Oblast techniky

Způsob stanovení tepelného odporu izolační vrstvy, jejíž vnitřní plocha přivrácená k izolovanému prostoru je v tepelném kontaktu s vnější plochou stěny izolovaného předmětu a je nepřístupná, přičemž teplota této vnitřní plochy, ani tloušťka izolační vrstvy nejsou známy.

Vynález se rovněž týká zařízení k stanovení tepelného odporu takové izolační vrstvy.

Dosavadní stav techniky

Znalost tepelného odporu vrstvy materiálu obklopující předměty, které je nutno tepelně izolovat vůči okolí, je nezbytným podkladem pro konstrukci příslušných prostředků. Zjišťování tepelného odporu, resp. tepelné vodivosti u polotovaru izolačních materiálů před jejich aplikací například k izolaci sušicí či ohřívací pece nebo potrubí otopných systémů se běžně provádí přímým měřením tepelného výkonu.

V praxi nejčastěji používané přístroje pracující na stacionárním principu jsou založeny na přímém měření tepelného výkonu P na jednotku plochy, tedy tepelného toku, který prochází izolační vrstvou obklopenou z obou stran kovovými deskami, jejichž teplota se vzájemně liší. Tepelný odpor izolace se stanoví známým výpočtem z tepelného toku daného podílem elektrického výkonu a plochy měřené oblasti vzorku při udržení konstantního rozdílu teplot obou desek. K eliminaci tepelných ztrát únikem tepla do izolační vrstvy mimo oblast přímého průchodu tepla vrstvou izolačního materiálu z teplejší na chladnější kovovou desku je měřicí zařízení doplněno tzv. izotermním ochranným prstencem. Ten je v kontaktu s měřenou izolační vrstvou a v podstatě ohraničuje oblast přímého průchodu. Výkon teplejší desky se měří příkonem přiváděným elektrickým proudem.

U jiné varianty měření je v prostoru mezi jednou z kontaktních ploch desek kovových a měřeným vzorkem vložen přímý tenký snímač tepelného toku, jehož výstupem je elektrické napětí. To je totiž lineární funkcí vzhledem k procházejícímu tepelnému toku. Protože je snímač podstatně tenčí a menší než měřený vzorek, nedochází prakticky k tepelným ztrátám ani únikem tepla z obvodu tohoto snímače ani z obvodu vzorku, tepelný tok procházející vzorkem v okolí snímače není.

V tomto případě tudíž není zapotřebí izotermního ochranného prstence.

Kromě přístrojů pracujících na stacionárním principu se v poslední době používají i přístroje pracující na principu dynamickém. Zde je na povrch vzorku přiložen tenký a relativně malý plošný zdroj krátkodobého tepelného impulzu o známé resp. změřené energii. Uprostřed zdroje je umístěn rychlý snímač teploty povrchu měřeného předmětu. Z krátkodobého vzrůstu teploty vyvolaného absorbovaným tepelným impulzem lze pak využít pro výpočet tepelné vodivosti měřeného předmětu vztahu pro výpočet tepelného odporu izolační vrstvy. Nevýhodou tohoto způsobu je nemožnost obklopit zdroj tepelného impulzu relativně rozsáhlým ochranným prstencem, který by vykazoval stejnou teplotní dynamiku, především stejný kontaktní odpor, jako centrální plošný zdroj tepelného impulzu. Teplo se proto v tomto případě šíří prakticky stejně jak v rovině plochy vzorku jako ve směru jeho tloušťky.

Při měření tepelné vodivosti nehomogenních materiálů, jakými jsou například textilie, bude výsledek poškozen chybou měření. Problémy vzniknou i při měření tlustších nehomogenních izolačních materiálů. U dynamických měření totiž krátký tepelný impulz pronikne do malé hloubky, takže výsledná hodnota tepelné vodivosti bude nejvíce ovlivněna tepelnou vodivostí povrchu měřené izolační vrstvy. K výpočtu tepelného odporu pak bude nutno znát tloušťku vzorku, která

- 1 CZ 307045 B6 však v místě měření tepelné vodivosti může být poněkud odlišná. I to může být zdrojem další nepřesnosti výsledku měření.

V provozu tepelně izolovaných zařízení jsou ovšem situace, kdy je nezbytné zjišťovat stav izolace prakticky bez významnějšího přerušení jejich provozu. Je to dáno změnami, které jsou důsledkem stárnutí izolačních materiálů. Přístup k vnitřní i vnější ploše izolační vrstvy zde není možný bez alespoň částečné demontáže izolační vrstvy z izolovaného předmětu, případně nelze měření provádět v laboratorních podmínkách. Neznáme tloušťku izolace ani teplotu vnitřní (skryté, nedostupné) plochy. V takovém případě ani při použití dynamické metody měření není možné zjistit potřebnou hodnotu tepelného odporu bez znalosti tloušťky izolace nebo teploty vnitřní plochy.

