ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Контроль качества теплоизоляционных конструкций

Теплозащитные качества теплоизоляционных матери­алов и конструкций играют очень важную роль в созда­нии необходимых тепловых режимов в зданиях и раз­личного рода тепловых аппаратах, в экономии тепла и холода. Рациональное использование теплоизоляционных материалов оказывает значительное влияние на экономию топлива и основных строительных материалов.

Особенно большой эффект от применения высокоэф­фективных теплоизоляционных материалов имеет место при изолировании ими различного рода теплопроводов, котельных установок, промышленных печей. Еще более эффективным является применение теплоизоляционных материалов в целях экономии холода, при изоляции хо­лодильников и холодильных установок, так как получе­ние единицы холода сопряжено со значительно большими затратами энергии, чем единицы тепла.

Когда мы говорим о теплоизоляционных конструк­циях, то правильное представление об изоляции дает не теплопроводность материала, из которого выполнена та или иная теплоизоляционная конструкция, а знание теп­лопроводности всей конструкции в целом.

Например, изолируя трубопровод, по которому пода­ется тепло, мы увеличиваем термическое сопротивление конструкции и, следовательно, снижаем тепловые поте­ри. Однако при этом мы увеличиваем и диаметр конст­рукции, т. е. ее поверхность, через которую тепло пере­дается окружающей среде. В этом случае важно выбрать эффективный теплоизоляционный материал, который при как можно меньшей толщине изоляционного слоя обес­печивал бы получение на внешней поверхности изоляции допускаемую соответствующими нормами темпера­туру.

Приближенно теплопроводность конструкции в целом можно определить расчетным путем, но более точное зна­чение этого важного параметра получают путем прове­дения опытных натурных замеров. Для оценки качества теплоизоляционных конструкций кроме теплопроводно­сти необходимо знать максимальную температуру на внешней поверхности изоляции, а также величину удель­ных тепловых потерь. Для этой цели применяют целый ряд приборов и методов.

Определение температуры на поверхности теплоизо­ляционной конструкции. Для измерения температуры на поверхности теплоизоляционных конструкций использу­Ют специальные приборы — термощупы.

В настоящее время существует три типа термощупов: термопарный, омический и полупроводниковый. В ком­плект всех этих приборов входят чувствительные элемен­ты (датчики), являющиеся собственно термощупами, и вторичные измерительные приборы, в качестве которых обычно используют потенциометр или мост постоянного тока.

Датчик термопарного термощупа состоит из тонкой полотняной ленты размером 1X5 см, на которой закреп­лены горячие спаи термопар, держателя этой ленты и со­суда со льдом, в который помещают холодные спаи тер­мопар.

В качестве вторичного прибора для термощупа этого типа используют переносной потенциометр ПП.

Датчик омического термощупа состоит из такой же полотняной ленты, на которой вместо термопар закреп­лен термометр сопротивления, выполненный из медной проволоки диаметром около 0,05 мм. В качестве вторич­ного прибора обычно используется мост постоянного тока со шкалой, проградуированной в °С.

Известны омические датчики, смонтированные на длинной ленте (300 мм и более), которые позволяют сра­зу после одного замера определять усредненную темпе­ратуру (по всей длине ленты) в данном месте конструк­ции. Такие датчики менее удобны в работе из-за слож­ности их установки.

Устройство полупроводникового термощупа ничем не отличается от омического, за исключением чувственного элемента. В данном случае вместо медного термометра сопротивления к ленте датчика прикрепляется так назы­ваемый термистор, представляющий собой полупровод­ник величиной примерно с зерно пшеницы. Лента, на которой закреплен термистор, выполняется из латуни для обеспечения подвода тепла к чувствительному элементу.

В настоящее время все три типа приборов находят широкое применение при измерении температуры тепло­изоляционных конструкций с плоской и криволинейной поверхностями.

Все эти приборы просты и удобны в эксплуатации и позволяют измерять температуру с точностью до 1°С.

Следует отметить, что при работе с термопарним тер­мощупом необходимо иметь сосуд со льдом. Это создает определенные неудобства при работе с ним. Полупровод­никовый же термощуп с течением времени теряет способ­
ность давать стабильные показания, так как полупровод­ники типа термисторов не имеют пока стабильной в времени характеристики.

На рис. 27 показан омический термощуп конструкции. ОРГРЭС типа Т-4 с плоским термометром сопротивления Этот прибор предназначен для измерения температур

Плоских и выпуклы (цилиндрических) по Верхностей в предела, от 0 до 100° С.

Термощуп Т-4 cq стоит из измерительна го жезла II и вторич ного прибора /.

