Измерение плотности тепловых потоков (теплового излучения)

Измерение плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции. ГОСТ 25380-82

Тепловой поток - количество теплоты, переданное через изотермическую поверхность в единицу времени. Тепловой поток измеряется в ваттах или ккал/ч (1 вт = 0,86 ккал/ч). Тепловой поток, отнесённый к единице изотермической поверхности, называется плотностью теплового потока или тепловой нагрузкой; обозначается обычно q, измеряется в Вт/м² или ккал/(м²×ч). Плотность теплового потока - вектор, любая компонента которого численно равна количеству теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению взятой компоненты.

Измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции, производятся в соответствии с ГОСТ 25380-82 “Здания и сооружения. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции”.

Данным ГОСТ устанавливается метод измерения плотности теплового потока, проходящего через однослойные и многослойные ограждающие конструкции зданий и сооружений – общественных, жилых, сельскохозяйственных и производственных.

В настоящее время при строительстве, приемке и эксплуатации зданий, а также в жилищно-коммунальной отрасли большое внимание уделяют качеству выполненной постройки и отделки помещений, теплоизоляции жилых зданий, а также экономии энергоресурсов.

Важным оценочным параметром при этом служит расход тепла от изолирующих конструкций. Испытания качества тепловой защиты ограждающих конструкций зданий могут выполняться на разных этапах: в период введения зданий в эксплуатацию, на законченных объектах строительства, во время строительства, в период капитального ремонта сооружений, и в период эксплуатации зданий для составления энергетических паспортов зданий, и по жалобам.

Измерения плотности теплового потока должны проводиться при температуре окружающего воздуха от -30 до +50°С и относительной влажности не более 85%.

Измерения плотности теплового потока позволяет оценить расход тепла через ограждающие конструкции и, тем самым, определить теплотехнические качества ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Данный стандарт не применим для оценки теплотехнических качеств ограждающих конструкций, пропускающих свет (стекло, пластик и т.д.).

Рассмотрим, на чем основан метод измерения плотности теплового потока. На ограждающей конструкции здания (сооружения) устанавливается пластинка (так называемая «вспомогательная стенка»). Образующейся на этой «вспомогательной стенке» температурный перепад пропорционален в направлении теплового потока его плотности. Перепад температуры преобразуется в электродвижущую силу батарей термопар, которые располагаются на «вспомогательной стенке» и ориентированы параллельно по тепловому потоку, а соединены последовательно по генерируемому сигналу. В совокупности «вспомогательная стенка» и батарея термопар составляют измерительный преобразователь для измерения плотности теплового потока.

По результатам измерения электродвижущей силы батарей термопар рассчитывается плотность теплового потока на предварительно откалиброванных преобразователях.

Схема измерения плотности теплового потока приведена на чертеже.

1 - ограждающая конструкция; 2 -преобразователь теплового потока; 3 - измеритель э.д.с.;

t_в, t_н - температура внутреннего и наружного воздуха;

τ_н, τ_в, τ’_в - температура наружной, внутренней поверхностей ограждающей конструкции вблизи и под преобразователем соответственно;

R₁, R₂ - термическое сопротивление ограждающей конструкции и преобразователя теплового потока;

q₁, q₂ - плотность теплового потока до и после закрепления преобразователя

Источники инфракрасного излучения. Защита от инфракрасного излучения на рабочих местах

Источником инфракрасного излучения (ИК) является любое нагретое тело, температура которого определяет интенсивность и спектр излучаемой электромагнитной энергии. Длина волны с максимальной энергией теплового излучения определяется по формуле:

λ_mах = 2,9-103 / T [мкм] (1)

где Т - абсолютная температура излучающего тела, К.

Инфракрасное излучение подразделяется на три области:

• коротковолновая (X = 0,7 - 1,4 мкм);
• средневолновая (к = 1,4 - 3,0 мкм):
• длинноволновая (к = 3,0 мкм - 1,0 мм).