Způsob a zařízení podle CZ250316B1 se zabývá měřením teplotní vodivosti plošných předmětů, resp. hodnoty, která je teplotní vodivosti materiálu úměrná. V plášti bloku zařízení je umístěno topné těleso vytápějící prostor bloku na požadovanou stabilizovanou teplotu snímanou regulačním čidlem spojeným s regulátorem topení. Další čidlo slouží ke kontrole teploty bloku. V kontaktním čele bloku je upevněno plošné čidlo tepelného toku. Toto čidlo se přivede do kontaktu s plošným měřeným materiálem, například s textilií, jehož teplota je při měření konstantní a odlišná od teploty bloku. Kontaktem plošného čidla a měřeného materiálu dochází k výměně tepla mezi čidlem a materiálem. Vztahy známými z termomechaniky ohřevu tzv. polomasívu se vypočítá hodnota úměrná teplotní vodivosti měřeného materiálu. Z ní je nutno hodnotu tepelné vodivosti stanovit dalším postupem nebo jiným dalším zařízením.

Odstranění tohoto nedostatku částečně řeší zařízení podle CZ255063B1, kterým lze současně měřit tepelnou a teplotní vodivost plošných materiálů pomocí plošného čidla tepelného toku. Zde je možné měřit jednak velikost tepelného impulzu po rychlém přiložení vyhřátého kovového bloku na měřený vzorek, jednak ustálený tepelný tok mezi kovovým blokem a kovovou deskou, která je v plošném kontaktu s druhou stranou měřeného vzorku, který je mezi blokem a deskou při měření sevřen. Nevýhodou tohoto řešení je, že výsledky měření materiálů majících tepelný odpor nižší, než je tepelný odpor čidla tepelného toku, jsou zatíženy vyšší chybou. Pokud není měřený materiál deformovatelný při stisku mezi blokem a kovovou deskou, nelze zajistit dobré tepelné kontakty mezi čidlem tepelného toku a měřeným vzorkem a mezi měřeným vzorkem a kovovou deskou.

Cílem vynálezu je odstranit nebo alespoň podstatně snížit nedostatky stavu techniky a umožnit stanovení tepelného odporu izolační vrstvy bez znalosti tloušťky izolační vrstvy nebo teploty její vnitřní odvrácené plochy, která je při měření nepřístupná.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo způsobem stanovení tepelného odporu izolační vrstvy, jejíž vnitřní plocha přivrácená k izolovanému prostoru je v tepelném kontaktu s vnější plochou stěny izolovaného předmětu a je nepřístupná, jehož podstatou je to, že na přístupné vnější ploše izolační vrstvy se současně nebo postupně/následně změří tepelné toky při různých teplotách, načež se z rozdílu naměřených tepelných toků a jemu příslušného rozdílu teplot vypočítá tepelný odpor izolační vrstvy.

Tepelný odpor izolační vrstvy se s výhodou vypočítá ze vztahu r = (ti -t₂) / (qi - q₂).

Způsob stanovení tepelného odporu izolační vrstvy a souvisejícího zařízení podle vynálezu je umožňuje stanovit tepelný odpor izolačních vrstev bez nutnosti znát tloušťku těchto vrstev a teplotu odvráceného povrchu těchto tepelně izolačních vrstev, který je často nepřístupný.

-2CZ 307045 B6

Měření tepelného toku při nižší teplotě se provádí před měřením tepelného toku při vyšší teplotě pomocí jednoho/stejného snímače tepelného toku, který se přiloží na přístupnou vnější plochu izolační vrstvy. To zjednodušuje měřicí zařízení a manipulaci s ním.

Zkrácení času měření je dosaženo tím, že se měření při nižší teplotě provádí současně s měřením při vyšší teplotě pomocí dvou snímačů tepelného toku, které se přiloží na přístupnou vnější plochu izolační vrstvy vzájemně odděleně.

Cíle vynálezu je dosaženo také zařízením k stanovení tepelného odporu izolační vrstvy, jehož podstatou je to, že zdroje tepla měřicí sondy mají rozdílnou teplotu, přičemž jsou spřaženy s jim přiřazeným kontaktním prostředkem.

Kontaktním prostředkem je plošný snímač tepelného toku. Přitom je každý zdroj tepla měřicí sondy spřažen se samostatným plošným snímačem tepelného toku, nebojsou zdroje tepla měřicí sondy postupně spřáhnutelné se společným plošným snímačem tepelného toku.

