Способ измерения коэффициента теплопередачи сэндвич-панелей с отражающим слоем
METHOD OF MEASURING THE COEFFICIENT OF HEAT TRANSFER OF SANDWICH PANELS WITH REFLECTIVE LAYER

Изобретение относится к области тепловых измерений, а именно к измерению коэффициента теплопередачи теплоизоляционных сэндвич-панелей с отражающим слоем.
Теплоизоляционные сэндвич-панели с отражающим слоем, чаще всего алюминиевой фольгой с одной или даже с обеих сторон, широко используются для изготовления теплоизолированных объёмов: холодильных складов, ларей, автомобильных фургонов, строительных конструкций или применяются для тепловой защиты конструкций, например, внутри подкапотного пространства автомобилей, для теплоизоляции трубопроводов, и т.п.
Для выполнения тепловых расчетов при применении таких теплоизоляционных материалов необходимо знать коэффициенты теплопередачи сэндвич-панелей с отражающими слоями.
2
2
2
Коэффициентом теплопередачи ограждающей конструкции называется величина теплового потока в Ваттах через 1 м такой конструкции при разности температуры на ее противоположных сторонах 1°С. Коэффициент теплопередачи принято обозначать «К», размерность Вт/м·°С. Иногда размерность коэффициента теплопередачи записывают Вт/м·К, где под К подразумевают градус Кельвина. Эти записи равноправны, так как градус Цельсия совпадает по величине с градусом Кельвина.
Коэффициент теплопередачи теплоизоляционной панели, изготовленной из однослойного теплоизолирующего материала толщиной d и коэффициентом теплопроводности λ может быть вычислена по формуле К= λ/d, где λ имеет размерность Вт/м·°С, а толщина d измеряется в метрах.
Типичное значение коэффициентов теплопроводности распространенных теплоизоляторов – пенополиуретан, пенополистирол, минвата в диапазоне от 0,025 до 0,06 Вт/м·°С.
2
Коэффициент теплопередачи теплоизолирующих конструкций, изготовленных из этих материалов при толщине, например 0,1 м, оказывается в диапазоне от 0,25 до 0,6 Вт/м·°С.
Известно много способов и оборудования позволяющих измерить тепловой поток через слой теплоизолятора и, зная толщину слоя, вычислить и коэффициент теплопроводности теплоизолятора и коэффициент теплопередачи конструкции, изготовленной из такого теплоизолятора при любой его толщине, и величину теплового сопротивления такой конструкции.
Так, например, известен способ определения коэффициента теплопроводности материалов по патенту № 359582 путем создания тепловых потоков в исследуемом и эталонном образцах с помощью регулируемых нагревателей и измерения температурных перепадов на этих образцах. В соответствии с указанным патентом в исследуемом и эталонном одновременно создают параллельные тепловые потоки и поддерживают равными перепады температур на образцах путем регулировки мощностей нагревателей. По достижению стационарного режима теплопередачи измеряют мощности нагревателей, температурный перепад на одном из образцов (на обоих образцах температурные перепад одинаков) и по измеренным величинам определяют коэффициент теплопроводности.
В настоящее время широко рекламируется измеритель теплопроводности ПИТ-2. http://www.iztech.ru/catalog/10/, см. Фиг.1
Прибор ПИТ-2 предназначен для измерения теплопроводности и теплового сопротивления строительных и теплоизоляционных материалов методом стационарного теплового потока в соответствии с ГОСТ 7076-99.
Принцип действия прибора основан на создании проходящего через исследуемый плоский образец стационарного теплового потока. По величине этого теплового потока, температуре противоположных граней образца и его толщине вычисляется теплопроводность образца.
Исследуемый образец должен иметь форму прямоугольного параллелепипеда, лицевые грани которого – квадрат с размерами 250×250 мм.