На организм человека электрические волны ИК диапазона оказывают, в основном, тепловое воздействие. При оценки этого воздействия учитывается:

· длина и интенсивность волны с максимальной энергией;

· площадь излучаемой поверхности;

· длительность облучения в течение рабочего дня;

· продолжительность непрерывного воздействия;

· интенсивность физического труда;

· интенсивность движения воздуха на рабочем месте;

· тип ткани, из которой изготовлена спецодежда;

· индивидуальные особенности организма.

К коротковолновому диапазону относятся лучи с длиной волны λ ≤ 1,4 мкм. Их характеризует способность проникать в ткани организма человека на глубину до нескольких сантиметров. Это воздействие вызывает тяжелые поражения различных органов и тканей человека с отягчающими последствиями. Наблюдается повышение температуры мышечных, легочных и других тканей. В кровеносной и лимфатической системах образуются специфические биологически-активные вещества. Нарушается работа центральной нервной системы.

К средневолновому диапазону относятся лучи с длиной волны λ = 1,4 - 3,0 мкм. Они проникают только в поверхностные слои кожи, а потому их воздействие на организм человека ограничивается повышением температуры подверженных воздействию участков кожи и повышением температуры тела.

Длинноволновой диапазон – лучи с длиной волны λ > 3 мкм. Воздействуя на организм человека, они вызывают наиболее сильное повышение температуры подверженных воздействию участков кожи, что нарушает деятельность дыхательной и сердечнососудистой систем и нарушает тепловой баланс оргазма, приводящий к тепловому удару.

Согласно ГОСТ 12.1.005-88 интенсивность теплового облучения работающих от нагретых поверхностей технологического оборудования и осветительных приборов не должна превышать: 35 Вт/м² при облучении более 50% поверхности тела; 70 Вт/м² при облучении от 25 до 50% поверхности тела; 100 Вт/м² при облучении не более 25%> поверхности тела. От открытых источников (нагретые металл и стекло, открытое пламя) интенсивность теплового облучения не должна превышать 140 Вт/м² при облучении не более 25% поверхности тела и обязательном использовании средств индивидуальной защиты, в том числе средств защиты лица и глаз.

Нормы ограничивают также температуру нагретых поверхностей оборудования в рабочей зоне, которая не должна превышать 45 °С.

Температура поверхности оборудования, внутри которого температура близка к 100 °С, должна быть не выше 35 °С.

Интенсивность (плотность потока) ИК излучения q определяется по формуле:

q = 0,78 х S х (T⁴ х 10^-8 - 110) / r² [Вт/м²]

где S - площадь излучающей поверхности, м²;

Т - температура излучающей поверхности, К;

r - расстояние от источника излучения, м.

К основным видам защиты от инфракрасного излучения относятся:

1. защита временем;

2. защита расстоянием;

3. экранирование, теплоизоляция или охлаждение горячих поверхностей;

4. увеличение теплоотдачи тела человека;

5. индивидуальные средства защиты;

6. устранение источника тепловыделения.

Одним из наиболее распространенных видов защиты от ИК излучения является экранирование излучающих поверхностей.

Различают экраны трех типов:

· непрозрачные;

· прозрачные;

· полупрозрачные.

В непрозрачных экранах при взаимодействии энергии электромагнитных колебаний с веществом экрана происходит ее преобразование в тепловую энергию. Вследствие этого преобразования происходит нагрев экрана и он сам становится источником теплового излучения. Излучение противолежащей источнику поверхностью экрана условно рассматривается как пропущенное излучение источника. Становится возможным рассчитать плотность теплового потока, проходящего через единицу площади экрана.

С прозрачными экранами все обстоит иначе. Излучение, попадающее на поверхность экрана, распределяется внутри него согласно законам геометрической оптики. Этим и объясняется его оптическая прозрачность.

Полупрозрачным экранам присущи свойства как прозрачных, так и непрозрачных.

По принципу действия экраны подразделяются на:

· теплоотражающие;

· теплопоглощающие;

· теплоотводящие.