Objasnění výkresů

Příkladné provedení zařízení k provádění způsobu stanovení tepelného odporu plošné izolační vrstvy podle vynálezu je znázorněno ve dvou variantách na obr. 1 a 2.

Příklady uskutečnění vynálezu

Přednostní provedení zařízení k provádění způsobu stanovení tepelného odporu plošné izolační vrstvy podle vynálezu je určeno k současnému měření dvou tepelných toků lišících se velikostí teplotního spádu. Tímto výhodným zařízením lze dosáhnout krátkého času vlastního měření, zpravidla kratšího než deset sekund.

Příkladné zařízení podle obr. 1 obsahuje měřicí sondu I složenou ze dvou měřicích bloků JT, fy2. Každý měřicí blok 11, 12 obsahuje zdroj 111, 121 tepla. Měřicí bloky 11, 12 jsou vzájemně tepelně izolovány. Spolu jsou spojeny tak, že měřicí - zde například rovinné - kontaktní plochy 112, 122 sondy 1 leží ve společné rovině.

Měřicí blok 11 je směrem do okolí otevřen a jeho zdroj 111 teplaje v příkladném provedení opatřen chladicími žebiy 113, kterými je udržován na teplotě ti blížící se teplotě okolí. V neznázorněném provedení je měřicí blok 11 spřažen s regulovatelným chladicím prostředkem. V tělese zdroje 111 teplaje uložen elektrický teploměr 114.

Měřicí blok 12 je uzavřen v izolačním krytu 123, čímž je vzhledem k okolí tepelně izolován. Zdrojem 121 tepla měřicího bloku 12 je v příkladném provedení regulovatelné topné těleso. Zdroj tepla 121 je dále opatřen elektrickým teploměrem 124.

V příkladném provedení tedy pracuje měřicí blok 11, jehož zdrojem 111 tepla je v podstatě chladič, s nižší teplotou fy, a měřicí blok 12, jehož zdrojem 121 teplaje topné těleso, s vyšší teplotou fy.

Měřicí kontaktní plochy 112, 122 sondy 6 jsou tvořeny tenkými snímači 115, 125 tepelného toku 3b fl2Oba měřicí bloky JT, 12 jsou prostřednictvím snímačů 115, 125 tepelného toku v kontaktu s vnější přístupnou rovinnou plochou 21 proměřované tepelně izolační vrstvy 2. Je důležité, aby vnější přístupná plocha 21 tepelně izolační vrstvy 2 nebyla pokryta další obalovou vrstvou, která by měla vysokou tepelnou vodivost. Opačná plocha tepelně izolační vrstvy 2 je v tomto příklad-3 CZ 307045 B6 ném provedení v kontaktu s vnější plochou stěny 3, která je součástí izolovaného prostoru 4. Tato plocha je tedy vnitřní plochou 22 nepřístupnou. Stěna 3 má relativně vysokou tepelnou kapacitu, což je dáno vysokou měrnou tepelnou kapacitou materiálu a/nebo velkou hmotností stěny 3. Tím je zajištěna v podstatě konstantní teplota vnitřní nepřístupné rovinné plochy 2J_ proměřované tepelně izolační vrstvy 2.

Teploty 1 a t₂ jsou měřeny elektrickými teploměry 114 a 124. Jejich výstupy 116, 126 a výstupy 117, 127 snímačů 115, 125 tepelných toků q₂, $2 jsou připojeny k blíže neznázoměné počítací jednotce 5.

V případě, že na rozdíl od výše uvedeného popsaného zařízení izoluje měřená tepelně izolační vrstva T prostor, jehož stěna T nemá vnější plochu rovinnou, jak je tomu například u potrubí kruhového průřezu, je tvar plochy pro kontakt snímačů 115', 125' tepelného toku gi, cy s vnější přístupnou plochou 21' tepelně izolační vrstvy 2[ takovému zakřivenému povrchu přizpůsoben.

Místo uvedeného příkladného provedení zařízení podle vynálezu se sondou i složenou ze dvou měřicích bloků 11, 12 lze použít v další variantě zařízení sondu 6, která je tvořena jedním měřicím blokem 61. Její měřicí blok 61 je uzavřen v izolačním krytu 62, čímž je vzhledem k okolí tepelně izolován. Tvar kontaktní plochy 63 měřicí sondy 6 odpovídá tvaru plochy izolační vrstvy 2, na které bude sonda 6 použita. Měřicí blok 6_L obsahuje kombinovaný zdroj 64 tepla, jehož součástí je zdroj 641 tepla nebo chladu s nižší teplotou t₂, a zdroj 642 tepla s vyšší teplotou t₂, a elektrický teploměr 65. Měřicí kontaktní plocha 63 sondy 6 je tvořena rovněž tenkým snímačem 66 tepelného toku q₂, q₂. Výstup 67 elektrického teploměru 65 a výstup 68 snímače 66 tepelného toku jsou připojeny k počítací jednotce 5.

