ASTM C177-19 Стандартный метод испытаний для измерения теплового потока в стационарном состоянии и свойств теплопроводности с помощью аппарата с экранированной горячей плитой

Стандарт «ASTM C177-19 Стандартный метод испытаний для измерения стационарного теплового потока и теплопроводности с помощью аппарата с защищенной горячей пластиной», разработанный Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM), описывает критерии лабораторных измерений стационарного теплового потока через плоские однородные образцы, находящиеся в контакте с твердыми параллельными границами, поверхности которых поддерживаются при постоянной температуре.

Испытательная установка, разработанная для этой цели, известна как установка с защищенной горячей пластиной и является первичным (или абсолютным) методом. Этот метод испытаний сопоставим, но не идентичен стандартному методу испытаний ISO 8302.

Данный метод испытаний устанавливает общие требования к конструкции, необходимые для изготовления и эксплуатации удовлетворительного устройства с защищенной нагревательной пластиной. Охватывает широкий спектр конструкций устройств, условий испытаний и условий эксплуатации. Подробные проекты, подходящие для данного метода испытаний, не предоставляются, но должны быть разработаны в рамках ограничений общих требований. Примеры инструментов анализа, концепций и процедур, используемых при проектировании, изготовлении, калибровке и эксплуатации устройства с защищенной нагревательной пластиной, включены в стандарт (Ресурсы).

Данный метод испытаний охватывает как односторонние, так и двусторонние режимы измерения. Допускаются как распределенные, так и линейные экранированные конструкции нагревательных плит. Более подробную информацию о конструкциях этих нагревателей пользователь должен получить из стандартов ASTM C1044 и ASTM C1043.

Аппарат с экранированной плитой может работать с вертикальным или горизонтальным потоком тепла. Однако пользователь предупреждается, что если внутри образцов происходит конвективный поток тепла, результаты испытаний, полученные в двух ориентациях, могут отличаться.

Хотя невозможно указать абсолютный верхний предел для величины проводимости образца, которую можно измерить на защищенной горячей плите, по практическим соображениям проводимость образца должна быть меньше значения, указанного в стандарте.

Этот метод испытаний применим для измерения самых разных образцов: от непрозрачных твердых тел до пористых или прозрачных материалов, а также для широкого диапазона условий окружающей среды, включая измерения при экстремальных температурах, а также с различными газами и давлениями.

С помощью этого метода испытаний можно успешно оценить неоднородности, перпендикулярные направлению теплового потока, такие как слоистые структуры. Однако испытания образцов с неоднородностями в направлении теплового потока, например, с изоляционной системой с тепловыми мостами, могут давать результаты, зависящие от местоположения, и не должны проводиться с использованием этого типа устройств. Для тестирования этих систем действителен стандарт ASTM C1363.

Расчет свойств теплопередачи на основе измерений, выполненных с использованием данного метода, следует производить в соответствии со стандартом ASTM C1045.

Чтобы обеспечить ожидаемый уровень точности и достоверности, лица, применяющие этот стандарт, должны знать требования к методам тепловых измерений и испытаний, а также практическое применение теории теплопередачи применительно к теплоизоляционным материалам и системам. Подробные рабочие процедуры, включая проектные схемы и электрические чертежи, должны быть доступны для каждого устройства, чтобы гарантировать, что испытания соответствуют данному методу испытаний. Кроме того, необходимо проверить точность автоматизированных систем сбора и обработки данных, подключенных к устройству. Это можно сделать путем ввода наборов данных, связанных с калибровкой и известными результатами, в компьютерные программы.

Для такого метода испытаний нецелесообразно указывать детали и процедуры проектирования и строительства, охватывающие все непредвиденные обстоятельства, что было бы затруднительно для человека без технических знаний теории теплового потока, измерений температуры и общих методов испытаний. Пользователь также может столкнуться с необходимостью быть проектировщиком или производителем, или и тем, и другим, при ремонте или замене устройства, где требования к фундаментальному пониманию и тщательной экспериментальной технике выше. Стандартизация данного метода испытаний не имеет целью каким-либо образом ограничить будущую разработку новых или усовершенствованных устройств или процедур.

