Как замерить теплопроводность своими руками

Теплопроводность и методы её определения

Теплопроводность — важнейшая теплофизическая характеристика материалов. Её необходимо учитывать при конструировании нагревательных устройств, выборе толщины защитных покрытий, учёте тепловых потерь. Если под рукой или в наличии нет соответствующего справочника, а состав материала точно не известен, его теплопроводность необходимо вычислить или измерить экспериментально.

Составляющие теплопроводности материалов

Теплопроводность характеризует процесс теплопереноса в однородном теле с определёнными габаритными размерами. Поэтому исходными параметрами для измерения служат:

1. Площадь в направлении, перпендикулярном направлению теплового потока.
2. Время, в течение которого происходит перенос тепловой энергии.
3. Температурный перепад между отдельными, наиболее удалёнными друг от друга частями детали или исследуемого образца.
4. Мощность теплового источника.

Для соблюдения максимальной точности результатов требуется создать стационарные (установившиеся во времени) условия теплопередачи. В этом случае фактором времени можно пренебречь.

Определить теплопроводность можно двумя способами — абсолютным и относительным.

Абсолютный метод оценки теплопроводности

В данном случае определяется непосредственное значение теплового потока, который направляется на исследуемый образец. Чаще всего образец принимается стержневым или пластинчатым, хотя в некоторых случаях (например, при определении теплопроводности коаксиально размещённых элементов) он может иметь вид полого цилиндра. Недостаток пластинчатых образцов — необходимость в строгой плоскопараллельности противоположных поверхностей.

Поэтому для металлов, характеризующихся высокой теплопроводностью, чаще принимают образец в форме стержня.

Суть замеров состоит в следующем. На противоположных поверхностях поддерживаются постоянные температуры, возникающие от источника тепла, который расположен строго перпендикулярно к одной из поверхностей образца.

В этом случае искомый параметр теплопроводности λ составит
λ=(Q*d)/F(T2-T1), Вт/м∙К, где:
Q — мощность теплового потока;
d — толщина образца;
F — площадь образца, на которую воздействует тепловой поток;
Т1 и Т2 — температуры на поверхностях образца.

Поскольку мощность теплового потока для электронагревателей может быть выражена через их мощность UI, а для измерения температуры могут быть использованы подключённые к образцу термодатчики, то вычислить показатель теплопроводности λ не составит особых трудностей.

Для того, чтобы исключить непроизводительные потери тепла, и повысить точность метода, узел образца и нагревателя следует поместить в эффективный теплоизолирующий объём, например, в сосуд Дьюара.

Относительный метод определения теплопроводности

Исключить из рассмотрения фактор мощности теплового потока можно, если использовать один из способов сравнительной оценки. С этой целью между стержнем, теплопроводность которого требуется определить, и источником тепла помещают эталонный образец, теплопроводность материала которого λ₃ известна. Для исключения погрешностей измерения образцы плотно прижимаются друг к другу. Противоположный конец измеряемого образца погружается в охлаждающую ванну, после чего к обоим стержням подключаются по две термопары.

Далее включают нагреватель, и по достижении стационарного состояния, измеряют разницу температур между термопарами испытуемого образца и .

Теплопроводность вычисляется из выражения
λ=λ₃(d(T1 3 -T2 3 )/d₃(T1-T2)), где:
d — расстояние между термопарами в исследуемом образце;
d₃ — расстояние между термопарами в ;
T1 3 и T2 3 — показания термопар, установленных в ;
Т1 и Т2 — показания термопар, установленных в исследуемом образце.

Теплопроводность можно определить и по известной электропроводности γ материала образца. Для этого в качестве испытуемого образца принимают проводник из проволоки, на концах которого любым способом поддерживается постоянная температура. Через проводник пропускается постоянный электрический ток силой I, причём клеммный контакт должен приближаться к идеальному.

По достижении стационарного теплового состояния температурный максимум T_max будет располагаться посредине образца, с минимальными значениями Т1 и Т2 на его торцах. Измерив разность потенциалов U между крайними точками образца, значение теплопроводности можно установить из зависимости

Точность оценки теплопроводности возрастает с возрастанием длины испытуемого образца, а также с увеличением силы тока, который пропускается через него.

Относительные методы измерения теплопроводности точнее абсолютных, и более удобны в практическом применении, однако требуют существенных затрат времени на выполнение замеров. Это связано с длительностью установления стационарного теплового состояния в образце, теплопроводность которого определяется.

Источник

Некоторые методы определения теплопроводности

Для исследования теплопроводности вещества используют две группы методов: стационарные и нестационарные.

