WO2023077207A1

WO2023077207A1 - Способ определения коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции

Info

Publication number: WO2023077207A1
Application number: PCT/BY2022/000005
Authority: WO
Inventors: Николай Александрович СОКОЛОВ; Александр Николаевич Соколов; Сергей Леонидович Андреев; Екатерина Владимировна УРИЗЧЕНКО
Original assignee: Совместное Общество С Ограниченной Ответственностью "Алюминтехно"
Priority date: 2021-11-04
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники. Предложен способ определения коэффициента теплопередачи, при котором на противоположных сторонах ограждающей конструкции (1) устанавливают теплоизолированные горячий ящик (7) и холодную камеру (2). В горячем ящике и холодной камере регулировкой скорости воздушных потоков формируют заданную теплоотдачу поверхностей ограждающей конструкции и окружают внешние поверхности горячего ящика адиабатической оболочкой. Дополнительно устанавливают в зоне примыкания горячего ящика к ограждающей конструкции периферийный нагреватель (14), при различной мощности которого измеряют плотность теплового потока и разность температуры между поверхностями ограждающей конструкции в центральной области и на периферии. Определяют локальные значения термических сопротивлений ограждающей конструкции и коэффициент теплопередачи.

Description

Способ определения коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для испытаний теплозащитных характеристик образцов ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Известен способ определения коэффициента теплопередачи [1], который заключается в измерении по площади испытываемого участка ограждающей конструкции температуры внутреннего Т,„ и наружного Т_пе воздуха (не менее чем в 100 мм от поверхности конструкции) средней по участку плотности теплового потока q нагревателя, который размещён в специальном теплоизолированном горячем ящике, прижатом к поверхности испытываемого в условиях стационарной теплопередачи ограждения, с последующим расчётом теплотехнических характеристик по нижеприведённым формулам (см. подраздел 4.1):

- коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции U

U = q/(T_ni - T_ne (1) или обратной величины - сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции Ro

R_o = (Tni ~ T_ne)/q. (2)

Коэффициент теплопередачи определяется при отсутствии перепада температуры на внешних и внутренних поверхностях стенок горячего ящика.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится то, что определение коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции осуществляется в условиях, при которых возникают искажения тепловых потоков через испытываемую ограждающую конструкцию в области примыкания к ней горячего ящика, а коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции могут существенно отличаться от нормируемых. Это приводит к увеличению погрешности определения коэффициента теплопередачи. Известен также способ определения коэффициента теплопередачи [2], который заключается в измерении температуры внутреннего и наружного воздуха по площади испытываемого участка ограждающей конструкции, а также средней по участку плотности теплового потока, измеренного по расходу тепловой энергии, выделенной электронагревателем, который размещён в горячем ящике, прижатом к поверхности испытываемого в условиях стационарной теплопередачи ограждения. С наружной стороны к ограждающей конструкции примыкает холодная камера, в которой поддерживается заданное значение температуры холодного воздуха. Внутри горячего ящика и холодной камеры с помощью вентиляторов создаются нормируемые условия теплообмена. Коэффициент теплопередачи определяется при отсутствии перепада температуры на внешних и внутренних поверхностях стенок горячего ящика.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится то, что определение коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции осуществляется в условиях, при которых возникают искажения тепловых потоков через испытываемую ограждающую конструкцию в области примыкания к ней горячего ящика.

Известен также наиболее современный из рассмотренных способ определения коэффициента теплопередачи (сопротивления теплопередаче), который по совокупности признаков является наиболее близким аналогом (далее - прототип) заявляемого изобретения [3]. Согласно прототипу, горячий ящик и холодную камеру устанавливают на выделенный участок ограждающей конструкции, при заданных значениях их термостатированной температуры при отсутствии перепада температуры на внешних и внутренних поверхностях стенок горячего ящика измеряют среднюю по участку плотность теплового потока, проходящего через неё, а также температуры на обеих поверхностях ограждающей конструкции и определяют сопротивление теплопередаче по отношению разности термостатированных температур к плотности теплового потока после установления заданной теплоотдачи поверхностей ограждающей конструкции регулировкой скорости воздушных потоков внутри горячего ящика и холодной камеры.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного решения, относится то, что определение коэффициента теплопередачи (сопротивления теплопередаче) осуществляется в условиях, при которых возникают искажения тепловых потоков через испытываемую ограждающую конструкцию в области примыкания к ней горячего ящика. Таким образом, существует потребность в разработке способа определения коэффициента теплопередачи, который бы устранял недостатки аналогов, известных на настоящий момент из анализа уровня техники.