Данный метод испытаний не определяет все детали, необходимые для работы устройства. Решения относительно отбора проб, их выбора, предварительной подготовки, монтажа и позиционирования образцов, выбора условий испытаний и оценки данных испытаний должны соответствовать применимым методам испытаний ASTM, руководящим принципам, практикам или спецификациям продукции или нормативным актам. Если применимый стандарт отсутствует, следует использовать и документировать обоснованное инженерное суждение, отражающее принятые принципы теплопередачи.

Этот метод испытаний позволяет использовать широкий спектр конструкций приборов и конструкционных точностей для удовлетворения требований конкретных измерительных задач. Соблюдение этого метода испытаний требует заявления о неопределенности каждой переменной, указанной в отчете.

На рисунке, приведенном в стандарте, показаны основные компоненты идеализированной системы: два изотермических узла с холодной поверхностью и защищенная горячая пластина. Некоторые устройства могут иметь более одного предохранителя. Защищенная нагревательная пластина состоит из дозированной секции, термически изолированной от концентрического первичного ограждения определенным разделением или зазором. Некоторые устройства могут иметь более одного предохранителя. Испытуемый образец помещается между этими тремя блоками. В режиме двустороннего измерения образец фактически состоит из двух частей. В этом случае измерение дает результат, который является средним значением двух частей, и поэтому важно, чтобы две части были очень близки друг к другу. При использовании одностороннего режима измерения применяется стандарт ASTM C1044. Для использования защищенной нагревательной плиты, включающей использование сетевого нагревателя, применяется стандарт ASTM C1043.

Экранированная нагревательная пластина обеспечивает мощность (тепловой поток в единицу времени) для измерения и определяет фактический объем испытания, т. е. часть образца, которая фактически измеряется. Функция первичной защиты аппарата с экранированной горячей плитой и любой дополнительной копланарной защиты, если таковая имеется, заключается в обеспечении соответствующих тепловых условий в испытательном объеме для уменьшения бокового теплового потока внутри аппарата. Идеализированные условия показаны на рисунке конфигурацией изотермических поверхностей и линий постоянного теплового потока внутри образца.

Отклонения от идеализированной конфигурации вызваны: неоднородностями образца, разницей температур между измеряемым участком и защитой (разбалансировка зазора), а также разницей температур между внешним краем сборки и окружающей контролируемой средой (разбалансировка края).

Три нагревательных/охлаждающих устройства предназначены для создания изотермических поверхностей на поверхностях образцов в пределах измеряемого поперечного сечения. Две поверхности, обозначенные как узлы холодной поверхности, настроены на одинаковую температуру для двустороннего режима работы. На практике возникает некоторый боковой поток тепла, поскольку пластины и образцы имеют конечные размеры, а внешняя контролируемая среда обычно имеет температуру, отличную от температуры края измеряемого сечения. Первичная защита экранированной нагревательной пластины ограничивает величину бокового теплового потока в измеряемом поперечном сечении. Эффективность первичной защиты определяется, в частности, отношением ее поперечного размера к размеру измеряемого сечения и к толщине образца.

Соответствие этому методу испытаний требует: установления стационарных условий и измерения однонаправленного теплового потока через измеряемую секцию, площади измеряемой секции, градиента температуры по образцу с точки зрения температуры горячей поверхности и температуры холодной поверхности (или, что эквивалентно, температуры между двумя поверхностями), толщины каждого образца и баланса защиты между измеряемой секцией и первичной защитой.

Наша организация, которая на протяжении многих лет стремится оказывать поддержку предприятиям всех секторов посредством широкого спектра испытаний, измерений, анализа и оценочных исследований, имеет сильный штат сотрудников, которые внимательно следят за мировыми достижениями в области науки и технологий и постоянно совершенствуются. В этом контексте предприятиям также предоставляются услуги по испытаниям в соответствии со стандартом «ASTM C177-19 Стандартный метод испытаний для измерения стационарного теплового потока и свойств теплопроводности с помощью защищенного аппарата с горячей плитой».