Теория стационарных методов более проста и разработана более полно. Но нестационарные методы в принципе помимо коэффициента тепло­проводности позволяют получить информации о коэффициенте температуропроводности и теплоёмкости. Поэтому в последнее время большое внимание уделяется разработке нестационарных методов определения теплофизических свойств веществ.

Здесь рассматриваются некоторые стационарные методы определения коэффициента теплопроводности веществ.

а) Метод плоского слоя. При одномерном тепловом потоке через плоский слой коэффициент теплопроводности определяется по формуле

(13)

где d — толщина, T₁ и T₂ — температуры «горячей» и «холодной» поверхно­сти образца.

Для исследования теплопроводности этим методом необходимо создать близкий к одномерному тепловой поток.

Обычно температуры измеряют не на поверхности образца, а на неко­тором расстоянии от них (см. рис. 2.), поэтому необходимо в измеренную разность температур ввести поправки на перепад температуры в слое нагревателя и холодильника, свести к минимуму термическое сопротивление контактов.

Указанный метод рекомендуется применять при исследовании твёрдых тел, обладающих относительно малыми значениями l и жидкостей.

При исследовании жидкостей для устранения явления конвекции градиент температур должен быть направлен вдоль поля гравитации (вниз).

Рис. 2. Схема методов плоского слоя для измерения теплопроводности.

1 – исследуемый образец; 2 – нагреватель; 3 – холодильник; 4, 5 – изоляционные кольца; 6 – охранные нагреватели; 7 – термопары; 8, 9 – дифференциальные термопары.

б) Метод Егера. Метод основан на решении одномерного уравнения тепло­проводности, описывавшего распространение теплоты вдоль стержня, нагреваемого электрическим током. Трудность использования этого метода состоит в невозможности создания строгих адиабатных условий на внешней поверхности образца, что нарушает одномерность теплового потока.

Расчётная формула имеет вид:

(14)

где s — электропроводность исследуемого образца, U – падение напряжения между крайними точками на концах стержня, DT – разность температур между серединой стержня и точкой на конце стержня.

Рис. 3. Схема метода Егера.

1 – электропечь; 2 – образец; 3 – цапфы крепления образца; Т₁ ¸ Т₆ – места заделки термопар.

Этот метод используют при исследовании электропроводных материалов.

в) Метод цилиндрического слоя. Исследуемая жидкость (сыпучий материал заполняет цилиндрический слой, образованный двумя расположенными коаксиально цилиндрами. Один из цилиндров, чаще всего внутренний, является нагревателем (рис.4).

Рис.4.Схема метода цилиндрического слоя

1 — внутренний цилиндр; 2 — основной нагреватель; 3 — слой исследуемого вещества; 4 – наружный цилиндр; 5 — термопары; 6 – охранные цилиндры; 7 — дополнительные нагреватели; 8 — корпус.

Рассмотрим подробнее стационарный процесс теплопроводности в цилиндрической стенке, температура наружной и внутренней поверхностей которой поддерживается постоянными и равными Т₁ и Т₂ (в нашем случае это слой исследуемого вещества 5). Определим тепловой поток через стенку при условии, что внутренний диаметр цилиндрической стенки d₁ = 2r₁, а наружный d₂ = 2r₂, l = const и теплота распространяется только в радиальном направлении.

Для решения задачи воспользуемся уравнением (12). В цилиндрических координатах, когда ; уравнение (12), согласно (1О), принимает вит:

. (15)

Введём обозначение dT/dr = 0, получим

и .

После интегрирования и потенцирования этого выражения, переходя к первоначальным переменным получим:

. (16)

Как видно изэтого уравнения, зависимость T=f(r) носит логарифмический характер.

Постоянные интегрирования C₁ и C₂ можно, определить, если в это уравнение подставить граничные условия:

Решение этих уравнений относительно С₁ и С₂ даёт:

;

Подставив эти выражения вместо С₁ и С₂ в уравнение (1б)_, получим

(17)

тепловой поток через площадь цилиндрической поверхности радиуса r и длиной определяется с помощью закона Фурье (5)

.

После подстановки получим

. (18)

Коэффициент теплопроводности l при известных величинах Q, Т₁, T₂, d₁, d₂, рассчитывают по формуле

. (19)

Для подавления конвекции (в случав жидкости) цилиндрический слой должен иметь малую толщину, обычно доли миллиметра.

Уменьшение торцевых потерь в методе цилиндрического слоя достигается за счёт увеличения отношения /d и охранными нагревателями.