Известны также измерители теплопроводности и термического сопротивления, ИТП-МГ4«250» (http://www.condtrol.ru/ndt/izmeriteli-teploprovodnosti/materialov/izmeritel-teploprovodnosti-itp-mg4-250~a318004.html), Фиг.2
Принцип работы обоих этих приборов один и тот же и, в принципе, совпадает с приведенным выше патентом № 359582 и основан на создании проходящего через исследуемый плоский образец стационарного теплового потока. По величине этого теплового потока, температуре противоположных граней образца и его толщине вычисляется теплопроводность образца.
Тепловой поток в этих приборах создается с помощью плоских нагреваемых или охлаждаемых металлических пластин размером с измеряемый образец и приняты меры для обеспечения высокой степени равномерности температуры по их площади.
Общим недостатком всех указанных выше способов и приборов является то, что все они используют для создания теплового потока контакт плоской пластины (нагретой или охлажденной) с плоской поверхностью исследуемого образца.
Эти способы не применимы в случае неплоской поверхности исследуемого образца (строительные сэндвич-панели, имеющие, как правило, рифленые поверхности), и, главное, если на поверхности исследуемой панели присутствует отражающий слой, существенно улучшающий теплоизоляционные свойства сэндвич-панели за счет отражения теплового излучения.
Естественно, что контакт измерительных пластин с поверхностью такого отражающего образца полностью «выключает» этот механизм и не дает возможности его измерить.
Вместе с тем разработчиков, передавших на измерение такие образцы, интересует, коэффициент теплопередачи сэндвич панели с учетом влияния отражающего слоя.
Теплоизоляционные материалы с отражающим слоем в виде алюминиевой фольги применяются все чаще в силу несомненных преимуществ перед традиционными сэндвич-панелями с внешним слоем из оцинкованной стали с полимерным покрытием (плакировки) или пластмассы.
Например, ООО «Тепофол»   (http://tepofol.ru)  наладило серийный выпуск теплоизоляционного материала на основе вспененного полиэтилена с алюминиевой металлизацией поверхности, и для измерения коэффициента теплопередачи своих материалов они обращались именно к нам.
Для измерения коэффициента теплопередачи с учетом теплоотражающих слоев следует применять бесконтактные методы создания теплового потока.
В качестве прототипа, в наибольшей степени отвечающего предлагаемому бесконтактному способу измерения, выбран способ измерения коэффициента теплопередачи изотермических фургонов, регламентированный международным документом, который в России сокращенно называют «Соглашение СПС». Его полное название: «Соглашение о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и о специальных транспортных средствах, предназначенных для этих перевозок». Это международный документ, который разработала и с течением времени уточняет ООН. Актуальный текст соглашения на русском языке всегда имеется на сайте  http://www.unece.org/trans/main/wp11/atp.html.
Методика измерения коэффициента теплопередачи детально изложена в Приложении 1 к соглашению СПС, входящем в текст соглашения,  и на территории России носит характер ГОСТ, в соответствии с которым обязаны проходить тестирование все изотермические фургоны, предназначенные для перевозок скоропортящихся пищевых продуктов.
Суть методики, предлагаемой соглашением СПС, заключается в создании теплового потока через ограждения фургона с целью измерения его коэффициента теплопередачи не за счет накладывания на их поверхность нагретых или охлажденных пластин,  а за счет нагрева (метод внутреннего нагревателя)  или охлаждения (метод внутреннего охладителя) воздуха в фургоне относительно воздуха за пределами фургона, причем и внутри фургона и вне его измеряется температура воздуха, а не температура поверхности ограждений.
При таком измерении не "выключается" эффект, вносимый в значение коэффициента теплопередачи отражающими поверхностями, и такой метод измерения может быть применен даже для неплоских поверхностей.
При таком измерении автоматически учитываются мостики холода на стыках отдельных теплоизолирующих ограждений фургона, учитываются тепловые потоки через уплотнения дверей и других технологических отверстий и проемов в фургоне, учитывается то, что в разных ограждениях фургона может быть разная толщина или даже разный тип теплоизолятора. Не случайно коэффициент теплопередачи, полученный с применением указанного метода, часто называют общим или даже интегральным коэффициентом теплопередачи фургона.