На самом деле все экраны в той или иной степени обладают свойством поглощения, отражения или отведения тепла. Поэтому определение экрана к той или иной группе зависит от того, какое свойство наиболее сильно выражено.

Теплоотражающие экраны отличает низкая степень черноты поверхности. Поэтому они отражают большую часть падающих на них лучей.

К теплопоглощающим относятся экраны, у которых материал, из которого они выполнены, имеет малый коэффициент теплопроводности (высокое термическое сопротивление).

В качестве теплоотводящих экранов выступают прозрачные пленки, либо водяные завесы. Также могут быть использованы экраны, находящиеся внутри стеклянных или металлических защитных контуров.

Эффективность защиты от теплового излучения с помощью экранов Э определяется по формулам:

Э = (q – q³) / q (3)

Э = (t – t³) / t (4)

где q - плотность потока ИК излучения без применения защиты, Вт/м²;

q³ - плотность потока ИК излучения с применением защиты, Вт/м²;

t - температура ИК излучения без применения защиты, °С;

t³ - темпера­тура ИК излучения с применением защиты, °С.

Используемые контрольно-измерительные приборы

Для измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции, и проверки свойств теплозащитных экранов нашими специалистами были разработаны приборы серии ИПП-2.

Диапазон измерения плотности теплового потока: от 10 до 250, 500, 2000, 9999 Вт/м²

Область применения:

· строительство;

· ВУЗы;

· объекты энергетики;

· научные исследования и др.

.Измерение плотности теплового потока, как показателя теплоизоляционных свойств различных материалов, приборами серии ИПП-2производят при:

· теплотехнических испытаниях ограждающих конструкций;

· определении тепловых потерь в водяных тепловых сетях;

проведении лабораторных работ в ВУЗах (кафедры «Безопасность жизнедеятельности», «Промышленная экология» и др.).

На рисунке приведен опытный образец стенда "Определение параметров воздуха рабочей зоны и защита от тепловых воздействий" БЖЗ 3 (призводство ООО «Интос+»).

На стенде располагается источник теплового излучения (рефлектор бытовой). Перед источником размещают экраны из разных материалов (металл, ткань и др.). За экраном внутри модели помещения размещается прибор ИПП-2 на различных расстояниях от экрана. Над моделью помещения закрепляется вытяжной зонт с вентилятором. Прибор ИПП-2, помимо зонда для измерения плотности теплового потока, оснащен зондом для измерения температуры воздуха внутри модели. В целом стенд представляет собой наглядную модель для оценки эффективности различных видов тепловой защиты и локальной системы вентиляции.

С помощью стенда определяется эффективность защитных свойств экранов в зависимости от материалов, из которых они изготовлены и от расстояния от экрана до источника теплового излучения.

Принцип действия и конструктивное исполнение прибора ИПП-2

Конструктивно прибор выполняется в пластмассовом корпусе. На передней панели прибора располагаются четырех разрядный светодиодный индикатор, кнопки управления; на боковой поверхности располагаются разъёмы для подключения прибора к компьютеру и сетевого адаптера. На верхней панели расположен разъем для подключения первичного преобразователя.

Внешний вид прибора

1 - Светодиодная индикация состояния аккумулятора

2 - Светодиодная индикация нарушения порогов

3 - Индикатор значений измерения

4 - Разъем для подключения зонда измерения

5, 6 - Кнопки управления

7 - Разъем для подключения к компьютеру

8 - Разъем для подключения сетевого адаптера

Принцип работы

Принцип действия прибора основан на измерении перепада температур на “вспомогательной стенке”. Величина температурного перепада пропорциональна плотности теплового потока. Измерение температурного перепада осуществляется с помощью ленточной термопары, расположенной внутри пластинки зонда, выступающей в роли “вспомогательной стенки”.

Индикация измерений и режимов работы прибора

Прибор осуществляет опрос измерительного зонда, выполняет расчет плотности теплового потока и отображает её значение на светодиодном индикаторе. Интервал опроса зонда составляет около одной секунды.

