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

Т

п

Т

a

q

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 Тп поверхности и Тс по формуле

,

F

с

Т

п

Т

Р

a (9)

где F – площадь поверхности ОП. Температуру Тп задают термостатом или

изменением напряжения питания. Подводимую мощность Р определяют по измерениям

тока и напряжения или теплосчетчиком. Температуру Тп измеряют 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):

о

e

o

q

e

q

e

)

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 о из 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 п монохроматический 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 метод предназначен 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

температур Т1 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

4

Т2

4

) 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

4

. (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.