Чаще применяется "метод внутреннего нагревателя", хотя соглашение СПС допускает и применение "внутреннего охладителя".
В соответствии с методом внутреннего нагревателя, воздушный нагреватель стабилизированной мощности W устанавливают в фургоне вместе с дополнительными вентиляторами, обеспечивающими разброс температуры  воздуха по объему фургона не более 2⁰С (разность между максимальной и минимальной температурами воздуха в точках измерения). Мощность нагревателя совместно с мощностью вентиляторов измеряют ваттметром, вынесенным за пределы фургона и измерительной камеры. Скорость движения воздуха в фургоне не регламентируется.
Для измерения температуры воздуха в фургоне на расстоянии 100 мм от поверхности в угловых точках фургона, центрах боковых стенок, а также в центре крыши и пола фургона устанавливают 12 датчиков температуры. За температуру воздуха в фургоне принимают среднее значение температуры, вычисленное по показаниям всех 12 датчиков.
Измеряемый фургон устанавливают в термостатированную измерительную камеру, в которой на протяжении всего цикла измерения (~24 часов) с помощью холодильной системы поддерживают постоянную температуру воздуха с точностью ±0,5°С.  В термостатированной камере вентиляторами обеспечивают равномерность температуры воздуха, не превышающую 2⁰С на размере фургона,  и скорость движения воздуха, которая на расстоянии 100 мм от поверхности фургона должна находиться в пределах 1…2 м/с.
Для измерения температуры воздуха в измерительной камере снаружи фургона устанавливают 12 датчиков температуры на расстоянии 100 мм от поверхности фургона в тех же точках, что и внутри фургона, то есть в угловых точках фургона, центрах боковых стенок, а также в центре крыши и пола фургона. За температуру воздуха снаружи фургона (в измерительной камере) принимают среднее значение температуры Te, вычисленное по показаниям всех 12 датчиков.
Температура всех датчиков температуры  контролируется многоканальными измерителями температуры, вынесенными за пределы фургона и измерительной камеры.
Средняя температура воздуха в измеряемом фургоне (средняя по 12 датчикам) после включения нагревателя вместе с вентиляторами внутри фургона возрастает, и, при заданной стабилизированной мощности W на нагревателе вместе с вентиляторами, экспоненциально замедляясь,  приближается к предельной температуре Ti. Для достижения предельной температуры Ti внутри фургона при постоянной температуре Te снаружи фургона, поддерживаемой на протяжение всего цикла измерения холодильной системой, требуется время до 24 часов. Мощность нагревателя W подбирают таким образом, чтобы разность Ti-Te при достижении теплового равновесия в конце процесса измерения оказалась бы на уровне 25±2⁰С.
Достижение предельной температуры воздуха в фургоне Ti означает, что наступило тепловое равновесие, то есть мощность W нагревателя совместно с вентиляторами в фургоне совпадает с тепловыми потерями фургона за счет теплопередачи через ограждения. Мощность W, которую поддерживают на протяжении всего цикла измерения,  фиксируют с помощью ваттметра.
В протоколе измерения фиксируют мощность внутреннего нагревателя совместно с вентиляторами в фургоне, средние (по 12 точкам измерения) температуры воздуха в фургоне и за его пределами Ti и Te, а также размеры фургона снаружи и внутри, позволяющие вычислить площадь поверхности теплопередачи фургона внутри и снаружи Si и Se.
2
Полученные данные позволяют вычислить общий коэффициент теплопередачи фургона по формуле: К=W/S·ΔT, где W – мощность в Ваттах внутреннего нагревателя совместно с вентиляторами внутри, S – средняя площадь поверхности фургона в м, определяемая как S=, где Si и Se – площадь поверхности теплопередачи фургона внутри и снаружи соответственно, ΔT=Ti-Te -  разность средних температур в ⁰С воздуха внутри и снаружи фургона.