Регистрация измерений

Данные, полученные от измерительного зонда, записываются в энергонезависимую память блока с определенным периодом. Настройка периода, считывание и просмотр данных осуществляется с помощью программного обеспечения.

Интерфейс связи

С помощью цифрового интерфейса из прибора могут быть считаны текущие значения измерения температуры, накопленные данные измерений, изменены настройки прибора. Измерительный блок может работать с компьютером или иными контроллерами по цифровому интерфейсу RS-232. Скорость обмена по интерфейсу RS-232 настраивается пользователем в пределах от 1200 до 9600 бит/с.

Особенности прибора:

• возможность установки порогов звуковой и световой сигнализации;
• передача измеренных значений на компьютер по интерфейсу RS-232.

Достоинством прибора является возможность попеременного подключения к прибору до 8-ми различных зондов теплового потока. Каждый зонд (датчик) имеет свой индивидуальный калибровочный коэффициент (коэффициент преобразования Kq), показывающий, насколько напряжение с датчика изменяется относительно теплового потока. Данный коэффициент используется прибором для построения калибровочной характеристики зонда, по которой определяется текущее измеренное значение теплового потока.

Модификации зондов для измерения плотности теплового потока:

Зонды теплового потока предназначены для проведения измерений поверхностной плотности теплового потока по ГОСТ 25380-92.

Внешний вид зондов теплового потока

1. Зонд теплового потока прижимного типа с пружиной ПТП-ХХХП выпускается в следующих модификациях (в зависимости от диапазона измерения плотности теплового потока):

- ПТП-2.0П: от 10 до 2000 Вт/м²;

- ПТП-9,9П: от 10 до 9999 Вт/м².

2. Зонд теплового потока в виде «монеты» на гибком кабеле ПТП-2.0.

Диапазон измерения плотности теплового потока: от 10 до 2000 Вт/м².

Модификации зондов для измерения температуры:

Внешний вид зондов для измерения температуры

1. Погружные термопреобразователи ТПП-А-D-L на основе терморезистора Pt1000 (термопреобразователи сопротивления) и термопреобразователи ТХА-А-D-L на основе термопары ХА (термопреобразователи электрические) предназначены для измерения температуры различных жидких и газообразных сред, а также сыпучих материалов.

Диапазон измерения температуры:

- для ТПП-А-D-L: от -50 до +150 °С;

- для ТХА-А-D-L: от -40 до +450 °С.

Габаритные размеры:

- D (диаметр): 4, 6 или 8 мм;

- L (длина): от 200 до 1000 мм.

2. Термопреобразователь ТХА-А-D1/D2-LП на основе термопары ХА (термопреобразователь электрический) предназначен для измерения температуры плоской поверхности.

Диапазон измерения температуры: от -40 до +450 °С.

Габаритные размеры:

- D1 (диаметр «металлического штыря»): 3 мм;

- D2 (диаметр основания – «пятачка»): 8 мм;

- L (длина «металлического штыря»): 150 мм.

3. Термопреобразователь ТХА-А-D-LЦ на основе термопары ХА (термопреобразователь электрический) предназначен для измерения температуры цилиндрических поверхностей.

Диапазон измерения температуры: от -40 до +450 °С.

Габаритные размеры:

- D (диаметр) – 4 мм;

- L (длина «металлического штыря»): 180 мм;

- ширина ленты – 6 мм.

В комплект поставки прибора для измерения плотности тепловой нагрузки среды входят:

1. Измеритель плотности теплового потока ИПП-2 (измерительный блок).

2. Зонд для измерения плотности теплового потока.*

3. Зонд для измерения температуры.*

4. Программное обеспечение.**

5. Кабель для подключения к персональному компьютеру. **

6. Свидетельство о калибровке.

7. Руководство по эксплуатации и паспорт на прибор ИПП-2.

8. Паспорт на преобразователи термоэлектрические (температурные зонды).

9. Паспорт на зонд плотности теплового потока.

10. Сетевой адаптер.

