新网站点击浏览:https://www.cztdhy.cn        混凝土配合比模拟试验教学系统 :→ 学生注册    → 学生模拟软件客户端下载    |    → 教师登陆                                                                      

当前位置:沧州泰鼎恒业试验仪器有限公司 > 新闻资讯 > 技术文章 > 技术文章

绝热稳态传热性质的测定 标定和防护热箱法 装置设备

时间:2020-09-03来源:泰鼎恒业浏览次数:

2装置设备
2.1概述
如1.1中提到的,规定一个装置的设计细节是不实际的,因此,本章只给岀了必须遵循的要求以及必须考虑的内容。
图1和图2显示的是被测试件的典型布置型式和装置的主要组成部分;图4及图5显示的是可供选择的布置型式。也可以使用可完成相同目的的其他布置。图1中箱壁和图2中框架对通过试件的传热的影响取决于箱壁或框架的形状和材质、试件的厚度和热阻、以及温差和空气速度等试验条件。装置的设计和构造应该适合于被测试件的预期类型和预期的试验条件。
2.2设计要求
装置的尺寸应与预期的用途相匹配,须考虑以下因素:
——计量面积必须足够大,使试验面积具有代表性。对于有模数的构件,计量面积应精确地为模数的整倍数;
——由于在计量区域的边缘不能维持一维热流,因此计量面积与计量区域的周长之比对两种型式热箱的测试准确度都会有影响。这些在计量区域边缘的误差热流作为计量热流的一部分而被测量,并且它将随着计量面积的减少而增加;
——防护热箱中,由于表面系数和计量区域外围附近的空气温度的不均匀性导致不平衡热流Φ2
——防护热箱中,相当数量的热量通过计量箱的鼻锥进入试件。鼻锥的密封材料的有限厚度导致了偏离一维热流;
——边缘绝热材料和边缘的边界条件都会影响防护热箱的周边热损Φ5,在标定热箱中,则影响迂回热损Φ4
由于试件在靠近计量区域边缘的非均质性,使所有这些问题变得更为复杂。
总的来说,计量箱的尺寸决定了装置其他组成部分的最小尺寸。计量箱的深度不应超过保持预期的边界条件(要求的边界层厚度等)和布置设备所需要的尺寸。
所有与试件表面进行热辐射交换的表面的辐射率可以是高的也可以是低的。大多数建筑和工业部件的典型的实际应用情况是高辐射率(0.8或更高)。
 


 
低辐射率环境需要一个更大的对流成分,例如更高的气流速度,以达到常规的表面换热系数。这使表面系数分布状态发生实质性的改变,它能提供更好的温度均匀性,但是这种情况能产生一种完全不同于真实用途的虚假热品质。尤其是它不适合于具有透气性表面的试件。
2.3
2.3.1箱壁结构
选择箱壁的绝热材料时,应考虑预期的试件热阻和温差范围,以保证计量箱的热损失误差对试件热流测定的影响不超过0.5%。箱壁应该是热均匀体,有助于箱体内达到均匀的温度,便于用热电堆或其他热流传感器测量流过箱壁的热流量。
此外,由于热源(如发热器、电扇等等)与箱壁存在局部辐射交换,因此它们会影响箱体内侧的温度均匀性。
箱壁可以用合适的绝热材料的板制成,比如,中间为泡沫塑料并有适当饰面层的夹心板。
箱壁、周边密封条和试件应形成一个空气和水-水蒸气密封的箱体,以避免空气和湿气的传递造成误差。
防护热箱装置中,计量箱应紧贴试件以形成一个气密性的连接。鼻锥密封垫的宽度不应超过计量宽度的2%或20 mm。
2.3.2供热和空气循环
供热和空气循环应满足平行于试件表面的气流的横向温度差不超过热、冷侧空气温差的2%。均质试件在边界层外测量的沿着气流方向的空气温度梯度不得超过2 K/m
通常最适合的是电阻加热器。热源应该用绝热反射罩屏蔽,使得辐射到计量箱壁和试件上的热量减至最小。
采用强迫对流时,建议在计量箱中设置平行于试件表面的导流屏。导流屏应与计量箱内面同宽,而上下端有空隙以便空气循环。导流屏在垂直其表面的方向上可以移动,以调节平行于试件表面的空气速度。釆用自然对流时,为屏蔽试件表面免受加热器的辐射传热,也可能需要导流屏。
2.2中有关表面辐射率的考虑,也适用于导流屏。
在垂直位置测量时,自然对流所形成的循环应能达到所需的温度均匀性和表面换热系数。当自然对流引起空气移动时,试件同导流屏之间的距离应远大于边界层的厚度,或者不用导流屏。当自然对流循环不能满足所要求的条件时,应安装循环风扇。当风扇电动机安装在计量箱内时,必须测量电动机消耗的功率并加到加热器消耗的功率上。如果只有风叶在计量箱内,应准确测量轴功率并加到加热器消耗的功率上。测量的准确度应达到试件热流量测量误差小于0.5%。