Жезл оканчиваете; пружинящей дугой 4, На которой натянута матерчатая лента 6. Посередине ленты на­клеен чувствительный элемент 5 в виде плос­кого бескаркасного медного термометра сопротивления, кото­рый представляет собой плоскую намотку из медной про­волоки диаметром 0,05—0,1 мм. Начальное сопротивле­ние проволоки при 0° С равно 53 Ом. Жезл имеет руко­ятку 3, с помощью которой термометр сопротивления плотно прижимается к поверхности проверяемой тепло-, изоляции. Выводы от термометра пропущены внутри жез­ла, через его рукоятку, и с помощью гибкого шнура 2 Со штекером 1 присоединены к вторичному прибору.

Схема вторичного прибора показана на рис. 28. Вто­ричный прибор представляет собой уравновешенный мост с двумя пределами измерения: 0—50° С и 50—100° С. Пе­реход от одного предела к другому осуществляется от­ключением сопротивления Rva, шунтирующего плечо моста Rь Индикатором равновесия моста служит нуль - гальванометр 4, вмонтированный в корпус вторичного прибора. В задней стенке корпуса имеется углубление с Прорезью, через которую выступает часть диска с накат­кой. С помощью этого диска можно перемещать движок реохорда 3 и жестко связанную с движком вращающую­ся шкалу 2, общая длина которой составляет 365 мм.

На панели прибора помимо нуль-гальванометра и окна для отсчета делений вращающейся шкалы установлены выключатель питания 6, переключатель пределов изме­рения 1 и штеккерный разъем 7 для присоединения чув­ствительного элемента (жезла) 8. На боковой стенке

Корпуса имеется крышка, закрывающая карман для сухого элемента 5, пи­тающего измерительный мост.

Во избежание повреж­дения нуль-гальваномет­ра из-за включения пита­ния моста при отсоеди­ненном измерительном

Жезле в схеме предусмотрена блокировка. При разъеди­нении штеккерного разъема одновременно разрывается цепь питания моста.

Основная погрешность измерения этого прибора со­ставляет ±0,5° С.

При измерении термощупом температуры теплопро­водных поверхностей (металлических) прибор дает пока­зания истинного значения измеряемого параметра. При измерении температуры малотеплопроводных (неметал­лических) поверхностей наложение термометра сопро­тивления вызывает в месте измерения искажение темпе­ратурного поля, вследствие чего термощуп дает занижен­ные значения измеряемой температуры. В этом случае

Для получения истинного значения температуры поверх­ности в показания термощупа необходимо ввести по-. правку.

Искажение температуры зависит от разности темпера­тур поверхности изоляции и окружающего ее воздуха, а также от теплопроводности материала, из которого вы­полнена тепловая изоляция.

Поправку определяют обычно по усредненному графи­ку (рис. 29), построенному на основании эксперимен­тальных данных для теплоизоляционных конструкций, имеющих значение теплопроводности при 50° от 0,23 до ■ 0,46 Вт/(м-К). Этот график может быть использован и при большем интервале значений теплопроводности (от 0,116 до 1,16 Вт/(м-К). В этом случае погрешность при измерении температуры данным прибором возрастает до ±3—5° С.

Для измерения температуры поверхности теплоизоля­ционной конструкции термощупом Т-4 необходимо проде­лать следующее.

1. Снять с прибора крышку. 2. С помощью корректора установить стрелку нуль-гальванометра на нулевое деле­ние шкалы. 3. Соединить измерительный жезл с вторич­ным прибором. 4. Исходя из предполагаемого значения измеряемой температуры, установить переключатель пре­делов измерения в соответствующее положение. 5. Плот­но прижать чувствительный элемент жезла (термометр сопротивления) к поверхности изоляции, температура которой измеряется. 6. Через 1—2 мин установить вы­ключатель питания моста в положение «включено». 7. Вращением диска движка реохорда установить нуль - гальванометр на нулевое деление, после чего по шкале против указателя, нанесенного на стекле окна шкалы, от­считать показание прибора.

Если измерение температуры производится на преде­ле измерения 50—100° С, то к отсчитанному по шкале показанию надо прибавить 50° С. 8. После окончания из­мерения отключить питание моста. 9. При измерении температуры изолированной (неметаллической) поверх­ности необходимо одновременно измерить температуру окружающего воздуха и, пользуясь усредненным гра­фиком (рис. 29), ввести (прибавить) поправку к получен­ному показанию прибора.

Среднюю температуру поверхности данной теплоизо­ляционной конструкции вычисляют как среднюю арифме-
Тическую величину по результатам не менее чем 5 изме­рений.

Определение удельных тепловых потерь через тепло­изоляционные конструкции. Наиболее полное представле­ние о качестве теплоизоляционных конструкций дают ве­личины удельных тепловых потерь с поверхности тепло­вой изоляции, для измерения которых применяют один из двух методов: косвенный, основанный на измерении разности температур между поверхностью изоляции и окружающим воздухом; метод непосредственного изме­рения теплового потока с помощью специальных прибо­ров :— тепломеров.