* – Диапазоны измерения и конструкция зондов определяются на этапе заказа

** – Позиции поставляются по специальному заказу.

Подготовка прибора к работе и проведение измерений

1. Извлечь прибор из упаковочной тары. Если прибор внесен в теплое помещение из холодного, необходимо дать прибору прогреться до комнатной температуры в течение не менее 2-х часов.

2. Зарядить аккумуляторы, подключив к прибору сетевой адаптер. Время зарядки полностью разряженного аккумулятора не менее 4 часов. В целях увеличения срока службы аккумуляторной батареи рекомендуется раз в месяц проводить полную разрядку до автоматического выключения прибора с последующим полным зарядом.

3. Соединить измерительный блок и измерительный зонд соединительным кабелем.

4. При комплектации прибора диском с программным обеспечением, установить его на компьютер. Подключить прибор к свободному СОМ-порту компьютера соответствующими соединительными кабелями.

5. Включить прибор коротким нажатием кнопки "Выбор".

6. При включении прибора осуществляется самотестирование прибора в течение 5 секунд. При наличии внутренних неисправностей прибор на индикаторе сигнализирует номер неисправности, сопровождаемые звуковым сигналом. После успешного тестирования и завершения загрузки на индикаторе отображаются текущее значение плотности теплового потока. Расшифровка неисправностей тестирования и других ошибок в работе прибора приведена в разделе 6 настоящего руководства по эксплуатации.

7. После использования выключить прибор коротким нажатием кнопки "Выбор".

8. Если предполагается длительное хранение прибора (более 3 месяцев) следует извлечь элементы питания из батарейного отсека.

Ниже приведена схема переключений в режиме “Работа”.

Подготовка и проведение измерений при теплотехнических испытаниях ограждающих конструкций.

1. Измерение плотности тепловых потоков проводят, как правило, с внутренней стороны ограждающих конструкций зданий и сооружений.

Допускается проведение измерений плотности тепловых потоков с наружной стороны ограждающих конструкций в случае невозможности проведения их с внутренней стороны (агрессивная среда, флуктуации параметров воздуха) при условии сохранения устойчивой температуры на поверхности. Контроль условий теплообмена проводят с помощью термощупа и средств для измерения плотности теплового потока: при измерении в течение 10 мин. их показания должны быть в пределах погрешности измерений приборов.

2. Участки поверхности выбирают специфические или характерные для всей испытываемой ограждающей конструкции в зависимости от необходимости измерения локальной или усредненной плотности теплового потока.

Выбранные на ограждающей конструкции участки для измерений должны иметь поверхностный слой из одного материала, одинаковой обработки и состояния поверхности, иметь одинаковые условия по лучистому теплообмену и не должны находиться в непосредственной близости от элементов, которые могут изменить направление и значение тепловых потоков.

3. Участки поверхности ограждающих конструкций, на которые устанавливают преобразователь теплового потока, зачищают до устранения видимых и осязаемых на ощупь шероховатостей.

4. Преобразователь плотно прижимают по всей его поверхности к ограждающей конструкции и закрепляют в этом положении, обеспечивая постоянный контакт преобразователя теплового потока с поверхностью исследуемых участков в течение всех последующих измерений.

При креплении преобразователя между ним и ограждающей конструкцией не допускается образование воздушных зазоров. Для исключения их на участке поверхности в местах измерений наносят тонкий слой технического вазелина, перекрывающий неровности поверхности.

Преобразователь может быть закреплен по его боковой поверхности при помощи раствора строительного гипса, технического вазелина, пластилина, штанги с пружиной и других средств, исключающих искажение теплового потока в зоне измерения.

5. При оперативных измерениях плотности теплового потока незакрепленную поверхность преобразователя склеивают слоем материала или закрашивают краской с той же или близкой степенью черноты с различием Δε ≤ 0,1, что и у материала поверхностного слоя ограждающей конструкции.

6. Отсчетное устройство располагают на расстоянии 5-8 м от места измерения или в соседнем помещении для исключения влияния наблюдателя на значение теплового потока.