Задачей изобретения является разработка способа определения коэффициента теплопередачи, который обеспечивает достижение технического результата - повышении точности определения коэффициента теплопередачи термически однородной ограждающей конструкции.

Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается за счёт того, что в способе определения коэффициента теплопередачи, включающем установку на выделенном участке термически однородной ограждающей конструкции горячего ящика и холодной камеры при неравных между собой значениях их термостатированной температуры, формирование заданной теплоотдачи поверхностей ограждающей конструкции в горячем ящике и холодной камере регулировкой скорости воздушных потоков, а также адиабатизацию внешней поверхности горячего ящика, дополнительно устанавливают в зоне примыкания горячего ящика к ограждающей конструкции периферийный нагреватель, измеряют плотность теплового потока и разность температуры между поверхностями ограждающей конструкции в центральной области и на периферии при различной мощности периферийного нагревателя, определяют по результатам выполненных измерений локальные значения термических сопротивлений ограждающей конструкции, а коэффициент теплопередачи определяют по отношению средней по участку плотности теплового потока к разности температуры горячего ящика и холодной камеры, соответствующему мощности периферийного нагревателя, при котором расхождением между локальными термическими сопротивлениями на периферии и термическим сопротивлением в центральной области можно пренебречь.

Сущность изобретения и возможность достижения при его использовании указанного технического результата будет более понятна из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, на которых представлены: фиг. 1 - схема реализации заявляемого способа; фиг. 2 - геометрическая модель реализующего заявленный способ устройства; фиг. 3 - отклонение U и R от истинных значений в зависимости от q_p при реализации заявленного способа (q_p=55 Вт/м³) по сравнению с прототипом ( _P- Вт/м³).

В устройстве для реализации заявляемого способа с наружной стороны ограждающей конструкции 1 установлена теплоизолированная холодная камера 2, внутри которой находится периферийный термометр 3, центральный термометр 4, плоский криотермостат 5 и регулируемый вентилятор 6. С внутренней стороны ограждающей конструкции 1 установлен горячий ящик 7, внутри которого находится регулируемый вентилятор 8, плоский нагреватель 9, центральный тепломер 10, центральный термометр 11, периферийный термометр 12 и периферийный тепломер 13. В плоскости примыкания горячего ящика 7 к внутренней поверхности ограждающей конструкции 1 расположен периферийный нагреватель 14.

Устройство, реализующее заявляемый способ, работает следующим образом. Криотермостат 5 поддерживает заданную температуру Т_пе в холодной камере 2, плоский нагреватель (термостат) 9 - температуру Т_п, в горячем ящике 7, причём Т_П1>Тп_е. Вентиляторы 6 и 8 формируют воздушные потоки, благодаря которым на поверхностях ограждающей конструкции 1 создаются заданные нормируемые условия теплоотдачи. На внешней поверхности горячего ящика 7 устраняют теплообмен, например, с помощью адиабатической оболочки с внутренней температурой, равной Т_п, (на фиг. 1 не показано). Далее измеряют плотность теплового потока, проходящего через ограждающую конструкцию в центральной области q_cp с помощью центрального тепломера 10, и плотность теплового потока, проходящего через ограждающую конструкцию на периферии q_p с помощью периферийного тепломера 13. Также измеряют разность температуры её поверхностей T_st-T_se в центральной области центральными термометрами 11 и 4, соответственно, и Tp_Sr-T_pSe на периферии периферийными термометрами 12 и 3. Затем вычисляют локальные термические сопротивления в центральной области по формуле /?ср = ^{Tst Tse} и на периферии - по формуле R_p = ^{Tpsi Tpse}. Усредняя полученные локальные и Qcp Qp термические сопротивления, находят среднее по участку термическое сопротивление R и расхождение АТ? между ним и термическим сопротивлением в центральной области R_cp.