г) Метод нагретой проволоки. В этом методе отношение /d увеличивается за счёт уменьшения d. Внутренний цилиндр заменяется тонкой проволокой, являвшейся одновременно нагревателем и термометром сопротивления (рис.5). В результате относительной простоты конструкции и детальной разработки теории, метод нагретой проволоки стал одним из наиболее совершенных и точных. В практике экспериментальных исследований теплопроводности жидкостей игазов он занимает ведущее место.

Рис. 5. Схема измерительной ячейки, выполненной по методу нагретой проволоки. 1 – измерительная проволока, 2 – трубка, 3 – исследуемое вещество, 4 – токоподводы, 5 – потенциальные отводы, 6 – наружный термометр.

При условия, что весь тепловой поток от участка AВ распространяет­ся радиально и разность температур T₁ – T₂ не велика, так что в этих пределах можно считать l = const, коэффициент теплопроводности вещества определяется по формуле

, (20)

где Q_AB = T×U_AB – мощность, выделяемая на проволоке.

д) Метод шара. Находит применение в практике исследований теплопроводности жидкостей и сыпучих материалов. Исследуемому веществу придают форму сферического слоя, что позволяет, в принципе, исключать неконтролируемые потери теплоты. В техническом отношении этот метод достаточно сложен.

Источник

Как измерить промерзание стен пирометром

Содержание

Содержание

Пирометры часто используются экспертами в качестве дополнительного оборудования, когда выполняется комплексное телевизионное обследование здания. Но для поиска теплопотерь такие «инфракрасные» приборы можно использовать и самостоятельно.

Какие могут быть проблемы

Наружные стены, цокольное и чердачное перекрытие, кровля, окна/двери — эти ограждающие конструкции составляют теплозащитную оболочку здания. Правильно организованная теплозащитная оболочка должна защитить отапливаемый объем строения от излишних потерь тепла.

Но иногда этот контур нарушается, если есть повреждения теплоизоляции, появляются мостики холода или продувания. А иногда тепловая оболочка достаточно однородна, но легко пропускает сквозь себя тепловую энергию по всей поверхности — так бывает, когда утеплитель отсутствует вовсе, имеет недостаточную толщину или по каким-то причинам утратил свои рабочие свойства… В таких случаях затраты на отопление оказываются слишком высокими.

Есть еще одна проблема — проявления так называемой «точки росы». Выглядит это следующим образом: при определенной температуре и при переделенной относительной влажности водяные пары, содержащиеся в воздухе, оседают на предметах и конструкциях в виде конденсата.

В приведенной таблице отмечена зона с температурой точки росы, характерной для квартир и частных домов (учитывается температура воздуха и нормативная относительная влажность для жилых помещений). Предположим, температура у вас на кухне порядка 22 градуса, а влажность воздуха составляет 60 процентов. По цифрам из таблицы становится ясно, что если внутренняя поверхность уличной стены в каком-то месте будет иметь температуру 13,9 градусов и менее, то на ней возможно выпадение конденсата.

В результате мы можем наблюдать «плачущие окна и откосы», промерзание наружных стен (в том числе с появлением инея), намокание углов, а также буйство плесени и грибков, которым для процветания нужна живительная влага. И это только вершина айсберга. От неучтенного увлажнения сильно страдают невидимые нам элементы дома: сталь ржавеет, пиломатериалы загнивают и коробятся, минеральные стройматериалы разбухают и постепенно растворяются. И самое главное — возникает угроза здоровью жильцов…

Если намокает утеплитель, то вода вытесняет в нем воздух, который является основным изолятором тепловой энергии. Поэтому теплоизоляция сильно теряет свои свойства (например, доказано, что 5-процентное увлажнение минваты вдвое сокращает ее теплотехнические показатели), и ситуация только усугубляется.

От проблем к их решению

Первым делом нужно при помощи пирометра (или тепловизора) найти уязвимые места, через которые наиболее интенсивно уходит драгоценное тепло, и попытаться определить степень теплопотерь. Зная проблему, можно приступать к ее нейтрализации.

Инспектировать места, через которые чаще всего происходят утечки тепла, при помощи пирометров/тепловизоров есть смысл регулярно — раз в год, например. Дело в том, что строительные материалы со временем способны «деградировать» и меньше сопротивляться теплопередаче (допустим, монтажная пена и листовой пенополистирол может разрушаться под действием ультрафиолета, а из минеральной ваты под действием конвективных потоков могут выветриваться волокна, что приводит к потере ее плотности).

