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绝热稳态传热性质的测定 标定和防护热箱法 概述
时间：2020-09-01来源：泰鼎恒业浏览次数：
绝热稳态传热性质的测定
标定和防护热箱法
1概述标定和防护热箱法
1. 1 范围
本标准规定了装置的设计原理及测定建筑构件和工业用的类似构件的试验室稳态传热性质应满足的最低要求。由于各种要求的变化（尤其是尺寸方面），因此不能限定一个特殊设计的装置和将操作条件规定在较小的范围。
本标准给出了装置，测量技术和必需报告的数据的描述。
本标准不适用于测定特殊构件，如窗，此时需要附加程序，本标准不包括这些程序。
本标准也不考虑湿迁移（或重分布）对热流测量的影响，但在装置的设计和操作时应予考虑，因为湿迁移可能影响试验结果的准确度和确切性。
本标准可测量的热性质是传热系数和热阻，规定了两种可供选择的方法：标定热箱法和防护热箱法。这两种方法都适用于垂直试件（如墙体）以及水平试件（如天花板和楼板）。装置能够足够的大，以便研究原尺寸的构件。
本标准适用于在试验室测量大尺寸的非均质的试件。也适用于测定均质试件，这是进行标定和验证所必需的。
按照本标准规定的方法测量均质试件时，经验表明，通常能够达到的准确度是±5%。然而,对于每一个单独装置的准确度，应使用热传导的均质标准试件，在该装置覆盖的测量范围内进行评定。对于非均质试件准确度的评定则更为复杂，并且还包含对特殊类型的被测的非均质试件中的热流机理分析。这类分析已超出本标准的范围。
本标准不适用于试验过程中有穿过试件的传质现象的测量。
1.2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。
ISO 7345:1987绝热材料——物理量和定义
1.3术语和定义
ISO 7345 : 1987确定的以及下列术语和定义适用于本标准。
1.3. 1
平均辐射温度 mean radiant temperature
试件“可见的”诸表面温度的适当加权值，用于确定传到试件表面的辐射热流量（见附录A）。
1.3.2
环境温度 environmental temperature
空气温度和辐射温度的加权值,用于确定试件表面的热流量（见附录A）。
1.4符号和单位
本标准所用符号及其单位如下:
| i | 内部，通常为热侧 | |
| e | 外部，通常为冷侧 | |
| s | 表面 | |
| n | 环境 | |
| λ | 导热系数 | [W/(m • K)] |
| R | 热阻 | [(m2 • K)/W] |
| U | 传热系数 | [W/(m2 • K)] |
| h | 表面换热系数 | [W/(m2 • K)] |
| Φ | 热流量 | [W] |
| Φp | 加热或冷却的总输入功率 | [W] |
| Φ1 | 通过试件的热流量 | [W] |
| Φ2 | 平行于试件的不平衡热流量 | [W] |
| Φ3 | 通过计量箱壁的热流量 | [W] |
| Φ4 | 迂回热损，绕过试件侧面的热流量 | [W] |
| Φ5 | 周边热损，在试件边界平行于试件的热流量 | [W] |
| A | 垂直于热流的面积 | [m2] |
| q | 热流密度 | [W/m2] |
| d | 试件厚度 | [m] |
| L | 空气温度 | [K] |
| Ta | 平均辐射温度 | [K] |
| Tn | 环境温度 | [K] |
| Ts | 表面温度 | [K] |
|
R=A(Tsi — T'se)/Φ1 |
||
| Rs=1/h | ||
|
Rsi=A(Tni — T'si)/Φ1 |
||
|
Rse=A(Tse — T'ne)/Φ1 |
||
|
Ru=1/U |
||
|
U=Φ1/A(Tni — T'ne) |