Искомый коэффициент теплопередачи U определяют по отношению средней по участку плотности теплового потока q к разности температуры горячего ящика 7 и холодной камеры 2 Т_п1 — Т_пе, соответствующему мощности периферийного нагревателя, при которой расхождением между усреднёнными по участку локальными термическими сопротивлениями и термическим сопротивлением в центральной области можно пренебречь.

Математическое решение поставленной задачи определения коэффициента теплопередачи методом конечных элементов в численном виде получено с помощью сертифицированного в РФ программного комплекса ELCUT, версия 5.8 (https://elcut.ru).

Постановка задачи. Геометрическая модель реализующего заявленный способ устройства с сеткой конечных элементов и размерами выделенного участка ограждающей конструкции, включающая центральную область и область примыкания к горячему ящику, представлена на фиг. 2. В ней выделены блок 15 горячего ящика, блок 16 периферийного нагревателя, блок 17 ограждающей конструкции, а также ребро внутренней поверхности ограждающей конструкции в адиабатической зоне, прилегающей к горячему ящику с внешней стороны 18, ребро наружной поверхности 19 ограждающей конструкции, ребро внутренней поверхности 20 ограждающей конструкции внутри горячего ящика и термостатированное ребро 21 горячего ящика.

Модель рассматривается в декартовой системе координат. Вдоль оси X отложена толщина ограждающей конструкции (100 мм), вдоль оси У - её высота (500 мм внутри горячего ящика и 300 мм в прилегающей адиабатической зоне). Вдоль оси Z, не показанной на фиг. 2, глубина всех рассматриваемых элементов устройства составляет 1000 мм.

Вся модель содержит 239 расчётных узлов конечных элементов, автоматически сформированных программой ELCUT для прецизионного решения плоской задачи стационарной теплопередачи.

Теплофизические и теплотехнические характеристики параметры блоков и рёбер модели заданы следующими параметрами и граничными условиями:

1 - теплопроводность 0,04 Вт/(м-К);

2 - теплопроводность 0,04 Вт/(м-К), объёмная плотность тепловыделе-ния задаётся в диапазоне от 0 до 60 Вт/м³ с шагом 10 Вт/м³. Решение задачи формируется программой на каждом шагу (исключение сделано лишь для объёмной плотности тепловыделения 55 Вт/м³, при котором получен наиболее точный результат).

3 - теплопроводность 0,04 Вт/(м К);

4 - нормируемый коэффициент теплоотдачи имеет значение 8 Вт/(м² К) при температуре окружающей среды 290 К;

5 - нормируемый коэффициент теплоотдачи имеет значение 23 Вт/(м² К) при температуре окружающей среды 250 К;

6 - нормируемый коэффициент теплоотдачи имеет значение 8 Вт/(м² К) при температуре окружающей среды 290 К;

7 - ребро имеет температуру окружающей среды 290 К.

После введения в ELCUT всех перечисленных геометрических, теплофизических и теплотехнических характеристик модели компьютерная программа автоматически проверяет корректность и достаточность заданных параметров для решения поставленной задачи и выдаёт результат в табличной и графической форме. Учитывая большой объем полученных цифровых данных, здесь для примера в табличной форме приведены результаты, полученные при q_p=0 Вт/м³ (таблица 1) и при q_p-55 Вт/м³ (таблица 2).

