Страница 3: ДСТУ ISO 8497:2005. Теплоізоляція. Визначення теплопередавальних властивостей теплоізоляції круглих труб в усталеному режимі (61901)

Кожна дослідна установка має відповідати принципам і обмеженням, встановленим цим стан­дартом, але він не містить докладних вимог до конструкції і способу експлуатації окремих типів установок. Такі докладні інструкції треба підготувати спеціально для кожної установки окремо.

Діаметр труби у дослідній установці не обмежено, але для одержання необхідної точності вимірювань довжина досліджуваної ділянки повинна бути така, щоб гарантувати, що виміряний загальний тепловий потік є досить великий порівняно з крайовими тепловтратами і точністю ви­мірювання потужності.

Примітка 11. Для дослідної установки із захищеним торцем (див. 7.3) із зовнішнім діаметром 88,9 мм і довжиною дослі­джуваної ділянки 0,6 м загальна довжина зразка приблизно 1 м є достатньою. Для установки з відкаліброваною або розрахун­ковою ізоляцією торця (див. 7.4) аналогічного діаметра зазвичай підходять зразки завдовжки не менш 2 м. Ці довжини можуть бути незастосовні для деяких розмірів установки і деяких умов випробовувань, тому оцінення необхідного значення довжини потрібно виконувати за допомогою аналізування відповідних похибок.

Для зручності дослідну установку виготовляють таким чином, щоб можна було випробувати повний діапазон стандартних товщин ізоляції.

В установці з захищеним торцем (див. рисунок 1) застосовують ділянки труби, які називають «захисними ділянками», що нагріваються окремо і розташовані на кожному кінці досліджуваної секції, на якій проводять вимірювання. Ці ділянки підтримують за температури досліджуваної секції зразка для усунення осьового теплового потоку і допомагають досягти однакових значень темпе­ратури, так щоб весь тепловий потік, що проходить через досліджувану секцію зразка, мав радіаль­ний напрямок. Щоб створити однакову по довжині зразка температуру, нагрівані досліджуваної й захисної ділянок потрібно конструювати таким чином, щоб відхили від температурної одно­рідності не спричиняли недопустимих похибок результатів. За необхідності потрібно застосовувати осьові нагрівані на зовнішніх краях одиничної або подвійної захисної ділянки на кожному кінці. Дов­жина кожної захисної ділянки (або сумарна довжина подвійної охорони) повинна бути достатньою для того, щоб обмежити на кожному кінці досліджуваної секції сумарний осьовий тепловий потік і в установці, і в зразку до допустимих значень, незначних порівняно з вимірюваним тепловим по­током крізь досліджувану секцію.

Познаки:

1 — термопари для контролювання у зазорі труби нагрівана;

2 — вимірювальні термопари на захисній ділянці;

3 — термопари для контролювання у зазорі досліджуваної труби;

4 — центральна вимірювальна термопара;

а) захисна ділянка досліджуваної труби;

Ь) центр досліджуваної труби;

с) захисна ділянка труби нагрівана;

d) центр труби нагрівана.

Рисунок 1 — Установка із захищеним торцем

Примітка 12. Не існує способів аналізування для того, щоб передбачити точну довжину захисної ділянки або ступінь тем­пературної однорідності для досягнення необхідної точності результатів випробовування. Таке аналізування, можливо, буде виконано в майбутньому; а тим часом дослідну установку потрібно розробляти з деякими наближеними геометричними співвідношеннями, а в наявних установках необхідно намагатися досягти однакових значень температури по довжині захисної ділянки.

Примітка 13. Довжина захисної секції приблизно 200 мм, достатня для дослідної установки з зовнішнім діаметром 88,9 мм, щоб випробовувати зразки, які є високогомогенні, помірно анізотропні і мають товщину, яка не перевищує діаметр труби. Довші захисні секції можуть знадобитися під час випробовування зразків більшої товщини або зразків з високою осьовою тепловою провідністю.

Між захисними ділянками і досліджуваною секцією, а також між кожною захисною секцією у випадку подвійної захисної ділянки у трубі нагрівана і в досліджуваній трубі має бути забезпе­чено зазор, ширина якого звичайно не перевищує 4 мм (за винятком невеликих містків, які не­обхідні для підтримування конструкції). Ці зазори можна заповнювати матеріалом з коефіцієнтом теплопровідності набагато нижчим, ніж у матеріалі труби.

