщины образца

Размеры в миллиметрах
Размер стороны плит прибора в плане	Размер стороны зоны измерения в плане	Ширина охранной зоны	Максимальная допустимая толщина образца (значение, определяемое с учетом боковых теплопотерь)	Максимальное допускаемое отклонение от плоскостности плит прибора (0,025%)	Минимальная допустимая толщина образца (значение, определяемое допускаемым отклонением от плоскостности плит прибора)	Максимальная ширирина зазора	Минимальная допустимая толщина образца(1) (значение, определяемое максимальной шириной зазора)
1	2	3	4	5	6	7	8
200	100	50	30	0,05	10,0	1,25	12,5
300	200	50	35	0,08	15,0	2,50	25,0
300	150	75	45	0,08	15,0	1,88	18,8
400	200	100	60	0,10	20,0	2,50	25,0
400	100	150	80	0,10	20,0	1,25	12,5
500	300	100	65	0,13	25,0	3,75	37,5
500	250	125	75	0,13	25,0	3,13	31,3
500	200	150	85	0,13	25,0	2,50	25,0
600	300	150	90	0,15	30,0	3,75	37,5
800	500	150	100	0,20	40,0	6,25	62,5
800	400	200	120	0,20	40,0	5,00	50,0
1000	500	250	150	0,25	50,0	6,25	62,5
(1) Приведенные минимальные допустимые значения толщин соответствуют значениям ширины зазора, указанным в графе 7 данной таблицы; при зазорах меньшей ширины - см. 5.2.5.

А.2.6 Минимальная допускаемая толщина нежестких образцов, определяемая допускаемым отклонением рабочих поверхностей плит прибора от плоскостности, приведена в графе 6 таблицы А.1.

Минимальная допустимая толщина образцов при испытании на приборе с горячей охранной зоной должна в 10 или более раз превышать ширину зазора между нагревателем и охранной зоной. Площадь зазора должна составлять не более 5% площади зоны измерения. Значения максимальной ширины зазора и соответствующие значения минимальной допустимой толщины образца приведены в графах 7 и 8 таблицы А.1.

А.2.7 Верхний предел значений термического сопротивления, которые могут быть измерены, ограничивается стабильностью источника электрической энергии, подаваемой на нагреватель зоны измерения, погрешностью измерения электрической мощности, подаваемой на нагреватель зоны измерения, и уровнем теплопотерь или теплопоступлений вследствие нарушения температурного баланса между зоной измерения и охранной зоной прибора.

А.2.8 При испытании образцов (особенно жестких образцов с небольшим термическим сопротивлением) максимальное допустимое значение контактного термического сопротивления и максимальная эквивалентная толщина воздушных прослоек между лицевыми гранями образца и рабочими поверхностями плит нагревателя и холодильника прибора не должны превышать значений, приведенных в таблице А.2.

Примечание - При расчете максимальной эквивалентной толщины воздушных прослоек теплопроводность воздуха принимают равной 0,025 , что соответствует его теплопроводности при комнатной температуре.

Таблица А.2 - Максимальное допустимое контактное термическое сопротивление в зависимости от термического сопротивления образца

Термическое сопротивление образца,	Максимальное допустимое контактное термическое сопротивление,	Максимальная эквивалентная толщина воздушной прослойки (плита прибора - образец), мм
0,3	0,0015	0,04
0,4	0,0020	0,05
0,5	0,0025	0,06
0,6	0,0030	0,08
0,8	0,0040	0,10
1,0	0,0050	0,13
1,5	0,0075	0,19

А.2.9 Максимальное допустимое отклонение от параллельности лицевых граней образца должно быть таким, чтобы толщина образца отличалась от ее среднего значения не более чем на 2% (см. В.4 таблицы В.1 приложения В).

А.2.10 Разность температур лицевых граней образца при проведении испытаний рекомендуется устанавливать в интервале 10 - 50 К.

А.2.11 При назначении максимальной рабочей температуры нагревателя и холодильника следует учитывать процессы окисления, температурные напряжения и другие факторы, вызывающие отклонение от плоскостности рабочих поверхностей плит нагревателя и холодильника, а также изменения электрического сопротивления электроизоляции, влияющие на точность электрических измерений.

А.2.12 Для испытания образцов, которые могут коробиться под воздействием градиента температуры, рекомендуется разработать специальный прибор.