2.4防护箱
在防护热箱里,计量箱位于防护箱的内部。防护箱的作用是在计量箱周围建立适当的空气温度和表面换热系数,使流过计量箱壁的热流Φ3及试件表面从计量区到防护区的不平衡热流Φ2最小。
计量面积大小、防护面积大小和边缘绝热材料之间的关系应满足:当测试最大预期热阻和厚度的均质试件时,由周边热损Φ5引起的在试件热流量的误差应该小于计量热流Φ1的0.5%。ISO 8302有定量计算这个误差的程序。
防护箱内壁的辐射率、加热器屏蔽和温度稳定性等要求原则上与计量箱相同。温度均匀性应满足不平衡误差小于通过试件计量区的热流的0.5%的要求。
为避免防护箱中的空气停滞不动,通常需要安装循环风扇。
2.5试件框架
标定热箱装置中,由于侧面迂回热损,使得试件框架是一个重要的部件,为了测定的准确度,应将侧面迂回热损保持在最小值。在承载能力(即支承试件)与高热阻的之间有一个折衷办法,朝向试件的面应为低传热性能。
典型的防护热箱装置中,不用试件框架,边缘绝热材料可将侧向热流减到最小。如果使用试件框架,应按2.4的要求,使侧向热流减到最小。
2.6冷箱
在标定热箱装置中,冷箱的尺寸取决于计量箱的尺寸;在防护热箱装置中,冷箱的尺寸取决于防护箱的尺寸。可釆用如图1,图2,图4和图5所示的布置。
箱壁的构造应减少制冷设备的载荷并防止结露。箱体的内表面的辐射应与要求的辐射换热一致。 关于辐射率、加热器的热辐射屏蔽、温度稳定性和温度均匀性的要求原则上与计量箱相同。
制冷系统蒸发器的出口处经常设置电阻加热器,以精确调节冷箱温度。如同计量箱一节提到的,为使箱内空气均匀分布,可设置导流屏。建议气流方向与自然对流方向相同。电机、风扇、蒸发器和加热器应进行辐射屏蔽。
空气速度应可以调节,以满足测试需要的表面换热系数,并应测量流速。对于建筑构件在模拟自然条件时,风速一般为0.1 m/s~10 m/s。
2.7温度测
如果可能,测量空气温度和试件表面温度的温度传感器应该尽量均匀分布在试件的计量区域上,并且热侧和冷侧互相对应布置。
测量所有与试件进行辐射换热的设备的表面温度,以便计算平均辐射温度。
除非已经知道温度分布,否则用于测量空气温度和表面温度的传感器数量应至少为每平方米2个,并且不得少于9支。
为提高准确度,可用示差接法测量试件两侧的空气温差、表面的温差和计量箱壁两侧表面的温差。
2.7.1试件表面的温度测量
试件表面温度的测量应采用挑选过的传感器,传感器安装到表面的方法应不改变测试点的温度.
下述方法能够满足要求:釆用线径小于0.25 mm的热电偶,用粘结剂或胶带将热电偶的接点及至 少100 mm长的热电偶丝固定在被测表面(最佳的等温途径),形成良好的热接触,粘结剂或胶带的辐射率应接近被测表面的辐射率。
表面换热系数应尽可能接近最终使用条件。通过在相似的环境中测试均质试件,可以获得表面换热系数的资料。在所有情况下解释结果时都应特别小心。
对于非均质试件。指定的温度传感器数量将不能保证测得可靠的平均表面温度。对于中度非均质试件,每一个温度变化区域都应放置辅助的传感器。试件的表面平均温度是每个区域的表面平均温度的面积加权平均值。