Решение представляет собой найденные при q_p=Q Вт/м³ значения - локальной температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции Т_у, К,

(х=0 мм) при указанном значении у;

- локальной температуры наружной поверхности ограждающей конструкции Т_у, К, (х=100 мм) при указанном значении у;

- локальной плотности теплового потока на внутренней поверхности ограждающей конструкции q_y, Вт/м², (х=0 мм) при указанном значении у;

- локального термического сопротивления R_y. м² К/Вт, определяемого при указанном значении у по формуле

Таблица 1 - Решение плоской задачи стационарной теплопередачи в модели устройства, реализующего заявленный способ при q_p=0 Вт/м³

Полученные в центральной области значения параметров точно соответствуют заданным (термическое сопротивление ограждающей конструкции толщиной Л=0, 1 м при теплопроводности Х.=0,04 Вт/(м-К) определяется как R= h I и равно 2,5 м²-К/Вт). Коэффициент теплопередачи U определяется по формуле (1), и, поскольку погрешность определения разности температуры горячего ящика и холодной камеры здесь не оценивается, погрешность его нахождения целиком определяется средним по участку отклонением q.

Те же параметры приведены в таблице 2 при q_p=55 Вт/м³. Таблица 2 - Решение плоской задачи стационарной теплопередачи в модели устройства, реализующего заявленный способ при ^=55 Вт/м³

Полученные в периферийной области параметры, выделенные в таблицах 1 и 2 курсивом и полужирным шрифтом, отличаются от значений, полученных в центральной области, и приводят к появлению систематической погрешности.

Отклонения усреднённых значений параметров U (по условию соответствует отклонению q) и R от истинных (заданных) приведены в нижней строке таблицы 1 и могут превышать 4%, что подтверждает оценку в 5%, сделанную в аналогах (ГОСТ 31166-2003, подраздел 9.5; DIN EN ISO 8990-1996, подраздел 1.2).

В таблице 2 отклонения тех же усреднённых значений параметров не превышают 0,082 % (для термического сопротивления R), что более чем в 50 раз меньше, чем указано в иллюстрирующей погрешности аналогов и прототипа таблице 1. Это отклонение пренебрежимо мало по сравнению с достигнутым в настоящее время уровнем точности определения термического сопротивления. Так, государственный первичный эталон единиц теплопроводности и теплового (термического) сопротивления обладает погрешностью 0,8 % [4].

На фиг. 3 отклонение U и R от истинных значений в зависимости от q_p при реализации заявленного способа (q_P=55 Вт/м³) по сравнению с прототипом (<7_/;=0 Вт/м³) представлено в графической форме и наглядно доказывает существенное повышение точности заявленного способа по сравнению с прототипом и аналогами.

Таким образом, приведённые выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи. Источники информации.

1. ГОСТ 31166-2003.

2. DIN EN ISO 8990-1996.

3. Патент RU № 2480739 Cl, опублик. 27.04.2013 г. 4. Соколов Н. А., Соколов А. Н., Чурилина Н. В. Государственный первичный эталон единиц теплопроводности и теплового сопротивления ГЭТ 59-2016 // Измерительная техника, 2018, № 4. - С. 3-7

Claims

Формула изобретения

Способ определения коэффициента теплопередачи ограждающей конструкции, согласно которому устанавливают на противоположных сторонах выделенного участка термически однородной ограждающей конструкции теплоизолированные горячий ящик и холодную камеру при неравных между собой значениях их термостатированной температуры, формируют заданную теплоотдачу поверхностей ограждающей конструкции в горячем ящике и холодной камере регулировкой скорости воздушных потоков, а также окружают внешние поверхности горячего ящика адиабатической оболочкой, отличающийся тем, что дополнительно устанавливают в зоне примыкания горячего ящика к ограждающей конструкции периферийный нагреватель, измеряют плотность теплового потока и разность температуры между поверхностями ограждающей конструкции в центральной области и на периферии при различной мощности периферийного нагревателя, определяют по результатам выполненных измерений локальные значения термических сопротивлений ограждающей конструкции, а коэффициент теплопередачи определяют по отношению средней по участку плотности теплового потока к разности температуры горячего ящика и холодной камеры, соответствующему мощности периферийного нагревателя, при которой расхождением между усреднёнными по участку локальными термическими сопротивлениями и термическим сопротивлением в центральной области можно пренебречь.