Введение к работе
Актуальность проблемы
Потребность в измерении теплопроводности различных материалов существует практически в любых современных областях науки и техники. Достоверные сведения о теплопроводности материалов необходимы для группы приоритетных направлений, связанных с критическими технологиями федерального уровня значимости: материалы со специальными свойствами, энергосбережение. Необходимость технологического контроля и сертификации по теплопроводности возникает при производстве и эксплуатации новых материалов различного назначения, а также при испытаниях на соответствие требованиям нормативных документов наиболее важных элементов сложных инженерных объектов, таких, например, как ограждающие конструкции отапливаемых зданий и сооружений. С учетом постоянного увеличения стоимости и ограниченности запасов энергоносителей измерения теплопроводности становятся наиболее востребованными среди других видов измерений теплофизиче-ских свойств материалов.
Значительный вклад в теорию и практику создания методов и средств измерений теплопроводности внесли отечественные ученые Кондратьев Г.М., Буравой С.Е., Геращенко О.А., Гордов А.Н., Грищенко Т.Г., ДульневГ.Н., Егер Д.К., Зиновьев Е.Е., Ивлиев А.Д., Карслоу Х.С., Крафтмахер Я.А., Куре-пин В.В., Кутателадзе С.С., Лыков А.В., Михеев М.А., Назаренко Л.А., Олей-ник Б.Н., Пелецкий В.Э., Платунов Е.С., Свет Д.Я., Сергеев О.А., Тимрот Д.Л., Шашков А.Г., Чашкин Ю.Р., Чеховской В.Я., Чудновский А.Ф., Ярышев А.Н. и др.
Единство измерений теплопроводности обеспечивается путем воспроизведения единицы и передачи ее размера другим средствам измерений с помощью государственного первичного эталона (ГПЭ). Впервые ГПЭ единицы теплопроводности твердых тел был утвержден в 1975 г. и в 1982 г. переутвержден в расширенном диапазоне от 0,1 до 20 Вт/(мК). Создание ГПЭ было подготов-
лено научными исследованиями таких ученых ВНИИМ, как Гордов А.Н., Мень А.А., Олейник Б.Н. В его создании принимали участие многие сотрудники ВНИИМ, в частности, Сергеев О.А., Татарашвили Д.А., Думова P.M., Че-чельницкий А.З., Чистяков Ю.А. и др.
С момента введения ГОСТ 8.140-82, распространяющегося на ГПЭ и государственную поверочную схему для средств измерений теплопроводности твердых тел, появились десятки новых теплоизоляторов с теплопроводностью порядка 0,02 Вт/(мК). То есть в 5 раз меньше, чем указано в поверочной схеме. Их теплопроводность в Росатоме, Росавиакосмосе, ВПК, Росстрое является сертифицируемым параметром, единство измерений которого не может быть обеспечено с помощью ГПЭ 1982 г. В связи с этим потери энергии или теплоизоляционных материалов по России составляют 20-КЇ0 %.
Актуальность проблемы подтверждает целый ряд Законов и Федеральных целевых программ, принятых в последние годы. Среди них такие, как Закон Российской Федерации «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3.04.1996; Указ Президента Российской Федерации от 7.05.1995 № 472 «Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года; Федеральная целевая программа «Энергосбережение России», принятая постановлением Правительства Российской Федерации от 24.01.1998 № 80.
ГПЭ 1982 г. предназначен для измерений теплопроводности образцов диаметром 30 и 40 мм, которые являются непредставительными для теплоизоляционных материалов с гетерогенной структурой. Закон Фурье недостаточно точно описывает их теплопроводность в силу заметного влияния излучения и конвекции в порах теплоизоляторов. В мировой практике используют образцы диаметром 300-4000 мм. Несмотря на значительные усилия национальных метрологических институтов суммарная стандартная неопределенность измерений теплопроводности долгое время остается на уровне 0,5-Ю, 8 %,. Достиг-ігутьіе результаты получены с использованием однотипной аппаратуры и одних и тех же материалов, поэтому, строго говоря, они характеризуют лишь
прецизионность измерений. Имеющиеся расхождения (до 7 %) намного превышают оценки НСП.
Таким образом, имела место актуальная научная проблема — обеспечение единства измерений теплопроводности в диапазоне от 0,02 до 0,2 Вт/(м-К).
Диссертация направлена на решение указанной проблемы.