||
| Φ1=Φp-Φ3-Φ2 | ［对于防护热箱］ | |
| Φ1=Φp-Φ3-Φ4 | ［对于标定热箱］ |
1.5原理
1.5.1概述
两种类型的装置，防护热箱(GHB)和标定热箱(CHB),都意图模仿通常的试件两边为均匀温度的流体(通常是大气)的边界条件。
将试件放置在已知环境温度的热室与冷室之间,在稳定状态下测量空气温度和表面温度以及输入热室的功率。由这些测量数值计算出试件的传热性质。
试件表面的热交换由对流和辐射组成。前者取决于空气温度和气流速度，后者取决于试件表面和试件“可见的”表面的温度和总半球辐射率。对流传热和辐射传热的作用合并成“环境温度”和表面传热系数的概念。
传热系数是用两侧环境温度定义的，因此要求有适合的测量温度方法来确定环境温度。在测试低热阻的试件时，表面换热系数是非常重要的，此时表面换热系数是总热阻的重要组成部分。测试中或高热阻的试件时，如果试件两侧的空气温度和辐射温度的温差都小到满足准确度的要求，在试验时也可以只记录空气温度。
作为特殊的情况,在热箱中靠近试件热面有一个辐射板作为热源。这种情况下，传递至试件表面的热量中，将以辐射成分为主。这种带辐射板的方法可以用于测量试件的热阻，但不适合直接测量在常规表面换热系数下的传热系数。
1.5.2防护热箱法
在防护热箱法中（见图1）,计量箱被防护箱围绕，控制防护箱的环境温度，使试件内不平衡热流量Φ2和流过计量箱壁的热流量Φ3减至最小。理想状态是装置内安装一个均质试件，计量箱内部与外部的温度均匀一致，而且冷侧温度和表面换热系数是均匀一致时,那么计量箱内、外空气温度的平衡将意味在试件表面上温度平衡，反之亦然，即Φ2=Φ3=0。穿过试件的总热流量将等于输入计量箱的热量。
实际上，对于每个装置和试验中的试件，确定不平衡时都有局限（不平衡分辨力，见1. 6.1.1）。
1.5.3标定热箱法
标定热箱法的装置（见图2）置于一个温度受到控制的空间内，该空间的温度可与计量箱内部的温度不同。采用高热阻的箱壁使得流过箱壁的热损失Φ3较低。输入的总功率Φp应根据箱壁热流量Φ3和侧面迂回热损Φ4进行修正。图3绘出试件、试件框架及相邻接的热侧和冷侧箱体的迂回热流的路径。用测试已知热阻的标定试件来确定箱壁损失及迂回损失的修正值。为标定迂回损失，标定试件应与被测试件具有相同的厚度、热阻范围和预定使用的温度范围。
1.6局限性与误差源
欲达到某个要求的准确度，装置的使用受到许多与装备设计、标定、操作和试件性质（例如厚度，热阻和均质性）等有关因素的限制。
1.6.1由装置引起的局限性及误差
图1防护热箱
1.6.1.1防护热箱中不平衡判定的局限
实际上，即使是均质试件，局部的表面换热系数也是不均匀的，尤其是靠近计量箱的边界。因而，靠近计量箱周边的内部和外部，无论是试件表面温度还是空气温度都是不均匀的。有两种后果：
a） 穿过试件的侧向热流Φ2与穿过计量箱壁的热流Φ3不可能同时都减少到0；
b） 靠近计量箱部位的试件表面温度和空气温度的不均匀性，分别确定各自的最佳的不平衡判定。
为获得上述a）条中所述的最佳热流平衡,应该通过装置的设计和操作（如:装置的几何形状、防护空气的空间、空气的流速），使Φ3不超过ΦP的10%。
试件的非均质性将增加局部表面换热系数及试件表面温度的不均匀性。应评估穿过计量箱壁和试件内的不平衡热流，必要时进行修正。为此，计量箱壁应具备热流计作用。另外，在试件表面安装穿越计量区域周边的热电堆。在日常试验中，不平衡检测能够用标定和计算简化。
1.6.1.2计量区域的尺寸
计量区域的定义是：
a） 对于防护热箱法，当试件厚度大于或等于鼻锥的宽度时，为鼻锥中心到鼻锥中心的区域，如果试件厚度比鼻锥宽度薄，为鼻锥周边内部的区域；
b） 对于标定热箱法，就是计量箱周边内部的区域。
计量区域的尺寸决定试件的最大厚度。对于防护热箱法来说，计量区域尺寸与试件厚度之比和防护区域宽度与试件厚度之比，受与防护热板法类似的原理所控制。