В основу косвенного метода измерения тепловых по­терь положен закон Ньютона, в котором говорится о том, что теплоотдача с поверхности какого-либо тела прямо пропорциональна разности температур нагретого тела и окружающей среды.

Сущность косвенного метода сводится к тому, чтобы измерить температуру поверхности тепловой изоляции и Окружающего воздуха, т. е. определить среднюю разность температур изоляции и окружающей среды.

Среднюю температуру изоляции определяют измере­нием ее в четырех выбранных точках с помощью термо­щупов и вычислением как средней арифметической ве­личины по результатам этих измерений.

Температуру окружающего воздуха измеряют на рас­стоянии 1 —1,5 м от поверхности испытуемой теплоизо­ляционной конструкции.

После проведения необходимых измерений удельный тепловой поток (Вт/м2) вычисляют по следующим фор­мулам: Q=-A(Tn—TB)—для плоских поверхностей; д = =£Mdn(Tn—TB)—для цилиндрических поверхностей, Где Tn — средняя температура поверхности изоляции, °С; TB — Температура окружающего воздуха, °С; DH — наружный диаметр теплоизоляционного слоя, м; a — коэффици­ент теплоотдачи, Вт/(м2-0С), определяют по табличным данным или по формуле

/ Tn + 273 у / £в +273 4

А=1,43(*п-;вК + 4,21 100 J > .

Пример. Определить тепловые потери сім трубопро­вода в котельной, если известно, что диаметр трубопро-

3-541

Вода 318 мм, толщина слоя тепловой изоляции 100 мм; І Температура воздуха в котельной 20° С, а средняя темпе­ратура поверхности изоляционного слоя составляет 47° С. 1. Определяем коэффициент теплоотдачи

/ 47 + 273 4 / 20 +273 И

А = 1,43(47 - 20)V3+4,2' 100 ' 100 L = V ' 47—20

= 7,42Вт/(м2-°С).

2. Вычисляем удельные тепловые потери с поверхно­сти изоляции трубопровода

Q — аяdn(tn—/в) = 7,42 ■ 3,14 ■ 0,518 • 27=326 Вч/(м-°С).

Непосредственное измерение теплового потока (тепло­вых потерь) лучше всего производить с помощью мало­инерционных тепломеров конструкции ОРГРЭС или ВНИИПИТеплопроекта.

Малоинерционный тепломер конструкции ОРГРЭС типа ИТП-2 служит для измерения плотности тепловых ПОТОКОВ ОТ тепловой ИЗОЛЯЦИИ, неизолированных горячих | поверхностей и других нагретых тел. Его принцип деист - I вия основан на создании в нагревательном элементе | плотности теплового потока, равной по величине плотно - ] сти теплового потока, идущего от испытываемой поверх­ности, т. е. на методе компенсации теплового потока.

Равенство плотностей тепловых потоков нагреватель­ного элемента и испытываемой поверхности обеспечива­ется уравниванием их температур при прочих равных ус - ч ловиях теплоотдачи. ;1

Тепломер ИТП-2 состоит из датчика и вторичного І| прибора.

Датчик тепломера (рис: 30) состоит из высокотемпе- ратуропроводного (алюминиевого) корпуса 6, в котором

3

?

На теплоизолирующей прокладке 5 размещены нагрева­тель 3, выполненный из манганиновой проволоки, и ба­тарея дифференциальных термопар, спаи которой 2 и 4 Расположены по обе стороны теплоизолирующей про­кладки.

Нагреватель 3 и спаи дифференциальной термопары 2 закрыты теплопроводной медной пластинкой 1, явля­ющейся собственно нагревателем тепломера. Спаи диф­ференциальной термопары 4 расположены под термоизо­лирующей прокладкой, на корпусе датчика. Таким обра­зом, батарея дифференциальных термопар показывает наличие или отсутствие разности температур между кор­пусом датчика и нагревательным элементом.

В комплект тепломера входят два датчика. Датчик в виде диска со скошенными краями применяется при из­мерении плотности теплового потока от плоских поверх­ностей. Он с помощью пружинящего приспособления («вилки») соединен с рукояткой держателя и через шгек - керный разъем присоединен к вторичному прибору. Дат­чик в виде диска с некоторым радиусом кривизны на нижней плоскости применяют при измерении плотности теплового потока от цилиндрических и других выпуклых поверхностей. Резиновая пластина, в которую вставлен датчик, имеет по краям специальные приспособления («ушки»), служащие для закрепления датчика на объек­те исследования. Датчик через штеккерный разъем при­соединяют к вторичному прибору, схема которого пока­зана на рис. 31.