Цель работы и задачи исследований
Необходимость решения указанной проблемы предопределила выбор в качестве цели исследований разработку и создание комплекса аппаратуры для государственного первичного эталона единицы теплопроводности и системы передачи размера единицы в диапазоне от 0,02 до 0,2 Вт/(м-К), обеспечивающих точность, соответствующую современным и прогнозируемым на перспективу требованиям науки и критических технологий.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные научные задачи:
анализ обеспечения единства измерений теплопроводности;
анализ и систематизация наиболее точных методов измерений теплопроводности;
анализ необходимости и достаточности средств воспроизведения единицы теплопроводности и передачи размера единицы;
разработка и исследование нового класса средств измерений для воспроизведения единицы и передачи ее размера - многозначных мер теплопроводности;
проектирование, создание и исследование нового комплекса аппаратуры государственного первичного эталона единицы теплопроводности для диапазона от 0,02 до 0,2 Вт/(м'К), включающего средства измерений нового класса — многозначные меры теплопроводности;
- разработка теплофизических моделей калориметрических устройств новых
средств измерений и методики компьютерного моделирования измерения теп-
лопроводиости, позволяющих оценить и уменьшить погрешности разработанных средств измерений;
разработка и исследование методов и средств измерений теплового сопротивления ограждающих конструкций зданий и сооружений в натурных и лабораторных условиях и их метрологического обеспечения.
Предмет исследований
Методы и средства измерений, обеспечивающие создание государственного первичного эталона единицы теплопроводности и системы передачи размера единицы в диапазоне от 0,02 до 0,2 Вт/(м-К), а также правила и нормы, введение которых необходимо для достижения единства и требуемой точности измерений.
Методы исследования
Поставленные в диссертации задачи решены методами теории теплообмена, математического анализа, инженерно-физического эксперимента, компьютерного моделирования, теоретической и прикладной метрологии.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Новый комплекс аппаратуры для государственного первичного эталона единицы теплопроводности твердых тел, который впервые в мировой практике позволяет на основе установленной аналитической зависимости воспроизводить единицу и передавать ее размер не дискретно, при нескольких значениях теплопроводности, а непрерывно — в любой точке диапазона от 0,02 до 0,2 Вт/(м-К), и результаты его исследований.
-
Новый метод измерений теплопроводности и средства измерений нового класса - многозначные меры теплопроводности.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований, в том числе — методами компьютерного моделирования, составляющих погрешности измерений теплопроводности, воспроизведения единицы и передачи ее размера.
-
Результаты разработки и исследований однозначных эталонных мер теп-
лопроводности из новых теплоизоляционных материалов.
-
Результаты разработки и исследований измерителей теплопроводности и теплового сопротивления теплоизоляторов, а также ограждающих конструкций зданий и сооружений в лабораторных и натурных условиях.
-
Результаты исследований теплового сопротивления стеклопакетов при температуре наружного воздуха до минус 50 С.
Научная новизна работы заключается в следующем
-
На основе проведенных исследований создан новый комплекс аппаратуры для государственного первичного эталона единицы теплопроводности твердых тел, который впервые в мировой практике позволяет согласно установленной аналитической зависимости воспроизводить единицу в любой точке диапазона от 0,02 до 0,2 Вт/(мК) с суммарной стандартной неопределенностью 0,3 %.
-
Разработан новый метод измерений теплопроводности и средства измерений нового класса — многозначные меры теплопроводности.
-
Разработаны модели тепловых процессов в калориметрических устройствах новых средств измерений и методика компьютерного моделирования измерения теплопроводности, позволяющие оценить и снизить погрешности разработанных средств измерений.
-
На основе построенной компьютерной тегшофизической модели установки государственного первичного эталона 1982 г., реализующей радиальный метод измерения теплопроводности, обнаружена неучтенная ранее систематическая погрешность воспроизведения единицы теплопроводности, достигающая значения 2,4 %, которую предложено учитывать в виде поправки.
-
На вновь созданной установке А-1 государственного первичного эталона исследованы новые теплоизоляционные материалы КВГ-210 и ПЕНОПЛЭКС и доказана возможность их применения в качестве однозначных мер теплопроводности.
6. На основе исследований, проведенных с помощью вновь разработанных рабочих средств измерений, установлена зависимость теплового сопротивления стеклопакетов различных типов от температуры наружного воздуха в диапазоне от минус 18 до минус 50 С. Практическая ценность
-
Разработан проект нового межгосударственного стандарта «Государственная поверочная схема для средств измерений теплопроводности твердых тел от 0,02 до 20 Вт/(мК) в диапазоне температур от 90 до 1100 К». Проект в установленном порядке одобрен в России и отправлен для ознакомления и согласования в страны ближнего зарубежья.