试件的尺寸还限制建筑物的有代表性的部分试验的可能性。因而，在解释结果时造成误差和困难。热箱法试验的测量误差是部分正比例于计量区域周边的长度。随着计量区域的增大，其相对影响减小。在防护热箱中，计量区域的最小尺寸是试件厚度的3倍或者1 m × l m,取其大者。
标定热箱法的试件最小尺寸是1.5 m ×1.5 m。
防护热箱周边误差是沿试件表面的热流量Φ2、它是由计量区和防护区之间的不平衡、或者非均质性所造成。标定热箱的周边误差是由于迂回热损Φ4造成的，它包括试件边缘热流量的扭曲。
1.6.1.3最小输入功率
输入到计量箱的总功率ΦP包括输入到加热器、电扇、传感器、执行元件等的功率。其中某些功率 不可能减小到零，因而确定了必须通过试件的最小热流。通过冷却热箱可以降低其数值,但这将引入更多的与测量冷却流量的准确度有关的不确定度。
最小功率也受到包括Φ3在内的计量箱总输入功率的不确定度的限制。
上述所有因素设定了比值（Tsi-Tse）/Ru的低限。
1.6.1.4最大输入功率
要求的温度均匀性和表面换热系数限制了最大输入功率。为维持空气温度的高度均匀，大热流量就意味着大的空气流流过试件的表面,这将影响表面的传热机理。防护热箱法中，在降低试件热阻的情况下,为获得给定的准确度，严格要求计量和防护箱内对流和辐射传热是等值的。
1.6.2由试件导致的局限性和误差
16.2.1试件厚度和热阻
对于给定的装置设计，试件厚度受试件的性质和边界条件的限制。厚度上限受边缘热损Φ5或者侧面迂回热损Φ4的影响，尽管这些热损随着试件厚度的增加而降低，但与Φ1和降低测量准确度相比，它们显得更重要。
1.6.2.2试件非均质性
大多数建筑和工业构件的试件都是非均质的。试件的非均质性将会影响热流密度的模式，它既不是一维的、也不是均匀的。试件厚度的变化也会引起试件热流密度模式重大的局部变化。这些对温度和局部传热系数方面的影响是不一致的，这使得以下问题变得更困难或者甚至不可能：
a） 确定表面的平均温度；
b） 在防护热箱装置中不平衡的检测；
c） 计量面积的确定；
d） 对于给定的非均质试件的测量结果的误差分析。
特殊的例子包括：
a） 高导热系数的饰面层。这将形成不平衡热流Φ2和迂回热损Φ4的低热阻通路。沿着计量箱周边切开饰面层能有所帮助。当各层是均质的，可选用防护热板法或热流计法单独测量每一层材料来解决。
b） 水平和垂直结构件，如龙骨,他们的影响大多数情况是对称的。
c） 试件由不同材料制成的部分。不同的材料两侧的温差是不同的。在两种材料交界处存在热流。当交界处不是远离计量箱周边时，这意味着温度的不均匀性，它既影响了不平衡的检测，也影响计量面积的确定性。局部表面换热系数也受到了非均质的影响。
d）试件内存在空洞时，试件内存在的自然对流能造成不可知的不平衡热流量Φ2。应该评估安装隔板的效果。
不可能为所有类型的问题提供一种直接的解决方案。操作者应充分认识不规则的影响。
如果试件存在巨大的非均质性，推断非均质性的重要性和影响有助于预测试件的热品质。如果试件的预测热品质和测量值之间存在无法解释的巨大差异，至少应在存在差异的地方仔细检查试件，鉴别试件的实际尺寸、大小和材质等与规定的任何差异。应报告任何与原有规格不一致的非规律性。
1.6.2.3试件含湿量
在测试过程中的湿迁移对测试结果有很大影响。不可能规定一个标准的试验前的状态调节方法。作为最低要求，应该报告状态调节的方法。对于多数试件，如果不把测试精确度降低到一个不可接受的水平，通常不可能把温差减小到使湿迁移慢到可以视为稳态传质的情况。应该意识到不仅通过试件的湿迁移会影响结果，而且试件内的湿气重分布和相变也都会影响结果。
1.6.2.4温度相关性
试件热阻和传热系数通常是穿过试件本身的温差的函数。在报告和解释测试结果时应考虑这个因素。