2
2
В соответствии с соглашением СПС коэффициент теплопередачи изотермического фургона, предназначенного для перевозки для перевозки охлажденной продукции, требующей для перевозки  температуры около 0⁰С не должен превышать 0,7 Вт/м·°С, а коэффициент теплопередачи изотермического фургона повышенной теплоизоляции, предназначенного для перевозки для замороженной продукции при температуре около -20⁰С не должен превышать 0,4 Вт/м·°С.
Зная общий коэффициент теплопередачи фургона в предположении, что все его ограждения выполнены из одного и того же теплоизолятора одинаковой толщины, можно было бы применить такой способ для измерения коэффициента теплопередачи сэндвич-панелей в том числе панелей с отражающим слоем, а также панелей с неплоской поверхностью.
Недостатком способа являются то, что способ не позволяет измерить одиночную сэндвич-панель, так как для измерения потребовалось бы требуется изготовить теплоизолированный объем из измеряемой панели.
Предлагаемый способ обеспечивает достижение следующей цели - измерение коэффициента теплопередачи одиночных сэндвич-панелей, в том числе панелей с отражающим слоем и панелей с неплоской поверхностью.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения коэффициента теплопередачи, включающем замкнутый объём со съемной крышкой, имеющий площадь поверхности внутри и снаружи Si и Se соответственно, изготовленные из панелей исследуемого материала, с нагревателем, вентиляторами и датчиками температуры воздуха, расположенными внутри, с последующим нагревом воздуха в объёме до равновесной температуры Ti путем подачи на нагреватель стабилизированной мощности W до достижения теплового равновесия за счет теплообмена воздуха внутри объема через его стенки с окружающим воздухом, температура которого Te поддерживается на неизменном уровне на протяжении всего цикла измерения, с последующим вычислением коэффициента теплопередачи замкнутого объема по формуле K = W/S·ΔT, измерение коэффициента теплопередачи ведут в два этапа; первый этап – измерение коэффициента теплопередачи К1 тестового измерительного объема с крышкой, изготовленными из материала, не обязательно совпадающим с исследуемым материалом, на втором этапе крышку измерительного объема заменяют на исследуемый материал, коэффициент теплопередачи которого К требуется определить, и снова измеряют коэффициент теплопередачи К2 тестового измерительного объема с крышкой из исследуемого материала, коэффициент теплопередачи К вычисляют по формуле:
K = K2·n – K1·(n-1),
где n – число, показывающее, какую часть площади поверхности измерительного объема заменяют на исследуемый материал.
Сущность изобретения поясняется на примере реального  измерении коэффициента теплопередачи панели толщиной 80 мм из вспененного полиэтилена со слоем алюминиевой фольги толщиной 20 мкм на одной стороне, выполненного с помощью измерительного объема с крышкой, изготовленных из панелей из вспененного пенополиуретана толщиной 80 мм.
Измерительный объем с набором нескольких крышкой разной толщины был специально изготовлен для такого рода измерений. Для измерения конкретного образца выбирается крышка, совпадающая (или близкая) с ним по толщине.
На фиг.3 схематично изображены измерительный объем 1 с крышкой 2. Внутри объема имеются нагреватель 3, датчики температуры воздуха 4 и вентиляторы 5. Снаружи измерительного объема также установлены датчики температуры воздуха 6. Все датчики установлены так, как регламентируют требования соглашения СПС.
Внешние размеры измерительного объема, ДхШхВ, 0,5х0,5х0,26 метров.
Внутренние размеры, ДхШхВ, 0,34х0,34х0,1 метров.