Для питания нагревателя датчика 2 установлен ис­точник постоянного тока 4, представляющий собой три батареи типа «Сатурн». Для измерения силы тока, про­ходящего через нагреватель, в цепь последовательно включен миллиамперметр 8. Регулировка силы тока осу­ществляется реостатами 5. Батарея дифференциальных термопар подключена непосредственно к нуль-гальвано­метру 10. Датчик соединяется с вторичным прибором штеккерным разъемом 1.

Исходя из выбранных пределов измерений (0—116 или 0—580 Вт/(м2-°С) площади нагреваемого элемента (6 см2) и сопротивления (25 Ом), устанавливают преде­лы измерения миллиамперметра, которые соответствен­но равны 52,9 и 118,2 мА. Для обеспечения этих пределов с учетом характеристики миллиамперметра подобраны

Дополнительные сопротивления 6 и шунтовое сопротивле­ние 3.

Для подачи питания и закорачивания рамки нуль - Гальванометра установлен переключатель 9, а для изме­Нения пределов измерения — переключатель 7.

Измерение плотности теплового потока с помощью тепломера ИТП-2 производят следующим образом.

Датчик тепломера с помощью штеккерного разъема подключают к вторичному прибору. При положении переключате­ля 9 «выключено» прове­ряют положение стрелки нуль-гальванометра и в случае необходимости ус­танавливают ее на 0. Пе­реключатель 7 устанавли­вают на предел измере­ния, соответствующий ожидаемому тепловому потоку.

, На плоских поверхностях или поверхностях с боль­шим (более 2 м) радиусом кривизны измерения произво­дят плоским датчиком, который с помощью держателя прижимают нижней плоской частью к исследуемой по­верхности. После установки датчика переключатель 8 Переводят в положение «включено».

На поверхностях с малым радиусом кривизны изме­рения производят с помощью датчика с резиновой пла­стинкой. Для этого датчик накладывают на поверхность изоляции так, чтобы кривизна нижней части датчика сов­падала с кривизной поверхности изоляции. Затем рези - . новую пластинку с помощью ушек плотно крепят (при­вязывают) к исследуемому объекту.

При накладывании датчика на нагретую поверхность высокотемпературопроводный корпус датчика быстро на­гревается до температуры, которую имеет поверхность изоляции. Вследствие разницы температур между корпу­сом датчика и нагревательным элементом на выходе ба­тареи дифференциальных термопар появляется ЭДС.

Постепенно реостатами «грубо» и «точно» повышают силу тока в нагревателе датчика. При повышении темпе­ратуры нагревателя, а следовательно, и спаев батареи

Дифференциальных термопар, находящихся под нагре­вательным элементом, стрелка нуль-гальванометра начи­нает приближаться к нулевому значению. При переходе стрелки через 0 ток в нагревателе уменьшается до тех пор, пока стрелка нуль-гальванометра не займет устой­чивого нулевого положения.

При наложении датчика на горячую поверхность до включения подачи тока на нагреватель стрелка нуль-галь­ванометра будет находиться в левом положении. При подаче заведомо повышенного тока на нагреватель (стрелка миллиамперметра находится в крайнем правом положении) стрелка нуль-гальванометра начинает быст­ро приближаться к нулю.

Для быстрого достижения устойчивого нулевого поло­жения стрелки нуль-гальванометра уменьшение силы то­ка следует начинать за 2—3 деления до подхода ее к Нулю. Практически цикл установки стрелки на 0 повторя­ется несколько раз при постепенном уменьшении диапа­зона регулировки.

При устойчивом (не менее 1 мин) нулевом положении стрелки нуль-гальванометра отсчитывают значение плот­ности теплового потока по миллиамперметру, градуиров­ка которого может быть в ккал/(м2 • ч) или в Вт/м2.

Время, необходимое для проведения одного измере­ния, определяемое инерционностью корпуса датчика и стабильностью внешних условий, при применении плоско­го датчика составляет 3—8 мин, а при использовании датчика с резиновой пластинкой вследствие сравнитель­но небольшой теплопроводности резины 20—30 мин. В последнем случае измерение следует начинать через 15—20 мин после установки датчика на исследуемый объект.

В процессе эксплуатации тепломер должен подвер­гаться обязательной периодической проверке в сроки, определяемые условиями эксплуатациями, но не реже од­ного раза в два года.

Тепломер должен храниться в закрытом помещении при температуре 5—35° С и относительной влажности воздуха не выше 80%.

В воздухе помещения, где хранится тепломер, не дол­жно быть вредных примесей, вызывающих коррозию.

Поверхность нагревательных элементов датчиков не должна подвергаться никаким механическим воздействи­ям: давлению, трению, ударам.