А.2.13 При определении времени, необходимого для достижения стационарного теплового режима, следует учитывать:

a) теплоемкость плит холодильника и нагревателя прибора; характеристики системы контроля температуры рабочей поверхности плит холодильника (холодильников) прибора с горячей охранной зоной и характеристики системы контроля температуры рабочих поверхностей плит нагревателя и холодильника прибора, оснащенного тепломером;

b) теплоемкость плиты нагревателя зоны измерения и характеристики системы контроля температуры ее рабочей поверхности; теплоемкость плиты нагревателя охранной зоны и характеристики системы контроля температуры ее рабочей поверхности (только для прибора с горячей охранной зоной);

c) теплоизоляцию прибора;

d) температуропроводность и паропроницаемость материала, из которого изготовлен образец, и толщину образца;

e) среднюю температуру образца и характеристики среды, окружающей прибор в процессе испытания;

f) температуру и влажность образца(ов) в начале испытания.

Если не представляется возможным точно определить продолжительность времени, необходимого для достижения стационарного теплового режима, или отсутствует опыт испытания подобных образцов на таком же приборе при таких же условиях испытания, то значение временного интервала вычисляют по формуле

,

(А.4)

где - плотность металла, из которого изготовлена плита нагревателя прибора с горячей охранной зоной, или плотность металла, из которого изготовлены плиты нагревателя или холодильника прибора, оснащенного тепломером, ;

- удельная теплоемкость металла, из которого изготовлена плита нагревателя прибора с горячей охранной зоной, или плотность металла, из которого изготовлены плиты нагревателя или холодильника прибора, оснащенного тепломером, ;

- толщина плиты нагревателя прибора с горячей охранной зоной или толщина плиты нагревателя или холодильника прибора, оснащенного тепломером, м;

- плотность материала, из которого изготовлен образец, ;

- удельная теплоемкость материала, из которого изготовлен образец, ;

- толщина образца, м;

R - термическое сопротивление образца, .

Если применяются системы автоматического контроля, например контроля электрических нагревательных элементов нагревателей, то интервал времени может быть уменьшен.

Время достижения стационарного теплового режима, как правило, в пять раз больше, чем интервал времени с погрешностью менее 1%. Измерения рекомендуется проводить через интервалы времени, не превышающие 0,25% .

А.3 Ограничения на возможность измерения теплофизических показателей

А.3.1 При определении значимости результатов испытаний должны учитываться ограничения, связанные с возможностью измерения теплофизического показателя на имеющемся приборе.

А.3.2 Термическое сопротивление, тепловая проводимость или коэффициент теплопередачи могут быть представлены как результат одного измерения, проведенного на одном образце при заданных условиях испытаний, если соблюдены критерии однородности, приведенные в А.2.2 - А.2.4.

А.3.3 При определении среднего значения теплопроводности или коэффициента теплопропускания образца (если он необходим) должны быть соблюдены критерии однородности образцов, приведенные в А.2.2, при этом термическое сопротивление испытуемого образца при любой средней температуре не должно зависеть от разности температур лицевых граней образца. Если указанные критерии не соблюдаются, то в отчете об испытаниях следует привести только термическое сопротивление образца при заданных условиях испытания.

А.3.4 При определении теплопроводности или коэффициента теплопропускания материала (если он необходим) должны учитываться требования, приведенные в А.3.2. Выборка изделий должна гарантировать, что испытуемый материал изделий является однородным или однородным пористым, а результаты испытаний могут быть отнесены ко всему материалу, всем изделиям или всем системам.

Значение толщины испытуемых образцов должно превышать значение, начиная с которого при дальнейшем увеличении толщины коэффициент теплопередачи материала, изделия или системы изменяется не более чем на 2%.

А.3.5 Для оценки влияния толщины образца на коэффициент теплопередачи следует руководствоваться рекомендациями, приведенными в ГОСТ 31924 и стандартах или технических условиях на изделия конкретного вида.

А.4 Предварительные решения

Если установлена возможность получения при проведении измерений достоверных значений теплофизических показателей, то с учетом ограничений, приведенных в настоящем приложении, до начала измерений должно быть принято решение о том, какой теплофизический показатель по результатам прямых измерений (например, теплопроводность или термическое сопротивление) или какую корреляционную зависимость измеряемого теплофизического показателя (например, зависимость теплопроводности от температуры или теплопроводности от плотности при заданной температуре) необходимо или желательно определить.

При принятии решения следует учитывать:

a) Размер и форму плит прибора, который имеется в наличии или необходим для проведения измерений. Прибор с конкретными размерами плит может быть непригоден для проведения измерений теплофизических показателей всех подлежащих испытанию образцов различных толщин. Прибор должен обеспечивать проведение измерений в требуемом диапазоне температур и при требуемых характеристиках окружающей среды.

b) Размеры и число образцов, необходимых для определения теплофизических показателей изделия в соответствии с требованиями стандарта или технических условий на изделие конкретного вида.

c) Необходимость или желательность помещения образца при испытании в тонкую паронепроницаемую оболочку в соответствии со стандартом или техническими условиями на изделие конкретного вида.

d) Необходимость в устройствах, которые в процессе испытания фиксируют толщину образца или давление на образец.