这种方法不可用于很不均质的试件。这种情况下,不能测定试件的热阻Rs,只能测定通过由试件两侧的环境温差定义的传热系数U。
建议的比较非均质和非常不均质试件的指南是:由非均质性导致的表面温度的局部差异超过表面到表面平均温差的20%时,应作为显著非均质的证据。
2.7.2空气温度测量
空气温度应由具有适当的时间常数的系统来测量。空气温度传感器应进行辐射屏蔽,除非显示出屏蔽和不屏蔽之间的差别很小,能够满足准确度的要求。
在自然对流情况下,温度传感器应该置于边界层的外面。大多数情况边界层厚度为几厘米。紊流情况下边界层的厚度可能超出0.1 m。
强迫对流时,试件与导流屏之间应有完全扩展的紊流。应设置温度传感器测量空气的容积空气温度(绝热混合温度)。
2.7.3热电堆
用于监视流过计量箱壁热流量的热电堆接点的安装要求,与表面温度传感器的要求相同。假设穿过箱壁的热流率密度是均匀的,箱壁面积每0.25 m2至少要有一对热接点。由于与箱壁的局部辐射换热,箱内的加热器、电扇等会影响均匀性,因此为获得需要的准确度要使用更多数量的热接点。
在防护热箱法中,用于监测在计量区域和防护区域之间试件表面的不平衡热流Φ2的热电堆的要求同上,数量为沿计量区边缘长度每0.5 m至少安装一对热接点。
平衡传感器的最佳位置是一个非常重要的问题。由于计量箱鼻锥的存在造成沿着计量区边缘的表面温度不均匀,因此传感器不能离鼻锥太近。因为侧面迂回热损会导致在防护区域的试件表面温度的不均匀性,传感器也不能离鼻锥太远。表面热交换系数的局部不均匀性也会导致额外的一些问题。应该认识到非均匀性对热电堆读数的可靠性有着非常严重的影响。
2.7.4设备表面温度
设备内表面温度应按前述试件表面温度的测定方法进行测定。
2.7.5温度控制
稳态时,至少在两个连续的测量周期内,计量箱内温度的随机波动和长期漂移应小于试件两侧空气温差的±1%。上述要求主要用于计量箱的温度,原则上亦适用于防护箱和冷箱温度。另外,防护箱的温度控制系统引起的附加不平衡热流量误差应小于Φ1的0.5%。
2.8测量仪器
温差测量的准确度应是试件冷、热箱两侧空气温差的±1%,建议由测量仪表增加的不确定性不大于0.05K。绝对温度的测量准确度为两侧空气温差的±5%。
平衡热电堆的输出功率、加热器及风扇等的输入功率的测量准确度,应满足由于测量仪表的准确度引起的试件热流量Φ1的附加测量误差小于1.5%(参看在2.3.2结尾有关风扇功率的测试要求)。
2.9性能评价和标定
2.9.1性能初步检查
装置安装完成后,要进行初步检查以保证满足设计的要求。这一检査应在具有预期热阻范围的已知是均质的试件上进行。
初步检査应包括温度的均匀性和稳定性、热面和冷面的空气速度及表面换热系数、不平衡对准确度的影响,以及(适合时)边缘环境。
2.9.2补充测量
穿过部分试件或设备的局部热流能用热流计测定。作为设备一部分的材料的导热系数能用防护热板或类似的方法测定。
红外线扫描系统能用来定位热桥和空气泄露,也可以找出表面温度测试点的合适位置。建好空气循环系统后,应进行一个横穿气幕(气流的边界层)的速度扫描,以验证形成了均匀的气幕。
2.9.3 标定
2.9.3.1验证用试件
设备的性能应用覆盖预期热阻使用范围的已知热阻的均质试件来验证。试件可用高密度矿物纤维板或老化的泡沫塑料制成,它们已用防护热板装置进行过测定。板之间的接缝不应形成热桥。试件的两个面应该有阻止空气和湿气渗透的面层。
2.9.3.2计量箱壁的标定
在防护热箱和标定热箱装置中,计量箱壁都应加以标定。标定的目的是根据计量箱壁的热流量Φ3 修正输入到计量箱的Φp值。在防护热箱装置中,标定会受Φ2 的影响;而在标定热箱装置中,会受Φ4 的影响。
用已知均质试件以不同的计量箱壁的温差进行稳态测定,绘出计量箱壁热电堆输出值与Φ3 的曲线或方程。当温差只有几度时(正常试验的极端情况),这个关系可假定为线性关系。详细的程序,参见参考文献[12]和[13]。
2.9. 3. 3侧面迂回热损的标定
对于给定的设备,侧面迂回热损Φ4大体上是试件厚度、试件热阻和框架结构的函数。用已知均质试件在稳态下试验,得到侧面迂回热损的标定系数。因为侧面迂回热损与试件厚度为非线性关系,标定试件的厚度应覆盖预期使用的厚度范围。如果试件的单位厚度的热阻值变化很大,标定过程应重复进行以覆盖预期使用的R/d范围。
作为选择,可以使用适合的计算程序,例如有限元法或有限差分法,评估侧面迂回热损。但是,这些程序应通过一些标定试验来验证。
由于测面迂回热损与装置热、冷侧的温差及装置与所置房间的温差有关,标定试验应覆盖装置预期使用的温度条件的范围。