V první variantě způsobu stanovení tepelného odporu r izolační vrstvy 2 uložené na vnější ploše stěny 3 izolovaného předmětu, která má vysokou tepelnou kapacitu, se na vnější plochu izolační vrstvy 2 přiloží snímače 115, 125 tepelných toků q₂ sondy i. Snímače 115, 125 jsou ze strany odvrácené od izolační vrstvy 2 ohřátý na dvě různé teploty U Hodnoty teplot ti, U měřené elektrickými teploměry 114, 124 a jim příslušné hodnoty tepelných toků q₂ zjišťované snímači 115, 125 tepelných toků se předávají na vstupy počítací jednotky 5.

Po ustálení teplot t, a f pak počítací jednotka 5 vypočítá zjišťovaný tepelný odpor r tepelně izolační vrstvy 2.

V druhé variantě způsobu stanovení tepelného odporu r izolační vrstvy 2 uložené na vnější ploše 31 stěny 3 izolovaného předmětu, která má vysokou tepelnou kapacitu, se na vnější plochu izolační vrstvy 2 přiloží sonda 6 kontaktní plochou 63 snímače 66 tepelných toků gi, qj. Plocha snímače 66 odvrácená od izolační vrstvy 2 se podle potřeby buď ochladí, nebo ohřeje na teplotu t] blízkou teplotě okolí. Po ustálení teploty t| se její hodnota a hodnota jí příslušného tepelného toku q₂ zjištěná snímačem 66 tepelného toku předá na vstupy počítací jednotky 5, ve které se hodnoty uloží. Následně, případně s časovou prodlevou, se plocha snímače 66 odvrácená od izolační vrstvy 2 ohřeje na teplotu t₂, která je vyšší, než před tím uložená teplota tj. Po ustálení teploty Í2 se její hodnota a hodnota jí příslušného tepelného toku q₂ zjištěná snímačem 66 tepelného toku předá na vstupy počítací jednotky 5. Počítací jednotka 5 vypočítá z prvních již uložených hodnot ti, qi a z druhých naměřených hodnot t₂, q2 zjišťovaný tepelný odpor r tepelně izolační vrstvy 2.

V první i druhé variantě způsobu stanovení tepelného odporu r izolační vrstvy 2 využívá počítací jednotka 5 vztahu r = (t, -t₂)/(q,-q₂) nebo jeho modifikace. Těmito modifikacemi mohou být počítačem prováděné korekce respektující například velikost teplotních spádů na snímačích 115, 125, 66 a velikost kontaktních odporů.

-4CZ 307045 B6

Výhodou způsobu stanovení tepelného odporu izolační vrstvy a souvisejícího zařízení podle vynálezu je možnost stanovení tepelného odporu izolačních vrstev bez nutnosti znát tloušťku těchto vrstev a teplotu odvráceného - v mnohých případech nedostupného - povrchu těchto tepelně izolačních vrstev. Jeho použití je široce použitelné v oblasti průmyslových tepelných zařízení, pecí, parovodů, teplovodů a podobně, kde je nepřístupný povrch tepelné izolace udržován na stejné teplotě, a kde volný povrch izolace není opatřen tepelně vodivým krytem. Nové zařízení by umožnilo významně zlevnit například inspekci dálkových teplovodů, nebo přispět u textilních materiálů s vysokým tepelným odporem.

Způsob stanovení tepelného odporu izolační vrstvy i související zařízení podle vynálezu umožňující měřit tepelnou vodivost plošné izolační vrstvy pomocí kontaktní sondy přikládané k přístupnému povrchu izolační vrstvy již bylo během vývoje pokusně realizováno. Z měření vyplynulo, že naměřené hodnoty tepelného odporu izolačních vrstev lineárně vzrůstají s tloušťkou izolační vrstvy za předpokladu, že tepelná kapacita základní vrstvy, na které je v tepelném kontaktu uložena měřená izolační vrstva, je dostatečně vysoká. Proto mezi vhodné materiály základní vrstvy patří stavební materiály, sklo i lidské tělo. V případě stanovení tepelně izolační úrovně zimního oděvu tak lze měření provádět přímo na nositeli oděvu.