Иногда теплотехническое обследование проводят в еще только строящихся домах, чтобы иметь возможность внести коррективы в конструкцию и малыми затратами выйти из сложной ситуации. Для этого закрывают оконные проемы и используют устройства, нагнетающие мощным вентилятором избыточное давление внутри здания (так называемые «аэродвери»). Потом в дело вступает пирометр или тепловизор.

Чем поможет пирометр

На материалы и конструкции здания воздействуют силы теплопередачи. В холодное время года у нас есть две разделенные среды: морозный воздух на улице и нагретое искусственными источниками тепла пространство здания. В отапливаемых помещениях естественным образом возникает повышенное давление, из-за чего тепловая энергия стремится выйти наружу, при этом ограждающие конструкции заметно остывают. Чем выше у стен (или других элементов дома) сопротивление теплопередаче, тем меньше они промерзают. По сути, этот процесс можно представить себе как своеобразное перетягивание каната.

В результате, со стороны улицы можно наблюдать, как уходит тепло в дефектных зонах, нагревая поверхности. Нас будут, в первую очередь, интересовать области с высокой температурой.

А со стороны помещений ситуация будет диаметрально противоположная — дефектные области хорошо заметны по аномальному охлаждению локальных зон.

Почему пирометр, а не тепловизор

Пирометр в некотором смысле можно считать прообразом тепловизора. Тепловизор тоже работает с инфракрасным излучением, но в отличие от пирометра он не только выдает температуру в точке прицеливания, а к тому же умеет показывать на экране и сохранять термограммы — очень информативные контрастные картинки. Но даже самые недорогие тепловизоры-приставки, подключаемые к смартфону (например, модель Seek Thermal Compact), стоят сейчас минимум 23000 рублей, тогда как цена «бытового» пирометра стартует с 1400 рублей.

Да, придется потратить больше времени. Да, они не дадут той впечатляющей наглядности, как тепловизоры. Однако пирометры без проблем укажут на температурные аномалии ограждающих конструкций. При правильном использовании устройства, это будет не менее точный и такой же «неразрушающий» контроль.

Как подготовиться к измерениям

Когда лучше измерять? Как и в случае с использованием тепловизора, лучше всего теплопотери пирометром определять при максимальной разнице уличной и комнатной температуры. Однако в ГОСТах тепловой аудит рекомендуется производить в осенне-весенний отопительный период. Перепад температур при этом должен быть не менее 10 градусов.

Снаружи измерять или изнутри? Обследование получится наиболее информативным, если вы измерите ограждающие конструкции с обеих сторон. На практике, если у вас во владении не одноэтажный коттедж и не квартира на первом этаже — то будет крайне сложно выдержать одинаковую дистанцию до всех участков съемки со стороны улицы. Кроме того, непреодолимым препятствием для доступа к стенам снаружи могут стать различные навесные конструкции, например, обшивка из сайдинга или блок-хауса.

Погодные условия. К работе с пирометром со стороны улицы можно приступать при отсутствии осадков, а также задымленности и тумана. Для обследования обязательно стоит выбирать время с минимальной силой ветра.

Выбор времени суток. Поиск теплопотерь пирометром желательно выполнять утром, когда на обследуемые поверхности не попадают прямые солнечные лучи, способные нагреть материалы и исказить информацию о реальной температуре поверхности. Вечер не лучший вариант, так как стены могут накопить какое-то количество тепла, хотя к моменту обследования уже не облучаться солнцем.

Стабилизация температуры в помещениях. Если это частный дом, в котором люди пребывают время от времени, то объект перед измерениями нужно отапливать минимум 3-ое суток, чтобы все элементы здания прогрелись. В любом случае окна и двери на объекте в течение 12 часов рекомендуется держать закрытыми.

Беспрепятственный доступ к ограждающим конструкциям. При измерениях со стороны улицы с поверхностей нужно удалить наледь и снег. При работе внутри помещений, придется убрать с внешних стен картины и ковры, отодвинуть мебель. Пирометр не сможет «добить» до стены, если на пути его луча окажутся отслоившиеся обои или какие-то загрязнения — он работает исключительно по поверхностям, в условиях «прямой видимости». Также опытные специалисты настоятельно рекомендуют демонтировать плинтусы на наружной стене и частично на примыкающих к ней стенах. Если поставлена задача, определить теплопотери в частном доме — то нужен будет доступ на чердак и в подвал.

Порядок проведения замеров

1. Первым делом необходимо составить схемы измеряемых поверхностей. Возможно, понадобятся какие-то детальные чертежи отдельных узлов дома (например, есть смысл отдельно изобразить очень уязвимые для тепловых потерь оконные проемы с откосами и подоконником/отливом), на которых вы сможете записывать температурные показания пирометра. Для получения максимальной наглядности, в паре с пирометром желательно использовать фотоаппарат. Каких-то особых требований к фототехнике нет, главное — иметь возможность по фото идентифицировать контрольный участок, поэтому можно использовать смартфон.