У кожному зазорі потрібно встановити внутрішні бар’єри (екрани), щоб звести до мінімуму конвективний і радіаційний теплообміни між секціями. Для контролювання різниці значень темпе­ратури упоперек кожного зазору у досліджуваній трубі по обидва боки кожного зазору на відстані не більш 25 мм від нього треба встановити термопари, що об’єднані в диференціальні термобатареї. Термопари також треба установити на кожну трубу нагрівана і встановити підтримувальні елементи, які забезпечують високу теплопровідність від досліджуваної до захисної секції.

Для зменшення осьового теплового потоку в установці з відкаліброваною або розрахунковою торцевою ізоляцією (див. рисунок 2) на кожному торці досліджуваної секції застосовують ізолю­вальні заглушки. Поправки на теплові втрати торцевою заглушкою треба визначати або безпосе­реднім калібруванням в умовах досліджень (установка з торцем, що має відкалібровану ізоляцію), або за допомогою обчислень, користуючись характеристиками матеріалу (установка з розрахун­ковою ізоляцією торця). Внутрішні електричні нагрівані призначено для того, щоб нагріти дослі­джувану секцію по всій довжині до рівномірної температури. Якщо застосовано додаткові нагрівані торців усередині досліджуваної секції, потужність, яку подають на ці нагрівані, треба долучити до потужності вимірюваної досліджуваної секції.

випробовування калібрування

а) Установка з відкаліброваною ізоляцією торця

б) Альтернативна конфігурація: зразок з розрахунковою ізоляцією торця

Рисунок 2 — Установка з торцем, що має відкалібровану або розрахункову ізоляцію торц

Для установки з відкаліброваною ізоляцією торця торцеві заглушки повинні мати ту саму площу поперечного перерізу, що і досліджуваний зразок, і приблизно однакові теплопередавальні харак­теристики. Кожна торцева заглушка повинна мати западину глибиною, що дорівнює щонайменше половині діаметра досліджуваної труби, і розмір, що відповідає кінцю досліджуваної труби. Труба- калібратор повинна складатися з короткої секції такої труби, яка по довжині дорівнює сумарній глибині западин заглушок на обох торцях. Її потрібно оснастити внутрішніми нагрівачами, зокре­ма будь-якими додатковими нагрівачами на торцях, аналогічними застосовуваним у досліджуваній трубі. Для вимірювань температури труби-калібратора на її поверхні повинно бути щонайменше чотири термопари, розташованих під кутом 90°. Вони повинні мати мінімально можливий діаметр дроту і ні в якому разі не більше ніж 0,64 мм.

Для установки з розрахунковою ізоляцією торця зовнішній діаметр торцевої заглушки пови­нен бути не менший діаметра досліджуваного зразка (див. рисунок 2). Торцеві заглушки потрібно виконувати з гомогенного ізоляційного матеріалу з низькою теплопровідністю, і вони можуть мати довільну западину для кінця досліджуваної труби (але див. обмеження 10.2.3.1 d)). Коефіцієнт теп­лопровідності матеріалу торцевої заглушки визначають за допомогою дослідних установок, що працюють за методом захищеної гарячої пластини або із застосуванням перетворювача теплового потоку у температурному діапазоні передбачуваного застосування. Якщо матеріал не є ізотропним, коефіцієнт теплопровідності треба визначати в різних напрямках відповідно до застосовуваної про­цедури обчислень (див. 10.2.3).

Вимірювати температуру поверхні досліджуваної секції труби треба щонайменше чотирма термопарами або одною термопарою для кожних 150 мм довжини труби (вибрати більшу кількість). По довжині її потрібно розташовувати в центрах однакових ділянок досліджуваної секції, а по колу однаково зміщувати по гвинтовій лінії.

У цьому стандарті розглянуто термопари з покритого ізоляцією дроту з оголеним спаєм, що зазвичай застосовують як первинні перетворювачі температури. Такі термопари потрібно індиві­дуально відкалібрувати або виконувати з однієї і тієї самої котушки відкаліброваного проводу ви­сокої якості. Взагалі діаметр дроту має бути якомога менший і ні в якому разі не перевищувати 0,64 мм у разі вимірювання на металевих поверхнях або 0,40 мм — на неметалевих поверхнях. Можна застосовувати термопари з мінеральною ізоляцією в металевому рукаві, термометри опору або інші перетворювачі температури також, якщо визначені ними значення температури будуть збігатися з виміряними за допомогою термопар з оголеним спаєм. Середні значення температури можна об­числювати за індивідуальними даними кожної термопари або можна вимірювати безпосередньо за паралельного з’єднання термопар за умови, що їхні спаї електрично ізольовано і повні електричні опори дорівнюють один одному. Для вимірювання різниці значень температури у проміжку між за­хисними ділянками і досліджуваною секцією термопари повинні бути з’єднані послідовно, щоб ут­ворити термобатарею.