-
Создан комплекс аппаратуры, предназначенный для нового государственного первичного эталона теплопроводности, который впервые в мировой практике позволяет согласно установленной аналитической зависимости воспроизводить единицу в любой точке диапазона от 0,02 до 0,2 Вт/(м-К) с суммарной стандартной неопределенностью 0,3 %. Новизна предложенного способа измерения теплопроводности защищена патентом.
-
Впервые в мировой практике с помощью средств измерений нового класса — многозначных мер теплопроводности — осуществлена возможность воспроизведения единицы теплопроводности в любой точке диапазона от 0,02 до 0,2 Вт/(м-К) со стандартной неопределенностью, оцениваемой по типу А, составляющей 0,17 %.
-
Разработаны и созданы средства измерений нового класса - калибраторы теплопроводности, позволяющие передавать размер единицы нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений с минимальной потерей точности.
-
Разработаны и созданы однозначные меры теплопроводности из новых материалов, что обеспечило передачу размера единицы теплопроводности от государственного первичного эталона рабочим средствам измерений в диапазоне до 0,02 Вт/(мК). Новые эталонные меры включены в каталог эталонных материалов ВНИИМ.
-
Разработаны и созданы рабочие средства измерений теплопроводности теплоизоляционных материалов от 0,02 до 1,5 Вт/(м-К) с погрешностью от 3 до 5 % в диапазоне температур от минус 40 до 125 С.
-
Разработан и создан многоканальный измеритель теплопроводности и теплового сопротивления утвержденного типа ИТ-2, зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений под № 31490-06.
-
На основе результатов исследований теплового сопротивления стеклопа-кетов в зависимости от температуры наружного воздуха даны рекомендации, позволяющие устранить недостатки существующего в России порядка нормирования и испытаний стеклопакетов.
-
Разработана и согласована с Госстроем России методика, позволяющая в натурных условиях определять сопротивление теплопередаче оконных и дверных остекленных блоков в отапливаемых зданиях и сооружениях.
-
Результаты исследований разработанных методов метрологического обеспечения измерений теплового сопротивления ограждающих конструкций зданий и сооружений в лабораторных и натурных условиях используются в учебном процессе.
Реализация и внедрение результатов исследований Основные результаты реализованы и внедрены следующим образом: 1. ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Получил одобрение в России и отправлен на согласование в страны ближнего зарубежья проект межгосударственного стандарта на новый государственный первичный эталон и государственную поверочную схему. Находится в опытной эксплуатации новая установка А-1, созданная для государственного первичного эталона и содержащая управляющий измерительно-вычислительный комплекс с вновь разработанным программным обеспечением. Включены в каталог этатонных материалов вновь разработанные однозначные меры теплопроводности на основе тепло-изоляторов ПЕНОПЛЭКС и КВГ-210. Компьютеризирован и снабжен программным обеспечением компаратор рабочего эталона ИТО-20. Создан
опытный образец меры теплопроводности многозначной. Создан образцовый измеритель теплопроводности ИТО-250, снабженный своим управляющим измерительно-вычислительным комплексом.
-
Центральный НИИ специального машиностроения (Московская обл.). Создан образцовый прецизионный автоматизированный измеритель теплопроводности, снабженный комплектом вновь разработанных однозначных мер теплопроводности и предназначенный для измерения теплопроводности от 0,04 до 1,5 Вт/(м-К) с погрешностью 5 % в диапазоне температур от 250 до 360 К.
-
Ракетно-космическая Корпорация «Энергия» (Московская обл.). С целью расширения измерительных возможностей в область малых значений теплопроводности модернизирован и снабжен комплектом вновь разработанных однозначных мер теплопроводности измерительный стенд ВКУ-м, предназначенный для измерения теплопроводности от 0,04 до 0,2 Вт/(м-К) с погрешностью 10 % в диапазоне температур от 90 до 373 К.
-
СКБ «Стройприбор» (Челябинск). Внедрен комплект вновь разработанных однозначных мер теплопроводности и калибратор теплопроводности, построенный на основе многозначной меры теплопроводности.
-
Научно-производственное предприятие «Эталон» (Омск). Запущено в серийное производство 4 модификации многоканальных измерителей теплопроводности и теплового сопротивления утвержденного типа ИТ-2.
-
Испытательный центр ВНИИГС (Санкт-Петербург). Внедрена система измерений теплового сопротивления ограждающих конструкций зданий и сооружений СИСТОК-7076, которая снабжена управляющим измерительно-вычислительным комплексом и комплектом вновь разработанных однозначных мер теплопроводности, и предназначена для измерения теплопроводности в диапазоне от 0,03 до 1,5 Вт/(мК) и теплового сопротивления в диапазоне от 0,02 до 2 м2-К/Вт с погрешностью 5 % в интервале температур от минус 40 до 80 С.