2. Желательно создать «журнал», в котором можно будет записать данные об условиях обследования (скорость ветра, температура воздуха, влажность, дистанция до поверхностей, осадки, время/дата). Он поможет при повторных обследованиях учесть эти нюансы, чтоб можно было корректно сравнить результаты.

3. Следует определить схему обследования и потом четко ее придерживаться. К примеру, разделить стену на условные небольшие зоны и отработать их по принципу «снизу–вверх, справа–налево».

4. Рекомендуется произвести осмотр ограждающих конструкций. Пирометром приходится работать вслепую (в отличие от тепловизора, которым сначала делают большую обзорную термограмму), поэтому нам очень поможет предварительное визуальное выявление дефектов: конденсат, заплесневелые поверхности, промерзшие области с выступившим инеем, отошедшие обои, потемневшая шпаклевка, рыхлый кирпич…

5. Выбираем дистанцию, на которой будем выполнять обследование (а потом стараемся выдерживать ее во всех зонах). При использовании пирометра в помещениях проблем нет — расстояние до поверхности в 1-1,5 метра будет оптимальным. А вот на улице, когда нужно обследовать стены двухэтажного коттеджа, так приблизиться не получится. Поэтому необходимо учитывать оптическое разрешение прибора (с увеличением расстояния увеличивается площадь пятна обследуемой поверхности и погрешность). Для подобной работы нужно использовать пирометры с оптическим разрешением 12:1 и выше. Но даже такой технологичный прибор с дистанции 6 метров будет облучать пятно с диаметром около полуметра, поэтому для получения более точных показателей лучше найти возможность эту дистанцию сократить.

6. Производим замеры температуры, все полученные данные заносим в план-схему. Наводить прицел на поверхности желательно с минимальным интервалом между контрольными точками (можно, например, измерять температуру с шагом в 20–30 сантиметров). Особое внимание уделяем областям с видимыми дефектами. Более тщательно обследуем внутренние/наружные углы и места примыканий стен с перекрытиями, откосы, цоколи, балконы, любые выступы и ниши…

7. Во время измерений температур в помещениях следует обходить источники тепла (отклоняемся примерно на 1 метр). На показания пирометра могут существенно повлиять: осветительные приборы, трубы и источники отопления, бытовая техника и работающие электроустановки. Также нужно обращать внимание на схему разводки бытового водоснабжения, часто вода зимой заходит в помещение настолько холодной, что способна охлаждать строительные конструкции.

8. В случае выявления тепловых аномалий в 2–3 градуса, проблемную зону необходимо более детально «прострелять», чтобы точнее определить перепады температур и визуально очертить для себя контуры дефектной области. Это место необходимо также тщательно отработать с другой стороны стены. А если это, например, зона сопряжения наружной стены и потолка в коттедже, то стоит хорошо обследовать его со стороны чердака. В общем, чем больше измерений — тем лучше.

9. Работайте комплексно, используйте и другие устройства, чтобы получить более полную картину. Специалисты при тепловом аудите применяют: гигрометры, термометры, лазерные дальномеры, ручные анемометры, измерители тепловых потоков…

Что делать с полученными цифрами

Естественно нас интересует, насколько критичны найденные аномалии? Локальные температурные отклонения в несколько градусов должны насторожить. А если нарушено одно из нижеприведенных правил, то с этим уже нужно что-то делать:

1. Температура поверхности ограждающей конструкции внутри здания не должна быть ниже температуры точки росы (ГОСТ Р 54852-2011 Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций).

2. Перепад между температурой воздуха в помещении и температурой внутренней поверхности наружной стены не должен быть более 4 градусов (СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий).

Полученные и систематизированные показания пирометра, помогают определить местоположение дефектных зон и их общий характер (площадь аномальной области, степень температурных отклонений). По этой информации не всегда ясна точная причина появления дефектов, но она дает возможность выбрать наиболее рациональный метод устранения проблемы, например: использование дополнительного утепления по фасаду, перезаделка монтажных зазоров, применение принудительной системы вентиляции с целью снижения влажности в помещениях (и как следствие — изменения температуры точки росы), замена слишком холодных оконных/дверных блоков, частичная реконструкция элементов здания с заменой утеплителя.

Список нормативно-технических документов

ГОСТ Р 54852-2011 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций»

ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»

СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003»

Источник