На первом этапе измерения определяют коэффициент теплопередачи К1 измерительного объема с  крышкой. Для этого на нагреватель 3 и вентиляторы 5 подают стабилизированное постоянное напряжение 9 Вольт. Температуру воздуха в помещении, где находится измерительный объем, поддерживают на уровне +7⁰С.  (Это в нашем случае нетрудно осуществить, так как  помещение, в котором проводятся  данные измерения, является испытательной камерой для сертификационных испытаний транспортных средств на соответствие требованиям СПС, и она снабжена холодильной системой, обеспечивающей поддержание температуры на уровне 7⁰С, необходимой для измерения коэффициента теплопередачи изотермических фургонов).
Температура воздуха как в измерительном объеме, так и снаружи его наблюдается на двух многоканальных измерителях температуры ТМ-12. Мощность нагревателя измеряется совместно с вентиляторами, установленными в объеме. Для этого измеряются ток и напряжение на них.  Для достижения стационарной температуры Ti, соответствующей насыщению, требуется время около 6 часов.
Полученные данные: температуры Ti, и Te, усредненные по всем датчикам температуры как внутри измерительного объема, так и вне его, мощность нагревателя с вентиляторами W фиксируются в протоколе и, зная все размеры измерительного объема, по формуле K1 = W/S·ΔT1, вычисляют коэффициент К1 теплопередачи измерительного объема с крышкой.
Затем, не отключая нагревателя, крышку заменяют на измеряемый образец вспененного полиэтилена со слоем алюминиевой фольги толщиной 20 мкм на одной стороне, обращенной наружу, и вновь повторяют всю процедуру измерения на этот раз коэффициента теплопередачи К2. Поскольку к этому моменту объем уже прогрет, длительность достижения температуры насыщения при той же мощности нагревателя оказывается меньше, чем на предыдущем этапе,  и составляет 3-4 часа.
Полученные данные: температуры Ti, и Te, усредненные по всем датчикам температуры как внутри измерительного объема, так и вне его, мощность нагревателя с вентиляторами W снова фиксируются в протоколе и по той же формуле K2 = W/S·ΔT2, вычисляют коэффициент теплопередачи К2 измерительного объема с измеряемым образцом.
Для вычисления коэффициента теплопередачи измеряемого образца следует воспользоваться формулой K = K2·n – K1·(n-1), для чего следует, зная размеры ящика и крышки, вычислить n.
2
2
2
Для вычисления n по известным размерам измерительного объема с крышкой рассчитывают полную площадь его поверхности снаружи и внутри. При указанных выше размерах площадь снаружи Se=1,02 м, площадь внутри Si=0,3672 м. Средняя площадь, рассчитанная в соответствии с соглашением СПС, по формуле S==0,612 м.
2
Размер крышки и, соответственно нашего измеряемого образца, 0,34х0,34 м, его площадь Sобразца=0,1156 м. Тогда n=S/Sобразца=5,294.
Определяем K = K2·n – K1·(n-1)= 0,41·5,294-0,41·(5,294-1)=0,582, где К1=0,37 и К2=0,41 – значения коэффициентов теплопередачи, измеренные на первом и втором этапе измерений.
2
Итог данных испытаний: коэффициент теплопередачи измеренного образца из пенополиэтилена толщиной 80 мм со слоем фольги толщиной 20 мкм, обращенным во время измерения наружу, составляет 0,582 Вт/м·°С.
Для иллюстрации того, что влияние отражающих слоев на теплоизоляцию очень велико и поэтому очень важно иметь возможность измерения этого влияния, на Фиг.4 приведен график изменения температуры от времени, полученный для 60 мм образца из экструдированного пенополистирола, записанный на мобильный регистратор температуры ТР-1 с помощью заявляемого способа. На приведенном графике в начале процесса измерения фольги на измеряемом образце не было, и температура в измерительном объеме достигла предельного значения, после чего на измеряемый образец без прерывания процесса измерения была уложена алюминиевая фольга. Температура в измеряемом объеме снова начала расти, приближаясь к новому предельному значению, что означает улучшение теплоизолирующих свойств измеряемого образца за счет отражающего слоя.