-
Испытательный центр Проектно-конструкторского технологического института «СтройТЕСТ». Испытательный центр строительных материалов и изделий ИЦСМИ (Санкт-Петербург), Испытательный центр Ростовского государственного строительного университета (Ростов-на-Дону), Испытательный центр «Исследователь» (Краснодар). Внедрены автоматизированные системы измерений теплового сопротивления ограждающих конструкций с числом каналов от 48 до 96 в климатических камерах в диапазоне от 0,2 до 4 м2-К/Вт с погрешностью 6 % в интервале температур от минус 50 до 50 С.
-
Научно-исследовательский институт строительных материалов (Беларусь, Минск). Внедрены снабженные вновь разработанными управляющими измерительно-вычислительными комплексами: модернизированный измеритель теплопроводности типа «Weiss», предназначенный для измерения теплопроводности в диапазоне от 0,05 до 1,5 Вт/(мК) с погрешностью от 3 до 5 % в интервале температур от 10 до 30 С; автоматизированный измеритель теплопроводности строительных материалов ИТСМ-125 (модификация СИСТОК-7076), предназначенный для измерения теплопроводности в диапазоне от 0,02 до 1,5 Вт/(мК) с погрешностью от 3 до 5 % в интервале температур от 30 до 125 С; автоматизированная система измерений теплового сопротивления ограждающих конструкций в климатической камере; комплект вновь разработанных однозначных мер теплопроводности.
-
Испытательный центр Государственного архитектурно-строительного университета «БЛОК» (Санкт-Петербург). Внедрена автоматизированная система измерений теплового сопротивления ограждающих конструкций в климатической камере и аналогичная система с 16 каналами, предназначенная для работы в натурных условий с активной стабилизацией внутренней и наружной температуры исследуемой ограждающей конструкции. Материалы диссертации используются в Государственном архитектурно-строительном университете при чтении лекций по теме «Защитные свойства строительных материалов» курса «Строительная физика».
-
Инжиниринговый Центр при Балтгосэнергонадзоре. Внедрена автоматизированная шестнадцатиканальная система измерений теплового сопротивления ограждающих конструкций, предназначенная для работы в натурных условиях.
-
Петербургский энергетический институт повышения квалификации. Материалы диссертации используются при чтении лекций по теме «Тепловизи-онный контроль качества тепловой защиты зданий» на курсах «Тепловизи-онный контроль зданий и сооружений», «Энергетический паспорт здания».
Апробация работы
Диссертация является результатом обобщения опубликованных работ, выполненных автором в период с 1984 по 2006 гт.
Основные положения выполненного исследования докладывались, обсуждались и были одобрены на 10 всесоюзных, всероссийских и международных конференциях и семинарах.
Авторство и публикации
Проект стандарта на новый государственный первичный эталон и государственную поверочную схему разработан совместно с сотрудниками ВНИИМ Ж.Ф. Кудряшевой и Ю.С. Этингером.
При выборе теплоизоляционного материала КВГ-210 в качестве основы для создания новой эталонной меры теплопроводности использованы результаты предварительных исследований, проведенных специалистами РКК «ЭНЕРГИЯ» В.В. Обуховым, В.М. Ногдасевым и Е.А. Кудловичем.
Прецизионный автоматизированный измеритель теплопроводности ПАИТ разработан совместно с сотрудником ВНИИМ М.Л. Ульпе.
Все модификации многоканального измерителя теплопроводности и теплового сопротивления утвержденного типа ИТ-2, на основе которых построены современные системы измерений теплового сопротивления СИСТОК, разработаны согласно протоколу о сотрудничестве от 11.07.2002 совместно с сотрудниками ОАО НПП «Эталон» Ю.Ф. Дмитриевым, А.И. Хмыровым и
A.B. Бессоновым.
Результаты исследований стеклопакетов, а также образцов ограждающих конструкций зданий и сооружений в климатических камерах получены совместно с сотрудниками ИЦ «ПКТИ-СтройТЕСТ» Т.В. Суворовой и А.В. Тихомировым и сотрудниками ИЦ «БЛОК» Т.А Дацюк, Ю.Н. Леонтьевой и Т.Х. Меллехом.
Коллегиальность выполнения других работ, на основе которых написана диссертация, учтена в виде соавторства в совместных публикациях.
Основной материал диссертации опубликован в 40 работах, среди которых одна монография, 31 статья, 8 тезисов докладов. Новизну разработок подтверждают 3 патента РФ. Из всех работ 20 — без соавторов.
Структура и объем диссертации