7. При использовании приборов для измерения э.д.с., имеющих ограничения по температуре окружающего воздуха, их располагают в помещении с температурой воздуха, допустимой для эксплуатации этих приборов, и подключение к ним преобразователя теплового потока производят при помощи удлинительных проводов.

8. Аппаратуру по п.7 подготавливают к работе в соответствии с инструкцией по эксплуатации соответствующего прибора, в том числе учитывают необходимое время выдержки прибора для установления в нем нового температурного режима.

Подготовка и проведение измерений

(при проведении лабораторных работ на примере лабораторной работы “Исследование средств защиты от инфракрасного излучения”)

Подключить источник ИК излучения к розетке. Включить источник ИК излучения (верхнюю часть) и измеритель плотности теплового потока ИПП-2.

Установить головку измерителя плотности теплового потока на расстоянии 100 мм от источника ИК излучения и определить плотность теплового потока (среднее значение трех - четырех замеров).

Повторить измерения по пп. 1 - 3 с различными защитными экранами (теплоотражающим алюминиевым, теплопоглощающим тканевым, металлическим с зачерненной поверхностью, смешанным - кольчуга). Данные замеров занести в форму таблицы 1. Построить графики зависимости плотности потока ИК излучения от расстояния для каждого экрана.

Результаты измерений и их интерпретация

(на примере проведения лабораторной работы на тему «Исследование средств защиты от инфракрасного излучения» в одном из технических ВУЗов г. Москвы).

1. Стол.
2. Электрокамин ЭКСП-1,0/220.
3. Стойка для размещения сменных экранов.
4. Стойка для установки измерительной головки.
5. Измеритель плотности теплового потока ИПП-2.
6. Линейка.
7. Пылесос Тайфун-1200.

Интенсивность (плотность потока) ИК излучения q определяется по формуле:

q = 0,78 х S х (T⁴ х 10^-8 - 110) / r² [Вт/м²]

где S - площадь излучающей поверхности, м²;

Т - температура излучающей поверхности, К;

r - расстояние от источника излучения, м.

Одним из наиболее распространенных видов защиты от ИК излучения является экранирование излучающих поверхностей.

Различают экраны трех типов:

·непрозрачные;

·прозрачные;

·полупрозрачные.

По принципу действия экраны подразделяются на:

·теплоотражающие;

·теплопоглощающие;

·теплоотводящие.

Эффективность защиты от теплового излучения с помощью экранов Э определяется по формулам:

Э = (q – q³) / q

где q - плотность потока ИК излучения без применения защиты, Вт/м²;

q3 - плотность потока ИК излучения с применением защиты, Вт/м².

Типы защитных экранов (непрозрачные):

1. Экран смешанный – кольчуга.

Э кольчуга = (1550 – 560) / 1550 = 0,63

2. Экран металлический с зачерненной поверхностью.

Э al+покр. = (1550 – 210) / 1550 = 0,86

3. Экран теплоотражающий алюминиевый.

Э al = (1550 – 10) / 1550 = 0,99

Построим график зависимости плотности потока ИК излучения от расстояния для каждого экрана.

Как мы видим, эффективность защитного действия экранов различается:

1. Минимальное защитное действие у смешанного экрана – кольчуга – 0,63;

2. Экран алюминиевый с зачерненной поверхностью – 0,86;

3. Наибольшим защитным действием обладает экран теплоотражающий алюминиевый – 0,99.

Нормативные ссылки

При оценке теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений и установлении реальных расходов тепла через наружные ограждающие конструкции используются следующие основные нормативные документы:

· ГОСТ 25380-82. Метод измерения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции.

· При оценке теплотехнических качеств различных средств защиты от инфракрасного излучения используются следующие основные нормативные документы:

· ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования.

· ГОСТ 12.4.123-83. ССБТ. Средства защиты от инфракрасного излучения. Классификация. Общие технические требования.

· ГОСТ 12.4.123-83 «Система стандартов безопасности труда. Средства коллективной защиты от инфракрасных излучений. Общие технические требования».