Система вимірювання температури, зазвичай це потенціометр постійного струму або цифро­вий мікровольтметр, повинна мати точність, достатню для того, щоб похибка вимірювання різниці значень температури була менша за допустиму.

Примітка 14. Похибка вимірювання різниці значень температури, виражена у відсотках, призводить до такої самої похибки обчислювання теплопередавальних характеристик за формулами розділу 3. Таким чином, для заданої різниці значень тем­ператури і вибраної границі допустимої похибки на основі стандартного аналізу похибок (див. 12.1) можна встановити вимоги до вимірювання температури. Як екстремальний приклад, розглянемо випробовування, за яких різниця значень температури не перевищує 20 К. Якщо похибка становить 1 % внаслідок неточності вимірювання різниці значень температури, то абсолютна похибка вимірювання цієї різниці значень температури не повинна перевищувати 0,2 К.

Якщо температуру вимірюють окремо і похибки є випадковими, то похибки окремих вимірювань повинні бути в ме­жах ± 0,14 К (під час визначання різниці значень температури фіксованими систематичними похибками окремих вимірювань треба нехтувати). Очевидно, що вимоги до абсолютної похибки вимірювань менш строгі для великих значень різниці температури.

Електроживлення нагрівана досліджуваної секції необхідно ретельно регулювати, воно може бути від мережі постійного або змінного струму. Електроживлення застосовуваних охоронних на- грівачів також повинно бути регульоване, якщо не застосовані автоматичні регулятори.

Система вимірювання потужності повинна вимірювати середню потужність, яку подають на нагрівам досліджуваної секції. Похибка вимірювання не повинна перевищувати ± 0,5 % .

Якщо вхідна потужність стала, то система може складатися з калібрувального ватметра або системи вимірювання напруги для напруги і сили струму (у разі застосування стандартного рези­стора). Якщо вхідна потужність змінна або коливається, то треба застосовувати інтегрувальні (енергію) засоби, такі як лічильник електроенергії в джоулях (ват-годинах).

В усіх випадках варто звернути увагу на те, що вимірюють тільки потужність, яка розсіяна у досліджуваній секції. Для потужності, яка розсіяна на клемах, знижувальних резисторах або не- компенсованих ватметрах, треба внести поправки.

Щоб підтримувати необхідну температуру навколишнього повітря в межах ± 1 К за різниці значень температури між досліджуваною трубою і навколишнім повітрям не вище 200 К та в межах ± 2 К для різниці значень температури вище 200 К повинен бути кожух або приміщення з регульованою тем­пературою. Кожух або приміщення потрібно розраховувати таким чином, щоб підтримувати будь-яке бажане значення навколишньої температури вище або нижче нормального. Дослідну установку по­трібно розташовувати в місці практично нерухомого повітря, і вона не повинна бути близько до інших об'єктів, які могли б спричинити природну конвекцію поблизу нагрітого зразка. Усі поверхні або об’єкти, що можуть спричинити радіаційний теплообмін зі зразком, повинні мати інтегральний напівсферичний коефіцієнт випромінення принаймні 0,85 і приблизно ту саму температуру, що і навколишнє повітря. Може виникнути потреба у додатковому устаткованні для використання інших газів, крім повітря, і в моделюванні ефекту вітру за допомогою штучного створювання по­вітряних потоків бажаного напрямку і значень.

Перетворювачі температури повітря потрібно розробляти і розміщувати таким чином, щоб безпосередньо не стикатися із трубою чи іншими джерелами теплоти. Придатні способи розміщення можна визначати під час експерименту, за необхідності застосовують екранування. Не слід розмі­щати перетворювачі безпосередньо над установкою.

Для того, щоб змінити температуру зовнішньої поверхні зразка до необхідного значення, що відрізняється від навколишньої температури, потрібен додатковий кожух з регульованою темпе­ратурою. Інший спосіб, що дає змогу підвищити температуру зовнішньої поверхні зразка, — це накласти додатковий шар теплової ізоляції. У кожному з цих випадків, перш ніж влаштувати до­датковий кожух або додаткову ізоляцію, треба встановити термопари (розглянуто у 8.6) для вимі­рювання температури зовнішньої поверхні зразка. Коефіцієнт випромінення внутрішньої поверхні кожуха або додаткової ізоляції (повернутої до зразка) повинен бути більший ніж 0,8, щоб не зменшувати радіаційний теплообмін всередині зразка. У таких випадках немає можливості визна­чити коефіцієнт теплообміну.